新型變壓器儲(chǔ)油柜檢測(cè)系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

陳昊陽(yáng)，鄒洪森，陳 瑞，軒 磊

（1.國(guó)網(wǎng)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(guó)家電網(wǎng)在2019年明確未來(lái)推動(dòng)建設(shè)世界一流能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，并重點(diǎn)建設(shè)運(yùn)營(yíng)好“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”和“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”，推動(dòng)電網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)深度融合。換流變壓器是超高壓直流輸電工程中至關(guān)重要的關(guān)鍵設(shè)備，是交、直流輸電系統(tǒng)中的整流、逆變兩端接口的核心設(shè)備。它的投入和安全運(yùn)行是工程取得發(fā)電效益的關(guān)鍵和重要保證。換流變壓器儲(chǔ)油柜是用于變壓器的一種儲(chǔ)油裝置，當(dāng)換流變壓器油的體積隨著油溫的變化而膨脹或縮小時(shí)，儲(chǔ)油柜起儲(chǔ)油和補(bǔ)油作用，能保證變壓器油箱內(nèi)充滿油。同時(shí)，由于裝備了儲(chǔ)油柜，使換流變壓器內(nèi)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(lái)，換流站變壓器事故時(shí)有發(fā)生。換流站變壓器一旦發(fā)生事故，都是大事故，事故影響范圍較大，事故處理周期較長(zhǎng)。目前，換流變壓器事故預(yù)防沒(méi)有一套措施。針對(duì)換流變壓器安全運(yùn)行的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析，監(jiān)視儲(chǔ)油柜內(nèi)部空腔溫度、濕度、壓力和油位，并采用當(dāng)前先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)換流變壓器的監(jiān)控信號(hào)遠(yuǎn)傳監(jiān)視而無(wú)需做更大的設(shè)備改造，即可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患。這種措施將對(duì)高壓直流輸電換流站的安全運(yùn)行具有重要意義。

1 新型變壓器儲(chǔ)油柜檢測(cè)系統(tǒng)的必要性

換流變壓器儲(chǔ)油柜沒(méi)有設(shè)置任何監(jiān)視傳感器。目前，從換流站現(xiàn)狀來(lái)看，儲(chǔ)油柜檢修孔法蘭上僅僅設(shè)置連接呼吸器的管道，如圖1所示。

目前，實(shí)際應(yīng)用的換流站變壓器儲(chǔ)油柜均沒(méi)有實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)視。這次研究的目的是把能夠反映換流站變壓器運(yùn)行的必要參數(shù)上傳，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行異常的隱患，達(dá)到設(shè)備安全運(yùn)行的作用。這里研究分析監(jiān)視儲(chǔ)油柜內(nèi)部空腔溫度、濕度、壓力和油位等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防。

圖1 換流變壓器儲(chǔ)油柜檢修孔法蘭

（1）通過(guò)溫度監(jiān)視可以實(shí)時(shí)獲知換流變儲(chǔ)油柜內(nèi)部溫升曲線，通過(guò)設(shè)置溫升梯度和溫度限值達(dá)到預(yù)防的目的；

（2）通過(guò)濕度監(jiān)視可以實(shí)時(shí)獲知換流變儲(chǔ)油柜內(nèi)部的濕度曲線，間接分析儲(chǔ)油柜是否和室外空氣非正常相通并發(fā)生泄漏；

（3）通過(guò)監(jiān)視儲(chǔ)油柜內(nèi)部壓力，可以分析呼吸器是否發(fā)生了堵塞；

（4）通過(guò)監(jiān)視儲(chǔ)油柜油位，實(shí)時(shí)了解儲(chǔ)油柜內(nèi)油位現(xiàn)狀；

（5）通過(guò)紅外視頻監(jiān)視器，可以隨時(shí)用肉眼方式查看儲(chǔ)油柜內(nèi)部油囊的狀態(tài)。

2 新型變壓器儲(chǔ)油柜檢測(cè)系統(tǒng)研究目標(biāo)

新型變壓器儲(chǔ)油柜檢測(cè)系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容按模塊分類(lèi)，主要包含2個(gè)實(shí)物模塊和1套程序。實(shí)物模塊包括功能安裝法蘭板模塊和監(jiān)視通信模塊，程序則主要實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)油柜檢測(cè)功能[1]。

