顏 誠 程 川 雷寶輝 王 亮 陸凱捷

變電站油泄漏三級監(jiān)控系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

顏 誠 程 川 雷寶輝 王 亮 陸凱捷

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司金華供電公司，浙江 金華 321000）

當前，由于主變事故油池容量不足、雨水管路直接外排、漏油人工監(jiān)測和控制缺乏等原因，變電站設(shè)備漏油后不能被及時發(fā)現(xiàn)并得到有效控制，導(dǎo)致漏油事件極易轉(zhuǎn)為惡劣的環(huán)境污染事件。針對該隱患，本文廣泛應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)、智慧傳感技術(shù)，首創(chuàng)構(gòu)建一套技術(shù)簡單可靠、業(yè)務(wù)高度融合、可推廣應(yīng)用的變電站油泄漏三級監(jiān)控系統(tǒng)。通過研制仿生鰭減搖結(jié)構(gòu)的智能漏油監(jiān)測裝置，對變壓器進行事故排油系統(tǒng)、雨水系統(tǒng)、運行環(huán)境的多維度實時監(jiān)測，采用自動蝶閥與監(jiān)測裝置實時聯(lián)動，實現(xiàn)變電站漏油智能控制，杜絕發(fā)生因變電站設(shè)備漏油外排導(dǎo)致的環(huán)境污染事件。

變電站漏油；三級監(jiān)控；仿生鰭減搖結(jié)構(gòu)；環(huán)保

0 引言

近年來，變壓器漏油事件時有發(fā)生。2015年，美國紐約州印第安角核電站3號反應(yīng)堆變壓器出現(xiàn)故障引發(fā)火災(zāi)；2018年，浙江某500kV變電站3號主變2號低抗開關(guān)故障，導(dǎo)致主變?nèi)嗌崞屏褔娪?，造成大面積河流污染，進而引發(fā)生態(tài)、環(huán)保、社會糾紛等諸多問題，后續(xù)處理泄漏油的費用也非常高[1-2]。通過調(diào)查和查閱文獻發(fā)現(xiàn)，當前變電站內(nèi)并無油泄漏的監(jiān)測和控制系統(tǒng)，針對變電站事故排油系統(tǒng)長期存在的難發(fā)現(xiàn)、難檢查、難控制等重要隱患，本文首創(chuàng)構(gòu)建“變電站油泄漏三級監(jiān)控系統(tǒng)”，對這一新的漏油監(jiān)控技術(shù)進行分析，并對應(yīng)用情況進行評述。

1 變電站漏油現(xiàn)狀分析

1.1 漏油路徑分析

通過分析金華地區(qū)變電站發(fā)生設(shè)備油泄漏時的排油過程，發(fā)現(xiàn)漏油路徑基本類似。以某220kV變電站為例，排油路徑示意圖如圖1所示。

圖1 變電站排油路徑示意圖

由圖1可知，當變壓器發(fā)生油泄漏事件時，排油路徑大致可以歸納為以下兩條：

1）正常路徑。大部分泄漏油流入主變貯油坑，流經(jīng)水封井后經(jīng)地下排油管道流入主變事故油池，并經(jīng)過油水分離后由總排口排出站外。正常路徑的油泄漏監(jiān)控過程如圖2所示。

圖2 正常路徑的油泄漏監(jiān)控過程

2）非正常路徑。泄漏油因主變內(nèi)部壓力原因噴射到主變貯油坑外后，部分泄漏油無法流入事故油池，而是通過排水回路進入電纜溝、地下雨水管道，最終排出站外。非正常路徑的油泄漏監(jiān)控過程如圖3所示。

圖3 非正常路徑的油泄漏監(jiān)控過程

1.2 油泄漏監(jiān)控時間分解

針對兩條不同的排油路徑，通過對變電站油泄漏的監(jiān)測和控制時間進行調(diào)查、模擬實驗和分析，本文將油泄漏監(jiān)控時間分解，見表1。

表1 變電站油泄漏監(jiān)控時間分解

需要說明的是，監(jiān)控時間是由20次模擬漏油試驗綜合得出，人工監(jiān)測時間以泄漏油排出變電站外為準（實際發(fā)現(xiàn)漏油時間可能更久，甚至達數(shù)小時），人工控制時間由抵達漏油變電站的路程時間和泄漏油處理時間組成（實際漏油控制時間可能更久，且效果一般）。

