變電站油浸式變壓器波紋式儲油柜油位故障監測裝置的研制應用

云南電網有限責任公司昆明供電局 楊 彪

1 引言

變壓器是電網重要的資產之一。儲油罐是變電站變油浸式壓器配套設施的重要組成部分。儲油柜法蘭漏油，波紋管開裂漏油，油表異常等問題危及變壓器的可靠穩定運行，同時造成大型變壓器停止運行。現階段，變電站油浸式變壓器用儲油柜的主要分類為：隔膜儲油柜、波紋管式儲油柜。但無論針對任何儲油柜，目前均沒有完整的監控計劃來實時監控儲油柜內的運行狀態，如油位的相對高度、球團的裂化程度、補償量等。世界上一些國家已經對球團裂化監測設備進行了大量的基礎研究，CEDASPE 公司生產的CPR 型磁電容柵氣動汽車繼電器，可以監控氣聲細節。然而，我國對監測變壓器芯塊的技術應用并沒有給予太多關注[1]。

2 儲油柜油位異常的危害及產生的原因

2.1 儲油柜油位異常的危害

在使用時，油箱內的油面顯示與實際的油面并不一致，即所謂的“假油”。歸納起來，油面異常原因有：一是油液表（液面）顯示的油面比油箱內的油面要低，引起變壓器漏油。比如，如果顯示出的油量比真實的油面要低，操作人員就會認為是油枕處有油不足，然后再給油箱加滿潤滑油，在油溫或周圍的溫度上升時，由于變壓器油的體積增大，減壓閥門受到的壓力超出了限制，從而導致了變壓器的燃油噴射。二是油量儀表（油液儀）顯示的油面比實際油面要高，從而導致了電力系統出現故障。如果在長時間的無油狀態下，很可能會引起變壓器的內部絕緣的潮濕，從而導致絕緣破裂。

2.2 油位異常產生的原因

2.2.1 膠囊式儲油柜油位異常的原因

筆者通過多年的操作和維修工作的總結，發現油面異常的原因有：一是機油計量單位中的變壓器油太多或太少。通常情況下，膠囊式油箱的油箱（液面儀表）所需的燃油（V）應該符合不超過壓力氣囊（小型氣缸）體積（V1）+油箱（V2），不低于油箱與油箱（V3）的體積（V3）。若所添加的燃油不符合以上規定，則會導致液面儀出現故障[2]。二是老化的壓力包（小型的膠囊）。壓油袋子是一種橡膠制品，使用時間久或者是在低溫下會導致其老化，從而導致壓力袋的兩端受到不同的壓力，導致油面發生異乎尋常的變化。三是由于呼吸機阻塞，導致呼吸管路不暢通，導致油面異常。在新投入生產的變壓器中，由于沒有取下空氣中的吸濕器的油杯密封墊，或者由于其內部的硅膠顆粒太細，導致吸收水分后的硅膠顆粒容易相互黏結在了一塊，使得硅膠顆粒間的空隙微小，阻礙空氣的流動，產生偽油。四是有剩余氣體存在于貯存箱中。通常儲油箱中沒有任何氣體。但是，在檢修和裝配過程中，未按照規范規定進行抽油，導致了儲油箱體中存在殘余氣體，從而造成了漏油現象。五是油箱的上半部分沒有完全封閉。若油箱上部不嚴密，如排氣塞、檢查窗等，在溫度和負載的劇烈變動下，會使儲油箱內出現一片真空，將周圍的氣體吸進儲油箱中，使其無法吸收外界的氣體，久而久之，就會出現一種假的現象[3]。

2.2.2 隔膜式儲油柜油位異常原因

隔板式儲油箱內的液位儀大多采用鐵磁性液位儀，通過機械的變換和驅動，達到液面顯示的目的。隔板式儲油箱出現油面異常的原因有：一是隔板斷裂。膜片的斷裂有可能導致液面儀表的顯示為零。二是拉鏈的撓性。從內部的構造可以看出，通過膜片和液面傳感器的聯軸節的伸縮、膜片的升降和驅動液面儀的指示器的位移來顯示油液面。在連桿彎曲時，連桿無法自如地收縮，導致薄膜運動不能與指示器的撓度相一致，而所顯示的油面并不能反映出儲罐的真實油面。三是破碎的浮珠。由于浮球的破碎必然會產生燃油，由于其自身的重量，必然會導致浮球體的下陷，從而導致液面表所示的油面低于平時值，這種傾向是隨著油液量的增大而逐漸接近于0[4]。

