新型变压器储油柜检测系统的研制与应用

陈昊阳，邹洪森，陈 瑞，轩 磊

（1.国网宁夏电力公司检修公司，宁夏 银川 750011；2.河南绿控科技有限公司，河南 许昌 461000）

0 引 言

国家电网在2019年明确未来推动建设世界一流能源互联网企业，并重点建设运营好“坚强智能电网”和“泛在电力物联网”，推动电网与互联网深度融合。换流变压器是超高压直流输电工程中至关重要的关键设备，是交、直流输电系统中的整流、逆变两端接口的核心设备。它的投入和安全运行是工程取得发电效益的关键和重要保证。换流变压器储油柜是用于变压器的一种储油装置，当换流变压器油的体积随着油温的变化而膨胀或缩小时，储油柜起储油和补油作用，能保证变压器油箱内充满油。同时，由于装备了储油柜，使换流变压器内体与空气的接触面减小，且从空气中吸收的水分、灰尘和氧化后的油垢都沉积在油枕底部的沉积器中，从而大大减缓变压器油的劣化速度。

近年来，换流站变压器事故时有发生。换流站变压器一旦发生事故，都是大事故，事故影响范围较大，事故处理周期较长。目前，换流变压器事故预防没有一套措施。针对换流变压器安全运行的关键点进行分析，监视储油柜内部空腔温度、湿度、压力和油位，并采用当前先进的物联网技术，实现换流变压器的监控信号远传监视而无需做更大的设备改造，即可及时发现设备隐患。这种措施将对高压直流输电换流站的安全运行具有重要意义。

1 新型变压器储油柜检测系统的必要性

换流变压器储油柜没有设置任何监视传感器。目前，从换流站现状来看，储油柜检修孔法兰上仅仅设置连接呼吸器的管道，如图1所示。

目前，实际应用的换流站变压器储油柜均没有实现在线监视。这次研究的目的是把能够反映换流站变压器运行的必要参数上传，通过监控系统及时发现设备运行异常的隐患，达到设备安全运行的作用。这里研究分析监视储油柜内部空腔温度、湿度、压力和油位等参数，可以实现风险预防。

图1 换流变压器储油柜检修孔法兰

（1）通过温度监视可以实时获知换流变储油柜内部温升曲线，通过设置温升梯度和温度限值达到预防的目的；

（2）通过湿度监视可以实时获知换流变储油柜内部的湿度曲线，间接分析储油柜是否和室外空气非正常相通并发生泄漏；

（3）通过监视储油柜内部压力，可以分析呼吸器是否发生了堵塞；

（4）通过监视储油柜油位，实时了解储油柜内油位现状；

（5）通过红外视频监视器，可以随时用肉眼方式查看储油柜内部油囊的状态。

2 新型变压器储油柜检测系统研究目标

新型变压器储油柜检测系统研究内容按模块分类，主要包含2个实物模块和1套程序。实物模块包括功能安装法兰板模块和监视通信模块，程序则主要实现储油柜检测功能[1]。

储油柜检测系统的研究内容按研究对象分类，主要包括法兰密封性能研究、储油柜油位液位监视研究、储油柜温湿度监视研究、储油柜压力监视研究和储油柜内部渗漏监视研究。图2为新型变压器储油柜检测系统结构图。

图2 新型变压器储油柜检测系统结构

3 新型变压器储油柜检测系统的设计

新型变压器储油柜检测系统的设计要考虑很多因素。换流变压器室外安装，储油柜在换流变压器的最顶部有较高的防护要求，如防雨、防尘、抗紫外线以及高温抗老化等[2]。

3.1 设计内容

3.1.1 法兰密封性能设计

储油柜检修孔法兰采用新型法兰替代原有法兰，法兰接触面的密封面未改变原有的状态，密封没有任何问题。主要是在法兰上新增加的传感器，密封面因设备的特殊性，密封均采用沉孔密封。图3为沉孔O型圈密封形式，适用于温湿度传感器、压力传感器和超声波油位计传感器。

图3 沉孔O型圈密结构

O型密封圈采用硅胶材质，能够在室外曝晒下长期稳定工作，且抗紫外线和抗高温老化。

3.1.2 储油柜油位液位监视

储油柜内部油囊的作用是将变压器油和空气隔开，防止变压器油污秽。变压器工作时要求油位满足液面要求，无论变压器工作时的温度对变压器油的热涨冷缩产生任何影响，变压器油均应在油位范围内波动。经过分析和研究，在大法兰盖上设置了一个超声波油位计。它可以测量油囊底部距离超声波油位计安装位置的高度，从而实时监视油囊的底部位置，间接获取变压器油的容量。

