換流變壓器油枕膠囊破裂監(jiān)測(cè)裝置研究

國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司 秦曉俐

云南電網(wǎng)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(shè)備，屬于大型充油設(shè)備，油枕膠囊常會(huì)因?yàn)榘惭b質(zhì)量問(wèn)題、年限老化磨損、絕緣油處理操作等原因出現(xiàn)破裂現(xiàn)象［1］-［2］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)直流輸電工程中多次出現(xiàn)換流變壓器油枕膠囊破裂影響輸電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(jiān)測(cè)裝置的問(wèn)題［3］。針對(duì)當(dāng)前現(xiàn)狀，國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司進(jìn)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(cè)換流變壓器油枕膠囊是否存在破裂的監(jiān)測(cè)裝置。

本文結(jié)合兩起故障對(duì)換流變壓器油枕膠囊破裂監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并對(duì)新研制的換流變壓器油枕膠囊監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了說(shuō)明。

2 換流變壓器油枕膠囊破裂監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)直流輸電工程中部分換流變壓器沒(méi)有安裝油枕膠囊監(jiān)測(cè)裝置，曾發(fā)生過(guò)油枕膠囊破裂未及時(shí)處理導(dǎo)致直流系統(tǒng)閉鎖的事故：2011年5月2日，復(fù)龍換流站直流輸電系統(tǒng)以1000MW功率運(yùn)行過(guò)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(xù)嚴(yán)重漏油導(dǎo)致重瓦斯保護(hù)動(dòng)作跳閘，停電后檢查發(fā)現(xiàn)故障換流變壓器油枕膠囊破裂，該換流變壓器無(wú)油枕膠囊破裂監(jiān)測(cè)裝置。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)直流輸電工程中部分換流變壓器安裝有油枕膠囊監(jiān)測(cè)裝置，均采用電容值測(cè)量原理的泄漏監(jiān)測(cè)裝置，該類(lèi)監(jiān)測(cè)裝置可靠性、靈敏性均較差，在工程實(shí)際中曾出現(xiàn)過(guò)裝置拒動(dòng)現(xiàn)象：2015年6月12日，德陽(yáng)換流站直流輸電系統(tǒng)輸送功率由600MW上升至1200MW運(yùn)行后，運(yùn)維人員巡檢發(fā)現(xiàn)極ⅠY/△-B相換流變壓器本體油枕呼吸器處持續(xù)大量漏油。隨后，運(yùn)維人員向調(diào)度申請(qǐng)停電檢查處理，發(fā)現(xiàn)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(jiān)測(cè)裝置，但在當(dāng)時(shí)大量漏油的情況下并未正常發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

電容值測(cè)量原理泄漏監(jiān)測(cè)裝置如圖1所示，工作原理為：監(jiān)測(cè)探頭透過(guò)換流變壓器膠囊安裝蓋板處插入膠囊內(nèi)部，探頭與膠囊之間構(gòu)成一個(gè)電容。油枕膠囊未破損時(shí)，探頭處于空氣中，測(cè)量到的是一個(gè)小數(shù)值的初始電容值CA；油枕膠囊破損時(shí)，膠囊內(nèi)部有絕緣油注入，電容值將隨探頭被油所覆蓋區(qū)域面積的增加而增大達(dá)到CB。當(dāng)電容值CB與電容值CA的差值△C達(dá)到定值后，監(jiān)測(cè)裝置會(huì)提供一個(gè)硬接點(diǎn)報(bào)警信號(hào)給運(yùn)維人員后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)發(fā)出“油枕膠囊泄漏”報(bào)警報(bào)文。

圖1 電容值測(cè)量原理泄漏監(jiān)測(cè)裝置

由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)直流輸電工程中關(guān)于換流變壓器運(yùn)行過(guò)程中油枕膠囊破裂監(jiān)測(cè)方面存在以下問(wèn)題：

1)部分工程中未考慮換流變壓器油枕膠囊破裂監(jiān)測(cè)手段，無(wú)法及早發(fā)現(xiàn)并處置油枕膠囊破裂避免事故的發(fā)生。

2)電容值測(cè)量原理泄漏監(jiān)測(cè)裝置的正確報(bào)警與傳感器探頭的完好性、監(jiān)測(cè)裝置電容值計(jì)算環(huán)節(jié)的正確性、報(bào)警定值設(shè)定的有效性、進(jìn)入膠囊內(nèi)的油面高度等諸多因素有關(guān)，報(bào)警原理復(fù)雜，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中存在反應(yīng)不靈敏、動(dòng)作不可靠的情況。

因此，目前有必要研制一套穩(wěn)定、可靠的換流變油枕膠囊破裂監(jiān)測(cè)裝置,以確保換流變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行，避免直流輸電系統(tǒng)由于換流變壓器油枕膠囊破裂導(dǎo)致的閉鎖事故的發(fā)生。

3 新研制的監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)組成

考慮到激光由空氣射向絕緣油時(shí)會(huì)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(jìn)入的實(shí)際情況，同時(shí)可以有效避免換流變壓器負(fù)荷及環(huán)境溫度變化時(shí)膠囊形狀變化對(duì)監(jiān)測(cè)的影響，本次研究利用了光的全反射、折射原理結(jié)合光纖傳感技術(shù)制作了換流變壓器油枕膠囊破裂監(jiān)測(cè)裝置。

