某核電廠油浸式變壓器儲(chǔ)油柜油位監(jiān)測(cè)裝置改造及分析

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膠囊的膨脹和收縮來實(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)油位過低或過高，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，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測(cè)量?jī)?chǔ)油柜表面溫度，通過紅外線測(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)，通過磁偶合器及指針軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，將儲(chǔ)油柜的油位在表盤上通過指針指示出來[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)通過液壓機(jī)械傳動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)來進(jìn)行測(cè)量完成的，油位通過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、法蘭盤的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，傳感器、法蘭盤的結(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，變壓器油滲透過浮子轉(zhuǎn)向板與法蘭盤內(nèi)表面的連接部分的密封墊圈后，然后通過螺栓和螺紋之間的縫隙滲出。

油位計(jì)法蘭盤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)法蘭盤進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，如圖4。

圖4 法蘭盤裂痕Fig.4 Flange crack

由圖4可以明顯發(fā)現(xiàn)，法蘭盤表面有裂痕。法蘭盤存在質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致法蘭盤產(chǎn)生裂痕，變壓器油從法蘭盤表面滲出。法蘭盤存在質(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，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)開孔位置的選擇是個(gè)關(guān)鍵問題。由于變壓器正常運(yùn)行過程中，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。故選擇端蓋下部開孔位置距離底部200mm，上部開孔位置距離底部約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、更換過程復(fù)雜的問題，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。