管腔式变压器事故油池设计

2021-09-13赵世海

水利水电快报 2021年8期

赵世海

摘要：为了解决目前多数电站事故油池结构复杂、施工不便、安全性能不高等问题，介绍了一种新型管腔式变压器事故油池，该事故油池由一个腔体和一根管道组成，正常运行情况下只需保证池内有水且淹没管底一定高程即可。对事故油池的工作原理、设计和计算方法以及注意事项进行了详细描述。新型管腔式变压器事故油池可用于解决现有事故油池结构复杂、占地面积大的问题，节约了资源和费用，且结构简单、便于推广应用。

关键词：变压器事故油池;管腔式;油水分离;水电站

中图法分类号：TM41文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.08.009

文章编号：1006 - 0081（2021）08 - 0044 - 04

0 引言

大中型油浸式变压器绝缘与导热性能好，能够解决大容量变压器散热和高电压绝缘问题，且投资经济、维护简便，运行时对环境要求低，得以广泛应用[1]。但当设备出现极端故障时，可能会造成变压器油的溢出。早期系统设计时一般将油排入事故油池，较少考虑设置排水和油水分离措施，特别是露天布置的变压器，会因为平时的大雨或暴雨导致事故油池充满雨水，如果这些雨水不能及时排出，一旦变压器发生事故排油，变压器油将无法进入油池而溢出，从而间接排入河流，将对河流造成严重污染。因此，设置油水分离功能排水设施的事故油池十分必要。

李辉等[2]利用数值模拟研究了事故油池油水分离性能，发现目前事故油池的重力隔油法只能初步实现浮油与水的分离，水中仍含有可溶油，也会随水外排。因此采用了一种油水分离器设备，对事故排油进一步处理，从而達到更好水油分离效果。郭增辉等[3]通过设置廊道及隔板等对油池进行构造优化设计，并安装自动排水装置，以提高油水分离效率，从而减少因废油排放引起的污染。但以往设置具有油水分离功能排水设施的事故油池，一般需要额外增加设备，加大项目投资，还存在结构设计复杂、施工难度较大等问题。因此，本文提出了管腔式事故油池结构设计，对比分析了管腔式结构的优势，阐述了该结构设计的详细计算过程，旨在简化施工方案，节省工程投资。

1 事故油池型式

1.1 三腔式结构

目前，已建变压器事故油池多为两腔或三腔结构，下面选择现有电站常见的三腔结构事故油池与本文设计的事故油池进行比较。常见的事故油池结构如图1所示。

正常运行时，A腔与B腔需有一定水量，淹没下部连通孔一定高度，B腔右侧墙体高度低于左侧墙体。当变压器事故排油时，油和水在B腔充分沉淀，由于油水比重不同，且不溶于水，因此油会慢慢进入C腔，水会从A腔排水口排出[3]。

对于户外变压器，当有长时间强降雨发生时，雨水会进入事故油池。当B腔的进水量大于A腔的排水量时，C腔就会充满雨水，从而没有足够空间容纳变压器事故排油，详细情况如图2所示。

考虑到最不利工况，当C腔雨水没有及时排出，而此时又正好发生变压器事故，那么变压器绝缘油将会通过排水管，流入下游河流，对河流造成污染，如图3所示。

当事故排油工况达到最终平衡后，事故油池状态如图4所示。

由此可见，该事故油池方案在极端工况下并不安全，存在一定环保隐患。

1.2 管腔式结构

为避免不利情况的发生，进一步优化事故油池结构，根据工程经验及相关总结，本文设计的事故油池为管腔式，如图5所示。

由图5可以看出：该事故油池只有一个腔体和一根管道组成，正常运行情况下只需保证池内有水且淹没管底一定高程即可。如果为室内事故油池，可以在变压器运行之前，提前向池内注入要求水量;如果为户外事故油池，在工程建设期由于降水，腔体内基本可以保证具有安全运行的水位。当变压器有事故发生时，事故油池运行状态见图6。

由图6可以看出：当事故排油时，由于腔体内原本就有一定清水，油混水通过进水口进入腔体后，因油水比重不同，油会慢慢浮于水的上表面，收集于腔体之内，而分离后的清水则会通过排水口向下游排出。达到平衡后，油池最终状态如图7所示。

比较以上两种事故油池方案可以看出：管腔式事故油池结构简单，节省油池占地面积与体积，节约大量资源及费用，且更加安全可靠，便于推广利用。

2 事故油池设计及计算方法

2.1 事故油池有效容积确定

根据GB50872-2014《水电工程设计防火规范》规定：当设有水喷雾、细水雾灭火设施时，公共事故油池容积按最大一台充油设备的全部油量和灭火水量之和确定。当公共事故油池内设有油水分离设施时，容积按最大一台充油设备的100%油量确定。该规范中提及的事故油池容积，即为满足事故排油时最低要求的有效容积。在设计时事故油池总容积要大于有效容积，现场有条件的可以适当加大事故油池的有效容积[4]。

