換流變壓器油枕膠囊泄漏免拆卸快速診斷技術(shù)研究

石明壘，苗 瑜，陳文強(qiáng)，步順德，黃 智，沈正元

（國(guó)網(wǎng)浙江電力有限公司檢修分公司，杭州 311232）

0 引言

高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流變壓器（以下簡(jiǎn)稱“換流變”）是實(shí)現(xiàn)交流電與直流電轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，能夠有效保證特高壓直流輸電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量、低損耗、異步非同頻聯(lián)網(wǎng)、大區(qū)域間能源輸送等功能，是保證能源供應(yīng)安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的戰(zhàn)略性技術(shù)，能有力推動(dòng)我國(guó)電力科技核心技術(shù)的發(fā)展[1-7]。

換流變油枕膠囊用于隔離空氣和絕緣油，避免絕緣油和空氣直接接觸，延緩油質(zhì)老化，同時(shí)防止外界雜質(zhì)進(jìn)入變壓器內(nèi)部[8-11]?，F(xiàn)有文獻(xiàn)側(cè)重于研究油枕結(jié)構(gòu)、油枕膠囊泄漏監(jiān)測(cè)裝置及其改進(jìn)措施等方面[12-19]，但針對(duì)膠囊破損泄漏診斷技術(shù)卻鮮有涉及。因膠囊破損導(dǎo)致的換流變停役事件時(shí)有發(fā)生，針對(duì)換流變油枕膠囊故障的常規(guī)處理方式工藝流程復(fù)雜、工期冗長(zhǎng)。及時(shí)、快速、準(zhǔn)確地診斷油枕膠囊是否破損，關(guān)系到換流站換流變能否按期復(fù)役，直接影響著直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

某±800 kV 特高壓直流工程，每座換流站配置28 臺(tái)換流變，其中24 臺(tái)在運(yùn)行狀態(tài)，4 臺(tái)備用。根據(jù)技術(shù)路線的不同，每臺(tái)換流變油枕內(nèi)配置1 個(gè)或2 個(gè)油枕膠囊，膠囊是一個(gè)耐油的尼龍橡膠囊袋，膠囊內(nèi)部通過(guò)呼吸器與大氣相通，外部與絕緣油相接觸。當(dāng)換流變絕緣油受熱膨脹時(shí)，油由油箱流向油枕，膠囊隨著絕緣油的膨脹而壓縮；當(dāng)絕緣油遇冷收縮時(shí)，絕緣油由油枕流向油箱，膠囊隨之膨脹。

1 油枕膠囊泄漏監(jiān)測(cè)原理

換流變油枕膠囊示意如圖1 所示。電力系統(tǒng)內(nèi)換流變配置膠囊泄漏報(bào)警監(jiān)測(cè)裝置，根據(jù)技術(shù)路線的不同，主要分為瓦斯繼電器集氣型和光波傳感器探油型2 種類型。

圖1 變壓器油枕膠囊

1.1 瓦斯繼電器集氣型

瓦斯繼電器集氣原理采用單浮球瓦斯繼電器，一端用法蘭盤(pán)密封，另一端通過(guò)聯(lián)管與油枕絕緣油相通。正常情況下，油中無(wú)空氣，瓦斯繼電器充滿絕緣油，浮球浮起。當(dāng)膠囊破損時(shí)，空氣進(jìn)入油枕匯集至瓦斯繼電器，瓦斯繼電器內(nèi)部油位油下降，浮球落下引發(fā)報(bào)警。瓦斯繼電器位置及實(shí)物如圖2 所示。

圖2 油枕加裝氣體繼電器安裝圖與實(shí)物

1.2 光波傳感器探油型

光波傳感器集氣原理采用的MBR 傳感器具有LED 發(fā)光功能，安裝于膠囊內(nèi)部，如圖3 所示。膠囊完好時(shí)，膠囊內(nèi)部無(wú)絕緣油，傳感器LED 發(fā)射光被光學(xué)接收器接收，無(wú)報(bào)警信號(hào)。當(dāng)膠囊破損時(shí)，絕緣油滲透到膠囊內(nèi)部，此時(shí)傳感器接觸到絕緣油，LED 發(fā)射光被絕緣油發(fā)散、吸收，導(dǎo)致耦合電路失衡，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖3 油枕加裝MBR 傳感器光波探測(cè)安裝圖與實(shí)物