1.3 原因分析

經(jīng)過1.1節(jié)和1.2節(jié)分析，當前變電站排油系統(tǒng)和變電站上、下水道設(shè)計存在三個不利因素：

1）油污環(huán)境監(jiān)控手段缺乏。設(shè)備發(fā)生油泄漏時，泄漏油很快就進入變電站地下管道，約10min后就能通過雨水管道排出站外，而變電站上下水道缺乏油污監(jiān)測設(shè)施。因此，很有可能無法及時發(fā)現(xiàn)無設(shè)備故障伴隨的設(shè)備漏油。即使發(fā)現(xiàn)漏油，從主站趕到事發(fā)變電站需要較長時間，到現(xiàn)場后從采取控制措施至開展處置也需要一定的時間，這一時間跨度很長（一般超過1h），足以導(dǎo)致勢態(tài)擴大，造成嚴重油污染。

2）事故油池容量不足。當前大部分變電站的事故油池容量按單臺主變油量的60%設(shè)計[3]，因此當事故油池不足以容納泄漏的油量時，泄漏油充滿油室和水室后將直接溢出進入變電站雨水管道，造成站外油污染。

3）非正常路徑直接外排。當發(fā)生主變油泄漏到貯油坑以外時，泄漏油會就近排入站內(nèi)場地集水井、電纜溝，并通過雨水管路在短時間內(nèi)直接排出站外，造成站外油污染。

2 變電站油泄漏監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)整體方案

針對第1節(jié)分析和總結(jié)的問題，構(gòu)建變電站油泄漏監(jiān)控系統(tǒng)，能夠有效解決漏油無監(jiān)測、難控制等問題。變電站油泄漏監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 變電站油泄漏監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

由圖4可知，變電站油泄漏監(jiān)控系統(tǒng)包括后臺終端、移動終端、智能網(wǎng)關(guān)、智能漏油監(jiān)測裝置、自動蝶閥、水位監(jiān)測儀等設(shè)備。作為變電站油泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的核心大腦，智能網(wǎng)關(guān)可以從智能漏油監(jiān)測裝置、蝶閥、水位監(jiān)測儀等設(shè)備采集數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)進行信息處理、數(shù)據(jù)存儲、報警處理、封堵應(yīng)答等。同時，智能網(wǎng)關(guān)與后臺終端相連接，實現(xiàn)對變電站泄漏油的在線監(jiān)測與遠程控制[4-6]。

系統(tǒng)硬件總體布局如圖5所示，智能網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集模塊采用最常用的RS 485總線串口通信方式，與后臺終端服務(wù)器的通信預(yù)留以太網(wǎng)接口、GPRS模塊接口等[7-9]。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

1）泄漏油監(jiān)測方案

（1）智能漏油監(jiān)測裝置

通過多次實驗發(fā)現(xiàn)，油水混合物的導(dǎo)電率明顯大于雨水或地下管道流水的導(dǎo)電率?；诖?，研制一套油污監(jiān)測裝置，用三副探針實現(xiàn)三級漏油預(yù)警，實時監(jiān)測水面部分液體導(dǎo)電率以判斷液體表面是否出現(xiàn)油污成分。若裝置發(fā)出告警，則表明站內(nèi)有設(shè)備發(fā)生油泄漏，并且泄漏油已流到監(jiān)測點[10-11]。智能漏油監(jiān)測裝置如圖6所示。

圖6 智能漏油監(jiān)測裝置

①三級漏油預(yù)警

智能漏油監(jiān)測裝置在側(cè)邊位置安裝電導(dǎo)率監(jiān)測與溫度監(jiān)測探頭，通過自主開模設(shè)計的高度調(diào)節(jié)裝置，可以調(diào)節(jié)與固定探針深入水下的位置，使裝置能夠與水面較好地接觸，同時三個側(cè)邊的高度調(diào)節(jié)裝置高度不一，以此實現(xiàn)變電站環(huán)境的三級漏油預(yù)警。三級預(yù)警示意圖如圖7所示。

圖7 三級預(yù)警示意圖

②仿生鰭減搖結(jié)構(gòu)

為應(yīng)對監(jiān)測點水流沖擊、水位變化等復(fù)雜環(huán)境，確保漏油監(jiān)測裝置具備良好的抗傾覆能力，該裝置采用了仿生鰭減搖結(jié)構(gòu)[12]。在復(fù)雜水流環(huán)境下進行裝置物理性能反復(fù)實驗，裝置的穩(wěn)定性、防水性、耐高溫性和外殼抗壓性均在99%以上。

