油浸式电力变压器储油柜胶囊破损在线巡检装置的开发

国网甘肃省电力公司检修公司 刘义德 卫永鹏 张 鑫 张建军 孙世耀

油浸式电力变压器储油柜胶囊破损在线巡检装置的开发

国网甘肃省电力公司检修公司 刘义德 卫永鹏 张 鑫 张建军 孙世耀

1.前言

大型电力变压器是输变电工程中的核心设备，属于大型充油设备。而变压器储油柜用胶囊，是普遍应用在变压器上的常规保护装置，其作用是确保变压器油与空气隔绝从而避免绝缘油氧化等问题，设备运行中要求胶囊具备良好的长期可靠密封性能，即不渗油、不漏水，从而保证变压器的正常运行，提高设备使用寿命。但实际使用过程中，储油柜中胶囊常会因为安装质量、运行老化磨损、油处理操作等原因出现破裂现象。近年来，国内直流输电工程中也多次出现换流变压器储油柜胶囊破裂而影响电力系统稳定运行的事故。当前市场上所用的变压器储油柜胶囊，在其发生破裂渗漏或胶囊内结露积水时，无法判断其已经发生破裂或积水，只有当变压器油受潮，变压器运行异常跳闸，将储油柜胶囊从储油柜中拆除，才能发现胶囊破裂渗漏或积水，但为时已晚。

一般来说，储油柜胶囊破裂的原因有以下几种：

（1）胶囊本身质量问题导致运行中破损；

（2）胶囊材料在使用中老化，从而导致破裂；

（3）变压器内部故障产生大量气体，导致压力超过胶囊的承受能力而使胶囊破裂；

（4）安装过程中操作不当使胶囊破裂。

随着输变电行业的发展，对储油柜用胶囊破裂、渗漏或积水的检测是急需要解决的问题，本文旨在开发一套基于光学传感器用于监测变压器储油柜胶囊破损的便携式巡检装置。

图1 胶囊式储油柜加装CPR继电器的结构示意图

2.现有变压器储油柜胶囊破损监测装置现状

目前国内较少有专用针对变压器储油柜内胶囊、隔膜破损泄露的专用在线检测装置，意大利Cedaspe公司开发的CPR系列继电器产品，该类型继电器安装在储油柜上，当胶囊破损时空气进入储油柜内部，随后汇集到上部的CPR继电器中，当气体达到一定容积后，浮子滚动继而发出报警信号（基本结构如图1所示）。该浮子式继电装置仅能够对胶囊是否破损存在给出干接点信后，而无法对破损后油的泄露量以及泄露不均等问题给出解决方案。目前该类产品仅在海外配套项目上有少量应用，国内尚无应用案例。

当前国内直流输电工程中部分换流变压器装有储油柜胶囊在线监测装置，其原理是采用电容式薄膜电容传感器实现胶囊泄漏监测，此类监测装置可靠性、灵敏性较差，在实际使用过程中出现过监测装置拒动现象。其工作原理为监测探头透过胶囊安装盖板处插入胶囊内部，探头与胶囊之间构成一个电容。储油柜胶囊未破损时，探头处于空气中，测量到的是一个小数值的初始电容值C1；储油柜胶囊破损时，胶囊内部有绝缘油注入，电容值将随探头被油所覆盖区域面积的增加而增大达到C2。当电容值C2与电容值C1差值△c达到定值后，监测装置会提供一个硬接点报警信号给运维人员后台监控系统，后台监控系统会发出“储油柜胶囊泄漏”报警信号。

本文开发的储油柜胶囊破损监测装置采用基于光反射原理的光电式泄露传感器，通过安装在胶囊内部的光电传感器中LED发射的光被光学接收器接收而不发出信号；而当胶囊破损时，光电传感器中LED发射的光部分被变压器油发散、吸收，进而导致传感器接收的光信号强度降低，导致耦合电路失衡并发出报警信号，这样的检测方式目前在国内尚未发现应用。

3.新型变压器储油柜胶囊破损巡检装置的研制

针对现有技术中尚没有解决对储油柜用胶囊破裂、渗漏或积水的检测这一缺陷，为解决上述技术问题，本项目采用的技术方案是开发一套变压器储油柜专用胶囊破损便携式巡检检测装置。

图2 光电式胶囊破损监测系统基本结构

从现有各类传感器的长期稳定性角度出发，并结合绝缘油对红外光谱的折射与吸收特性，本次研究采用光电式传感器实现胶囊破损、漏气的在线检测，并组合检测装置与保护继电器。传感器安装于胶囊内部，控制单元及保护继电器安装于就地控制柜内。其基本工作原理是基于空气与油对光反射与透射的差异性实现油液泄露的有效检出。当胶囊完好时，安装在胶囊底部的光电传感器中LED发射的窄带光谱全部被光学探测器接收，不发出信号。而当胶囊破损时，光电传感器中LED发射的光部分被变压器绝缘油发散、吸收，此时光学接收器接收的光强度降低，导致耦合电路发出报警信号以及4-20mA模拟量信号，并与泄露油量成正比关系。整套监测装置探头部分封闭安装于储油柜用胶囊内部，将专用耐油光电式传感器置于胶囊的最低点，传感器属于光电接近式流体传感器，对接近传感器头部20mm范围内的所有流体产生电信号反应。考虑到油的特性，传感器需垂直部署在油膜上方，距油面的距离应在20mm以上，当有油漏出来后流经传感器下方时，传感器会返回报警信号。该传感器浸入油中仍可工作，对瞬间爆发的大规模漏油也能识别。整套监测装置基本结构形式如图2所示。

