換流變壓器油枕膠囊破裂監測裝置研究

國網湖北省電力公司檢修公司 秦曉俐

云南電網昭通供電局 馬曉勇

1 前言

換流變壓器是直流輸電工程中的核心設備，屬于大型充油設備，油枕膠囊常會因為安裝質量問題、年限老化磨損、絕緣油處理操作等原因出現破裂現象［1］-［2］。近年來，國內直流輸電工程中多次出現換流變壓器油枕膠囊破裂影響輸電系統穩定運行的事件，暴露出了目前換流變壓器缺乏可靠的油枕膠囊破裂監測裝置的問題［3］。針對當前現狀，國網湖北省電力公司檢修公司進行了充分研究，并制作出了一套基于光的全反射、折射原理檢測換流變壓器油枕膠囊是否存在破裂的監測裝置。

本文結合兩起故障對換流變壓器油枕膠囊破裂監測現狀進行了介紹，并對新研制的換流變壓器油枕膠囊監測裝置的結構及工作原理進行了說明。

2 換流變壓器油枕膠囊破裂監測現狀

目前，國內直流輸電工程中部分換流變壓器沒有安裝油枕膠囊監測裝置，曾發生過油枕膠囊破裂未及時處理導致直流系統閉鎖的事故：2011年5月2日，復龍換流站直流輸電系統以1000MW功率運行過程中，極Ⅱ高端Y/Y-C相換流變壓器本體油枕呼吸器處持續嚴重漏油導致重瓦斯保護動作跳閘，停電后檢查發現故障換流變壓器油枕膠囊破裂，該換流變壓器無油枕膠囊破裂監測裝置。

現階段，國內直流輸電工程中部分換流變壓器安裝有油枕膠囊監測裝置，均采用電容值測量原理的泄漏監測裝置，該類監測裝置可靠性、靈敏性均較差，在工程實際中曾出現過裝置拒動現象：2015年6月12日，德陽換流站直流輸電系統輸送功率由600MW上升至1200MW運行后，運維人員巡檢發現極ⅠY/△-B相換流變壓器本體油枕呼吸器處持續大量漏油。隨后，運維人員向調度申請停電檢查處理，發現故障換流變壓器油枕膠囊存在兩處破裂。該換流變壓器具有電容值原理油枕膠囊泄漏監測裝置，但在當時大量漏油的情況下并未正常發出報警信號。

電容值測量原理泄漏監測裝置如圖1所示，工作原理為：監測探頭透過換流變壓器膠囊安裝蓋板處插入膠囊內部，探頭與膠囊之間構成一個電容。油枕膠囊未破損時，探頭處于空氣中，測量到的是一個小數值的初始電容值CA；油枕膠囊破損時，膠囊內部有絕緣油注入，電容值將隨探頭被油所覆蓋區域面積的增加而增大達到CB。當電容值CB與電容值CA的差值△C達到定值后，監測裝置會提供一個硬接點報警信號給運維人員后臺監控系統，后臺監控系統會發出“油枕膠囊泄漏”報警報文。

圖1 電容值測量原理泄漏監測裝置

由此可見，國內直流輸電工程中關于換流變壓器運行過程中油枕膠囊破裂監測方面存在以下問題：

1)部分工程中未考慮換流變壓器油枕膠囊破裂監測手段，無法及早發現并處置油枕膠囊破裂避免事故的發生。

2)電容值測量原理泄漏監測裝置的正確報警與傳感器探頭的完好性、監測裝置電容值計算環節的正確性、報警定值設定的有效性、進入膠囊內的油面高度等諸多因素有關，報警原理復雜，在現場運行過程中存在反應不靈敏、動作不可靠的情況。

因此，目前有必要研制一套穩定、可靠的換流變油枕膠囊破裂監測裝置,以確保換流變壓器安全穩定運行，避免直流輸電系統由于換流變壓器油枕膠囊破裂導致的閉鎖事故的發生。

3 新研制的監測裝置結構組成

考慮到激光由空氣射向絕緣油時會被折射、吸收，能夠確切反映換流變壓器油枕膠囊破裂后絕緣油進入的實際情況，同時可以有效避免換流變壓器負荷及環境溫度變化時膠囊形狀變化對監測的影響，本次研究利用了光的全反射、折射原理結合光纖傳感技術制作了換流變壓器油枕膠囊破裂監測裝置。

換流變壓器油枕膠囊破裂監測裝置主要由兩個部分組成：由換流變壓器油枕頂部接頭放置于油枕膠囊內部的激光監測探頭；放置于換流變壓器現場控制柜內的泄漏探測裝置，如圖2、3所示。

