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變壓器是電力系統最為常用的設備之一，也是極為常見的電力設備，無論是工業也是民用，都離不開變壓器在其中發揮的極其重要的作用，正因為如此，變壓器的安全成為了電氣專家克難公關的一個主要課題。

　　1 變壓器安全的故障的主要原因

　　從目前我國廣為使用的變壓器來看，大多數停留在上世紀末的研發水平，其安全性能還不能令人高枕無憂，一般來說，變壓器的保護主要電流速斷、差動保護等電氣型的繼電保護，但實踐證明，次來保護對變壓器內部故障反映相當遲鈍，主要原因在于變壓器內部出現的故障基本上都是從短路尤其是匝間短路引發的，一旦短路事情發生，瞬間的電流非常強大，不過由于其傳遞到線線電流的并不能得到同步反映或者有效放大，因此，難以被發現，直到多多匝短路或者接地短路時，才會自動切斷電源，但此時往往內部損傷很大。從變壓器的構成結構分析，變壓器保護的水平和性能主要取決于內部的瓦斯繼電器，這個繼電器是主動性的，它著設計上賦予了及時切斷電源的功能，但因為瓦斯繼電器的靈敏度被流速所制約，若達不到相應的整定值，就不會發生保護動作。變壓器還設有安全氣道――壓力釋放閥門，這個裝置的主要功能是保護變壓器主油箱保證正常形態，一旦變壓器內部發生問題時，變壓器的主油箱內的壓力隨之升高，瓦斯繼電器中的油也會同時流動。上世紀八十年代前設計的變壓器，其的流速整定交由機電設備專業人員進行設定，而壓力釋放閥門卻又是交由設計人員把握，兩者互相之間缺乏更加科學或者完善的溝通或者交流，勢必會造成各自為政，繼電專業從業人員難以完全顧及到壓力釋放閥門是否比瓦斯繼電器的反映要早，瓦斯繼電器是否能真正在瞬間能隨之動作，作為設計人員，也可能對瓦斯繼電器和壓力釋放閥門的聯動缺乏深入的研究。

　　2 瓦斯繼電器整定值計算

　　變壓器內放置了大量的變壓器油，變壓器油石油的一種分餾產物，它的主要成分是烷烴，環烷族飽和烴，芳香族不飽和烴等化合物。俗稱方棚油，淺黃色透明液體，相對密度0.895。凝固點<-45℃。變壓器油作用是多方面的，但絕緣、冷卻和消弧作用是主要功能，當變壓器內部發生電弧時，出現故障點局部就會產生高溫，變壓器油被高溫電弧激活氣化，分解為高分子的體，一般為烴類氣體，氣體的主要成分為氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，其中含量最高的尾乙炔氣體，往往占有率超過75%，由于油本身就是有機溶劑，所以，部分氣體是可以溶解到油中，但當產生氣體的速度快于氣體溶解于油的速度，就會在發生故障的局部形成氣泡，氣泡的體質比油要大，大體積的氣泡勢必會擠占油的空間，可見，在產生故障時，故障點產生的氣體和瓦斯繼電器中油的流動應該是同步發生的，多少氣體的產生會增大一定體質的空間，被擠占的空間中的有就流向儲油罐，也就是說，產氣的速率大少制約著通過瓦斯繼電器油的流速，而電弧的功率越大，則產氣的速率自然也越大。因此，要盡可能低控制變壓器內部的故障發生的概率，就是要求得最少的流速整定值，將流速整定值少于最低故障概率下的產氣速率。真如以上所述那樣，變壓器的故障往往都是有一匝短路引起的，而一匝短路的原因十分復雜，如電弧路徑問題、線圈大小形狀、電弧電阻大小、匝間電壓高低等因素，要精確計算非常困難，鑒于此，本文采用反推的計算方法，對整定流速進行計算。傳統變壓器的整流流速處于0.7―1.3m/s，這里我們取用0.9m/s進行反推。

　　設油流速：V=1m/s=100cm/s；

　　瓦斯繼電器管道直徑：D=8cm；

　　管道截面：50cm2

　　油的體積流速：R=S×V=52×90=5000cm2/s=5L/s；

　　計算結果就是產氣速率為每秒五升。

　　通過查找變壓器相關資料可知，變壓器內油要氣化為烴類氣體必須要達到一定的能力供應，一般乙炔的臨界點為850kJ/mol，其他烴類的氣化點為450kJ/mol，由于變壓器氣體中乙炔占有主要，大概超過75%，所以在計算中，加權的氣體氣化臨界點為780kJ/mol。

　　那么，每秒5升的產氣需要的能量為：

　　這個數值大小相當于5臺大功率（35KW）電機同時作業產生的能量，鐵的溶解熱170kJ/kg，這個能量就相當于在在一秒鐘內就可以將170/174克鐵融化掉，若是這個能量在變壓器內持續的時間達到幾秒鐘，那么對變壓器的破壞難以估量。從發生故障的變壓器事后拆解分析，當瓦斯繼電器發生的動作時，變壓器內部的損壞早已超出人們想象的程度，往往是很多匝發生了短路，即便是靈敏度非常高的傳統變壓器，哪怕其反應時間在1秒鐘以內，瓦斯繼電器不發生動作，那么至少都會有超過一匝以上的點被擊穿。