（2）水位監(jiān)測裝置

水位監(jiān)測使用專用水位監(jiān)測儀。監(jiān)測水封井水位，以保證起火燃燒的油流經(jīng)水封井被可靠滅火后進入事故油池；監(jiān)測事故油池水位，以確保事故油池的油水分離功能正常，同時也確保油污監(jiān)測裝置探針始終處于液面以下。

（3）智能漏油監(jiān)測裝置布置方案

根據(jù)上述某220kV變電站的下水道布置圖，選擇4個監(jiān)測點安裝智能漏油監(jiān)測裝置，分別是：1號主變水封井、事故油池、總排口上游的兩路分支檢查井。漏油監(jiān)測點位布置如圖8所示。

圖8 漏油監(jiān)測點位布置

通過上述4個監(jiān)測點，可以實現(xiàn)對變電站漏油全過程的實時監(jiān)測。通過RS 485總線將監(jiān)測信息上送至智能物聯(lián)網(wǎng)[13-14]，匯集數(shù)據(jù)至平臺服務(wù)器，自動采取告警或告警加封堵措施。

2）泄漏油控制方案

根據(jù)變電站排油路徑示意圖可知，事故油池容量不足和非正常路徑直接外排情況下均會導(dǎo)致泄漏油通過雨水管道排放到變電站外，而增加事故油池容量的方法工程量大，會占用變電站內(nèi)有限的土地面積，經(jīng)濟性較差；變電站充油設(shè)備數(shù)量多，分布廣，非正常路徑的改進可行性不高。因此，在站內(nèi)排水口上游安裝閥門將泄漏油堵截在變電站內(nèi)，再調(diào)用專用的吸油罐車將油進行收集處置是最簡單、有效的方法。

根據(jù)某220kV變電站下水道布置圖，選擇在總排口上游最靠近總排口的管路中串接手動/電動控制蝶閥，在接收到智能漏油監(jiān)測裝置的關(guān)閉信號時快速關(guān)閉閥門。漏油控制蝶閥安裝示意圖如圖9 所示。

2.3 泄漏油三級監(jiān)控策略

1）漏油監(jiān)測

水封井、事故油池室、總排口分別裝有漏油探測設(shè)備，探測設(shè)備將探測到的信息發(fā)送給智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。三級監(jiān)測示意圖如圖10所示。

圖9 漏油控制蝶閥安裝示意圖

圖10 三級監(jiān)測示意圖

2）三級漏油監(jiān)控及報警策略

系統(tǒng)具備三級監(jiān)控功能，其監(jiān)控策略如圖11所示。

（1）第一級監(jiān)控策略：當只有水封井探測到漏油時，智能網(wǎng)關(guān)起動本地聲光報警，同時將報警信息推送到后臺，報警信息由指示燈+喇叭組成（該報警可本地或者遠程關(guān)閉）。同時，網(wǎng)關(guān)向后臺推送報警信息，后臺人員及站內(nèi)工作人員能第一時間獲得相關(guān)信息。

（2）第二級監(jiān)控策略：當水封井、事故油池室都探測到漏油時，智能網(wǎng)關(guān)起動本地聲光報警，同時將報警信息推送到后臺，并且詢問是否需要起動智能封堵設(shè)備，當無應(yīng)答時，自動起動智能封堵設(shè)備。

（3）第三級監(jiān)控策略：當水封井、事故油池室、總排口都探測到漏油現(xiàn)象時，智能網(wǎng)關(guān)立即起動智能封堵設(shè)備，將油封堵在站內(nèi)，并且起動本地聲光報警，同時將信息發(fā)送給后臺。

3 應(yīng)用實例

在某220kV變電站試點運行油泄漏監(jiān)控系統(tǒng)，其整體布置如圖12所示。

3.1 智能漏油監(jiān)測裝置現(xiàn)場布置

對智能漏油監(jiān)測裝置進行現(xiàn)場點位布置和綜合性能試驗，現(xiàn)場布置如圖13所示。

3.2 漏油控制裝置現(xiàn)場布置

對漏油控制裝置進行了現(xiàn)場點位布置和安裝，現(xiàn)場布置如圖14所示。

圖11 三級監(jiān)控策略

圖12 某220kV變電站油泄漏監(jiān)控系統(tǒng)整體布置

圖13 智能漏油監(jiān)測裝置現(xiàn)場布置

圖14 漏油控制裝置現(xiàn)場布置

3.3 油泄漏監(jiān)控系統(tǒng)試驗對比

為進一步量化泄漏油外排監(jiān)控過程耗時，本文在某變電站進行模擬泄漏油外排試驗，對比人工監(jiān)控和油泄漏監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控的時間，重復(fù)試驗10次，模擬結(jié)果見表2～表4。

