國網(wǎng)甘肅省電力公司檢修公司 劉義德 衛(wèi)永鵬 張 鑫 張建軍 孫世耀

油浸式電力變壓器儲油柜膠囊破損在線巡檢裝置的開發(fā)

國網(wǎng)甘肅省電力公司檢修公司 劉義德 衛(wèi)永鵬 張 鑫 張建軍 孫世耀

1.前言

大型電力變壓器是輸變電工程中的核心設(shè)備，屬于大型充油設(shè)備。而變壓器儲油柜用膠囊，是普遍應(yīng)用在變壓器上的常規(guī)保護裝置，其作用是確保變壓器油與空氣隔絕從而避免絕緣油氧化等問題，設(shè)備運行中要求膠囊具備良好的長期可靠密封性能，即不滲油、不漏水，從而保證變壓器的正常運行，提高設(shè)備使用壽命。但實際使用過程中，儲油柜中膠囊常會因為安裝質(zhì)量、運行老化磨損、油處理操作等原因出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。近年來，國內(nèi)直流輸電工程中也多次出現(xiàn)換流變壓器儲油柜膠囊破裂而影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的事故。當(dāng)前市場上所用的變壓器儲油柜膠囊，在其發(fā)生破裂滲漏或膠囊內(nèi)結(jié)露積水時，無法判斷其已經(jīng)發(fā)生破裂或積水，只有當(dāng)變壓器油受潮，變壓器運行異常跳閘，將儲油柜膠囊從儲油柜中拆除，才能發(fā)現(xiàn)膠囊破裂滲漏或積水，但為時已晚。

一般來說，儲油柜膠囊破裂的原因有以下幾種：

（1）膠囊本身質(zhì)量問題導(dǎo)致運行中破損；

（2）膠囊材料在使用中老化，從而導(dǎo)致破裂；

（3）變壓器內(nèi)部故障產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致壓力超過膠囊的承受能力而使膠囊破裂；

（4）安裝過程中操作不當(dāng)使膠囊破裂。

隨著輸變電行業(yè)的發(fā)展，對儲油柜用膠囊破裂、滲漏或積水的檢測是急需要解決的問題，本文旨在開發(fā)一套基于光學(xué)傳感器用于監(jiān)測變壓器儲油柜膠囊破損的便攜式巡檢裝置。

圖1 膠囊式儲油柜加裝CPR繼電器的結(jié)構(gòu)示意圖

2.現(xiàn)有變壓器儲油柜膠囊破損監(jiān)測裝置現(xiàn)狀

目前國內(nèi)較少有專用針對變壓器儲油柜內(nèi)膠囊、隔膜破損泄露的專用在線檢測裝置，意大利Cedaspe公司開發(fā)的CPR系列繼電器產(chǎn)品，該類型繼電器安裝在儲油柜上，當(dāng)膠囊破損時空氣進入儲油柜內(nèi)部，隨后匯集到上部的CPR繼電器中，當(dāng)氣體達(dá)到一定容積后，浮子滾動繼而發(fā)出報警信號（基本結(jié)構(gòu)如圖1所示）。該浮子式繼電裝置僅能夠?qū)δz囊是否破損存在給出干接點信后，而無法對破損后油的泄露量以及泄露不均等問題給出解決方案。目前該類產(chǎn)品僅在海外配套項目上有少量應(yīng)用，國內(nèi)尚無應(yīng)用案例。

當(dāng)前國內(nèi)直流輸電工程中部分換流變壓器裝有儲油柜膠囊在線監(jiān)測裝置，其原理是采用電容式薄膜電容傳感器實現(xiàn)膠囊泄漏監(jiān)測，此類監(jiān)測裝置可靠性、靈敏性較差，在實際使用過程中出現(xiàn)過監(jiān)測裝置拒動現(xiàn)象。其工作原理為監(jiān)測探頭透過膠囊安裝蓋板處插入膠囊內(nèi)部，探頭與膠囊之間構(gòu)成一個電容。儲油柜膠囊未破損時，探頭處于空氣中，測量到的是一個小數(shù)值的初始電容值C1；儲油柜膠囊破損時，膠囊內(nèi)部有絕緣油注入，電容值將隨探頭被油所覆蓋區(qū)域面積的增加而增大達(dá)到C2。當(dāng)電容值C2與電容值C1差值△c達(dá)到定值后，監(jiān)測裝置會提供一個硬接點報警信號給運維人員后臺監(jiān)控系統(tǒng)，后臺監(jiān)控系統(tǒng)會發(fā)出“儲油柜膠囊泄漏”報警信號。