3 監測裝置的工作原理

3.1 光的全反射應用

在儲油柜漏油監控中，選擇了一種基于光全反射的光學傳感器。在S 光源經過光學和光學介質的邊界條件下，在傾斜角度θ3＞θ2時，折射角度α3大于90°時，映射光源會發生衰減，而只有反射光能通過反射表面回到光學介質中，這就是所謂的全反射。用以下公式求出了光的全反射臨界角度：

式中：θ為全反射臨界角；n為光密介質折射率。

圖1 光的全反射原理圖

3.2 超聲波測距應用

采用超聲波傳感器對油罐進行油面檢測。通常，頻率大于20kHz 的聲波叫做超聲波，其特征是頻率高，波長短，衍射條件低；同時，穿透力強，有一定的特異性，在傳輸過程中的損耗較小，其工作性能也較好，可以應用在固定X 射線的傳輸中，應用較為廣泛。超聲波傳感器的測量方法有回程時間測量、相位差測量、聲波頻率幅值測量等。本文所制作的儀器是利用往返時間測量技術實現的激光測距，其原理是利用超聲波傳感器發射一定數量的超聲波，通過其他媒介如氣體擴散，到達整個物體，準確地測量或反射障礙。當超聲波經過一個反射表面之后，會接收到一個單一的脈沖，這個脈沖所經過的時間是由超聲波的傳播距離決定的。通過探測到的傳播時間，得出了傳播距離。

假設s為被測物體與測距儀的距離，被測時間長度為t，超聲波的快速傳播用v 表示，則：

在精度要求較高的情況下，必須考慮溫度對超聲波傳播的危害，必須根據下式調整超聲波的快速傳播，以減少偏差。

式中：T為具體溫度，企業為℃；v為超聲波在材料中的快速傳播速度，企業為m/s。

4 裝置的結構及功能

變電所的油浸式變壓器波紋箱監控裝置包括一個變電所和一個主站。分站設于變電所油浸式變壓器波形儲油槽中，各分站由光纖、穿透超聲波、溫濕度傳感器組成；GPRS 的無線和MCU 的結構與光耦合電路的設計。主站由網絡服務器、無線網絡接收設備、系統軟件（變電所油浸式變壓器波紋油罐在線監控系統軟件）及相關數據庫查詢構成。該系統的CPU 由STC 系列產品的單片機構成，通過光纖、穿透超聲波、溫度、濕度傳感器等光耦路連接。本系統的供電部分使用了工業級的5V、24V 的開關供電，而西門子PLCGPRS 的無線部分，由光纖、超聲波、溫濕度傳感器等傳感器將采集到的數據進行處理，由MCU 進行分析、統計、處理，再由GPRS 接口發送至后臺的數據監測系統和維修人員的手機，并與后臺管理系統進行對接，以獲得海量的數據；通過對油浸式變壓器波紋油柜的查詢，可以對油浸式變壓器波紋油柜中的橡膠微粒破裂、油量狀況、補油量、油柜溫度、濕度等進行實時監控；現場儀表有無損壞等。通過對多個數據的統計和分析，得出了該儲油箱的各項性能指標及品質，從而能夠將其區別開來，從而為變電所維修和物料采購工作提供可靠的依據。

圖2 監測裝置結構組成圖

5 監測裝置核心技術

5.1 漏油監測

在無折射現象的情況下，所有透過的光都會回到所有的反射面上，透過的光與受的動能都是一樣的；電路是均衡的，也就是沒有任何的絕緣油泄露，如果有折射，表明變壓器的變壓器油已將傳感器吞噬；由于光源映射的改變，使光源發散，使傳回的光束數量減少，從而消除了環的平衡；利用這種特性，可以實現對儲油箱塑料微粒破裂、漏油的精確檢測。光纖傳感器具有體積小、可彎曲性好、能長時間傳送探測結果、快速響應；具有較高的使用壽命、高可靠性、抗干擾性、不受限于安裝地點；對野外環境的適應性強、靈敏度高、泄漏報警及時。

