新型變壓器儲油柜檢測系統的研制與應用

陳昊陽，鄒洪森，陳 瑞，軒 磊

（1.國網寧夏電力公司檢修公司，寧夏 銀川 750011；2.河南綠控科技有限公司，河南 許昌 461000）

0 引 言

國家電網在2019年明確未來推動建設世界一流能源互聯網企業，并重點建設運營好“堅強智能電網”和“泛在電力物聯網”，推動電網與互聯網深度融合。換流變壓器是超高壓直流輸電工程中至關重要的關鍵設備，是交、直流輸電系統中的整流、逆變兩端接口的核心設備。它的投入和安全運行是工程取得發電效益的關鍵和重要保證。換流變壓器儲油柜是用于變壓器的一種儲油裝置，當換流變壓器油的體積隨著油溫的變化而膨脹或縮小時，儲油柜起儲油和補油作用，能保證變壓器油箱內充滿油。同時，由于裝備了儲油柜，使換流變壓器內體與空氣的接觸面減小，且從空氣中吸收的水分、灰塵和氧化后的油垢都沉積在油枕底部的沉積器中，從而大大減緩變壓器油的劣化速度。

近年來，換流站變壓器事故時有發生。換流站變壓器一旦發生事故，都是大事故，事故影響范圍較大，事故處理周期較長。目前，換流變壓器事故預防沒有一套措施。針對換流變壓器安全運行的關鍵點進行分析，監視儲油柜內部空腔溫度、濕度、壓力和油位，并采用當前先進的物聯網技術，實現換流變壓器的監控信號遠傳監視而無需做更大的設備改造，即可及時發現設備隱患。這種措施將對高壓直流輸電換流站的安全運行具有重要意義。

1 新型變壓器儲油柜檢測系統的必要性

換流變壓器儲油柜沒有設置任何監視傳感器。目前，從換流站現狀來看，儲油柜檢修孔法蘭上僅僅設置連接呼吸器的管道，如圖1所示。

目前，實際應用的換流站變壓器儲油柜均沒有實現在線監視。這次研究的目的是把能夠反映換流站變壓器運行的必要參數上傳，通過監控系統及時發現設備運行異常的隱患，達到設備安全運行的作用。這里研究分析監視儲油柜內部空腔溫度、濕度、壓力和油位等參數，可以實現風險預防。

圖1 換流變壓器儲油柜檢修孔法蘭

（1）通過溫度監視可以實時獲知換流變儲油柜內部溫升曲線，通過設置溫升梯度和溫度限值達到預防的目的；

（2）通過濕度監視可以實時獲知換流變儲油柜內部的濕度曲線，間接分析儲油柜是否和室外空氣非正常相通并發生泄漏；

（3）通過監視儲油柜內部壓力，可以分析呼吸器是否發生了堵塞；

（4）通過監視儲油柜油位，實時了解儲油柜內油位現狀；

（5）通過紅外視頻監視器，可以隨時用肉眼方式查看儲油柜內部油囊的狀態。

2 新型變壓器儲油柜檢測系統研究目標

新型變壓器儲油柜檢測系統研究內容按模塊分類，主要包含2個實物模塊和1套程序。實物模塊包括功能安裝法蘭板模塊和監視通信模塊，程序則主要實現儲油柜檢測功能[1]。

儲油柜檢測系統的研究內容按研究對象分類，主要包括法蘭密封性能研究、儲油柜油位液位監視研究、儲油柜溫濕度監視研究、儲油柜壓力監視研究和儲油柜內部滲漏監視研究。圖2為新型變壓器儲油柜檢測系統結構圖。

圖2 新型變壓器儲油柜檢測系統結構

3 新型變壓器儲油柜檢測系統的設計

新型變壓器儲油柜檢測系統的設計要考慮很多因素。換流變壓器室外安裝，儲油柜在換流變壓器的最頂部有較高的防護要求，如防雨、防塵、抗紫外線以及高溫抗老化等[2]。

3.1 設計內容

3.1.1 法蘭密封性能設計

儲油柜檢修孔法蘭采用新型法蘭替代原有法蘭，法蘭接觸面的密封面未改變原有的狀態，密封沒有任何問題。主要是在法蘭上新增加的傳感器，密封面因設備的特殊性，密封均采用沉孔密封。圖3為沉孔O型圈密封形式，適用于溫濕度傳感器、壓力傳感器和超聲波油位計傳感器。

圖3 沉孔O型圈密結構

O型密封圈采用硅膠材質，能夠在室外曝曬下長期穩定工作，且抗紫外線和抗高溫老化。

3.1.2 儲油柜油位液位監視

儲油柜內部油囊的作用是將變壓器油和空氣隔開，防止變壓器油污穢。變壓器工作時要求油位滿足液面要求，無論變壓器工作時的溫度對變壓器油的熱漲冷縮產生任何影響，變壓器油均應在油位范圍內波動。經過分析和研究，在大法蘭蓋上設置了一個超聲波油位計。它可以測量油囊底部距離超聲波油位計安裝位置的高度，從而實時監視油囊的底部位置，間接獲取變壓器油的容量。