3.1 胶囊破损监测光学传感器

采用光学原理的变压器胶囊泄漏监测装置是基于绝缘油对红外光的吸收与散射原理，进而实现对储油柜内部是否有绝缘油进入进行判断，进而作出储油柜胶囊是否破裂的判别。

光学式变压器油胶囊泄漏监测装置工作原理如图3所示，该装置具有红外光源、光电二极管、镂空金属耐油探头、探头全反射棱镜、一根发射光纤和一根收信光纤的监测探头被安放在变压器储油柜胶囊底部。储油柜胶囊未破裂时，无变压器绝缘油通过图3中探头镂空外壁进入探头内部。泄漏探测装置持续发出的红外LED信号在探头内不会经过油面折射，红外光信号直接通过探头全反射棱镜镜面发生反射，反射回来的红外光信号通过接收光纤返回至泄漏探测装置。泄漏探测装置检测到回馈的红外信号，不发出变压器储油柜胶囊破裂报警；而如果储油柜胶囊破裂初期，少量的变压器绝缘油进入储油柜胶囊，绝缘油通过探头镂空外壁进入探头内部。泄漏探测装置持续发出的红外光信号在探头内会经过油面折射与散射，光信号无法通过全反射棱镜镜面发生反射，泄漏探测装置仅检测到微弱的红外光信号，进而发出变压器储油柜胶囊破裂报警信号。

相较于原有的电容值测量原理泄漏监测装置，光学原理变压器储油柜胶囊泄漏监测装置实现手段简单、原理可靠，而且可以实现故障的早期诊断，为运维人员采取紧急处理措施争取了时间。

图3 胶囊破损监测光学传感器基本结构

3.2 胶囊破损便携式巡检装置

本项目开发的变压器储油柜及胶囊泄漏检测装置适用于各类电力变压器、电抗器中用于储油柜及胶囊的破裂漏油便携式检测装置。便携式主机用于变压器胶囊破损的日常巡检，从变压器储油柜上部的胶囊破损传感器接线盒处获得传感器信号，其主要实现功能包括：

（1）便携式主机负责采集每台变压器胶囊破损传感器返回的电信号，用于数据记录、导出、趋势分析等基本功能，并在检测到油泄漏故障后提供报警信号；

（2）根据选择传感器的不同，处理信号的方式也不同。开关量多用电压比较器的方式处理，模拟量多用A/D转换的方式处理；

（3）输出报警信号既可以是模拟电压、电流信号，也可通过通用串行接口(RS232/RS485/ USB等)发送数字信号；

（4）支持多点数据下载，用户数据管理及数据传输等功能；

（5）外观和防护等级可以根据需现场不同的安装方式定制。

通过变压器储油柜上安装的专用法兰连接器将内置的胶囊破损光学传感器信号传输至变压器外部端子箱，整套装置的安装示意图如图4所示：

图4 便携式变压器胶囊破损巡检装置结构示意图

参照此图安装完毕后即可连接便携式胶囊破损在线检测装置主机，上电后胶囊破损在线检测装置会对硬件各部分工作状态进行快速检查，胶囊破损在线检测装置正常工作后，若检测到油泄漏，用户可通过以下方式获得警报信号：

（1）胶囊破损在线检测装置主机会返回信号给传感器上的指示灯，使红色LED灯变亮。

（2）胶囊破损在线检测装置主机接到传感器的信号后，开始数据下载功能，数据下载后可根据信号强度对可能存在的泄露情况进行趋势及图表分析。

（3）胶囊破损在线检测装置主机提供返回信号，由胶囊破损在线检测装置面板上四芯蓝色插头的2脚和4脚的电位差构成，正常情况下电位相差>12V（最大24V），检测到漏油后2,4两脚电位差<3V（最小0V）。用户可以通过接收返回信号进行远程监控。

4.结论与建议

结合现场实际应用经验，采用新型胶囊破损光学传感器为基础开发的便携式变压器胶囊破损巡检装置，相对与原有的电容值测量原理泄漏监测装置，光学原理换流变压器储油柜胶囊泄漏监测装置实现手段简单、原理可靠，而且可以实现故障的早期诊断，为运维人员采取紧急处理措施争取时间，比较适宜推广应用。

[1]孙建平.几种储油柜运行情况比较[J].变压器,2003,40(9):33-35.

[2]丁在兴.胶囊式储油柜的结构改进及安装调试[J].变压器,2004,41(7):80-81.

[3]GB 1094.1-1996.电力变压器[S].

[4]章瑞庆.换流变储油柜胶囊气密性检测及更换[J].电力与能源,2013,34(6).