2 膠囊泄漏報(bào)警原因分析

引起膠囊泄漏報(bào)警主要有4 種原因：

（1）膠囊破損。膠囊內(nèi)氣體進(jìn)入油枕，膠囊泄漏報(bào)警；絕緣油進(jìn)入膠囊內(nèi)部，膠囊泄漏報(bào)警。

（2）換流變負(fù)壓油回路密封不嚴(yán)。換流變運(yùn)行中，負(fù)壓絕緣油回路密封不嚴(yán)，絕緣油隨溫度變化出現(xiàn)熱脹冷縮現(xiàn)象，空氣進(jìn)入油枕，聚集在油枕上部瓦斯繼電器處，引發(fā)泄漏報(bào)警信號(hào)，易發(fā)生于油枕頂部油回路管路。

（3）設(shè)備安裝不規(guī)范。膠囊安裝時(shí)內(nèi)部留存部分殘油，換流變安裝初期在抽真空、注油階段帶入少許殘油。

（4）泄漏檢測(cè)繼電器本身故障。瓦斯繼電器浮球破損、MBR 傳感器發(fā)收光或耦合電路失衡，以及二次回路故障等，導(dǎo)致報(bào)警信號(hào)出現(xiàn)。

統(tǒng)計(jì)某±800 kV 特高壓換流站，投運(yùn)至今共出現(xiàn)膠囊泄漏報(bào)警122 次，經(jīng)檢測(cè)實(shí)際破損膠囊12 臺(tái)·次，實(shí)際破損率占10%，膠囊泄漏報(bào)警誤報(bào)率占90%，膠囊專項(xiàng)檢查工作耗費(fèi)大量人力和物力，因此對(duì)膠囊泄漏進(jìn)行快速、準(zhǔn)確診斷極為重要。

3 膠囊泄漏診斷方法

3.1 常規(guī)膠囊泄漏診斷工藝

常規(guī)膠囊泄漏報(bào)警檢查主要包括棉棒底部探油、油枕排油、膠囊泄壓、膠囊吊出檢查確認(rèn)、油務(wù)處理等工序，工藝復(fù)雜、工期較長(zhǎng)且易受天氣影響。按照常規(guī)處理方式，將膠囊吊出后才可檢查確認(rèn)膠囊破損狀況，吊出膠囊需對(duì)油枕進(jìn)行排油，排油區(qū)域如圖4 中虛線框所示。診斷排油，排油量約6 t，診斷工期約7 h，在迎峰度夏期間±800 kV 換流站滿負(fù)荷8 000 MW 運(yùn)行，停電損失約0.56 億kWh，采用新型診斷技術(shù)，每節(jié)約用時(shí)1 h，可節(jié)約0.08 億kWh。

圖4 油枕排油區(qū)域示意圖

3.2 新型膠囊免拆卸診斷泄漏技術(shù)

為準(zhǔn)確判斷膠囊是否破損，簡(jiǎn)化診斷工藝，提升工作效率，本文提出一種新型膠囊免拆卸診斷技術(shù)方法。新方法包括棉棒底部探油、靜態(tài)保壓試驗(yàn)、微正壓保壓排氣3 種工藝。

（1）棉棒底部探油

拆卸油枕頂部呼吸器管路，利用纏繞棉布的鐵絲深入膠囊底部，觀察棉棒頭部是否有油跡。該方法適用于排查膠囊中、下部破損泄漏缺陷，可直觀查看換流變油枕膠囊內(nèi)是否有絕緣油（如圖5 所示），不適用于膠囊上部或輕微破損情況。

圖5 棉棒底部探油

（2）靜態(tài)保壓試驗(yàn)

向膠囊充入微正壓干燥空氣，開(kāi)展靜態(tài)保壓試驗(yàn)，觀測(cè)連接管路壓力表計(jì)示數(shù)變化情況。若壓力表計(jì)無(wú)明顯下降，保壓成功，膠囊密封良好；若壓力表計(jì)指示明顯下降，保壓不成功，膠囊密封不良。該方法多用于排查膠囊中、上部破損，不適用于膠囊砂眼類輕微破損。

（3）微正壓保壓排氣

通過(guò)給膠囊充入微正壓干燥空氣，使膠囊內(nèi)充滿空氣，但無(wú)明顯壓力，打開(kāi)油枕頂部排氣塞觀察絕緣油溢出情況（如圖6 所示）。該方法適用于膠囊砂眼類微小破損。

圖6 充氣保壓后排氣塞檢查氣泡冒出

3.3 現(xiàn)場(chǎng)案例

案例一，棉棒底部探油： 2015 年6 月，某站極1 高端Y/D-B 相換流變膠囊泄漏報(bào)警，現(xiàn)場(chǎng)采用棉棒底部探油發(fā)現(xiàn)膠囊內(nèi)進(jìn)入大量絕緣油，吊出油枕膠囊檢查發(fā)現(xiàn)底部有貫穿性破損，如圖7 所示。

