膠囊式儲(chǔ)油柜油位故障原因分析及對(duì)策

楊 東

(國(guó)家能源集團(tuán)大渡河大崗山水電開發(fā)有限公司，四川 雅安 625000)

0 前 言

膠囊式儲(chǔ)油柜是在儲(chǔ)油柜內(nèi)部安裝一個(gè)膠囊，使絕緣油與空氣隔離，并通過硅膠呼吸器與大氣連通，安裝時(shí)通過在膠囊內(nèi)充氮?dú)饣蚋稍锟諝獾却胧┓乐鼓z囊破裂，避免絕緣油與空氣直接接觸。儲(chǔ)油柜膠囊是一種橡膠工業(yè)制品，主體膠料多以耐臭氧PVC并用膠和耐油NBR、NBR單膠和氯醚橡膠為主，也有以三元氯醚橡膠為主要材料，膠囊多以聚酰胺纖維為骨架材料[1]。目前，膠囊式儲(chǔ)油柜容易出現(xiàn)油位指示不正確的典型故障，產(chǎn)生這一故障的原因很多，故障現(xiàn)象也各不相同，特別是油位表的油位指示與儲(chǔ)油柜實(shí)際油位不一致時(shí)，將直接影響變壓器的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 工作原理

高壓油浸式設(shè)備絕緣油中溶解了空氣，空氣中的氧氣就促使絕緣油及浸泡在油中的纖維材料氧化、老化。當(dāng)纖維材料發(fā)生水解時(shí)，纖維素鍵斷裂，油中纖維素材料被破壞，絕緣加速老化，變壓器和電抗器就會(huì)降低使用壽命[2]。高壓油浸式設(shè)備應(yīng)盡量沒有或僅有少量的氣體，保持儲(chǔ)油柜油量合理，這樣可以減少絕緣油與空氣的接觸面積。隨著電氣設(shè)備電壓的不斷升高，絕緣油與大氣隔絕尤其重要，防止大氣中的氧氣、水分進(jìn)入到絕緣油中，避免出現(xiàn)設(shè)備的絕緣強(qiáng)度下降及設(shè)備老化。因此，現(xiàn)在的油浸式變壓器和電抗器上都裝有儲(chǔ)油柜。儲(chǔ)油柜是油浸式變壓器和電抗器的重要保護(hù)附件之一，其主要用途是保證絕緣油體積的自由變化，使油面與空氣接觸面積縮小到最低限度，減緩絕緣油的老化；其次，對(duì)設(shè)備也有補(bǔ)油作用[3]。

儲(chǔ)油柜的膠囊隔膜袋通過呼吸管、呼吸器與大氣相通，呼吸管連通隔膜袋和呼吸器，呼吸器通過硅膠直接與大氣連通，空氣經(jīng)過吸濕器時(shí)將其中的水分和雜質(zhì)過濾干凈。當(dāng)隔膜袋呼吸時(shí)，氣體呼吸管和呼吸器與外部空氣交換，呼吸器中的變色硅膠可以清除空氣中的潮氣和雜質(zhì)，確保進(jìn)入膠囊的空氣干燥、清潔。儲(chǔ)油柜的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 膠囊式儲(chǔ)油柜結(jié)構(gòu)示意

儲(chǔ)油柜內(nèi)使用油位指示器，一般由內(nèi)外兩部分組成。儲(chǔ)油柜內(nèi)部分包括浮子、托架和磁體，儲(chǔ)油柜外部分包括外殼、指針、刻度盤和磁體，兩部分由防漏圓盤隔開。

儲(chǔ)油柜油位計(jì)的浮子漂浮在柜體內(nèi)膠囊下的油面上，浮子隨著油面的升降而升降，并帶動(dòng)擺桿上下擺動(dòng)。擺桿通過齒輪副帶動(dòng)油位計(jì)的主動(dòng)磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)磁鋼帶動(dòng)油位計(jì)的被動(dòng)磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)，被動(dòng)磁鋼又帶動(dòng)表盤指針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)達(dá)到高油位或低油位時(shí)，指示器配置的干簧接點(diǎn)接通發(fā)出油位相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)[4]。

2 某水電站故障現(xiàn)象

某水電站采用550 kV戶外、單相、油浸、間隙鐵芯線路并聯(lián)電抗器。并聯(lián)電抗器是接在高壓輸電線路上的大容量電感線圈，作用是補(bǔ)償高壓輸電線路的電容和吸收其無(wú)功功率，防止電網(wǎng)輕負(fù)荷時(shí)因容性功率過多引起電壓升高。