5.2 油位監測

儲油器的油面檢測采用超聲波探頭，能對1cm的金屬材質進行滲透，而實際應用則是利用耦合劑將超聲波傳感器與油箱底部結合，制作出一種新型的超聲波傳感器；工作性能好，尤其是在不透光的固體環境中，超聲波的穿透力可以達到幾十米，在接觸到殘渣時，會產生反光現象。超聲波可以準確地測定油箱內的油量，如圖3所示。穿透性超聲波傳感器不需要在儲油槽中設置精密的測量裝置，就可以實現精確的非接觸測量，其特點穩定、可靠、快速的響應速度；并且可實現實時、精確的不延時測量，具有較高的測量精度，適用于波紋管、隔膜式等變電所的油浸式變壓器波紋儲罐；安裝、操作簡單、快捷。

圖3 油位監測原理圖

5.3 補償體積

通過對變電所油浸式變壓器波紋箱的基本參數，以及變壓器波紋油柜的油位參數進行精確的檢測，可以得到相應的補償量。變電所用油浸變壓器的波紋儲油箱通常是橫置于變壓器頂部的圓筒狀,假定在正常工作條件下，最小的油流量為1min/10mm3，而匹配的絕緣油是Vmin；最大油量hmax，與絕緣油vmax相匹配；所有的標準油都是hb，絕緣油的匹配值是Vb（參照變壓器的實際工作參數）；超聲波傳感器精確測得的油量小時，匹配值是Vm；變電所油浸式變壓器采用L 型波紋管,在正常工作狀態下油位處于hmin、hm、hmax時，絕緣油沿蒸汽真空電磁閥的安全通路流入或流出，油量從hm降低至hb（參照變壓器的實際性能參數）。在hm·min時，絕緣油面發出告警之后需加油，補償值為Vs。因變壓器在正常工作時，油面由左至右起伏，故有最低油位hmin、最高油位hmax、最小補償值Vs、min=Vmin-Vm。根據容積計算的數學方法，可以求出補償容積Vs，如圖4所示，其整體計算方法為：

圖4 變電站油浸式變壓器波紋式儲油柜側體示意圖

其中，l為扇形oab 的弦長；Sloab是扇形oab的總面積；SΔoab為三角形oab 的面積；R為儲油柜側圓半徑。

編寫相關計算程序，現場維修人員在獲得油補量后，可以有計劃的帶回剩余油，有利于節省現場加油時間，提高加油效率。

6 監測裝置應用情況及改進方案

2021年11月，監控設備在某110kV 變電站試運行，現階段管理狀態正常。將變電站油浸式變壓器波紋油柜運行的數據信息不斷傳輸至數據監控核心，并查詢數據庫，積累了一定的數據信息，可以對儲油罐內的油量、溫濕度記錄等數據信息進行趨勢圖分析。根據對現場運行情況的總結，明確提出了一些改進措施，一是監控設備的信號增強器部分規定，特別是在規定了密封設計方案時，需要進行壓力試驗；二是設備需要進行電磁兼容測試實驗，以確保在復雜干擾信號的自然環境中一切正常[5]。

7 結語

通過研究，針對變電站油浸式變壓器波紋油柜油表、油表、補償量的精確測量、溫濕度記錄情況等給出了一整套新的監測方案，可有效避免由于變壓器內部漏油、儲油油位指示器卡死或微動開關失效而造成的異常現象，從而及時解決變電站油浸式變壓器波紋儲油柜內部的安全隱患，并迅速修復，防止變壓器本體的因缺導致的內部擊穿放電事故事件發生；可確保大中型油浸式變壓器安全可靠地工作，是實現電力工業數字化轉型、安全可靠運行、安全監控的重要手段。