当变压器内部因电弧故障使绝缘液汽化膨胀时，就会发生油箱破裂。这会导致变压器油箱内的压力增大。电弧故障的位置、持续时间和大小对变压器油箱内压力升高的大小有很大的影响。内部电弧故障产生的压力波的动态放大作用在油箱破裂中也起着非常重要的作用。内部电弧故障的动态作用可导致非常高且短暂的局部高压，比气体膨胀引起的持续时间较长的静态高压要高出很多数量级。

　　现有的IEEE标准仅提供了关于如何在正常工作条件下和现场真空注油条件下变压器油箱结构的指导。该标准不涉及异常情况，如内部电弧。

　　从理论上讲，变压器油箱可以承受由内部电弧更坏的故障产生的压力。但是，这样会使变压器油箱变成压力容器。由于并非所有的内部电弧故障都是高能故障，因此，若对变压器油箱进行小的改进可以显著提高油箱的强度，则无需将变压器油箱变成压力容器。这些改进将提高油箱承受低能量电弧故障的能力。

　　减压装置在保护变压器油箱免受低能量电弧故障的影响方面一直被证明是有效的；然而，装有减压装置的变压器仍然会发生破裂。这表明这些装置可能不适用于高能电弧故障。电弧故障的位置也是一个关键因素。1958年通用电气公司进行的一项试验说明了这一点，一台顶部可打开的变压器，在变压器油箱底部附近发生电弧故障时，油箱破裂了。

　　一种新的减压装置已经开发出来，经过测试，表明能够保护高达20MVA的变压器免受能量高达2.4MJ的内部电弧故障的影响。这种新装置由一个巨大的爆破片组成，该爆破片安装在变压器油箱壁上，并可将内部电弧故障产生的油和气排放到一个单独的容器中。设计中还包括其他预防措施，如关闭阀，防止储油柜中的油流入变压器油箱，氮气注入变压器油箱，以减少产生爆炸性环境和火灾的风险。本产品适用于1000MVA甚至更大的变压器。

　　讨论了改进电气保护以减少内部电弧故障的切断时间，从而降低电弧能量以及减小允许故障电流的方法。这些方法是从电气的角度而不是从机械的角度来解决变压器油箱破裂和缓解问题的。

　　魁北克水电公司开发了一种变压器油箱耐受压力公式，该公式已作为新变压器规格的一部分。该公式考虑了变压器可能遇到的故障级别、变压器的大小以及内部电弧故障的动态影响。魁北克水电公司发现，变压器制造商越来越多地参与到这个问题中，将促进新的变压器油箱设计。目前这方面的工作还不多。

　　还讨论了天然酯类绝缘液。结论是，实验室测试不能复制现实运行条件，也不支持这些液体不会因内部电弧故障而汽化的说法。然而，天然酯绝缘油具有非常高的燃点，这是非常有利的。当油箱破裂时这些液体被释放时，较高的着火点降低了发生火灾的可能性。如果被点燃，产生的火焰将更容易控制。天然酯绝缘油的另一个优点是其可生物降解性，减少了油箱破裂对环境的影响。

　　对气体绝缘变压器也进行了讨论。这些变压器中使用的SF6气体是可压缩的；因此，与充油变压器相比，变压器内的压力上升非常低。这使得由于内部电弧导致变压器油箱破裂的可能性非常小。S6F气体也是不可燃的，从火灾的角度来看，这使得变压器本质上更安全。

　　本文的目的是提供所有现有的方法和技术的描述，以防止或减轻变压器油箱破裂。本文不认可任何特定的产品或方法。这取决于变压器业主选择最适合自己的情况的最合适的方法或技术。每一种方法或技术在防止或减轻变压器油箱破裂方面都有各自的优缺点，效果也各不相同。

　　充油变压器内部电弧故障会在变压器油箱内导致压力上升。这是由内部电弧使油蒸发并产生迅速膨胀的气体引起的。压力上升的大小将取决于电弧电流的大小、电弧持续时间和电弧位置。

　　产生内弧的典型原因有匝间故障、换位故障、饼间故障、引线对油箱故障和高压引线故障。这些故障按电弧能量增加的顺序排列。最坏的情况，内部电弧是由高压引线故障引起的。由于绕组的阻抗，绕组内发生的电弧具有较低的电弧电压和较低的电弧电流。