運(yùn)行巡檢人員巡回發(fā)現(xiàn)電抗器C相油枕油位顯示器顯示油位指示為零。故障發(fā)生后，油溫監(jiān)測(cè)、繞組溫度監(jiān)測(cè)和紅外測(cè)溫均未見異常。電抗器油色譜在線監(jiān)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，故障相C相油中二氧化碳含量持續(xù)升高，油色譜數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)見圖2。

圖2 電抗器C相油色譜數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)

3 故障分析

故障發(fā)生后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查情況，對(duì)可能的故障原因進(jìn)行了分析。

3.1 儲(chǔ)油柜油位低

油位計(jì)指示油位為零，有可能存在油箱、儲(chǔ)油柜等出現(xiàn)滲漏，造成油位實(shí)際偏低。對(duì)電抗器外觀進(jìn)行了全面檢查，對(duì)電抗器集氣盒進(jìn)行了排氣，有氣泡溢出，對(duì)可能滲油的儲(chǔ)油柜注排油閥、儲(chǔ)油柜排氣閥、散熱器進(jìn)出法蘭、各排氣嘴進(jìn)行了緊固。同時(shí)，對(duì)儲(chǔ)油柜頂部旁通閥及兩邊法蘭也進(jìn)行了緊固，對(duì)本體下部取油樣塞也進(jìn)行了緊固，監(jiān)視鐵芯、夾件的接地電流，同時(shí)也檢查電抗器事故油池，均未發(fā)現(xiàn)異常。

為確定儲(chǔ)油柜內(nèi)的實(shí)際油位，將一根透明塑料軟管的一頭接在電抗器底部取油樣閥上，另一頭用絕緣桿高舉至本體儲(chǔ)油柜頂部，利用連通器原理測(cè)量實(shí)際油位高度，檢查電抗器實(shí)際油位在儲(chǔ)油柜一半的高度。再通過紅外測(cè)溫儀，利用油與空氣分界面上下介質(zhì)的熱物理性參數(shù)不同，在實(shí)際油面處形成一個(gè)有明顯溫度突變的清晰熱像特征，確認(rèn)儲(chǔ)油柜內(nèi)的油也在儲(chǔ)油柜一半的位置。通過上述方法，排除電抗器漏油的可能。

3.2 假油位

由于膠囊式儲(chǔ)油柜采用電磁式油位計(jì)間接地指示油位，運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)假油位。假油位是指油位計(jì)指示油位與儲(chǔ)油柜的實(shí)際油位不符，吸濕器堵塞、膠囊破裂、油位計(jì)卡澀等故障，都會(huì)導(dǎo)致油位計(jì)指示錯(cuò)誤[5]。

吸濕器堵塞會(huì)造成膠囊無(wú)法隨著儲(chǔ)油柜油面升降而收縮，通過觀察吸濕器工作情況，可以排除此種可能。

膠囊破裂后，下垂的膠囊端部可能壓在油位計(jì)的浮子及連桿上，使浮子及連桿運(yùn)動(dòng)受阻而不能正確反映油位。此時(shí)，可以打開儲(chǔ)油柜頂部，用圓頭木棒探入膠囊內(nèi)檢查情況，嘗試吸盡膠囊內(nèi)的絕緣油，若發(fā)現(xiàn)膠囊內(nèi)始終存在絕緣油，則可判斷膠囊破損。

油位計(jì)卡澀有多種原因，油位計(jì)浮子損壞進(jìn)油、異物將油位計(jì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)卡澀等，都會(huì)造成油位計(jì)指示錯(cuò)誤。可用圓頭木棒整理攤平膠囊，使膠囊平浮于油面上，觀察油位計(jì)指示是否有變化[6]。

4 處理情況

4.1 停電前的處理

由于并聯(lián)電抗器為涉網(wǎng)設(shè)備，需要經(jīng)過電力調(diào)度機(jī)構(gòu)同意才能停電檢查處理。在調(diào)度未同意前，需要做好油位故障后的運(yùn)行監(jiān)督，防止電力事故的發(fā)生。

4.1.1 油質(zhì)監(jiān)督

油質(zhì)監(jiān)督是發(fā)現(xiàn)充油設(shè)備內(nèi)部故障的重要手段。油位指示為零，如果是膠囊破損進(jìn)氣造成的，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致氣體繼電器重瓦斯保護(hù)誤動(dòng)作，因此加強(qiáng)油質(zhì)監(jiān)督就十分重要。常用的油質(zhì)監(jiān)督方法有兩種：離線油樣化驗(yàn)和油色譜在線監(jiān)測(cè)。這兩種方法雖都不是判定充油設(shè)備是否故障的根本標(biāo)準(zhǔn)，但可以對(duì)運(yùn)行中的設(shè)備油質(zhì)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。在出現(xiàn)油位故障后，除按照定期監(jiān)測(cè)制度開展油化工作外，還應(yīng)縮短取油樣周期，及時(shí)排除氣體繼電器內(nèi)的殘余氣體，防止在油位故障期間由于設(shè)備內(nèi)部故障而造成事故[7]。

