某核电厂油浸式变压器储油柜油位监测装置改造及分析

仲维灿，裴 煜，穆 宝，李亮亮

（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）

0 油位监测系统

1）储油柜

变压器储油柜也称为“油枕”，安装于变压器油箱上部，储油柜为适应变压器油箱内变压器油的体积变化而设置的一个与之相通的容器[1]。

储油柜是大型油浸式变压器的重要组成部件，其功能是为变压器提供补充、存储变压器油，变压器油普遍采用克拉玛依25号油。储油柜包含有载分接开关储油柜和本体储油柜，绝大部分变压器的这两种储油柜是分体安装的[2]，运行时其内部绝缘油互不相通，也有安装于一体的。储油柜安装于变压器油箱的上部，用弯管与变压器油箱连通，储油柜的容积一般为变压器油总量的8%～10%。

储油柜中变压器油质量的好坏直接影响变压器的使用寿命，变压器油的老化过程及程度与其与空气相通的时间有很大的关系[3]，为了避免储油柜中的变压器油与空气之间的接触，储油柜内部安装了一个耐变压器油的胶囊。该胶囊耐腐蚀性较强，胶囊内的空气先经过安装有硅胶的吸湿器后再与外界大气相通，储油柜油面上的空间的变化是通过胶囊的膨胀和收缩来实现的[4]。

2）油位监测的必要性

储油柜的油位是电力变压器的重要监测参数之一，大型油浸式变压器的油位监测数据正常是保证变压器安全运行的前提[5]，及时发现储油柜内油位过低或过高，并采取相应的补油、排油措施对于确保电力变压器的安全运行具有十分重要的意义[6]。当油位过高时，可能造成变压器内部油压增大，同时压力释放阀动作，还会造成溢油。油位过低时，在变压器低负荷运行、变压器停用或天气寒冷的环境时，油位还会持续降低。当变压器内部的油面低于变压器大盖以下时，会使绕组的引线或铁心暴露在空气中，有造成内部闪络的危险[7]。同时，油与空气接触面增大，会使绝缘油的绝缘性能迅速下降[8]，此时，严重威胁变压器的安全运行，并大大降低变压器的使用寿命。

近年来，大型油浸式变压器事故时有发生。其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[9]。监视储油柜内油位，及时发现设备隐患，将对大型油浸式变压器的安全运行具有重要意义[10]。

1 传统的油位监测系统

目前，常用的测量储油柜油位方法有红外测温法、电磁式油位计等方法。

1）红外测温仪测油位。红外线测温检测变压器油位的原理是通过储油柜表面接触油与接触胶囊位置的温度不同，使用红外线的感温效果来测量储油柜表面温度，通过红外线测温仪所拍摄的图像，进行色彩分析从而确定变压器实际油位。

红外线测温仪受环境、空间、温度的影响比较大，当气温与油温温差小、负荷低时，拍摄的油位线位置模糊，难以辨识。

2）电磁式油位计。电磁式油位计是目前变压器自带且应用较为普遍的大、中型变压器储油柜油位测量装置。其基本原理是：当储油柜内油位发生变化时，使得油位计连杆上的浮球（位于储油柜中）上下摆动，带动油位计的转动机构转动，通过磁偶合器及指针轴的转动，将储油柜的油位在表盘上通过指针指示出来[11]。

由于500kV变压器处于强磁场及常年震动型状态下，磁藕合系统及指针传动系统易受到影响，从而影响储油柜油位测量的精确度。

1.1 机械式油位监测

某核电厂大型油浸式变压器的储油柜，均采用压力式油位计测量油位。储油柜油位监测装置分为3部分：传感器部分安装在储油柜的底部；显示器部分安装在变压器油箱上，容易观察读数的位置，这两部分由毛细管连接并传递油位的变化。其工作原理是：传感器的浮子随着油面升降并通过浮子杆将位移传递给传感器中的连接，经毛细管将位移传递给显示器，从而驱动显示器里的指针转动，以达到显示储油柜的油位目的，并在储油柜的最低油位和最高油位时使微动开关动作，发出报警信号。机械式油位测量系统如图1。

图1 机械式油位测量系统Fig.1 Mechanical oil level measuring system

油位计为浮子型压力式油位计，浮子采用泡沫塑料。浮子连杆和法兰安装件采用阳极氧化铝的铝合金，指示仪表内配置了4个可微动开关，2个为低油位报警，2个为高油位报警。该类型油位计通过液压机械传动测量系统来进行测量完成的，油位通过1个浮子的位置检测，浮子带动1个用螺栓安装在储油柜上的法兰安装件中的传感器。两部分的连接是用柔软的金属波纹管密封的，将浮子连杆的转动传到指示仪表的液压系统。

液压系统由两对波纹管和连接管组成。第一对波纹管连接到法兰安装件上的连接件上，当浮球位置发生改变时，驱动波纹管产生位移，进而传递给指示仪表。第二对波纹管补偿环境温度的变化，还可以补偿储油柜和指示仪表的高度差。

1.2 存在的问题及改造的必要性

将更换下的故障传感器的外罩取下，对传感器、法兰盘的结构进行了详细的分析，传感器、法兰盘的结构如图2、图3。

图2 传感器结构Fig.2 Sensor structure

图3 法兰盘结构Fig.3 Flange structure

由以上3个图中可以看出，传感器采用穿孔螺栓固定在法兰盘上，螺栓和螺纹之间有细微的缝隙。在环境中，由于热胀冷缩，法兰盘和螺栓的材质不同，热膨胀系数不同，两者之间产生缝隙，变压器油渗透过浮子转向板与法兰盘内表面的连接部分的密封垫圈后，然后通过螺栓和螺纹之间的缝隙渗出。

