变电站油浸式变压器波纹式储油柜油位故障监测装置的研制应用

云南电网有限责任公司昆明供电局 杨 彪

1 引言

变压器是电网重要的资产之一。储油罐是变电站变油浸式压器配套设施的重要组成部分。储油柜法兰漏油，波纹管开裂漏油，油表异常等问题危及变压器的可靠稳定运行，同时造成大型变压器停止运行。现阶段，变电站油浸式变压器用储油柜的主要分类为：隔膜储油柜、波纹管式储油柜。但无论针对任何储油柜，目前均没有完整的监控计划来实时监控储油柜内的运行状态，如油位的相对高度、球团的裂化程度、补偿量等。世界上一些国家已经对球团裂化监测设备进行了大量的基础研究，CEDASPE 公司生产的CPR 型磁电容栅气动汽车继电器，可以监控气声细节。然而，我国对监测变压器芯块的技术应用并没有给予太多关注[1]。

2 储油柜油位异常的危害及产生的原因

2.1 储油柜油位异常的危害

在使用时，油箱内的油面显示与实际的油面并不一致，即所谓的“假油”。归纳起来，油面异常原因有：一是油液表（液面）显示的油面比油箱内的油面要低，引起变压器漏油。比如，如果显示出的油量比真实的油面要低，操作人员就会认为是油枕处有油不足，然后再给油箱加满润滑油，在油温或周围的温度上升时，由于变压器油的体积增大，减压阀门受到的压力超出了限制，从而导致了变压器的燃油喷射。二是油量仪表（油液仪）显示的油面比实际油面要高，从而导致了电力系统出现故障。如果在长时间的无油状态下，很可能会引起变压器的内部绝缘的潮湿，从而导致绝缘破裂。

2.2 油位异常产生的原因

2.2.1 胶囊式储油柜油位异常的原因

笔者通过多年的操作和维修工作的总结，发现油面异常的原因有：一是机油计量单位中的变压器油太多或太少。通常情况下，胶囊式油箱的油箱（液面仪表）所需的燃油（V）应该符合不超过压力气囊（小型气缸）体积（V1）+油箱（V2），不低于油箱与油箱（V3）的体积（V3）。若所添加的燃油不符合以上规定，则会导致液面仪出现故障[2]。二是老化的压力包（小型的胶囊）。压油袋子是一种橡胶制品，使用时间久或者是在低温下会导致其老化，从而导致压力袋的两端受到不同的压力，导致油面发生异乎寻常的变化。三是由于呼吸机阻塞，导致呼吸管路不畅通，导致油面异常。在新投入生产的变压器中，由于没有取下空气中的吸湿器的油杯密封垫，或者由于其内部的硅胶颗粒太细，导致吸收水分后的硅胶颗粒容易相互黏结在了一块，使得硅胶颗粒间的空隙微小，阻碍空气的流动，产生伪油。四是有剩余气体存在于贮存箱中。通常储油箱中没有任何气体。但是，在检修和装配过程中，未按照规范规定进行抽油，导致了储油箱体中存在残余气体，从而造成了漏油现象。五是油箱的上半部分没有完全封闭。若油箱上部不严密，如排气塞、检查窗等，在温度和负载的剧烈变动下，会使储油箱内出现一片真空，将周围的气体吸进储油箱中，使其无法吸收外界的气体，久而久之，就会出现一种假的现象[3]。

2.2.2 隔膜式储油柜油位异常原因

隔板式储油箱内的液位仪大多采用铁磁性液位仪，通过机械的变换和驱动，达到液面显示的目的。隔板式储油箱出现油面异常的原因有：一是隔板断裂。膜片的断裂有可能导致液面仪表的显示为零。二是拉链的挠性。从内部的构造可以看出，通过膜片和液面传感器的联轴节的伸缩、膜片的升降和驱动液面仪的指示器的位移来显示油液面。在连杆弯曲时，连杆无法自如地收缩，导致薄膜运动不能与指示器的挠度相一致，而所显示的油面并不能反映出储罐的真实油面。三是破碎的浮珠。由于浮球的破碎必然会产生燃油，由于其自身的重量，必然会导致浮球体的下陷，从而导致液面表所示的油面低于平时值，这种倾向是随着油液量的增大而逐渐接近于0[4]。

3 监测装置的工作原理

3.1 光的全反射应用

在储油柜漏油监控中，选择了一种基于光全反射的光学传感器。在S 光源经过光学和光学介质的边界条件下，在倾斜角度θ3＞θ2时，折射角度α3大于90°时，映射光源会发生衰减，而只有反射光能通过反射表面回到光学介质中，这就是所谓的全反射。用以下公式求出了光的全反射临界角度：

式中：θ为全反射临界角；n为光密介质折射率。

图1 光的全反射原理图

3.2 超声波测距应用

采用超声波传感器对油罐进行油面检测。通常，频率大于20kHz 的声波叫做超声波，其特征是频率高，波长短，衍射条件低；同时，穿透力强，有一定的特异性，在传输过程中的损耗较小，其工作性能也较好，可以应用在固定X 射线的传输中，应用较为广泛。超声波传感器的测量方法有回程时间测量、相位差测量、声波频率幅值测量等。本文所制作的仪器是利用往返时间测量技术实现的激光测距，其原理是利用超声波传感器发射一定数量的超声波，通过其他媒介如气体扩散，到达整个物体，准确地测量或反射障碍。当超声波经过一个反射表面之后，会接收到一个单一的脉冲，这个脉冲所经过的时间是由超声波的传播距离决定的。通过探测到的传播时间，得出了传播距离。