本文開發(fā)的儲油柜膠囊破損監(jiān)測裝置采用基于光反射原理的光電式泄露傳感器，通過安裝在膠囊內(nèi)部的光電傳感器中LED發(fā)射的光被光學(xué)接收器接收而不發(fā)出信號；而當(dāng)膠囊破損時，光電傳感器中LED發(fā)射的光部分被變壓器油發(fā)散、吸收，進而導(dǎo)致傳感器接收的光信號強度降低，導(dǎo)致耦合電路失衡并發(fā)出報警信號，這樣的檢測方式目前在國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)應(yīng)用。

3.新型變壓器儲油柜膠囊破損巡檢裝置的研制

針對現(xiàn)有技術(shù)中尚沒有解決對儲油柜用膠囊破裂、滲漏或積水的檢測這一缺陷，為解決上述技術(shù)問題，本項目采用的技術(shù)方案是開發(fā)一套變壓器儲油柜專用膠囊破損便攜式巡檢檢測裝置。

圖2 光電式膠囊破損監(jiān)測系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

從現(xiàn)有各類傳感器的長期穩(wěn)定性角度出發(fā)，并結(jié)合絕緣油對紅外光譜的折射與吸收特性，本次研究采用光電式傳感器實現(xiàn)膠囊破損、漏氣的在線檢測，并組合檢測裝置與保護繼電器。傳感器安裝于膠囊內(nèi)部，控制單元及保護繼電器安裝于就地控制柜內(nèi)。其基本工作原理是基于空氣與油對光反射與透射的差異性實現(xiàn)油液泄露的有效檢出。當(dāng)膠囊完好時，安裝在膠囊底部的光電傳感器中LED發(fā)射的窄帶光譜全部被光學(xué)探測器接收，不發(fā)出信號。而當(dāng)膠囊破損時，光電傳感器中LED發(fā)射的光部分被變壓器絕緣油發(fā)散、吸收，此時光學(xué)接收器接收的光強度降低，導(dǎo)致耦合電路發(fā)出報警信號以及4-20mA模擬量信號，并與泄露油量成正比關(guān)系。整套監(jiān)測裝置探頭部分封閉安裝于儲油柜用膠囊內(nèi)部，將專用耐油光電式傳感器置于膠囊的最低點，傳感器屬于光電接近式流體傳感器，對接近傳感器頭部20mm范圍內(nèi)的所有流體產(chǎn)生電信號反應(yīng)?？紤]到油的特性，傳感器需垂直部署在油膜上方，距油面的距離應(yīng)在20mm以上，當(dāng)有油漏出來后流經(jīng)傳感器下方時，傳感器會返回報警信號。該傳感器浸入油中仍可工作，對瞬間爆發(fā)的大規(guī)模漏油也能識別。整套監(jiān)測裝置基本結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

3.1 膠囊破損監(jiān)測光學(xué)傳感器

采用光學(xué)原理的變壓器膠囊泄漏監(jiān)測裝置是基于絕緣油對紅外光的吸收與散射原理，進而實現(xiàn)對儲油柜內(nèi)部是否有絕緣油進入進行判斷，進而作出儲油柜膠囊是否破裂的判別。

光學(xué)式變壓器油膠囊泄漏監(jiān)測裝置工作原理如圖3所示，該裝置具有紅外光源、光電二極管、鏤空金屬耐油探頭、探頭全反射棱鏡、一根發(fā)射光纖和一根收信光纖的監(jiān)測探頭被安放在變壓器儲油柜膠囊底部。儲油柜膠囊未破裂時，無變壓器絕緣油通過圖3中探頭鏤空外壁進入探頭內(nèi)部。泄漏探測裝置持續(xù)發(fā)出的紅外LED信號在探頭內(nèi)不會經(jīng)過油面折射，紅外光信號直接通過探頭全反射棱鏡鏡面發(fā)生反射，反射回來的紅外光信號通過接收光纖返回至泄漏探測裝置。泄漏探測裝置檢測到回饋的紅外信號，不發(fā)出變壓器儲油柜膠囊破裂報警；而如果儲油柜膠囊破裂初期，少量的變壓器絕緣油進入儲油柜膠囊，絕緣油通過探頭鏤空外壁進入探頭內(nèi)部。泄漏探測裝置持續(xù)發(fā)出的紅外光信號在探頭內(nèi)會經(jīng)過油面折射與散射，光信號無法通過全反射棱鏡鏡面發(fā)生反射，泄漏探測裝置僅檢測到微弱的紅外光信號，進而發(fā)出變壓器儲油柜膠囊破裂報警信號。