換流變壓器油枕膠囊破裂監(jiān)測(cè)裝置主要由兩個(gè)部分組成：由換流變壓器油枕頂部接頭放置于油枕膠囊內(nèi)部的激光監(jiān)測(cè)探頭；放置于換流變壓器現(xiàn)場(chǎng)控制柜內(nèi)的泄漏探測(cè)裝置，如圖2、3所示。

圖2 換流變壓器油枕膠囊破裂監(jiān)測(cè)裝置

圖3 換流變壓器油枕膠囊破裂監(jiān)測(cè)裝置安裝圖

激光監(jiān)測(cè)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(fā)信光纖及一根多模絕緣收信光纖構(gòu)成。激光監(jiān)測(cè)探頭主要負(fù)責(zé)對(duì)油枕膠囊是否破裂進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)。全反射棱鏡鏡頭采用人造水晶材質(zhì)，應(yīng)用圓柱體加等腰直角圓錐體一體成型結(jié)構(gòu)，當(dāng)激光垂直射入鏡面時(shí)，具有全反射靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)、便于現(xiàn)場(chǎng)安裝的特點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 激光監(jiān)測(cè)探頭分解圖

泄漏探測(cè)裝置采用印刷電路板及單片機(jī)微處理技術(shù)，負(fù)責(zé)發(fā)出激光信號(hào)、接收激光返回信號(hào)、將返回的激光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)、油枕膠囊破裂的邏輯判斷、提供報(bào)警節(jié)點(diǎn)信號(hào)輸出。

4 新研制的監(jiān)測(cè)裝置工作原理

換流變壓器油枕膠囊破裂監(jiān)測(cè)是基于激光垂直射向等腰直角三棱鏡的斜面會(huì)發(fā)生全反射，而激光由空氣進(jìn)入絕緣油會(huì)發(fā)生折射、吸收的原理，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)換流變壓器油枕膠囊內(nèi)部是否有絕緣油進(jìn)入進(jìn)行判別，進(jìn)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(jiān)測(cè)探頭內(nèi)無(wú)絕緣油，泄漏探測(cè)裝置持續(xù)發(fā)出的激光傳輸至全反射棱鏡鏡面處發(fā)生全反射，反射回來(lái)的激光通過(guò)收信光纖返回至泄漏探測(cè)裝置。泄漏探測(cè)裝置檢測(cè)到回饋的激光信號(hào)相比發(fā)出的激光信號(hào)強(qiáng)度無(wú)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(jiān)測(cè)探頭工作原理圖

圖6 膠囊破裂激光監(jiān)測(cè)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(jìn)入油枕膠囊，絕緣油通過(guò)探頭鏤空外壁進(jìn)入探頭內(nèi)部。泄漏探測(cè)裝置發(fā)出的激光在探頭內(nèi)會(huì)經(jīng)過(guò)絕緣油折射、吸收，泄漏探測(cè)裝置檢測(cè)的回饋激光信號(hào)強(qiáng)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(hào)轉(zhuǎn)換成與其成線性關(guān)系的電壓值，在無(wú)返回激光信號(hào)時(shí)，測(cè)量的電壓值最小，返回激光信號(hào)最強(qiáng)時(shí)，測(cè)量的電壓值最大。本裝置激光發(fā)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(shè)定取決于光纖長(zhǎng)度，光纖長(zhǎng)度越長(zhǎng)衰耗越大，經(jīng)過(guò)充分測(cè)試，當(dāng)光纖長(zhǎng)度小于50米時(shí)，報(bào)警定值設(shè)定為2.7V。裝置利用測(cè)量到的返回電壓與設(shè)定的告警電壓值進(jìn)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(jù)，同時(shí)向外部提供空節(jié)點(diǎn)信號(hào)輸出。

為了充分保證裝置的正確性、可靠性、靈敏性，裝置的報(bào)警判別如圖7所示，按以下流程設(shè)計(jì)：1)裝置運(yùn)行后，當(dāng)沒(méi)有激光返回信號(hào)持續(xù)時(shí)間超過(guò)1秒鐘時(shí)，裝置發(fā)出報(bào)警。2)當(dāng)裝置每次檢測(cè)到激光返回信號(hào)后，則暫停激光發(fā)射30ms，需要確認(rèn)接收到的返回信號(hào)消失，然后再進(jìn)行下一次的激光發(fā)射；否則認(rèn)為是裝置出現(xiàn)故障，同樣提供報(bào)警輸出。

圖7 換流變壓器油枕膠囊破裂檢測(cè)流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

雖然油枕膠囊是換流變壓器的附件，但油枕膠囊在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)破裂直接影響到輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此換流變壓器有必要配置一套穩(wěn)定、可靠的油枕膠囊破裂監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)裝置，相對(duì)與原有的電容值測(cè)量原理泄漏監(jiān)測(cè)裝置，該換流變壓器油枕膠囊破裂監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)手段簡(jiǎn)單、原理可靠，能夠?qū)收线M(jìn)行及時(shí)正確的早期診斷，為換流站運(yùn)維人員采取緊急處理措施爭(zhēng)取時(shí)間，對(duì)保障直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有積極作用，同時(shí)也為換流變壓器制造廠家及工程技術(shù)改造提供了參考。

[1]趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2004.

[2]韓曉東,翟亞?wèn)|.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(jiān)測(cè)裝置改進(jìn)建議[J].電子世界,2015,16:152-154.