圖2 換流變壓器油枕膠囊破裂監測裝置

圖3 換流變壓器油枕膠囊破裂監測裝置安裝圖

激光監測探頭由全反射棱鏡鏡頭、金屬鏤空探頭外殼、一根多模絕緣發信光纖及一根多模絕緣收信光纖構成。激光監測探頭主要負責對油枕膠囊是否破裂進行光學檢測。全反射棱鏡鏡頭采用人造水晶材質，應用圓柱體加等腰直角圓錐體一體成型結構，當激光垂直射入鏡面時，具有全反射靈敏度高、抗干擾性強、便于現場安裝的特點，如圖4所示。

圖4 激光監測探頭分解圖

泄漏探測裝置采用印刷電路板及單片機微處理技術，負責發出激光信號、接收激光返回信號、將返回的激光信號轉化為電壓信號、油枕膠囊破裂的邏輯判斷、提供報警節點信號輸出。

4 新研制的監測裝置工作原理

換流變壓器油枕膠囊破裂監測是基于激光垂直射向等腰直角三棱鏡的斜面會發生全反射，而激光由空氣進入絕緣油會發生折射、吸收的原理，來實現對換流變壓器油枕膠囊內部是否有絕緣油進入進行判別，進而作出換流變壓器油枕膠囊是否破裂的判斷。

如圖5所示，激光監測探頭內無絕緣油，泄漏探測裝置持續發出的激光傳輸至全反射棱鏡鏡面處發生全反射，反射回來的激光通過收信光纖返回至泄漏探測裝置。泄漏探測裝置檢測到回饋的激光信號相比發出的激光信號強度無較大衰減，從而判斷換流變油枕膠囊未破裂。

圖5 膠囊未破裂激光監測探頭工作原理圖

圖6 膠囊破裂激光監測探頭工作原理圖

如圖6所示，換流變壓器油枕膠囊破裂后，絕緣油進入油枕膠囊，絕緣油通過探頭鏤空外壁進入探頭內部。泄漏探測裝置發出的激光在探頭內會經過絕緣油折射、吸收，泄漏探測裝置檢測的回饋激光信號強度大幅衰減，從而判斷換流變壓器油枕膠囊破裂。

裝置將接收的激光返回信號轉換成與其成線性關系的電壓值，在無返回激光信號時，測量的電壓值最小，返回激光信號最強時，測量的電壓值最大。本裝置激光發射功率為10mW，激光返回電壓的上限為3.3V，下限為1V，告警定值的設定取決于光纖長度，光纖長度越長衰耗越大，經過充分測試，當光纖長度小于50米時，報警定值設定為2.7V。裝置利用測量到的返回電壓與設定的告警電壓值進行比較判斷，使得裝置能夠有效判斷換流變壓器油枕膠囊是否破裂，以此作為判斷的依據，同時向外部提供空節點信號輸出。

為了充分保證裝置的正確性、可靠性、靈敏性，裝置的報警判別如圖7所示，按以下流程設計：1)裝置運行后，當沒有激光返回信號持續時間超過1秒鐘時，裝置發出報警。2)當裝置每次檢測到激光返回信號后，則暫停激光發射30ms，需要確認接收到的返回信號消失，然后再進行下一次的激光發射；否則認為是裝置出現故障，同樣提供報警輸出。

圖7 換流變壓器油枕膠囊破裂檢測流程圖

5 結語

雖然油枕膠囊是換流變壓器的附件，但油枕膠囊在運行過程中出現破裂直接影響到輸電系統的穩定運行，因此換流變壓器有必要配置一套穩定、可靠的油枕膠囊破裂監測裝置。本文介紹了一套基于光的全反射、折射原理的換流變壓器油枕膠囊破裂監測裝置，相對與原有的電容值測量原理泄漏監測裝置，該換流變壓器油枕膠囊破裂監測裝置實現手段簡單、原理可靠，能夠對故障進行及時正確的早期診斷，為換流站運維人員采取緊急處理措施爭取時間，對保障直流輸電系統安全穩定運行具有積極作用，同時也為換流變壓器制造廠家及工程技術改造提供了參考。

[1]趙畹君.高壓直流輸電工程技術[M].北京:中國電力出版社,2004.

[2]韓曉東,翟亞東.高壓直流輸電用換流變壓器[J].高壓電器,2002,38(3).

[3]秦曉俐.換流變壓器油枕氣囊泄漏監測裝置改進建議[J].電子世界,2015,16:152-154.