4.1.2 溫度監(jiān)督

油位故障掩蓋了油浸式電抗器的真實(shí)充油情況，一旦設(shè)備處于少油運(yùn)行且沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就可能導(dǎo)致設(shè)備事故。因此在出現(xiàn)油位故障后，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的溫度監(jiān)視。溫度監(jiān)督要全面考慮設(shè)備的運(yùn)行工況，設(shè)備巡回時(shí)，還應(yīng)記錄環(huán)境溫度、繞組溫度、上層油溫和負(fù)載電流，并與之前巡回記錄進(jìn)行比較分析。如果發(fā)現(xiàn)其他條件不變的情況下溫度不斷上升，則設(shè)備內(nèi)部可能出現(xiàn)異常。同時(shí)，還可以利用紅外測(cè)溫設(shè)備對(duì)外殼、套管等進(jìn)行測(cè)溫，如果出現(xiàn)局部異常過熱，應(yīng)及早申請(qǐng)停電檢查處理。

4.2 停電后的處理

停電后，檢修人員打開儲(chǔ)油柜頂部，用圓頭木棒探入膠囊內(nèi)部發(fā)現(xiàn)有大量絕緣油，判斷膠囊已經(jīng)破損。

4.2.1 排 油

待電抗器停電后，關(guān)閉電抗器本體與冷卻器連接閥門，打開電抗器儲(chǔ)油柜頂部進(jìn)氣閥門；打開電抗器本體上與真空濾油機(jī)管路連接的閥門；開啟真空濾油機(jī)往油罐抽油。待電抗器儲(chǔ)油柜絕緣油抽完后，停止抽油，關(guān)閉電抗器儲(chǔ)油柜與本體連接閥門。

4.2.2 熱油循環(huán)

拆除與電抗器連接油管，將拆除的油管與油罐頂部的閥門進(jìn)行連接，打開油罐與真空濾油機(jī)連接的閥門，開啟濾油機(jī)，對(duì)油罐內(nèi)的絕緣油進(jìn)行熱油循環(huán)。熱油循環(huán)溫度控制在60 ℃左右，循環(huán)時(shí)間大于8 h。

4.2.3 膠囊更換

儲(chǔ)油柜絕緣油排空后，檢查發(fā)現(xiàn)電抗器油枕膠囊底部連接縫有5 cm長(zhǎng)裂口(見圖3)。更換膠囊前應(yīng)仔細(xì)檢查新膠囊袋密封情況，更換時(shí)防止異物進(jìn)入；安裝膠囊時(shí)注意膠囊長(zhǎng)度方向與儲(chǔ)油柜平行，防止膠囊產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和褶皺。

圖3 膠囊破裂處

4.2.4 注 油

儲(chǔ)油柜注油，盡量不采用真空注油方法，防止膠囊突出部與柜底連管等處產(chǎn)生摩擦，損壞膠囊袋。先把膠囊內(nèi)部充滿干燥的空氣，通過熱油循環(huán)向儲(chǔ)油柜注油，注油溫度控制在60 ℃。通過濾油機(jī)從電抗器頂部注油閥門把循環(huán)完成后的新油向儲(chǔ)油柜注油，膠囊袋慢慢向上，袋內(nèi)空氣被壓縮通過排氣孔排出，觀測(cè)電抗器儲(chǔ)油柜油位，以滿足運(yùn)行油位要求。

注油完成后，拆除連接管路和設(shè)備，打開電抗器與冷卻器之間的閥門。待電抗器靜置24 h后，取油樣送檢，以確認(rèn)絕緣油滿足要求。

故障處理后，電抗器油色譜在線監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)油中二氧化碳含量明顯下降，見圖4。

圖4 處理后電抗器C相油色譜數(shù)據(jù)

5 故障對(duì)策

膠囊作為隔絕絕緣油和外界空氣的重要部件，安裝膠囊破損監(jiān)測(cè)裝置可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)膠囊破損，避免電力設(shè)備事故的發(fā)生。目前，膠囊破損的監(jiān)測(cè)方法主要有四種：氣體繼電器法、CPR專用繼電器法、電容監(jiān)測(cè)法和激光監(jiān)測(cè)法[8]。