進行10次重復(fù)性人工監(jiān)控試驗，將10次數(shù)據(jù)統(tǒng)計成正常路徑和非正常路徑，人工監(jiān)控時間見 表2。

對油泄漏監(jiān)控系統(tǒng)模擬泄漏油試驗，重復(fù)試驗10次，分為正常路徑和非正常路徑，試驗結(jié)果見表3～表4。

經(jīng)對比表2～表4發(fā)現(xiàn)，正常路徑下，人工監(jiān)控時間大致在100min，實際狀況復(fù)雜，其處理時間可能遠超該數(shù)據(jù)，而使用油泄漏系統(tǒng)監(jiān)控時間只需要60.2s，監(jiān)控時間大幅減少，無需人工干預(yù)；非正常路徑下，人工監(jiān)控時間大致在90min，而使用油泄漏系統(tǒng)監(jiān)控時間只需要57.9s。

表2 人工監(jiān)控時間

表3 正常路徑模擬漏油試驗結(jié)果

3.4 移動終端應(yīng)用情況

本系統(tǒng)開發(fā)移動終端App，油泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)、報警推送、反饋信息均可在移動終端查看，移動終端界面如圖15所示。

表4 非正常路徑模擬漏油試驗結(jié)果

圖15 油泄漏監(jiān)控系統(tǒng)移動終端界面

4 結(jié)論

為消除對變電站泄漏油無實時監(jiān)控、無智能控制、無即時反饋的隱患，本文剖析當前變電站排油系統(tǒng)的不利因素，有針對性地研制出智能漏油監(jiān)測裝置，并進一步構(gòu)建變電站油泄漏三級監(jiān)控系統(tǒng)，在某變電站試驗后得出結(jié)論：漏油的監(jiān)測和控制時間平均減少至60s左右，遠遠小于人工處理時間100min左右，實現(xiàn)了實時監(jiān)測、智能控制和及時告警，能夠幫助運維人員及時發(fā)現(xiàn)變電站漏油或由于生產(chǎn)作業(yè)產(chǎn)生的倒油等現(xiàn)象，成功實現(xiàn)防止泄漏油外排，消除了因變電站設(shè)備油外泄造成的環(huán)境污染隱患。

該系統(tǒng)實現(xiàn)了實時監(jiān)測、簡單可靠、閉環(huán)控制效果，有效保障了充油設(shè)備運行安全，也極大地減小了漏油外泄造成環(huán)境污染的風(fēng)險，在國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)、發(fā)電廠、石化、化工等企業(yè)中都可廣泛推廣。

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Development and application of three-level monitoring system for oil leakage in substation

YAN Cheng CHENG Chuan LEI Baohui WANG Liang LU Kaijie

(Jinhua Power Supply Company, State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd, Jinhua, Zhejiang 321000)

At present, due to the insufficient capacity of the main transformer accident oil sump, the direct drainage of rainwater pipelines, and lack of manual oil leakage monitoring and control, the oil leakage of the equipment in substation cannot be detected and effectively controlled in time, resulting in that the oil leakage incident is very easy to turn into a bad environmental pollution incident. In response to this hidden danger, the Internet of Things, communication technology and smart sensor technology are widely used to construct a three-level monitoring system for oil leakage in substation. The system has the advantages of simple and reliable technology, high integration of business and popularization. An intelligent oil leakage monitoring device with a bionic fin stabilizing structure is developed. The device can monitor the transformer accident oil drainage system, rainwater system and operating environment in multi-dimensional real-time. And it adopts real-time linkage of automatic butterfly valve and monitoring device to realize intelligent control of oil leakage in substation. It can prevent the occurrence of environmental protection incidents caused by the oil leakage from the substation equipment.

oil leakage in substation; three-level monitoring; bionic fin stabilization structure; environmental protection

2021-09-10

2021-10-22

顏 誠（1993—），男，浙江省金華市人，碩士，工程師，主要從事變電運維及運檢一體的研究工作。