電力變壓器真空注油監(jiān)測裝置設(shè)計與應(yīng)用

馬勁東

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司吳忠供電公司，寧夏 吳忠 751100)

變壓器真空注油的主要工藝是在油箱內(nèi)部注油前先對變壓器抽真空，在常溫高真空度下油箱內(nèi)的氣體和水分蒸發(fā)并抽到油箱外，然后在真空狀態(tài)下用真空濾油機對變壓器進行注油[1]。真空注油不僅可以保證內(nèi)部繞組絕緣的干燥程度，檢測變壓器密封性是否完好，而且能夠避免在變壓器器身中某些絕緣較弱而電場較強的地方發(fā)生局部放電的現(xiàn)象。傳統(tǒng)方式下采用真空機組對變壓器進行抽真空133 Pa后，以3～5 t/h 的速度將油注入變壓器至箱頂200～300 mm，并繼續(xù)抽真空保持4 h以上[2]。目前抽真空階段采用的指針式真空表由于受內(nèi)部彈簧管等結(jié)構(gòu)影響，會出現(xiàn)顯示不可靠、誤差大等現(xiàn)象；其次在注油階段，只能通過注油速度與油箱容積計算大致油位，利用油箱內(nèi)部熱油的熱傳導(dǎo)感受油位變化和直尺測量的方式，不能及時有效地獲取油位數(shù)據(jù)，不僅會破壞內(nèi)部真空環(huán)境，造成重復(fù)抽真空和補油，而且嚴重情況下造成變壓器和真空濾油機發(fā)生噴油和損壞現(xiàn)象。

為解決以上問題，設(shè)計了以顯示告警控制器為核心的變壓器真空注油監(jiān)測裝置，采用壓力傳感器和液位傳感器感知內(nèi)部抽真空值與油位值，無線傳輸裝置實時傳輸，實現(xiàn)真空注油狀態(tài)監(jiān)測主動性的同時，提高主變壓器真空注油可靠性。

1 變壓器真空注油監(jiān)測裝置總體設(shè)計

為準確判定變壓器內(nèi)部壓力與油位是否達到標準范圍，本裝置利用壓力與液位傳感器作為感知層，分別感知和測量變壓器真空注油時內(nèi)部抽真空壓力和真空狀態(tài)下注油時的油位高度，由數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)接收至后臺顯示告警控制器，告警回路輸出相應(yīng)信號并主動推送預(yù)警信息，使得作業(yè)人員能準確控制真空注油時壓力數(shù)據(jù)與油位數(shù)據(jù)(見圖1)。即當變壓器內(nèi)部抽真空值達到133 Pa時，使用Zigbee無線傳輸裝置將壓力數(shù)據(jù)傳輸至地面顯示裝置并根據(jù)設(shè)定閾值對作業(yè)人員進行主動預(yù)警。同理，在進行真空環(huán)境下注入變壓器油時，當內(nèi)部注油油位達到距離上頂蓋200～300 mm時，也會主動預(yù)警至作業(yè)人員，且整個真空注油過程不會重復(fù)抽真空。

圖1 裝置總體原理

2 真空注油監(jiān)測裝置分解設(shè)計

2.1 油位監(jiān)測裝置

通過對比非接觸式液位傳感器和接觸式液位傳感器的安裝牢固程度和油位監(jiān)測精度等參數(shù)，設(shè)計了浮球接觸式液位監(jiān)測傳感器，如圖2所示。浮球式液位傳感器由浮球、插桿及信號處理單元等組成[3]。浮球液位計通過變壓器頂蓋上方法蘭安裝于頂部，浮球浮于油面，當變壓器內(nèi)的油位發(fā)生上升時浮球也隨著上升。由于磁性的作用，浮球液位計的干簧受磁性吸合，把液面位置變化成電信號，通過顯示儀表用數(shù)字顯示液體的實際位置，從而達到液面的遠距離檢測和控制[4]。

圖2 油位監(jiān)測裝置原理

2.2 壓力監(jiān)測裝置

根據(jù)電容式、電阻式和擴散硅式壓力傳感器的精度試驗結(jié)果，該裝置采用更精確和穩(wěn)定的擴散硅壓力傳感器，它主要由擴散硅壓力芯片制成。當外界壓力發(fā)生變化時，壓力作用在不銹鋼隔離膜片上，通過隔離硅油傳遞到擴散硅壓力敏感元件上引起電橋輸出電壓變化，經(jīng)過精密的補償技術(shù)、信號處理技術(shù)、轉(zhuǎn)換成標準的電流信號[5]。如圖3、圖4所示，將傳感器與變送器部分連接，經(jīng)過可靠性放大電路及精密溫度補償[6]，使被測表壓轉(zhuǎn)換成4～20 mA標準電信號[7],便于后臺數(shù)字信號顯示。

圖3 真空壓力監(jiān)測原理

圖4 壓力傳感器設(shè)計

2.3 數(shù)據(jù)傳輸裝置

為減少工作人員上下變壓器次數(shù)和勞動強度，考慮到要使接收單元能及時有效地接收到發(fā)射端發(fā)出的告警信號，數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計為低功耗、高性能[8]、快速安全可靠的Zigbee無線傳輸方式；同時，為確保本裝置的無線通信與站內(nèi)其他不停電設(shè)備間互不干擾，結(jié)合變電站內(nèi)高壓設(shè)備的電磁頻率主要集中在75～180 MHz，為滿足裝置之間互不影響的要求，本裝置的無線通信采用2.4 GHz頻段，保證了裝置的傳輸可靠性。

