某核電廠油浸式變壓器儲油柜油位監測裝置改造及分析

仲維燦，裴 煜，穆 寶，李亮亮

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 油位監測系統

1）儲油柜

變壓器儲油柜也稱為“油枕”，安裝于變壓器油箱上部，儲油柜為適應變壓器油箱內變壓器油的體積變化而設置的一個與之相通的容器[1]。

儲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充、存儲變壓器油，變壓器油普遍采用克拉瑪依25號油。儲油柜包含有載分接開關儲油柜和本體儲油柜，絕大部分變壓器的這兩種儲油柜是分體安裝的[2]，運行時其內部絕緣油互不相通，也有安裝于一體的。儲油柜安裝于變壓器油箱的上部，用彎管與變壓器油箱連通，儲油柜的容積一般為變壓器油總量的8%～10%。

儲油柜中變壓器油質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間有很大的關系[3]，為了避免儲油柜中的變壓器油與空氣之間的接觸，儲油柜內部安裝了一個耐變壓器油的膠囊。該膠囊耐腐蝕性較強，膠囊內的空氣先經過安裝有硅膠的吸濕器后再與外界大氣相通，儲油柜油面上的空間的變化是通過膠囊的膨脹和收縮來實現的[4]。

2）油位監測的必要性

儲油柜的油位是電力變壓器的重要監測參數之一，大型油浸式變壓器的油位監測數據正常是保證變壓器安全運行的前提[5]，及時發現儲油柜內油位過低或過高，并采取相應的補油、排油措施對于確保電力變壓器的安全運行具有十分重要的意義[6]。當油位過高時，可能造成變壓器內部油壓增大，同時壓力釋放閥動作，還會造成溢油。油位過低時，在變壓器低負荷運行、變壓器停用或天氣寒冷的環境時，油位還會持續降低。當變壓器內部的油面低于變壓器大蓋以下時，會使繞組的引線或鐵心暴露在空氣中，有造成內部閃絡的危險[7]。同時，油與空氣接觸面增大，會使絕緣油的絕緣性能迅速下降[8]，此時，嚴重威脅變壓器的安全運行，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有發生。其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[9]。監視儲油柜內油位，及時發現設備隱患，將對大型油浸式變壓器的安全運行具有重要意義[10]。

1 傳統的油位監測系統

目前，常用的測量儲油柜油位方法有紅外測溫法、電磁式油位計等方法。

1）紅外測溫儀測油位。紅外線測溫檢測變壓器油位的原理是通過儲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量儲油柜表面溫度，通過紅外線測溫儀所拍攝的圖像，進行色彩分析從而確定變壓器實際油位。

紅外線測溫儀受環境、空間、溫度的影響比較大，當氣溫與油溫溫差小、負荷低時，拍攝的油位線位置模糊，難以辨識。

2）電磁式油位計。電磁式油位計是目前變壓器自帶且應用較為普遍的大、中型變壓器儲油柜油位測量裝置。其基本原理是：當儲油柜內油位發生變化時，使得油位計連桿上的浮球（位于儲油柜中）上下擺動，帶動油位計的轉動機構轉動，通過磁偶合器及指針軸的轉動，將儲油柜的油位在表盤上通過指針指示出來[11]。

由于500kV變壓器處于強磁場及常年震動型狀態下，磁藕合系統及指針傳動系統易受到影響，從而影響儲油柜油位測量的精確度。

1.1 機械式油位監測

某核電廠大型油浸式變壓器的儲油柜，均采用壓力式油位計測量油位。儲油柜油位監測裝置分為3部分：傳感器部分安裝在儲油柜的底部；顯示器部分安裝在變壓器油箱上，容易觀察讀數的位置，這兩部分由毛細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，經毛細管將位移傳遞給顯示器，從而驅動顯示器里的指針轉動，以達到顯示儲油柜的油位目的，并在儲油柜的最低油位和最高油位時使微動開關動作，發出報警信號。機械式油位測量系統如圖1。

圖1 機械式油位測量系統Fig.1 Mechanical oil level measuring system

油位計為浮子型壓力式油位計，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，指示儀表內配置了4個可微動開關，2個為低油位報警，2個為高油位報警。該類型油位計通過液壓機械傳動測量系統來進行測量完成的，油位通過1個浮子的位置檢測，浮子帶動1個用螺栓安裝在儲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，將浮子連桿的轉動傳到指示儀表的液壓系統。

液壓系統由兩對波紋管和連接管組成。第一對波紋管連接到法蘭安裝件上的連接件上，當浮球位置發生改變時，驅動波紋管產生位移，進而傳遞給指示儀表。第二對波紋管補償環境溫度的變化，還可以補償儲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，對傳感器、法蘭盤的結構進行了詳細的分析，傳感器、法蘭盤的結構如圖2、圖3。

