仲維燦，裴 煜，穆 寶，李亮亮

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 油位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1）儲(chǔ)油柜

變壓器儲(chǔ)油柜也稱為“油枕”，安裝于變壓器油箱上部，儲(chǔ)油柜為適應(yīng)變壓器油箱內(nèi)變壓器油的體積變化而設(shè)置的一個(gè)與之相通的容器[1]。

儲(chǔ)油柜是大型油浸式變壓器的重要組成部件，其功能是為變壓器提供補(bǔ)充、存儲(chǔ)變壓器油，變壓器油普遍采用克拉瑪依25號(hào)油。儲(chǔ)油柜包含有載分接開(kāi)關(guān)儲(chǔ)油柜和本體儲(chǔ)油柜，絕大部分變壓器的這兩種儲(chǔ)油柜是分體安裝的[2]，運(yùn)行時(shí)其內(nèi)部絕緣油互不相通，也有安裝于一體的。儲(chǔ)油柜安裝于變壓器油箱的上部，用彎管與變壓器油箱連通，儲(chǔ)油柜的容積一般為變壓器油總量的8%～10%。

儲(chǔ)油柜中變壓器油質(zhì)量的好壞直接影響變壓器的使用壽命，變壓器油的老化過(guò)程及程度與其與空氣相通的時(shí)間有很大的關(guān)系[3]，為了避免儲(chǔ)油柜中的變壓器油與空氣之間的接觸，儲(chǔ)油柜內(nèi)部安裝了一個(gè)耐變壓器油的膠囊。該膠囊耐腐蝕性較強(qiáng)，膠囊內(nèi)的空氣先經(jīng)過(guò)安裝有硅膠的吸濕器后再與外界大氣相通，儲(chǔ)油柜油面上的空間的變化是通過(guò)膠囊的膨脹和收縮來(lái)實(shí)現(xiàn)的[4]。

2）油位監(jiān)測(cè)的必要性

儲(chǔ)油柜的油位是電力變壓器的重要監(jiān)測(cè)參數(shù)之一，大型油浸式變壓器的油位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常是保證變壓器安全運(yùn)行的前提[5]，及時(shí)發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)油柜內(nèi)油位過(guò)低或過(guò)高，并采取相應(yīng)的補(bǔ)油、排油措施對(duì)于確保電力變壓器的安全運(yùn)行具有十分重要的意義[6]。當(dāng)油位過(guò)高時(shí)，可能造成變壓器內(nèi)部油壓增大，同時(shí)壓力釋放閥動(dòng)作，還會(huì)造成溢油。油位過(guò)低時(shí)，在變壓器低負(fù)荷運(yùn)行、變壓器停用或天氣寒冷的環(huán)境時(shí)，油位還會(huì)持續(xù)降低。當(dāng)變壓器內(nèi)部的油面低于變壓器大蓋以下時(shí)，會(huì)使繞組的引線或鐵心暴露在空氣中，有造成內(nèi)部閃絡(luò)的危險(xiǎn)[7]。同時(shí)，油與空氣接觸面增大，會(huì)使絕緣油的絕緣性能迅速下降[8]，此時(shí)，嚴(yán)重威脅變壓器的安全運(yùn)行，并大大降低變壓器的使用壽命。

近年來(lái)，大型油浸式變壓器事故時(shí)有發(fā)生。其一旦發(fā)生事故都是大事故，事故影響范圍較大，事故處理周期較長(zhǎng)[9]。監(jiān)視儲(chǔ)油柜內(nèi)油位，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，將對(duì)大型油浸式變壓器的安全運(yùn)行具有重要意義[10]。

1 傳統(tǒng)的油位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

目前，常用的測(cè)量?jī)?chǔ)油柜油位方法有紅外測(cè)溫法、電磁式油位計(jì)等方法。

1）紅外測(cè)溫儀測(cè)油位。紅外線測(cè)溫檢測(cè)變壓器油位的原理是通過(guò)儲(chǔ)油柜表面接觸油與接觸膠囊位置的溫度不同，使用紅外線的感溫效果來(lái)測(cè)量?jī)?chǔ)油柜表面溫度，通過(guò)紅外線測(cè)溫儀所拍攝的圖像，進(jìn)行色彩分析從而確定變壓器實(shí)際油位。