　　3 壓力釋放閥門整定值計算

　　幾乎在運行中的變壓器都裝有壓力釋放閥，作為變壓器非電量保護的安全裝置，壓力釋放閥是用來保護油浸電氣設備的。即在變壓器油箱內部發生故障時，油箱內的油被分解、氣化，產生大量氣體，油箱內壓力急劇升高，此壓力如不及時釋放，將造成變壓器油箱變形、甚至爆裂。安裝了壓力釋放閥，就使變壓器在油箱內部發生故障、壓力升高到壓力釋放閥的開啟壓力時，壓力釋放閥在2ms內迅速開啟，使變壓器油箱內的壓力很快降低。

　　當壓力釋放閥內部發生故障時，就會產生一定的氣泡，氣泡擠壓空間導致主油箱的壓力隨之上升，這個數值大小十分關鍵，按照流體力學通行的計算方式，主油箱的壓力大小由四個方面的因素決定：

　　（1）受主油箱的和儲油箱之間的通道阻力影響。從傳統變壓器的設計分析，一般都有幾個直角的彎頭，有幾個直線通道，在主油箱和管道之間有縮放口，從管道到儲油箱也有縮放口。

　　（2）儲油箱都裝有橡皮油囊，橡皮的彈性會產生儲油阻力。

　　（3）變壓器呼吸器向環境釋放氣體也有阻力。

　　（4）儲油箱和主油箱之間的油位差壓力。

　　現設油流速：V=100cm/s；

　　管道直徑：D=8cm；

　　設存在兩個直角轉彎，幾段直管，兩者之和：L=190cm；

　　凈油位差：H=160cm；

　　為了計算的方便，本次計算中變壓器呼吸器的設定為與外界隔絕，也就是呼吸器失去作用。而儲油箱中的橡皮油囊當做是可以調節的容器，由于其調節的幅度非常之小，其變化的空間也忽略不計。則以油柱計為計算指標的阻力大小為：

　　式中：t1――主油箱到輸油管之間的阻力系數，取0.6；

　　t2――輸油管到儲油箱之間的阻力系數，取1.1；

　　t3――輸油管中直角彎頭的阻力系數。取0.2；

　　V――油的流速，取100cm/；

　　H――主油箱和儲油箱的油位差，取150cm；

　　L――輸油管直線管道的阻力系數，取決于油的粘度，查表取值5.2cm；

　　則

　　可以算出升壓力為：

　　由此可見，由于主油箱的強度取材和設計的存在著差異，壓力釋放閥門生產企業的設計也無法形成固定的標準和一致的參數，通過以上數值定量化計算，壓力釋放閥門的動作值必須要大大小于最低的油壓流動阻力，但不能與升壓力有較大的差距，從國內已經使用的壓力釋放閥門來看，一般都是在10-55看一般都是kPa之間，我們不難發現，一旦瓦斯繼電器的整定流速為90cm/s，當變壓器主油箱因為電弧等因素影響導致氣化升壓，壓力超過15.1kPa時，瓦斯繼電器才會有反應，若壓力釋放閥門能在11kPa時就發生動作，那么變壓器的主油箱內的氣壓就會得到有效的控制，不會連續攀升，壓力達不到臨界操作點，瓦斯繼電器就不會有反應，瓦斯繼電器擋板結構圖見圖1，所以瓦斯繼電器的整定流速和壓力釋放閥門發生動作的設定值之間有著非常密切的因果關系，這就要求在設計變壓器時，必須考慮壓力釋放的途徑已經和瓦斯繼電器互相關聯的作用。

　　4 結語

　　通過以上的分析可知，在設計變壓器時，要注意以下兩個方面：

　　（1）瓦斯繼電器的流速整定值應該越小也好。因為變壓器在發生突發故障時，我們總希望能把故障的損傷降低到最低的限度，從以上分析計算可知，只有當瓦斯繼電器的流速整定值達到下限，才能提供足夠的安全保護作用，之所以還設定下限，是因為還要考慮地震等外界突發災害性事件，參照世界上先進的變壓器設計方案，一般來說在選取整定值下限時，都是以地震災害為考量，地震強度達到7度的，最佳的整定流速設定為0.3m/s；地震強度達到8度的，建議設定整定流速0.4m/s；當地震強度超過9度時，可以將整定流速再提高一個千分點，地震強度再加大時，要加大相應的安全系數，油管越大，流速相對可以取小點，油管越少流速必須相應取大數。

　　（2）將壓力釋放閥的動作效果接近于電流全斷。從計算可知，當引發變壓器故障的能量達到174KPa時，主油箱的壓力為15.1KPAa，如果在設計壓力釋放閥門的動作臨界點的值不對，后果也是非常嚴重的，比如將壓力釋放閥門的動作設定為40kPa，要滿足這個條件，等于是變壓器內發生了極其嚴重的故障，若已經發生了極其嚴重的故障，再動作勢必時與事無補，因此，要科學設定臨界參數，一旦發生此類事件，必須跳閘動作完全切斷電源。

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