2.4 數(shù)據(jù)顯示告警裝置

后臺數(shù)據(jù)顯示告警層主要包括雙回路顯示控制器、蜂鳴告警器及轉(zhuǎn)換開關(guān)等。雙回路顯示控制器采用輸入輸出可靠、LED顯示的雙回路數(shù)顯裝置，同時具備輸入超量程與欠量程告警設(shè)定，裝置本身具有自動調(diào)校，顯示清晰明確，界面操控簡單等特點。

2.5 總體調(diào)試

裝置電源模塊的輸出電壓精度對于傳感器和無線傳輸模塊精確性有很大的影響，因此本裝置采用精密全波整流電源，為傳感器與無線傳輸裝置提供24 V直流電源。

如圖5所示，將壓力傳感器和液位傳感器分別與無線傳送裝置連接，電源模塊與無線傳送裝置連接，狀態(tài)感知層即已連接完畢。數(shù)據(jù)顯示告警裝置與兩路無線數(shù)據(jù)接收裝置、蜂鳴器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、裝置電源進行逐一連接。連接后設(shè)定數(shù)據(jù)傳送接收通道數(shù)據(jù)值并進行傳輸測試，該裝置可以實現(xiàn)整個監(jiān)測、傳輸、顯示告警功能，信息傳輸完整率100%，符合預(yù)期目標。

3 變壓器真空注油監(jiān)測裝置應(yīng)用

設(shè)計完成的變壓器真空注油監(jiān)測裝置在本單位3臺110 kV主變真空注油工作中得到了有效的應(yīng)用。在使用時，先將壓力傳感器和三通閥安裝至瓦斯繼電器法蘭處，液位傳感器安裝至變壓器頂蓋上方法蘭并可靠固定，連接傳感器電源和后臺監(jiān)測裝置電源。啟動監(jiān)測裝置后，對變壓器進行抽真空至133 Pa，觀察真空度無變化后，對變壓器進行抽空狀態(tài)下注油，當達到距離上頂蓋設(shè)定值250 mm時，停止注油，并維持真空狀態(tài)4 h，確保無異常后將傳感器拆下，對變壓器進行補油直至充滿油箱。由于拆除傳感器前內(nèi)部繞組已完成抽真空并且油位已沒過鐵心繞組，故在拆除后不會對內(nèi)部有任何影響。

圖5 裝置連接總設(shè)計

使用變壓器真空注油監(jiān)測裝置，真空壓力到達設(shè)定值133 Pa即主動告警，注油階段可實現(xiàn)真空狀態(tài)下油位監(jiān)測報警，無線傳輸裝置在200 m內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸完整率≥99%，信號發(fā)射至接收時間≤0.5 s，數(shù)據(jù)傳輸可靠，壓力及液位值數(shù)字化顯示直觀方便。通過對比油位設(shè)定值和拆卸后油位距離上頂蓋測量值，其油位告警準確率達到99.8%，應(yīng)用效果顯著。

與傳統(tǒng)方式對比：首先在抽真空階段，由指針式真空表更換為±0.2% FS精度的壓力傳感器，克服了指針表計讀取的人為不確定因素，實現(xiàn)了抽真空階段壓力值的精準控制；其次在真空狀態(tài)下注油階段，由傳統(tǒng)方式的計算大致油位，利用熱油的熱傳導(dǎo)感受油位變化和直尺測量的方式，優(yōu)化為接觸式液位傳感器測量方式，不僅實現(xiàn)油位數(shù)據(jù)的精準監(jiān)測，而且解決了在真空狀態(tài)下注油的難題；顯示告警系統(tǒng)的設(shè)計，將分散在變壓器不同位置的傳感器數(shù)據(jù)集成在后臺顯示裝置，人員可實時掌握數(shù)據(jù)，有效減少了工作人員的登高次數(shù)，降低了工作人員的安全風險。

4 結(jié) 語

變壓器真空注油過程中各狀態(tài)量的監(jiān)測是其關(guān)鍵工藝質(zhì)量控制中最重要的過程，通過數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)姆绞剑脗鞲衅髟砗图夹g(shù)，能將抽真空值和油位值的變化量反映在后臺數(shù)據(jù)顯示告警裝置中，有效解決了因監(jiān)測不及時造成的變壓器和真空注油設(shè)備損壞以及繞組受潮等嚴重隱患。通過多類感知元件應(yīng)用，實現(xiàn)了變電設(shè)備深度感知，使真空注油工藝做到了可測量、可感知、可預(yù)警。此外，通過對真空注油監(jiān)測裝置功能不斷擴展完善，最終可實現(xiàn)抽真空與注油設(shè)備的有機融合，從而實現(xiàn)過程的自動監(jiān)測和控制，為消除抽真空和注油的監(jiān)測被動性對變壓器所造成的嚴重影響提供了有效參考。