根据规范和工程经验，事故油池有效容积按下列3种情况计算[5]：

（1）室内主变且无水喷雾系统，其主变事故油池的有效容积一般按单台主变的总油量进行设计。

（2）主变设置细水喷雾系统，其主变事故油池的有效容积一般按单台主变的总油量加上喷雾水量进行设计。

（3）对于室内主变设置普通水喷雾系统，如果供水采用消防水池（无连续补水设施），则主变事故油池的有效容积一般按单台主变的总油量加上水池的有效容积进行设计。

2.2 事故油池排水设计

对于室内主变设置普通水喷雾系统，如果供水采用消防水池（有连续补水设施），或者水源取自水库，则事故油池应设置油水分离和排水设施[6]。

当变压器布置在室外时，如果遇到长时间的大雨，事故油池若没有排水设施，油池可能会被雨水灌满或溢出，这种情况下也应设置排水措施[7]。

2.3 事故油池相关参数计算

2.3.1 平面尺寸确定

根据现场地形，初步确定事故油池可能的平面尺寸，然后根据高度计算或开挖深度限制进行必要调整。

2.3.2 深度（高度）尺寸确定

深度（高度）相关尺寸见图8。

（1）h1、h2计算。如图8所示：根据事故油池的平面尺寸和一台主变油的总体积，可利用式（1）和式（2）计算出油池中油的高度（h1+h2）和水的高度（h1），即排水管底部的安装高程[8]。

式中：V为主变油的总体积， m3;S为事故油池的平面净面积， m2;ρoil为主变油的密度，约0.895 t/m3;ρwater为水的密度，取1.0 t/m3。

（2）h3计算。事故油池排水管能否顺利排出，主要取决于压差（h2+h3），因此，可用式（3）计算[9-10]。

式中：[∑ξ]为事故油池排水管总阻力损失系数（包括沿程损失系数与局部损失系数）;v为管道内水的流速， m/s;g为重力加速度， m/s2。

根据式（3），由于流量已经确定（流量取主变消防供水泵流量），如果管径已经确定，可计算出高度h3，如果给定h3，则可以计算出排水管的最小内径。

（3）h4计算。主变油坑内的油水能否顺利进入事故油池，主要取决于压差h4，因此，可用式（4）计算：

根据式（4），由于流量已经确定（流量取主变消防供水泵流量），如果管径已经确定，可计算出高度h4，如果给定h4，则可以计算出排水管的最小内径。

（4）h0计算。h0为油水分界面距离排水管进口的安全高度，没有特别规定，建议采用800 mm，但最好不小于500 mm。

以上为管腔式油池方案相关尺寸计算，可据此对事故油池进行详细设计。

3 事故油池设计注意事项

（1）根据GB50872-2014《水电工程设计防火规范》规定：公共事故油池应设置排油、排水设施。为便于检修，事故油池需要设进人孔及活动盖板，以方便工作人员抽取废油和下井检修，一般配置移动式潜水泵进行抽排。进人孔要高出地面并设有通气管，进人口的宽度应设置合理，方便检修人员操作。事故油池内部应设供检修人员上下进出的检修钢爬梯[11]。

（2）事故油池的总容积，应保证所有的事故油排入池中后，仍有一定高度的水面。

（3）因为该种事故油池只有一个腔体，油和水分离路径较短，以防止事故排油时，发生流态紊乱，油和水不能彻底分离，油随水流排出池外而污染环境。变压器投入运行前，需检查油池底部是否具有正常运行水位，最好采用高水位，且将排水（油）口淹没一定深度[12]。

（4）变压器油坑排水（油）管出水口最好向上布置，位置应尽量远离事故油坑排水管进口位置，最好对角线布置，以增加油水分离的时间。

（5）多台变压器共用1个事故油池时，应注意各进油管标高，以防止发生倒灌现象。

（6）事故油池排水管出口为淹没出流，则应在排水管顶部设置通气管，以免形成虹吸现象，把废油排到河道，污染河流。

（7）对于室外事故油池，排水可结合电站的站区排水系统综合考虑。

（8）对于具有自流条件，但有开挖深度限制的事故油池，尽可能减小腔内储水空间，根据现场实际情况，只对事故油池局部进行深挖即可。

（9）对于没有自流条件，不方便排入河流的情况，可以不设置排水管，但需设置两个腔体，变压器事故排油后用潜水泵排出多余积水，详细结构见图9，具体计算过程与管腔式事故油池相同。

4 结语

事故油池是水电站内的重要建筑物之一。在工程设计中，合理选择满足规范要求变压器油容量的事故油池，是设计关键。容量选择过大，增加了工程建设的投资，造成资源的浪费，不经济;容量选择过小，不能完全容纳事故排油，运行安全得不到保障，且极易造成环境污染。

参考文献：

[1] 徐望真，何峻，胡旭，等. 水电站事故油池改进与应用初探[J]. 水电站机电技术，2016， 39（增2）：70-72.