相較于原有的電容值測量原理泄漏監(jiān)測裝置，光學(xué)原理變壓器儲油柜膠囊泄漏監(jiān)測裝置實現(xiàn)手段簡單、原理可靠，而且可以實現(xiàn)故障的早期診斷，為運維人員采取緊急處理措施爭取了時間。

圖3 膠囊破損監(jiān)測光學(xué)傳感器基本結(jié)構(gòu)

3.2 膠囊破損便攜式巡檢裝置

本項目開發(fā)的變壓器儲油柜及膠囊泄漏檢測裝置適用于各類電力變壓器、電抗器中用于儲油柜及膠囊的破裂漏油便攜式檢測裝置。便攜式主機用于變壓器膠囊破損的日常巡檢，從變壓器儲油柜上部的膠囊破損傳感器接線盒處獲得傳感器信號，其主要實現(xiàn)功能包括：

（1）便攜式主機負(fù)責(zé)采集每臺變壓器膠囊破損傳感器返回的電信號，用于數(shù)據(jù)記錄、導(dǎo)出、趨勢分析等基本功能，并在檢測到油泄漏故障后提供報警信號；

（2）根據(jù)選擇傳感器的不同，處理信號的方式也不同。開關(guān)量多用電壓比較器的方式處理，模擬量多用A/D轉(zhuǎn)換的方式處理；

（3）輸出報警信號既可以是模擬電壓、電流信號，也可通過通用串行接口(RS232/RS485/ USB等)發(fā)送數(shù)字信號；

（4）支持多點數(shù)據(jù)下載，用戶數(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽?/p>

（5）外觀和防護等級可以根據(jù)需現(xiàn)場不同的安裝方式定制。

通過變壓器儲油柜上安裝的專用法蘭連接器將內(nèi)置的膠囊破損光學(xué)傳感器信號傳輸至變壓器外部端子箱，整套裝置的安裝示意圖如圖4所示：

圖4 便攜式變壓器膠囊破損巡檢裝置結(jié)構(gòu)示意圖

參照此圖安裝完畢后即可連接便攜式膠囊破損在線檢測裝置主機，上電后膠囊破損在線檢測裝置會對硬件各部分工作狀態(tài)進行快速檢查，膠囊破損在線檢測裝置正常工作后，若檢測到油泄漏，用戶可通過以下方式獲得警報信號：

（1）膠囊破損在線檢測裝置主機會返回信號給傳感器上的指示燈，使紅色LED燈變亮。

（2）膠囊破損在線檢測裝置主機接到傳感器的信號后，開始數(shù)據(jù)下載功能，數(shù)據(jù)下載后可根據(jù)信號強度對可能存在的泄露情況進行趨勢及圖表分析。

（3）膠囊破損在線檢測裝置主機提供返回信號，由膠囊破損在線檢測裝置面板上四芯藍(lán)色插頭的2腳和4腳的電位差構(gòu)成，正常情況下電位相差>12V（最大24V），檢測到漏油后2,4兩腳電位差<3V（最小0V）。用戶可以通過接收返回信號進行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4.結(jié)論與建議

結(jié)合現(xiàn)場實際應(yīng)用經(jīng)驗，采用新型膠囊破損光學(xué)傳感器為基礎(chǔ)開發(fā)的便攜式變壓器膠囊破損巡檢裝置，相對與原有的電容值測量原理泄漏監(jiān)測裝置，光學(xué)原理換流變壓器儲油柜膠囊泄漏監(jiān)測裝置實現(xiàn)手段簡單、原理可靠，而且可以實現(xiàn)故障的早期診斷，為運維人員采取緊急處理措施爭取時間，比較適宜推廣應(yīng)用。

[1]孫建平.幾種儲油柜運行情況比較[J].變壓器,2003,40(9):33-35.

[2]丁在興.膠囊式儲油柜的結(jié)構(gòu)改進及安裝調(diào)試[J].變壓器,2004,41(7):80-81.

[3]GB 1094.1-1996.電力變壓器[S].

[4]章瑞慶.換流變儲油柜膠囊氣密性檢測及更換[J].電力與能源,2013,34(6).