　　对于275kV级变压器高压引线处发生的内部电弧故障，已计算出气体产生率为500ml /kW·s(常压和2000K情况下)。

　　内部电弧故障产生的压力波引起变压器油的运动对油箱承受电弧引起的压力的能力起着重要的作用。这种动态效应导致持续时间很短的非常高的局部超高压力。SERGI对大型油浸式变压器的测试表明，局部压力超过14巴，持续时间小于60毫秒。这些局部压力以25 bar/s到5000 bar/s的速率发展。

　　1991年，美国电力研究所(EPRI)与西屋科技中心、匹兹堡大学和ABB电力输配电公司共同发起了对电力变压器油箱破裂的研究。EPRI项目收集并分析了42例变压器油箱破裂故障的案例历史矩阵，见表1。

　　这些数据是在十年期间(1980-1990年)从22家公司收集的，作为“代表性故障”，通过调查和电话采访，以获得故障的细节，以支持调查的回应。案例历史包括变压器油箱破裂或变形但没有破裂。它们涉及七家变压器制造商产品的故障。

　　该项目的主要目的是了解与内部故障相关的油箱破裂过程。因此，团队检查了参数，如电弧电压、电流，作为时间的函数，以及系统特性。该团队还开发了工具和方法来评估油箱设计的破裂特性。此外，他们还研究了几种油箱设计，通过改变参数来确定油箱破裂的影响。

　　1)历史案例数据证实，电弧能量是油箱破裂的关键参数，变压器设计和应用的差异不是油箱破裂的主要判别因素。

　　2)通过提高油箱的极限破裂压力和油箱的柔韧性，可以提高油箱的故障能量容量。油箱破裂时的压力可以通过局部加强薄弱点来增强，而油箱的灵活性可以通过用一些较小的梁代替大梁来增加(在给定的应力水平下允许更大的挠度)。

　　魁北克水电公司对其735kV输电系统进行了25年的故障统计，记录了175次故障，111次高能电弧。这些导致44个油箱破裂，其中18个导致火灾。这些统计数据如表2所示。

　　统计数据还表明，并非所有的油箱破裂都会导致火灾。高压套管故障引起的油箱破裂是最容易引起火灾的。这种故障模式被魁北克水电公司认为是最坏的情况。

　　魁北克水电公司对电弧能量和油箱破裂以及由此引发火灾的可能性进行了比较(见表3)。对比显示，在700kV电压下，8.5MJ及以上的电弧能量会导致油箱破裂。这与EPRI的调查结果相当，该调查显示，在电弧能量为5MJ或更高时，油箱很可能发生破裂。魁北克水电公司发现，电弧能量与油箱破裂后发生火灾之间没有明显的相关性。

　　IEEE C57.12.00《液浸式配电变压器、电力变压器和调压变压器的通用要求》和IEEE C57.12.10《230及以下变压器的安全要求》是两个标准，讨论了与变压器油箱破裂有关的问题。

　　•在额定条件下，变压器油箱内的最大工作压力不允许超过2.03 bar。否则，油箱必须按照ASME锅炉和压力容器规范的要求建造和处理为压力容器。

　　•绝缘等级为350kV及以上的变压器油箱，以及所有额定10000kVA及以上的变压器，都要求能承受全真空。这是为了适应现场变压器的真空注油。

　　•所有变压器箱上都应有焊接的箱盖。箱盖应该有一定尺寸的手孔或人孔，这取决于检修孔的形状是圆形、矩形还是椭圆形。

　　•如果变压器装有有载分接开关，并且切换分接开关有与绝缘流体直接接触的元件，则这些元件应位于单独的油室中，密封方式应防止油室和主油箱中的变压器油连通。

　　•需要进行设计验证，以证明特定的变压器油箱类型、样式或型号是否足以满足C57.12.00中列出的压力要求。这些设计试验是在有代表性的变压器上进行的，一旦设计得到验证就不必再重复。