儲(chǔ)油柜檢測(cè)系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容按研究對(duì)象分類(lèi)，主要包括法蘭密封性能研究、儲(chǔ)油柜油位液位監(jiān)視研究、儲(chǔ)油柜溫濕度監(jiān)視研究、儲(chǔ)油柜壓力監(jiān)視研究和儲(chǔ)油柜內(nèi)部滲漏監(jiān)視研究。圖2為新型變壓器儲(chǔ)油柜檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 新型變壓器儲(chǔ)油柜檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 新型變壓器儲(chǔ)油柜檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

新型變壓器儲(chǔ)油柜檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要考慮很多因素。換流變壓器室外安裝，儲(chǔ)油柜在換流變壓器的最頂部有較高的防護(hù)要求，如防雨、防塵、抗紫外線以及高溫抗老化等[2]。

3.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1.1 法蘭密封性能設(shè)計(jì)

儲(chǔ)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?cè)械臓顟B(tài)，密封沒(méi)有任何問(wèn)題。主要是在法蘭上新增加的傳感器，密封面因設(shè)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(jì)傳感器。

圖3 沉孔O型圈密結(jié)構(gòu)

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

3.1.2 儲(chǔ)油柜油位液位監(jiān)視

儲(chǔ)油柜內(nèi)部油囊的作用是將變壓器油和空氣隔開(kāi)，防止變壓器油污穢。變壓器工作時(shí)要求油位滿足液面要求，無(wú)論變壓器工作時(shí)的溫度對(duì)變壓器油的熱漲冷縮產(chǎn)生任何影響，變壓器油均應(yīng)在油位范圍內(nèi)波動(dòng)。經(jīng)過(guò)分析和研究，在大法蘭蓋上設(shè)置了一個(gè)超聲波油位計(jì)。它可以測(cè)量油囊底部距離超聲波油位計(jì)安裝位置的高度，從而實(shí)時(shí)監(jiān)視油囊的底部位置，間接獲取變壓器油的容量。

3.1.3 儲(chǔ)油柜溫濕度監(jiān)視

自然循環(huán)冷卻變壓器的頂層油溫一般不宜經(jīng)常超過(guò)85 ℃，強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷變壓器油溫度達(dá)到85 ℃時(shí)通常會(huì)報(bào)警。通過(guò)檢測(cè)儲(chǔ)油柜內(nèi)的空氣溫度，可以實(shí)時(shí)了解變壓器的工作狀態(tài)。

變壓器儲(chǔ)油柜油囊內(nèi)部由于通過(guò)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(shí)間持久后空氣通過(guò)呼吸器進(jìn)進(jìn)出出，油囊內(nèi)部氣體濕度會(huì)與呼吸器的干燥效率有關(guān)。檢測(cè)油囊氣體濕度可以檢查濕度是否滿足運(yùn)行要求，也可以檢查呼吸器是否失效，以便及時(shí)更換呼吸器。

3.1.4 儲(chǔ)油柜壓力監(jiān)視的研究

儲(chǔ)油柜內(nèi)部油囊氣體通過(guò)呼吸器和大氣互通。正常情況下，儲(chǔ)油柜內(nèi)部壓力能夠和大氣壓一致。但是，如果出現(xiàn)呼吸器因?yàn)槎氯諝獠涣魍?，此時(shí)儲(chǔ)油柜內(nèi)部的氣體壓力和大氣壓不平衡。油位升高，儲(chǔ)油柜壓力可能為正壓；油位降低，儲(chǔ)油柜壓力可能為負(fù)壓[3]。通過(guò)壓力檢測(cè)，能夠判斷儲(chǔ)油柜呼吸器是否需要更換。

3.1.5 儲(chǔ)油柜內(nèi)部滲漏監(jiān)視

儲(chǔ)油柜油囊內(nèi)部在外部看不到內(nèi)部任何狀況，即使發(fā)生微量漏油事故，也不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。如今視頻監(jiān)視技術(shù)已很熟，考慮到監(jiān)視距離在1 m以內(nèi)，特意和生產(chǎn)視頻設(shè)備的廠家研究定制了一個(gè)能夠監(jiān)視1 m以內(nèi)的高清圖像設(shè)備，并且配上紅外功能，在漆黑的油囊內(nèi)部能夠清晰查看內(nèi)部囊壁狀態(tài)。