3.1.3 儲油柜溫濕度監視

自然循環冷卻變壓器的頂層油溫一般不宜經常超過85 ℃，強迫油循環風冷變壓器油溫度達到85 ℃時通常會報警。通過檢測儲油柜內的空氣溫度，可以實時了解變壓器的工作狀態。

變壓器儲油柜油囊內部由于通過呼吸器和大氣互通，雖然呼吸器能夠起到空氣干燥的作用，但是時間持久后空氣通過呼吸器進進出出，油囊內部氣體濕度會與呼吸器的干燥效率有關。檢測油囊氣體濕度可以檢查濕度是否滿足運行要求，也可以檢查呼吸器是否失效，以便及時更換呼吸器。

3.1.4 儲油柜壓力監視的研究

儲油柜內部油囊氣體通過呼吸器和大氣互通。正常情況下，儲油柜內部壓力能夠和大氣壓一致。但是，如果出現呼吸器因為堵塞而空氣不流通，此時儲油柜內部的氣體壓力和大氣壓不平衡。油位升高，儲油柜壓力可能為正壓；油位降低，儲油柜壓力可能為負壓[3]。通過壓力檢測，能夠判斷儲油柜呼吸器是否需要更換。

3.1.5 儲油柜內部滲漏監視

儲油柜油囊內部在外部看不到內部任何狀況，即使發生微量漏油事故，也不能及時發現。如今視頻監視技術已很熟，考慮到監視距離在1 m以內，特意和生產視頻設備的廠家研究定制了一個能夠監視1 m以內的高清圖像設備，并且配上紅外功能，在漆黑的油囊內部能夠清晰查看內部囊壁狀態。

3.2 模塊設計

3.2.1 安裝法蘭板模塊

新型法蘭式替代原有法蘭的目的是將新增的傳感器、視頻監視器安裝在有限的法蘭面上。圖4是研究的樣機，其中超聲波油位計、壓力傳感器、溫濕度傳感器和防爆視頻監控器均集中安裝在新型法蘭面上。

圖4 新型法蘭設備安裝圖

3.2.2 監視通信模塊

監視通信模塊是一臺室外箱體，內裝數據采集單片機、通信組件等[4]。監視通信模塊安裝在換流變附近，信號電纜距離為15 m。大法蘭上的傳感器、視頻監控器信號采集到監視通信模塊內，由單片機轉化為數據。通信組件為以太網接口（也可以擴展為其他接口），通過光纖以太網絡關聯到主控室主機。圖5是信號傳輸結構圖。

3.2.3 邏輯程序設計

監視通信模塊將采集的溫度、濕度、壓力、液位模擬信號經過工程線性化處理后轉化成數據值。數據值在量程范圍內傳送至通信口，由通信網絡上傳給主控室主機；數據不在量程范圍內判為故障點，故障的傳感器報警標志數字量通過通信口上傳給主控室主機。圖6是數據傳送邏輯圖。

4 電磁干擾解決方法

高壓直流輸電換流站是高強度電磁場干擾的場所，如果安裝的設備未能解決這個問題，將會對設備造成損壞。為了解決電磁干擾問題，需要做好以下措施。

圖5 信號傳輸結構圖

圖6 數據傳輸邏輯圖

4.1 電場屏蔽

電場會在導線、天線、未接地金屬體上感應出高靜電壓，尤其是在靠近高壓的換流站本體附近。這些靜電能量不高，但足以擊穿通信模塊內的集成電路、晶閘管等。應對這類事件，最好的方法是將組件安裝在金屬屏蔽罩內，金屬屏蔽罩可靠接地，同時信號電纜選用高可靠的屏蔽電纜，屏蔽層可靠接地，傳感器殼體可靠接地（可以和屏蔽層聯通集中接地）[5]。

4.2 磁場屏蔽

高壓導線強大的電流周圍會感應出高強度磁場，強磁力線穿過閉合回路會感應出強電流。為了避免強磁場干擾，必須用高導磁率材料屏蔽傳感器，使裝置工作在弱磁場環境中。

4.3 抗浪涌電源

電源線會因現場高壓設備的操控而產生高強度浪涌，需特別處理。如圖7所示，增加1個高耐受的電子保險絲F1，并加強保護壓敏電阻的耐受能量值，以實現對高強度浪涌的有效防護。

圖7 浪涌保護原理框圖

5 結 論

新型變壓器儲油柜檢測系統實現了無人值守，可全天候自動監測換流變壓器儲油柜相關參數，并通過光纖傳回主控室主機進行實施數據分析，完成報警、故障定位等功能。該系統可極大地減少運維人員的工作量，有效做到了故障預防，采集的數據能夠為后期事故分析提供數據依據，從而為電網的可靠運行保駕護航。