圖2 傳感器結構Fig.2 Sensor structure

圖3 法蘭盤結構Fig.3 Flange structure

由以上3個圖中可以看出，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微的縫隙。在環境中，由于熱脹冷縮，法蘭盤和螺栓的材質不同，熱膨脹系數不同，兩者之間產生縫隙，變壓器油滲透過浮子轉向板與法蘭盤內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。

油位計法蘭盤采用不銹鋼材料制作而成，該材料應用廣泛。將更換下的油位計法蘭盤進行分析發現，如圖4。

圖4 法蘭盤裂痕Fig.4 Flange crack

由圖4可以明顯發現，法蘭盤表面有裂痕。法蘭盤存在質量缺陷，導致法蘭盤產生裂痕，變壓器油從法蘭盤表面滲出。法蘭盤存在質量缺陷是造成油位計滲油的另一個主要因素。

由于油位計位于儲油柜下方，更換油位計時需將儲油柜內油排空，然后拆下故障的油位計，安裝新的傳感器。油位計的更換過程中，涉及排油、注油、抽真空及熱油循環等油務工作，工期較長，且更換過程較為復雜。

2 新型油位監測系統

2.1 油位監測裝置的組成

設計的新型變壓器油位監測裝置，取消原油位計的安裝方式，將儲油柜端蓋上部、下部打孔，安裝管路和閥門，將變壓器油引出，采用“連通器”的原理進行油位測量。新型油位監測裝置示意圖如圖5。

圖5 新型油位監測裝置Fig.5 New oil level monitoring device

新型油位監測裝置由變壓器油傳輸單元和油位測量單元組成。導波雷達液位計是依據時域反射原理（TDR）為基礎的雷達液位計，雷達液位計的電磁脈沖以光速沿鋼纜或探棒傳播，當遇到被測介質表面時，雷達液位計的部分脈沖被反射形成回波并沿相同路徑返回到脈沖發射裝置，發射裝置與被測介質表面的距離同脈沖在其間的傳播時間成正比，經計算得出液位高度。

2.2 變壓器油傳輸單元

變壓器油傳輸單元由儲油柜旁通管、球閥及其連接管道和定制的儲油柜蓋板組成。變壓器油傳輸單元改變了原變壓器儲油柜端蓋的結構，在儲油柜端蓋的上方、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構Fig.6 Composition of the transformer oil transfer unit

定制的儲油柜端蓋上部和下部兩個開孔位置的選擇是個關鍵問題。由于變壓器正常運行過程中，儲油柜內的變壓器油一般占儲油柜總容量的60%～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將充滿變壓器油，將導致儲油柜上方和連通管上方的空腔內的壓力不一致。此時，連通管內的變壓器油位無法真實反應儲油柜內的變壓器油位。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行期間連通管內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，規格為Φ50mm，與傳感器接口位置采用DN50的法蘭面；旁通管與儲油柜端蓋之間的管道規格同為DN25，閥門采用優質的球閥，規格為DN50。傳輸單元所有的法蘭接口均配置密封圈，防止連接位置發生變壓器油的泄漏。

定制的儲油柜端蓋與變壓器廠家原設計的端蓋材質相同，端蓋、旁通管和連接管的內側噴涂了具有一定絕緣功能及良好耐熱性、耐油性、機械和防腐性能等防止油流帶電的油漆。

當導波雷達油位測量傳感器故障需要更換時，只需要關閉旁通管兩側的截止閥，將旁通管內的變壓器油與儲油柜內的變壓器油隔離，從而實現了在不需要將儲油柜變壓器油排空的工況下，即可以完成油位計更換工作。

2.3 油位測量單元

測量單元包含探針傳感器、外部顯示器及其支架。由于運行期間儲油柜的直徑小于1500mm，且儲油柜內的變壓器無明顯的波動，而繩性探針適用于特大型的容器液位測量系統，故測量探針采用棒性。導波雷達示意圖如圖7。

圖7 導波雷達示意圖Fig.7 Schematic diagram of guided wave radar

導波雷達傳感器的電源采用220V AC，棒型探針的長度為1200mm，導波雷達傳感器與儲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油柜油面壓力相同，旁通管內的油面高度即為變壓器儲油柜油位。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波雷達匹配的外部顯示器。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，并將模擬量轉換為數字量，顯示實時的液位高度。

3 改造前后設備對比

改造前后變壓器儲油柜油位監測方式、測量傳感器等方面均發生了改變，見表1。

表1 改造前后油位監測系統的組成對比Table 1 Composition comparison of oil level monitoring system before and after reconstruction

4 結論

本文首先分析了變壓器儲油柜普遍采用的浮子型壓力式油位計存在的滲油問題，詳細分析其滲油的故障原因是由于設備設計存在的缺陷，然后設計了一種新型儲油柜油位監測裝置，采用“連通器”原理測量儲油柜的油位，測量傳感器為棒性導波雷達。設計的油位監測裝置解決了當前油位計滲油故障率高、更換過程復雜的問題，可以實現儲油柜不排油的情況下進行油位計更換工作，同時該新型油位計監測裝置性能優異，具有比較好的應用前景。