假设s为被测物体与测距仪的距离，被测时间长度为t，超声波的快速传播用v 表示，则：

在精度要求较高的情况下，必须考虑温度对超声波传播的危害，必须根据下式调整超声波的快速传播，以减少偏差。

式中：T为具体温度，企业为℃；v为超声波在材料中的快速传播速度，企业为m/s。

4 装置的结构及功能

变电所的油浸式变压器波纹箱监控装置包括一个变电所和一个主站。分站设于变电所油浸式变压器波形储油槽中，各分站由光纤、穿透超声波、温湿度传感器组成；GPRS 的无线和MCU 的结构与光耦合电路的设计。主站由网络服务器、无线网络接收设备、系统软件（变电所油浸式变压器波纹油罐在线监控系统软件）及相关数据库查询构成。该系统的CPU 由STC 系列产品的单片机构成，通过光纤、穿透超声波、温度、湿度传感器等光耦路连接。本系统的供电部分使用了工业级的5V、24V 的开关供电，而西门子PLCGPRS 的无线部分，由光纤、超声波、温湿度传感器等传感器将采集到的数据进行处理，由MCU 进行分析、统计、处理，再由GPRS 接口发送至后台的数据监测系统和维修人员的手机，并与后台管理系统进行对接，以获得海量的数据；通过对油浸式变压器波纹油柜的查询，可以对油浸式变压器波纹油柜中的橡胶微粒破裂、油量状况、补油量、油柜温度、湿度等进行实时监控；现场仪表有无损坏等。通过对多个数据的统计和分析，得出了该储油箱的各项性能指标及品质，从而能够将其区别开来，从而为变电所维修和物料采购工作提供可靠的依据。

图2 监测装置结构组成图

5 监测装置核心技术

5.1 漏油监测

在无折射现象的情况下，所有透过的光都会回到所有的反射面上，透过的光与受的动能都是一样的；电路是均衡的，也就是没有任何的绝缘油泄露，如果有折射，表明变压器的变压器油已将传感器吞噬；由于光源映射的改变，使光源发散，使传回的光束数量减少，从而消除了环的平衡；利用这种特性，可以实现对储油箱塑料微粒破裂、漏油的精确检测。光纤传感器具有体积小、可弯曲性好、能长时间传送探测结果、快速响应；具有较高的使用寿命、高可靠性、抗干扰性、不受限于安装地点；对野外环境的适应性强、灵敏度高、泄漏报警及时。

5.2 油位监测

储油器的油面检测采用超声波探头，能对1cm的金属材质进行渗透，而实际应用则是利用耦合剂将超声波传感器与油箱底部结合，制作出一种新型的超声波传感器；工作性能好，尤其是在不透光的固体环境中，超声波的穿透力可以达到几十米，在接触到残渣时，会产生反光现象。超声波可以准确地测定油箱内的油量，如图3所示。穿透性超声波传感器不需要在储油槽中设置精密的测量装置，就可以实现精确的非接触测量，其特点稳定、可靠、快速的响应速度；并且可实现实时、精确的不延时测量，具有较高的测量精度，适用于波纹管、隔膜式等变电所的油浸式变压器波纹储罐；安装、操作简单、快捷。

图3 油位监测原理图

5.3 补偿体积

通过对变电所油浸式变压器波纹箱的基本参数，以及变压器波纹油柜的油位参数进行精确的检测，可以得到相应的补偿量。变电所用油浸变压器的波纹储油箱通常是横置于变压器顶部的圆筒状,假定在正常工作条件下，最小的油流量为1min/10mm3，而匹配的绝缘油是Vmin；最大油量hmax，与绝缘油vmax相匹配；所有的标准油都是hb，绝缘油的匹配值是Vb（参照变压器的实际工作参数）；超声波传感器精确测得的油量小时，匹配值是Vm；变电所油浸式变压器采用L 型波纹管,在正常工作状态下油位处于hmin、hm、hmax时，绝缘油沿蒸汽真空电磁阀的安全通路流入或流出，油量从hm降低至hb（参照变压器的实际性能参数）。在hm·min时，绝缘油面发出告警之后需加油，补偿值为Vs。因变压器在正常工作时，油面由左至右起伏，故有最低油位hmin、最高油位hmax、最小补偿值Vs、min=Vmin-Vm。根据容积计算的数学方法，可以求出补偿容积Vs，如图4所示，其整体计算方法为：

图4 变电站油浸式变压器波纹式储油柜侧体示意图

其中，l为扇形oab 的弦长；Sloab是扇形oab的总面积；SΔoab为三角形oab 的面积；R为储油柜侧圆半径。

编写相关计算程序，现场维修人员在获得油补量后，可以有计划的带回剩余油，有利于节省现场加油时间，提高加油效率。

6 监测装置应用情况及改进方案

2021年11月，监控设备在某110kV 变电站试运行，现阶段管理状态正常。将变电站油浸式变压器波纹油柜运行的数据信息不断传输至数据监控核心，并查询数据库，积累了一定的数据信息，可以对储油罐内的油量、温湿度记录等数据信息进行趋势图分析。根据对现场运行情况的总结，明确提出了一些改进措施，一是监控设备的信号增强器部分规定，特别是在规定了密封设计方案时，需要进行压力试验；二是设备需要进行电磁兼容测试实验，以确保在复杂干扰信号的自然环境中一切正常[5]。

7 结语

通过研究，针对变电站油浸式变压器波纹油柜油表、油表、补偿量的精确测量、温湿度记录情况等给出了一整套新的监测方案，可有效避免由于变压器内部漏油、储油油位指示器卡死或微动开关失效而造成的异常现象，从而及时解决变电站油浸式变压器波纹储油柜内部的安全隐患，并迅速修复，防止变压器本体的因缺导致的内部击穿放电事故事件发生；可确保大中型油浸式变压器安全可靠地工作，是实现电力工业数字化转型、安全可靠运行、安全监控的重要手段。