當變壓器采用充油運輸方式時(shí)，為了滿(mǎn)足變壓器油熱脹冷縮的要求，變壓器油都不充滿(mǎn)變壓器油箱，一般要求上部留出約200mm的膨脹空間。這個(gè)空間，變壓器制造廠(chǎng)可以抽到很高的真空。然而，受運輸振動(dòng)的影響，這一高真空容易導致大氣通過(guò)變壓器各個(gè)密封部位甚至焊縫進(jìn)入變壓器油箱內部。而大氣的持續進(jìn)入會(huì )導致大氣中的水分進(jìn)入變壓器油中，以至于使變壓器紙絕緣受潮。為了防止這一情況的發(fā)生，總是給這一體積有限的空間充入足夠的高純氮。按照經(jīng)驗，在變壓器出廠(chǎng)前一般要把氮氣充到壓力20kPa。但是，在運輸途中，氮氣壓力常常會(huì )下降。即使如此， 正常情況下，帶油運輸的變壓器，在廠(chǎng)內按要求充好氮氣后，也不再加裝壓力表和補氣裝置，運輸途中不監測氮氣壓力，也不補充氮氣。但是近期有一臺變壓器在運輸途中，對其補充了氮氣，確保氮氣壓力維持在 20 kPa。這樣運輸的變壓器到現場(chǎng)后發(fā)現油箱四壁明顯外鼓。本文依據變壓器油含氣量測試實(shí)踐，并結合簡(jiǎn)單的理論計算，對這一問(wèn)題進(jìn)行了討論分析，希望能給各變壓器制造廠(chǎng)提供參考。
變壓器油的吸氣性
雖然變壓器油的吸氣性因油品不同而異，但在常溫常壓下，大多數變壓器油可以吸收12%的空氣。這個(gè)百分數也就是變壓器油在常溫常壓下的飽和含氣量?！俺爻骸笔莻€(gè)范圍，所以，飽和含氣量是個(gè)大約數。變壓器油對于空氣的 “吸收”，實(shí)質(zhì)上是空氣的各種分子溶解到油中，而不是以氣泡的形式懸浮在油中。在這種情況下，油是溶劑，空氣是溶質(zhì)。那么，在溶解大量的空氣后，油的體積并無(wú)明顯的變化。
“12%”這個(gè)飽和含氣量是指在常溫常壓下（應該是在某確定溫度和壓力下）和變壓器油接觸的空氣壓力始終是常壓，即空氣不因變壓器油的吸收而減壓。這種情況和密閉容器并不相同。所謂“密閉容器”在生產(chǎn)中可能是密封后的變壓器、油罐或者真空凈油機的脫氣室。那么，在密閉容器里，隨著(zhù)油上部空間的氣壓的增減，油的飽和含氣量怎樣變化呢？在生產(chǎn)實(shí)際中，一般是把真空度抽到 10 Pa。而多家多臺真空凈油機的使用實(shí)踐表明，在該真空度下，油的含氣量（即飽和含氣量）大約為0.05%。這樣得到一個(gè)經(jīng)驗點(diǎn)，即（10Pa，0.05%）。
實(shí)際上，前面已經(jīng)有一組數據，就是在常壓101.325Pa下變壓器油的飽和含氣量為12%。在這兩個(gè)點(diǎn)之間，還有無(wú)數個(gè)點(diǎn)。它們的連線(xiàn)可能是一條平滑的曲線(xiàn)，也可能是一條直線(xiàn)。不妨假定其為直線(xiàn)，其形狀如圖1所示。
油箱變形外鼓原因分析
以容量為 400 MV·A、電壓等級為 500 kV 的單相發(fā)電機變壓器為例進(jìn)行分析。
假定該變壓器充油總體積為50m3，上部空間為5 m3。油的初始含氣量一般為2%，也就是說(shuō)，剛開(kāi)始充入的50m3變壓器油中已經(jīng)含有1m3的空氣。根據前述計算，倘若再給這50m3變壓器油補入5m3的氮氣（假定氮氣和空氣相同，并且完全溶解于油中），則變壓器油中的氣體總量即達飽和值12%?？墒?，12%這一飽和狀態(tài)的前提是油上部空間的氮氣壓力為1大氣壓，即101.325Pa。為了保證這一要求，上部5m3的空間還必須充入5m3氮氣。也就是說(shuō)，在真空狀態(tài)充油50m3后，接下來(lái)的上部空間充氮，必須充入10m 的氮氣。一般剛充完氮氣后的壓力表不會(huì )顯示1大氣壓（即表針剛好指零），而應該高于甚至遠遠高于1大氣壓，作業(yè)人員常常是充到工藝守則規定的20kPa。由于從充氮開(kāi)始，氮氣就往油中溶解，這是一個(gè)難以掌握的動(dòng)態(tài)過(guò)程，那么，充到規定的壓力值時(shí)，到底充入了多少立方米的氮氣，人們并無(wú)概念，操作人員記錄的也不是體積數，而是壓力值。