　　需要注意的是，C57.12.00和C57.12.10给出了变压器油箱在正常运行时预期能满足的压力要求。它不提供异常情况下的压力要求，如内部电弧故障。

　　矩形油箱的承受压力约为140~210kPa。圆筒形油箱能够承受大于350kPa的高压。这些压力都小于高能量内部电弧故障所产生的压力。

　　构造一个能够抵抗在更糟糕的内部电弧故障(涉及高压引线的电弧故障)期间产生的压力的变压器油箱是有可能的。但是，这种油箱必须是一种压力容器，因此必须接受每个国家管辖机构的检查和测试要求。此外，这样的变压器一些简单的操作，如取油样，仪器和传感器的重装，甚至为防坠落而附加的安全点保护，都将变得更加复杂。一个能抵抗电弧的油箱也会使变压器成本显著增加和溢价。

　　由于并非所有的内部电弧故障都像高压引线处电弧故障的那样严重，因此可以改进变压器油箱的结构，使其能够更好地抵抗较小能量级的内部电弧故障的压力，而不必将油箱变成压力容器。其中一些方法将被描述。

　　在735kV系统发生一系列变压器故障后，魁北克水电公司与ABB公司在1984年至1987年间进行了联合调查。本研究项目的一个发现是，焊接式箱盖比螺栓连接式箱盖更能抵抗油箱的破裂。C57.12.10现在要求在230kV及以下的所有变压器上都要采用焊接的箱盖和箱底。

　　然而，箱盖的焊接边缘是应力最高的区域。这些焊缝的质量和状态对油箱承受内部电弧故障产生的压力的能力至关重要。通常采用全渗透焊接。对这些焊缝进行成形无损检测是确保高质量焊缝存在的好方法。

　　使用拱顶箱盖代替平顶箱盖也能增加变压器箱的强度。拱顶箱盖还有一个额外的优点，即防止水的积聚，从而防止箱盖及其焊缝生锈。

　　加强铁也可用于增加油箱侧壁和箱盖的强度。然而，应该理解的是，这些支架末端的焊缝是高应力区域，这些焊缝应该是高质量的，以避免损害油箱的强度。也可以通过安装另一个垂直于加强铁的支撑来减轻加强铁末端的应力(见图2)。

　　如果在箱盖上开有手孔或人孔，则应仔细评估这些开口的大小和位置，以确保这些开口不会降低箱盖的强度。这些开口可能需要加强，也可以对箱盖进行支撑，以补偿由于这些开口造成的强度降低(见图3)。

　　油箱壁接缝的焊接方法对油箱的强度也有重要影响。焊接的接头所产生的应力要高于折弯形成箱壁拐角的单个钢板(见图4)。因此，与将四块钢板焊接在一起形成油箱壁相比，通过钢板折弯形成油箱壁并进行一次焊接的结构，可以构造更坚固的油箱。然而，根据油箱的大小，用一块钢板形成油箱壁可能是不现实的。

　　带储油柜变压器油箱中的空气空间，也可用来提供一种吸收内部电弧故障期间的一些压力上升的手段。这将要求储油柜和主油箱之间的连接管道的尺寸和长度具有一定的大小。一般来说，截面积大的短管(直径约500~1000mm)是最有效的。储油柜内的空气空间也需要足够大以吸收压力上升。

　　虽然通常认为制造一个能够抵抗内部电弧故障最坏情况的变压器油箱成本过高，而且不切实际，但仍应鼓励变压器制造商考虑新的油箱设计，以提高其抗电弧能力。这是因为当所有其他缓解和预防破裂的方法都失效时，油箱设计至关重要。为了鼓励这一点，魁北克水电公司开发了一个公式，规定了变压器油箱压力承受能力。

　　包括耐受压力公式作为变压器规格的一部分，将激发新的和创新的油箱设计概念，如双层箱壁设计或其他类似的概念。目前在这方面的工作很少。

　　目前的油箱设计在700kV时可抑制高达10兆焦耳的内部电弧能量，在230kV时可承受15000MVA的短路容量。

　　缓解因内部电弧故障引起的变压器油箱内部压力有助于防止油箱破裂。早期的减压装置由位于“鹅颈”末端的爆破片组成(鹅颈是垂直的管道，弯曲的一端连接到主油箱上——见图6)。

　　这些早期减压装置的问题在于鹅颈的长度，这可能会引入反压力，从而阻止爆破片的工作，而且在爆破片工作后，变压器油箱相当于是敞开的。

　　为了解决这些问。