紅外線測(cè)溫儀受環(huán)境、空間、溫度的影響比較大，當(dāng)氣溫與油溫溫差小、負(fù)荷低時(shí)，拍攝的油位線位置模糊，難以辨識(shí)。

2）電磁式油位計(jì)。電磁式油位計(jì)是目前變壓器自帶且應(yīng)用較為普遍的大、中型變壓器儲(chǔ)油柜油位測(cè)量裝置。其基本原理是：當(dāng)儲(chǔ)油柜內(nèi)油位發(fā)生變化時(shí)，使得油位計(jì)連桿上的浮球（位于儲(chǔ)油柜中）上下擺動(dòng)，帶動(dòng)油位計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)磁偶合器及指針軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，將儲(chǔ)油柜的油位在表盤(pán)上通過(guò)指針指示出來(lái)[11]。

由于500kV變壓器處于強(qiáng)磁場(chǎng)及常年震動(dòng)型狀態(tài)下，磁藕合系統(tǒng)及指針傳動(dòng)系統(tǒng)易受到影響，從而影響儲(chǔ)油柜油位測(cè)量的精確度。

1.1 機(jī)械式油位監(jiān)測(cè)

某核電廠大型油浸式變壓器的儲(chǔ)油柜，均采用壓力式油位計(jì)測(cè)量油位。儲(chǔ)油柜油位監(jiān)測(cè)裝置分為3部分：傳感器部分安裝在儲(chǔ)油柜的底部；顯示器部分安裝在變壓器油箱上，容易觀察讀數(shù)的位置，這兩部分由毛細(xì)管連接并傳遞油位的變化。其工作原理是：傳感器的浮子隨著油面升降并通過(guò)浮子桿將位移傳遞給傳感器中的連接，經(jīng)毛細(xì)管將位移傳遞給顯示器，從而驅(qū)動(dòng)顯示器里的指針轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到顯示儲(chǔ)油柜的油位目的，并在儲(chǔ)油柜的最低油位和最高油位時(shí)使微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。機(jī)械式油位測(cè)量系統(tǒng)如圖1。

圖1 機(jī)械式油位測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 Mechanical oil level measuring system

油位計(jì)為浮子型壓力式油位計(jì)，浮子采用泡沫塑料。浮子連桿和法蘭安裝件采用陽(yáng)極氧化鋁的鋁合金，指示儀表內(nèi)配置了4個(gè)可微動(dòng)開(kāi)關(guān)，2個(gè)為低油位報(bào)警，2個(gè)為高油位報(bào)警。該類型油位計(jì)通過(guò)液壓機(jī)械傳動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行測(cè)量完成的，油位通過(guò)1個(gè)浮子的位置檢測(cè)，浮子帶動(dòng)1個(gè)用螺栓安裝在儲(chǔ)油柜上的法蘭安裝件中的傳感器。兩部分的連接是用柔軟的金屬波紋管密封的，將浮子連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)傳到指示儀表的液壓系統(tǒng)。

液壓系統(tǒng)由兩對(duì)波紋管和連接管組成。第一對(duì)波紋管連接到法蘭安裝件上的連接件上，當(dāng)浮球位置發(fā)生改變時(shí)，驅(qū)動(dòng)波紋管產(chǎn)生位移，進(jìn)而傳遞給指示儀表。第二對(duì)波紋管補(bǔ)償環(huán)境溫度的變化，還可以補(bǔ)償儲(chǔ)油柜和指示儀表的高度差。

1.2 存在的問(wèn)題及改造的必要性

將更換下的故障傳感器的外罩取下，對(duì)傳感器、法蘭盤(pán)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，傳感器、法蘭盤(pán)的結(jié)構(gòu)如圖2、圖3。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)Fig.2 Sensor structure