根據直線(xiàn)的兩點(diǎn)式方程，可以求得含氣量 y(%)和壓力 x(kPa)之間的關(guān)系式為
Y=kx+0.048 82 （1）
其中，k=0. 1179 (%/kPa)
根據式（1）可以計算出不同壓力下的油的飽和含氣量。在計算時(shí)，可以考慮高于101.325Pa的情景，依據式（1）可以計算得到一組數據，見(jiàn)表1。
依據兩對數據和假設推算得到的這些數據和客觀(guān)實(shí)際會(huì )有差別，特別是當壓力很低即真空度很高時(shí)更是如此。但是，在下一節會(huì )看到，這對于要討論的問(wèn)題已經(jīng)無(wú)關(guān)重要了,主要是通過(guò)此計算數據可以看出壓力與油中溶解氣體含量的變化趨勢。
根據經(jīng)驗來(lái)看，剛充入的高達20kPa的氮氣壓力不能持久保持。若能持久保持，按照前表1，油中含氣量應該穩定在 14.35%以上。若20kPa壓力雖有所下降，但沒(méi)有下降到“0”(即1大氣壓，亦即101.325Pa)，說(shuō)明油中的含氣量已經(jīng)超過(guò) 12%。在運輸途中，隨著(zhù)顛簸振動(dòng)，氮氣持續向油中溶解。當向南方運輸變壓器時(shí)，氣溫常常是逐漸升高的。而溫度升高恰恰增大了溶解度，變壓器油因此溶解更多的氮氣。那么，表壓沿途必然下降。押運人員持續補壓，相當于堅持把變壓器油的含氣量補到大于14.35%。
那么，變壓器油箱內壓為何會(huì )增大呢？伴隨著(zhù)氣溫升高，變壓器油（液體）本身的體積上升。按照0.0008m3/m3·℃體積膨脹系數計算，假設從北方運到南方氣溫升高20℃，那么，這臺變壓器的50m3的油體積膨脹為50×20×0.000 8=0.8（m3）
這樣隨溫度升高變壓器油的體積有所增加。另外，溶解氮氣到過(guò)飽和的變壓器油，一方面繼續溶解氮氣，另一方面又向上部氣體區域釋放氣體（不僅僅是氮氣， 還有原本含有的氧氣）。實(shí)際上這種不斷變化的動(dòng)態(tài)平衡在運輸途中早已存在。當變壓器油溶解氣體的過(guò)飽和程度持續加劇，以及變壓器油的體積持續膨脹時(shí)，兩者對油箱產(chǎn)生正壓效應，內部正壓超出油箱允許強度，油箱以彈性變形即外鼓減小內壓。當外鼓過(guò)多、持續時(shí)間過(guò)久時(shí)，油箱的的彈性變形成為永久變形，最終導致油箱外鼓變形。
結束語(yǔ)
根據上述分析，對于充油兼充氮運輸變壓器所發(fā)生的油箱外鼓，是因為運輸途中持續補壓充入氮氣過(guò)多所造成的。內壓高一些有利于防止大氣的侵入，但是，和充油兼充氮但途中不補壓的變壓器相比，補壓的必要性十分微弱，只要保證氮氣微正壓即可。
根據各制造廠(chǎng)多年現場(chǎng)安裝經(jīng)驗，即使運輸途中不持續補充氮氣，變壓器在運抵現場(chǎng)后依然有一定的壓力（正壓）存在，很少有完全泄壓（負壓）的情況。變壓器在運輸途中是否會(huì )受潮呢？從理論上說(shuō)，只要變壓器內部處于正壓，大氣侵入的可能性微乎其微，正如自行車(chē)內胎或者工業(yè)場(chǎng)合用水或肥皂水試漏一樣，即使存在漏點(diǎn)，內部氣體噴出鼓泡，外界水分進(jìn)不去，何況，變壓器在工廠(chǎng)內經(jīng)過(guò)嚴格的試漏，運輸途中幾乎不發(fā)生滲漏。
另一方面，充油兼充氮的變壓器，油中溶解了很多氣體，在安裝完工后，一定要把那些氣體脫除。為此，要進(jìn)行抽真空處理。這樣可以避免由于途中偶然受潮帶來(lái)的不良影響。
作為防范，可以加裝壓力表和補氮裝置，甚至可以加裝壓力-真空兩用表，讓押運人員能夠準確觀(guān)察到實(shí)際內壓，如果顯示負壓較大，可以適當補充氮氣，但沒(méi)必要將氮氣壓力維持在出廠(chǎng)規定值。
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