5.1 氣體繼電器法

單浮子的氣體繼電器可以用來(lái)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)油柜膠囊是否破損和漏氣。氣體繼電器的一端用儲(chǔ)油柜頂部的法蘭盤密封，另一端通過法蘭和聯(lián)管與儲(chǔ)油柜內(nèi)部連通，膠囊通過聯(lián)管與吸濕器相連，如圖5所示。氣體繼電器內(nèi)部預(yù)先充滿絕緣油，所帶浮子浮于油面，當(dāng)膠囊破損時(shí)，膠囊內(nèi)的空氣進(jìn)入儲(chǔ)油柜，匯集到儲(chǔ)油柜頂部的氣體繼電器中，繼電器的油面下降，浮子下落，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖5 氣體繼電器結(jié)構(gòu)示意

5.2 CPR專用繼電器法

意大利產(chǎn)的CPR系列氣體繼電器是監(jiān)測(cè)膠囊破損和漏氣的專用繼電器，這種繼電器安裝在儲(chǔ)油柜頂部，如圖6所示。當(dāng)膠囊破損時(shí)，內(nèi)部空氣進(jìn)入儲(chǔ)油柜，匯集到儲(chǔ)油柜頂部的繼電器中，當(dāng)氣體達(dá)到一定容積后，浮子滾動(dòng)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖6 CPR專用繼電器結(jié)構(gòu)示意

5.3 電容監(jiān)測(cè)法

電容監(jiān)測(cè)法是將監(jiān)測(cè)探頭放入膠囊內(nèi)部，探頭與膠囊之間構(gòu)成一個(gè)電容。膠囊未破損時(shí)，探頭處于空氣中，測(cè)量到一個(gè)小數(shù)值的初始電容值CA；當(dāng)膠囊破損后，膠囊內(nèi)部充入絕緣油，測(cè)量到電容值CB；當(dāng)測(cè)量電容值CB與初始電容值CA的差值ΔC達(dá)到定值后報(bào)警，如圖7所示。

注：R:液體的電導(dǎo)率；CB:最終電容值(探頭被覆蓋)；C：液體的電容值；ΔC：電容值的變化量；CA：初始電容值(探頭未被覆蓋時(shí))。

圖7電容監(jiān)測(cè)法示意

5.4 激光監(jiān)測(cè)法

激光監(jiān)測(cè)法由一個(gè)安裝在膠囊內(nèi)部的激光監(jiān)測(cè)探頭和安裝在現(xiàn)地控制箱內(nèi)的探測(cè)裝置組成，如圖8所示。其工作原理是基于光的反射和折射原理。當(dāng)膠囊完好時(shí)，安裝在膠囊內(nèi)部的激光監(jiān)測(cè)探頭能接收到很強(qiáng)的發(fā)射光；當(dāng)膠囊破損后，發(fā)射光通過變壓器油后發(fā)散、吸收，激光監(jiān)測(cè)探頭接收的光減弱，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

氣體繼電器法優(yōu)點(diǎn)是成本低、原理簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是對(duì)氣體繼電器和法蘭的密封要求較高，安裝難度較大。CPR專用繼電器法優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、可靠性高，缺點(diǎn)是對(duì)儲(chǔ)油柜和閥門的密封要求較高，成本比氣體繼電器高。電容監(jiān)測(cè)法正確報(bào)警與傳感器探頭的完好性、報(bào)警定值設(shè)定的有效性、監(jiān)測(cè)裝置電容值計(jì)算的正確性、進(jìn)入膠囊的油面高度等因素有關(guān)，且存在報(bào)警不及時(shí)、動(dòng)作不可靠的情況。激光監(jiān)測(cè)法優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，不受設(shè)備運(yùn)行情況及環(huán)境溫度的影響，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高[9]。

圖8 激光監(jiān)測(cè)法示意

6 結(jié) 語(yǔ)

膠囊式儲(chǔ)油柜作為變壓器和電抗器的重要附件，直接影響到設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)儲(chǔ)油柜油位出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)首先排除實(shí)際油位低的情況，否則應(yīng)立即申請(qǐng)?jiān)O(shè)備停電處理。在確定油位故障為顯示問題后，變壓器和電抗器可以根據(jù)電網(wǎng)需要、檢修安排等申請(qǐng)停電，在觀察運(yùn)行期間要重點(diǎn)監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行溫度和絕緣油化驗(yàn)結(jié)果。在條件允許的情況下，應(yīng)盡量配置儲(chǔ)油柜膠囊破損監(jiān)測(cè)裝置，及時(shí)發(fā)現(xiàn)膠囊破損故障，避免發(fā)生電力設(shè)備事故。