圖3 法蘭盤(pán)結(jié)構(gòu)Fig.3 Flange structure

由以上3個(gè)圖中可以看出，傳感器采用穿孔螺栓固定在法蘭盤(pán)上，螺栓和螺紋之間有細(xì)微的縫隙。在環(huán)境中，由于熱脹冷縮，法蘭盤(pán)和螺栓的材質(zhì)不同，熱膨脹系數(shù)不同，兩者之間產(chǎn)生縫隙，變壓器油滲透過(guò)浮子轉(zhuǎn)向板與法蘭盤(pán)內(nèi)表面的連接部分的密封墊圈后，然后通過(guò)螺栓和螺紋之間的縫隙滲出。

油位計(jì)法蘭盤(pán)采用不銹鋼材料制作而成，該材料應(yīng)用廣泛。將更換下的油位計(jì)法蘭盤(pán)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，如圖4。

圖4 法蘭盤(pán)裂痕Fig.4 Flange crack

由圖4可以明顯發(fā)現(xiàn)，法蘭盤(pán)表面有裂痕。法蘭盤(pán)存在質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致法蘭盤(pán)產(chǎn)生裂痕，變壓器油從法蘭盤(pán)表面滲出。法蘭盤(pán)存在質(zhì)量缺陷是造成油位計(jì)滲油的另一個(gè)主要因素。

由于油位計(jì)位于儲(chǔ)油柜下方，更換油位計(jì)時(shí)需將儲(chǔ)油柜內(nèi)油排空，然后拆下故障的油位計(jì)，安裝新的傳感器。油位計(jì)的更換過(guò)程中，涉及排油、注油、抽真空及熱油循環(huán)等油務(wù)工作，工期較長(zhǎng)，且更換過(guò)程較為復(fù)雜。

2 新型油位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 油位監(jiān)測(cè)裝置的組成

設(shè)計(jì)的新型變壓器油位監(jiān)測(cè)裝置，取消原油位計(jì)的安裝方式，將儲(chǔ)油柜端蓋上部、下部打孔，安裝管路和閥門(mén)，將變壓器油引出，采用“連通器”的原理進(jìn)行油位測(cè)量。新型油位監(jiān)測(cè)裝置示意圖如圖5。

圖5 新型油位監(jiān)測(cè)裝置Fig.5 New oil level monitoring device

新型油位監(jiān)測(cè)裝置由變壓器油傳輸單元和油位測(cè)量單元組成。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)是依據(jù)時(shí)域反射原理（TDR）為基礎(chǔ)的雷達(dá)液位計(jì)，雷達(dá)液位計(jì)的電磁脈沖以光速沿鋼纜或探棒傳播，當(dāng)遇到被測(cè)介質(zhì)表面時(shí)，雷達(dá)液位計(jì)的部分脈沖被反射形成回波并沿相同路徑返回到脈沖發(fā)射裝置，發(fā)射裝置與被測(cè)介質(zhì)表面的距離同脈沖在其間的傳播時(shí)間成正比，經(jīng)計(jì)算得出液位高度。

2.2 變壓器油傳輸單元

變壓器油傳輸單元由儲(chǔ)油柜旁通管、球閥及其連接管道和定制的儲(chǔ)油柜蓋板組成。變壓器油傳輸單元改變了原變壓器儲(chǔ)油柜端蓋的結(jié)構(gòu)，在儲(chǔ)油柜端蓋的上方、下方分別開(kāi)孔，安裝連管，變壓器油傳輸單元的組成如圖6。

圖6 變壓器油傳輸單元的組成結(jié)構(gòu)Fig.6 Composition of the transformer oil transfer unit

定制的儲(chǔ)油柜端蓋上部和下部?jī)蓚€(gè)開(kāi)孔位置的選擇是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。由于變壓器正常運(yùn)行過(guò)程中，儲(chǔ)油柜內(nèi)的變壓器油一般占儲(chǔ)油柜總?cè)萘康?0%～75%，若上部的開(kāi)孔位置靠近中部或中部以下，則與旁通管相連的上部水平連通管內(nèi)將充滿變壓器油，將導(dǎo)致儲(chǔ)油柜上方和連通管上方的空腔內(nèi)的壓力不一致。此時(shí)，連通管內(nèi)的變壓器油位無(wú)法真實(shí)反應(yīng)儲(chǔ)油柜內(nèi)的變壓器油位。故選擇端蓋下部開(kāi)孔位置距離底部200mm，上部開(kāi)孔位置距離底部約1000mm，從而確保變壓器正常運(yùn)行期間連通管內(nèi)的變壓器油低于上部水平連通管，且高于底部水平連通管。