圖7 極1 高端換流變Y/D-B 相膠囊破損泄漏

案例二，靜態(tài)保壓試驗(yàn)： 2017 年5 月，某站極1 高端Y/D-A 相、極2 高端Y/Y-B 相換流變膠囊泄漏報(bào)警，通過(guò)膠囊底部探油未見(jiàn)異常，現(xiàn)場(chǎng)向膠囊充入0.03 MPa 以內(nèi)的壓力，靜態(tài)保壓發(fā)現(xiàn)膠囊壓力指示數(shù)下降，說(shuō)明膠囊存在破損點(diǎn)，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)油枕頂部接口法蘭存在隱蔽裂縫，如圖8 所示。

圖8 膠囊頂部接口法蘭破損

案例三，微正壓保壓排氣： 2019 年2 月，某站極1 高Y/Y-C 相換流變膠囊泄漏報(bào)警，現(xiàn)場(chǎng)采用膠囊底部探油與膠囊靜態(tài)保壓均未見(jiàn)異常，向油枕膠囊充入0.01 MPa 微正壓保壓，發(fā)現(xiàn)油枕頂部排氣塞有微量氣泡冒出，判斷膠囊存在微小破損，共用時(shí)約2 h。吊出膠囊，并對(duì)膠囊充入水和氣進(jìn)行加壓，檢查發(fā)現(xiàn)膠囊有5 處砂眼，如圖9 所示。

圖9 極1 高Y/Y-C 相換流變油枕膠囊沙眼

某換流站投運(yùn)以來(lái)的膠囊破損案例統(tǒng)計(jì)如表1 所示?？梢钥闯觯?利用常規(guī)技術(shù)，在4 年內(nèi)診斷出5 臺(tái)膠囊異常；利用新型診斷技術(shù)，在1年內(nèi)診斷出6 臺(tái)膠囊破損。相比于常規(guī)膠囊泄漏診斷技術(shù)，新型免拆卸診斷膠囊破損技術(shù)具有更短的工期與更高的準(zhǔn)確率。

表1 某換流站換流變膠囊泄漏診斷案例統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)換流變油枕膠囊破損，提出通過(guò)棉棒底部探油、靜態(tài)保壓試驗(yàn)、微正壓保壓排氣3 種方式相結(jié)合的新型膠囊泄漏診斷技術(shù)，并與常規(guī)處理方案進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了所提技術(shù)方案的可行性與可靠性。

（1）新型診斷技術(shù)方案中，棉棒底部探油方法簡(jiǎn)單、直觀、迅速，但較難診斷上部破損；靜態(tài)保壓試驗(yàn)相對(duì)復(fù)雜、便捷，但較難診斷砂眼類細(xì)微破損；微正壓保壓排氣適用于大小破損，但操作復(fù)雜，工藝難度稍高。3 種方法相結(jié)合可在不拆卸油枕膠囊的情況下，快速、準(zhǔn)確地診斷膠囊是否破損，相比于常規(guī)方式，能夠有效簡(jiǎn)化診斷工藝、控制檢修工期、提高工作效益。經(jīng)實(shí)踐證實(shí)，新型診斷技術(shù)方案具有更高的可行性與可靠性。

（2）新型診斷技術(shù)方案不拆卸膠囊、不排油，受外界環(huán)境等因素干擾較小，操作簡(jiǎn)單，流程簡(jiǎn)化，更實(shí)現(xiàn)容易，處理工期由7 h 縮短為2 h，大大提高了現(xiàn)場(chǎng)工作效率。

（3）利用新型技術(shù)方案，現(xiàn)場(chǎng)停電損失由0.56億kWh 降低至0.16 億kWh，按0.5 元/kWh 計(jì)算，相比于常規(guī)處理方案，單臺(tái)換流變膠囊破損診斷可產(chǎn)生0.2 億元經(jīng)濟(jì)效益。

（4）新型技術(shù)方案具有自適應(yīng)功能，可應(yīng)用于各電壓等級(jí)換流變，并可供常規(guī)變壓器借鑒?？梢胄陆üこ蹋嵘儔浩饔驼砟z囊驗(yàn)收質(zhì)量管控?？梢胱儔浩髂z囊常態(tài)化維護(hù)檢測(cè)及更換判據(jù)，提升變壓器油枕膠囊可靠性管理。