3.1.3 储油柜温湿度监视

自然循环冷却变压器的顶层油温一般不宜经常超过85 ℃，强迫油循环风冷变压器油温度达到85 ℃时通常会报警。通过检测储油柜内的空气温度，可以实时了解变压器的工作状态。

变压器储油柜油囊内部由于通过呼吸器和大气互通，虽然呼吸器能够起到空气干燥的作用，但是时间持久后空气通过呼吸器进进出出，油囊内部气体湿度会与呼吸器的干燥效率有关。检测油囊气体湿度可以检查湿度是否满足运行要求，也可以检查呼吸器是否失效，以便及时更换呼吸器。

3.1.4 储油柜压力监视的研究

储油柜内部油囊气体通过呼吸器和大气互通。正常情况下，储油柜内部压力能够和大气压一致。但是，如果出现呼吸器因为堵塞而空气不流通，此时储油柜内部的气体压力和大气压不平衡。油位升高，储油柜压力可能为正压；油位降低，储油柜压力可能为负压[3]。通过压力检测，能够判断储油柜呼吸器是否需要更换。

3.1.5 储油柜内部渗漏监视

储油柜油囊内部在外部看不到内部任何状况，即使发生微量漏油事故，也不能及时发现。如今视频监视技术已很熟，考虑到监视距离在1 m以内，特意和生产视频设备的厂家研究定制了一个能够监视1 m以内的高清图像设备，并且配上红外功能，在漆黑的油囊内部能够清晰查看内部囊壁状态。

3.2 模块设计

3.2.1 安装法兰板模块

新型法兰式替代原有法兰的目的是将新增的传感器、视频监视器安装在有限的法兰面上。图4是研究的样机，其中超声波油位计、压力传感器、温湿度传感器和防爆视频监控器均集中安装在新型法兰面上。

图4 新型法兰设备安装图

3.2.2 监视通信模块

监视通信模块是一台室外箱体，内装数据采集单片机、通信组件等[4]。监视通信模块安装在换流变附近，信号电缆距离为15 m。大法兰上的传感器、视频监控器信号采集到监视通信模块内，由单片机转化为数据。通信组件为以太网接口（也可以扩展为其他接口），通过光纤以太网络关联到主控室主机。图5是信号传输结构图。

3.2.3 逻辑程序设计

监视通信模块将采集的温度、湿度、压力、液位模拟信号经过工程线性化处理后转化成数据值。数据值在量程范围内传送至通信口，由通信网络上传给主控室主机；数据不在量程范围内判为故障点，故障的传感器报警标志数字量通过通信口上传给主控室主机。图6是数据传送逻辑图。

4 电磁干扰解决方法

高压直流输电换流站是高强度电磁场干扰的场所，如果安装的设备未能解决这个问题，将会对设备造成损坏。为了解决电磁干扰问题，需要做好以下措施。

图5 信号传输结构图

图6 数据传输逻辑图

4.1 电场屏蔽

电场会在导线、天线、未接地金属体上感应出高静电压，尤其是在靠近高压的换流站本体附近。这些静电能量不高，但足以击穿通信模块内的集成电路、晶闸管等。应对这类事件，最好的方法是将组件安装在金属屏蔽罩内，金属屏蔽罩可靠接地，同时信号电缆选用高可靠的屏蔽电缆，屏蔽层可靠接地，传感器壳体可靠接地（可以和屏蔽层联通集中接地）[5]。

4.2 磁场屏蔽

高压导线强大的电流周围会感应出高强度磁场，强磁力线穿过闭合回路会感应出强电流。为了避免强磁场干扰，必须用高导磁率材料屏蔽传感器，使装置工作在弱磁场环境中。

4.3 抗浪涌电源

电源线会因现场高压设备的操控而产生高强度浪涌，需特别处理。如图7所示，增加1个高耐受的电子保险丝F1，并加强保护压敏电阻的耐受能量值，以实现对高强度浪涌的有效防护。

图7 浪涌保护原理框图

5 结 论

新型变压器储油柜检测系统实现了无人值守，可全天候自动监测换流变压器储油柜相关参数，并通过光纤传回主控室主机进行实施数据分析，完成报警、故障定位等功能。该系统可极大地减少运维人员的工作量，有效做到了故障预防，采集的数据能够为后期事故分析提供数据依据，从而为电网的可靠运行保驾护航。