旁通管高度為1200mm，規(guī)格為Φ50mm，與傳感器接口位置采用DN50的法蘭面；旁通管與儲(chǔ)油柜端蓋之間的管道規(guī)格同為DN25，閥門(mén)采用優(yōu)質(zhì)的球閥，規(guī)格為DN50。傳輸單元所有的法蘭接口均配置密封圈，防止連接位置發(fā)生變壓器油的泄漏。

定制的儲(chǔ)油柜端蓋與變壓器廠家原設(shè)計(jì)的端蓋材質(zhì)相同，端蓋、旁通管和連接管的內(nèi)側(cè)噴涂了具有一定絕緣功能及良好耐熱性、耐油性、機(jī)械和防腐性能等防止油流帶電的油漆。

當(dāng)導(dǎo)波雷達(dá)油位測(cè)量傳感器故障需要更換時(shí)，只需要關(guān)閉旁通管兩側(cè)的截止閥，將旁通管內(nèi)的變壓器油與儲(chǔ)油柜內(nèi)的變壓器油隔離，從而實(shí)現(xiàn)了在不需要將儲(chǔ)油柜變壓器油排空的工況下，即可以完成油位計(jì)更換工作。

2.3 油位測(cè)量單元

測(cè)量單元包含探針傳感器、外部顯示器及其支架。由于運(yùn)行期間儲(chǔ)油柜的直徑小于1500mm，且儲(chǔ)油柜內(nèi)的變壓器無(wú)明顯的波動(dòng)，而繩性探針適用于特大型的容器液位測(cè)量系統(tǒng)，故測(cè)量探針采用棒性。導(dǎo)波雷達(dá)示意圖如圖7。

圖7 導(dǎo)波雷達(dá)示意圖Fig.7 Schematic diagram of guided wave radar

導(dǎo)波雷達(dá)傳感器的電源采用220V AC，棒型探針的長(zhǎng)度為1200mm，導(dǎo)波雷達(dá)傳感器與儲(chǔ)油柜旁通管采用法蘭連接，傳感器的接口為DN50法蘭，從而與旁通管的法蘭面匹配。

由于儲(chǔ)油柜上方與旁通管之間無(wú)變壓器油，從而旁通管上方的油面壓力與變壓器儲(chǔ)油柜油面壓力相同，旁通管內(nèi)的油面高度即為變壓器儲(chǔ)油柜油位。為了方便工作人員觀察和記錄油位，距離地面小于2m的位置變壓器本體上安裝與導(dǎo)波雷達(dá)匹配的外部顯示器。棒型探針傳感器可輸出4mA～20mA，外部顯示器與棒型探針采用電纜連接，并將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，顯示實(shí)時(shí)的液位高度。

3 改造前后設(shè)備對(duì)比

改造前后變壓器儲(chǔ)油柜油位監(jiān)測(cè)方式、測(cè)量傳感器等方面均發(fā)生了改變，見(jiàn)表1。

表1 改造前后油位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成對(duì)比Table 1 Composition comparison of oil level monitoring system before and after reconstruction

4 結(jié)論

本文首先分析了變壓器儲(chǔ)油柜普遍采用的浮子型壓力式油位計(jì)存在的滲油問(wèn)題，詳細(xì)分析其滲油的故障原因是由于設(shè)備設(shè)計(jì)存在的缺陷，然后設(shè)計(jì)了一種新型儲(chǔ)油柜油位監(jiān)測(cè)裝置，采用“連通器”原理測(cè)量?jī)?chǔ)油柜的油位，測(cè)量傳感器為棒性導(dǎo)波雷達(dá)。設(shè)計(jì)的油位監(jiān)測(cè)裝置解決了當(dāng)前油位計(jì)滲油故障率高、更換過(guò)程復(fù)雜的問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)油柜不排油的情況下進(jìn)行油位計(jì)更換工作，同時(shí)該新型油位計(jì)監(jiān)測(cè)裝置性能優(yōu)異，具有比較好的應(yīng)用前景。