油位计法兰盘采用不锈钢材料制作而成，该材料应用广泛。将更换下的油位计法兰盘进行分析发现，如图4。

图4 法兰盘裂痕Fig.4 Flange crack

由图4可以明显发现，法兰盘表面有裂痕。法兰盘存在质量缺陷，导致法兰盘产生裂痕，变压器油从法兰盘表面渗出。法兰盘存在质量缺陷是造成油位计渗油的另一个主要因素。

由于油位计位于储油柜下方，更换油位计时需将储油柜内油排空，然后拆下故障的油位计，安装新的传感器。油位计的更换过程中，涉及排油、注油、抽真空及热油循环等油务工作，工期较长，且更换过程较为复杂。

2 新型油位监测系统

2.1 油位监测装置的组成

设计的新型变压器油位监测装置，取消原油位计的安装方式，将储油柜端盖上部、下部打孔，安装管路和阀门，将变压器油引出，采用“连通器”的原理进行油位测量。新型油位监测装置示意图如图5。

图5 新型油位监测装置Fig.5 New oil level monitoring device

新型油位监测装置由变压器油传输单元和油位测量单元组成。导波雷达液位计是依据时域反射原理（TDR）为基础的雷达液位计，雷达液位计的电磁脉冲以光速沿钢缆或探棒传播，当遇到被测介质表面时，雷达液位计的部分脉冲被反射形成回波并沿相同路径返回到脉冲发射装置，发射装置与被测介质表面的距离同脉冲在其间的传播时间成正比，经计算得出液位高度。

2.2 变压器油传输单元

变压器油传输单元由储油柜旁通管、球阀及其连接管道和定制的储油柜盖板组成。变压器油传输单元改变了原变压器储油柜端盖的结构，在储油柜端盖的上方、下方分别开孔，安装连管，变压器油传输单元的组成如图6。

图6 变压器油传输单元的组成结构Fig.6 Composition of the transformer oil transfer unit

定制的储油柜端盖上部和下部两个开孔位置的选择是个关键问题。由于变压器正常运行过程中，储油柜内的变压器油一般占储油柜总容量的60%～75%，若上部的开孔位置靠近中部或中部以下，则与旁通管相连的上部水平连通管内将充满变压器油，将导致储油柜上方和连通管上方的空腔内的压力不一致。此时，连通管内的变压器油位无法真实反应储油柜内的变压器油位。故选择端盖下部开孔位置距离底部200mm，上部开孔位置距离底部约1000mm，从而确保变压器正常运行期间连通管内的变压器油低于上部水平连通管，且高于底部水平连通管。

旁通管高度为1200mm，规格为Φ50mm，与传感器接口位置采用DN50的法兰面；旁通管与储油柜端盖之间的管道规格同为DN25，阀门采用优质的球阀，规格为DN50。传输单元所有的法兰接口均配置密封圈，防止连接位置发生变压器油的泄漏。

定制的储油柜端盖与变压器厂家原设计的端盖材质相同，端盖、旁通管和连接管的内侧喷涂了具有一定绝缘功能及良好耐热性、耐油性、机械和防腐性能等防止油流带电的油漆。

当导波雷达油位测量传感器故障需要更换时，只需要关闭旁通管两侧的截止阀，将旁通管内的变压器油与储油柜内的变压器油隔离，从而实现了在不需要将储油柜变压器油排空的工况下，即可以完成油位计更换工作。

2.3 油位测量单元

测量单元包含探针传感器、外部显示器及其支架。由于运行期间储油柜的直径小于1500mm，且储油柜内的变压器无明显的波动，而绳性探针适用于特大型的容器液位测量系统，故测量探针采用棒性。导波雷达示意图如图7。

图7 导波雷达示意图Fig.7 Schematic diagram of guided wave radar

导波雷达传感器的电源采用220V AC，棒型探针的长度为1200mm，导波雷达传感器与储油柜旁通管采用法兰连接，传感器的接口为DN50法兰，从而与旁通管的法兰面匹配。

由于储油柜上方与旁通管之间无变压器油，从而旁通管上方的油面压力与变压器储油柜油面压力相同，旁通管内的油面高度即为变压器储油柜油位。为了方便工作人员观察和记录油位，距离地面小于2m的位置变压器本体上安装与导波雷达匹配的外部显示器。棒型探针传感器可输出4mA～20mA，外部显示器与棒型探针采用电缆连接，并将模拟量转换为数字量，显示实时的液位高度。

3 改造前后设备对比

改造前后变压器储油柜油位监测方式、测量传感器等方面均发生了改变，见表1。

表1 改造前后油位监测系统的组成对比Table 1 Composition comparison of oil level monitoring system before and after reconstruction

4 结论

本文首先分析了变压器储油柜普遍采用的浮子型压力式油位计存在的渗油问题，详细分析其渗油的故障原因是由于设备设计存在的缺陷，然后设计了一种新型储油柜油位监测装置，采用“连通器”原理测量储油柜的油位，测量传感器为棒性导波雷达。设计的油位监测装置解决了当前油位计渗油故障率高、更换过程复杂的问题，可以实现储油柜不排油的情况下进行油位计更换工作，同时该新型油位计监测装置性能优异，具有比较好的应用前景。