3.2 模塊設(shè)計(jì)

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(jiān)視器安裝在有限的法蘭面上。圖4是研究的樣機(jī)，其中超聲波油位計(jì)、壓力傳感器、溫濕度傳感器和防爆視頻監(jiān)控器均集中安裝在新型法蘭面上。

圖4 新型法蘭設(shè)備安裝圖

3.2.2 監(jiān)視通信模塊

監(jiān)視通信模塊是一臺(tái)室外箱體，內(nèi)裝數(shù)據(jù)采集單片機(jī)、通信組件等[4]。監(jiān)視通信模塊安裝在換流變附近，信號(hào)電纜距離為15 m。大法蘭上的傳感器、視頻監(jiān)控器信號(hào)采集到監(jiān)視通信模塊內(nèi)，由單片機(jī)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)。通信組件為以太網(wǎng)接口（也可以擴(kuò)展為其他接口），通過(guò)光纖以太網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)到主控室主機(jī)。圖5是信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)圖。

3.2.3 邏輯程序設(shè)計(jì)

監(jiān)視通信模塊將采集的溫度、濕度、壓力、液位模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)工程線性化處理后轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)值。數(shù)據(jù)值在量程范圍內(nèi)傳送至通信口，由通信網(wǎng)絡(luò)上傳給主控室主機(jī)；數(shù)據(jù)不在量程范圍內(nèi)判為故障點(diǎn)，故障的傳感器報(bào)警標(biāo)志數(shù)字量通過(guò)通信口上傳給主控室主機(jī)。圖6是數(shù)據(jù)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(qiáng)度電磁場(chǎng)干擾的場(chǎng)所，如果安裝的設(shè)備未能解決這個(gè)問(wèn)題，將會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞。為了解決電磁干擾問(wèn)題，需要做好以下措施。

圖5 信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)圖

圖6 數(shù)據(jù)傳輸邏輯圖

4.1 電場(chǎng)屏蔽

電場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)線、天線、未接地金屬體上感應(yīng)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(nèi)的集成電路、晶閘管等。應(yīng)對(duì)這類(lèi)事件，最好的方法是將組件安裝在金屬屏蔽罩內(nèi)，金屬屏蔽罩可靠接地，同時(shí)信號(hào)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(lián)通集中接地）[5]。

4.2 磁場(chǎng)屏蔽

高壓導(dǎo)線強(qiáng)大的電流周?chē)鷷?huì)感應(yīng)出高強(qiáng)度磁場(chǎng)，強(qiáng)磁力線穿過(guò)閉合回路會(huì)感應(yīng)出強(qiáng)電流。為了避免強(qiáng)磁場(chǎng)干擾，必須用高導(dǎo)磁率材料屏蔽傳感器，使裝置工作在弱磁場(chǎng)環(huán)境中。

4.3 抗浪涌電源

電源線會(huì)因現(xiàn)場(chǎng)高壓設(shè)備的操控而產(chǎn)生高強(qiáng)度浪涌，需特別處理。如圖7所示，增加1個(gè)高耐受的電子保險(xiǎn)絲F1，并加強(qiáng)保護(hù)壓敏電阻的耐受能量值，以實(shí)現(xiàn)對(duì)高強(qiáng)度浪涌的有效防護(hù)。

圖7 浪涌保護(hù)原理框圖

5 結(jié) 論

新型變壓器儲(chǔ)油柜檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守，可全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)換流變壓器儲(chǔ)油柜相關(guān)參數(shù)，并通過(guò)光纖傳回主控室主機(jī)進(jìn)行實(shí)施數(shù)據(jù)分析，完成報(bào)警、故障定位等功能。該系統(tǒng)可極大地減少運(yùn)維人員的工作量，有效做到了故障預(yù)防，采集的數(shù)據(jù)能夠?yàn)楹笃谑鹿史治鎏峁?shù)據(jù)依據(jù)，從而為電網(wǎng)的可靠運(yùn)行保駕護(hù)航。