油浸式電力變壓器儲油柜膠囊破損在線巡檢裝置的開發

國網甘肅省電力公司檢修公司 劉義德 衛永鵬 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

國網甘肅省電力公司檢修公司 劉義德 衛永鵬 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備，屬于大型充油設備。而變壓器儲油柜用膠囊，是普遍應用在變壓器上的常規保護裝置，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量、運行老化磨損、油處理操作等原因出現破裂現象。近年來，國內直流輸電工程中也多次出現換流變壓器儲油柜膠囊破裂而影響電力系統穩定運行的事故。當前市場上所用的變壓器儲油柜膠囊，在其發生破裂滲漏或膠囊內結露積水時，無法判斷其已經發生破裂或積水，只有當變壓器油受潮，變壓器運行異常跳閘，將儲油柜膠囊從儲油柜中拆除，才能發現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）膠囊本身質量問題導致運行中破損；

（2）膠囊材料在使用中老化，從而導致破裂；

（3）變壓器內部故障產生大量氣體，導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使膠囊破裂。

隨著輸變電行業的發展，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，本文旨在開發一套基于光學傳感器用于監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繼電器的結構示意圖

2.現有變壓器儲油柜膠囊破損監測裝置現狀

目前國內較少有專用針對變壓器儲油柜內膠囊、隔膜破損泄露的專用在線檢測裝置，意大利Cedaspe公司開發的CPR系列繼電器產品，該類型繼電器安裝在儲油柜上，當膠囊破損時空氣進入儲油柜內部，隨后匯集到上部的CPR繼電器中，當氣體達到一定容積后，浮子滾動繼而發出報警信號（基本結構如圖1所示）。該浮子式繼電裝置僅能夠對膠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。目前該類產品僅在海外配套項目上有少量應用，國內尚無應用案例。

當前國內直流輸電工程中部分換流變壓器裝有儲油柜膠囊在線監測裝置，其原理是采用電容式薄膜電容傳感器實現膠囊泄漏監測，此類監測裝置可靠性、靈敏性較差，在實際使用過程中出現過監測裝置拒動現象。其工作原理為監測探頭透過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。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值的初始電容值C1；儲油柜膠囊破損時，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C2。當電容值C2與電容值C1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“儲油柜膠囊泄漏”報警信號。

本文開發的儲油柜膠囊破損監測裝置采用基于光反射原理的光電式泄露傳感器，通過安裝在膠囊內部的光電傳感器中LED發射的光被光學接收器接收而不發出信號；而當膠囊破損時，光電傳感器中LED發射的光部分被變壓器油發散、吸收，進而導致傳感器接收的光信號強度降低，導致耦合電路失衡并發出報警信號，這樣的檢測方式目前在國內尚未發現應用。

3.新型變壓器儲油柜膠囊破損巡檢裝置的研制

針對現有技術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，為解決上述技術問題，本項目采用的技術方案是開發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 光電式膠囊破損監測系統基本結構

從現有各類傳感器的長期穩定性角度出發，并結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部，控制單元及保護繼電器安裝于就地控制柜內。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油液泄露的有效檢出。當膠囊完好時，安裝在膠囊底部的光電傳感器中LED發射的窄帶光譜全部被光學探測器接收，不發出信號。而當膠囊破損時，光電傳感器中LED發射的光部分被變壓器絕緣油發散、吸收，此時光學接收器接收的光強度降低，導致耦合電路發出報警信號以及4-20mA模擬量信號，并與泄露油量成正比關系。整套監測裝置探頭部分封閉安裝于儲油柜用膠囊內部，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范圍內的所有流體產生電信號反應。考慮到油的特性，傳感器需垂直部署在油膜上方，距油面的距離應在20mm以上，當有油漏出來后流經傳感器下方時，傳感器會返回報警信號。該傳感器浸入油中仍可工作，對瞬間爆發的大規模漏油也能識別。整套監測裝置基本結構形式如圖2所示。

3.1 膠囊破損監測光學傳感器

采用光學原理的變壓器膠囊泄漏監測裝置是基于絕緣油對紅外光的吸收與散射原理，進而實現對儲油柜內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。

光學式變壓器油膠囊泄漏監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、一根發射光纖和一根收信光纖的監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部。泄漏探測裝置持續發出的紅外LED信號在探頭內不會經過油面折射，紅外光信號直接通過探頭全反射棱鏡鏡面發生反射，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部。泄漏探測裝置持續發出的紅外光信號在探頭內會經過油面折射與散射，光信號無法通過全反射棱鏡鏡面發生反射，泄漏探測裝置僅檢測到微弱的紅外光信號，進而發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測裝置，光學原理變壓器儲油柜膠囊泄漏監測裝置實現手段簡單、原理可靠，而且可以實現故障的早期診斷，為運維人員采取緊急處理措施爭取了時間。

圖3 膠囊破損監測光學傳感器基本結構

3.2 膠囊破損便攜式巡檢裝置

本項目開發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，其主要實現功能包括：

（1）便攜式主機負責采集每臺變壓器膠囊破損傳感器返回的電信號，用于數據記錄、導出、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）根據選擇傳感器的不同，處理信號的方式也不同。開關量多用電壓比較器的方式處理，模擬量多用A/D轉換的方式處理；

（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)發送數字信號；

（4）支持多點數據下載，用戶數據管理及數據傳輸等功能；

（5）外觀和防護等級可以根據需現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置的膠囊破損光學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構示意圖

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，開始數據下載功能，數據下載后可根據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色插頭的2腳和4腳的電位差構成，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程監控。

4.結論與建議

結合現場實際應用經驗，采用新型膠囊破損光學傳感器為基礎開發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測裝置，光學原理換流變壓器儲油柜膠囊泄漏監測裝置實現手段簡單、原理可靠，而且可以實現故障的早期診斷，為運維人員采取緊急處理措施爭取時間，比較適宜推廣應用。

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