换流变压器油枕胶囊破裂监测装置研究

国网湖北省电力公司检修公司 秦晓俐

云南电网昭通供电局 马晓勇

1 前言

换流变压器是直流输电工程中的核心设备，属于大型充油设备，油枕胶囊常会因为安装质量问题、年限老化磨损、绝缘油处理操作等原因出现破裂现象［1］-［2］。近年来，国内直流输电工程中多次出现换流变压器油枕胶囊破裂影响输电系统稳定运行的事件，暴露出了目前换流变压器缺乏可靠的油枕胶囊破裂监测装置的问题［3］。针对当前现状，国网湖北省电力公司检修公司进行了充分研究，并制作出了一套基于光的全反射、折射原理检测换流变压器油枕胶囊是否存在破裂的监测装置。

本文结合两起故障对换流变压器油枕胶囊破裂监测现状进行了介绍，并对新研制的换流变压器油枕胶囊监测装置的结构及工作原理进行了说明。

2 换流变压器油枕胶囊破裂监测现状

目前，国内直流输电工程中部分换流变压器没有安装油枕胶囊监测装置，曾发生过油枕胶囊破裂未及时处理导致直流系统闭锁的事故：2011年5月2日，复龙换流站直流输电系统以1000MW功率运行过程中，极Ⅱ高端Y/Y-C相换流变压器本体油枕呼吸器处持续严重漏油导致重瓦斯保护动作跳闸，停电后检查发现故障换流变压器油枕胶囊破裂，该换流变压器无油枕胶囊破裂监测装置。

现阶段，国内直流输电工程中部分换流变压器安装有油枕胶囊监测装置，均采用电容值测量原理的泄漏监测装置，该类监测装置可靠性、灵敏性均较差，在工程实际中曾出现过装置拒动现象：2015年6月12日，德阳换流站直流输电系统输送功率由600MW上升至1200MW运行后，运维人员巡检发现极ⅠY/△-B相换流变压器本体油枕呼吸器处持续大量漏油。随后，运维人员向调度申请停电检查处理，发现故障换流变压器油枕胶囊存在两处破裂。该换流变压器具有电容值原理油枕胶囊泄漏监测装置，但在当时大量漏油的情况下并未正常发出报警信号。

电容值测量原理泄漏监测装置如图1所示，工作原理为：监测探头透过换流变压器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。油枕胶囊未破损时，探头处于空气中，测量到的是一个小数值的初始电容值CA；油枕胶囊破损时，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CB。当电容值CB与电容值CA的差值△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“油枕胶囊泄漏”报警报文。

图1 电容值测量原理泄漏监测装置

由此可见，国内直流输电工程中关于换流变压器运行过程中油枕胶囊破裂监测方面存在以下问题：

1)部分工程中未考虑换流变压器油枕胶囊破裂监测手段，无法及早发现并处置油枕胶囊破裂避免事故的发生。

2)电容值测量原理泄漏监测装置的正确报警与传感器探头的完好性、监测装置电容值计算环节的正确性、报警定值设定的有效性、进入胶囊内的油面高度等诸多因素有关，报警原理复杂，在现场运行过程中存在反应不灵敏、动作不可靠的情况。

因此，目前有必要研制一套稳定、可靠的换流变油枕胶囊破裂监测装置,以确保换流变压器安全稳定运行，避免直流输电系统由于换流变压器油枕胶囊破裂导致的闭锁事故的发生。

3 新研制的监测装置结构组成

考虑到激光由空气射向绝缘油时会被折射、吸收，能够确切反映换流变压器油枕胶囊破裂后绝缘油进入的实际情况，同时可以有效避免换流变压器负荷及环境温度变化时胶囊形状变化对监测的影响，本次研究利用了光的全反射、折射原理结合光纤传感技术制作了换流变压器油枕胶囊破裂监测装置。

换流变压器油枕胶囊破裂监测装置主要由两个部分组成：由换流变压器油枕顶部接头放置于油枕胶囊内部的激光监测探头；放置于换流变压器现场控制柜内的泄漏探测装置，如图2、3所示。

图2 换流变压器油枕胶囊破裂监测装置

图3 换流变压器油枕胶囊破裂监测装置安装图

激光监测探头由全反射棱镜镜头、金属镂空探头外壳、一根多模绝缘发信光纤及一根多模绝缘收信光纤构成。激光监测探头主要负责对油枕胶囊是否破裂进行光学检测。全反射棱镜镜头采用人造水晶材质，应用圆柱体加等腰直角圆锥体一体成型结构，当激光垂直射入镜面时，具有全反射灵敏度高、抗干扰性强、便于现场安装的特点，如图4所示。

图4 激光监测探头分解图

泄漏探测装置采用印刷电路板及单片机微处理技术，负责发出激光信号、接收激光返回信号、将返回的激光信号转化为电压信号、油枕胶囊破裂的逻辑判断、提供报警节点信号输出。

4 新研制的监测装置工作原理

换流变压器油枕胶囊破裂监测是基于激光垂直射向等腰直角三棱镜的斜面会发生全反射，而激光由空气进入绝缘油会发生折射、吸收的原理，来实现对换流变压器油枕胶囊内部是否有绝缘油进入进行判别，进而作出换流变压器油枕胶囊是否破裂的判断。

如图5所示，激光监测探头内无绝缘油，泄漏探测装置持续发出的激光传输至全反射棱镜镜面处发生全反射，反射回来的激光通过收信光纤返回至泄漏探测装置。泄漏探测装置检测到回馈的激光信号相比发出的激光信号强度无较大衰减，从而判断换流变油枕胶囊未破裂。

图5 胶囊未破裂激光监测探头工作原理图

图6 胶囊破裂激光监测探头工作原理图

如图6所示，换流变压器油枕胶囊破裂后，绝缘油进入油枕胶囊，绝缘油通过探头镂空外壁进入探头内部。泄漏探测装置发出的激光在探头内会经过绝缘油折射、吸收，泄漏探测装置检测的回馈激光信号强度大幅衰减，从而判断换流变压器油枕胶囊破裂。

装置将接收的激光返回信号转换成与其成线性关系的电压值，在无返回激光信号时，测量的电压值最小，返回激光信号最强时，测量的电压值最大。本装置激光发射功率为10mW，激光返回电压的上限为3.3V，下限为1V，告警定值的设定取决于光纤长度，光纤长度越长衰耗越大，经过充分测试，当光纤长度小于50米时，报警定值设定为2.7V。装置利用测量到的返回电压与设定的告警电压值进行比较判断，使得装置能够有效判断换流变压器油枕胶囊是否破裂，以此作为判断的依据，同时向外部提供空节点信号输出。

为了充分保证装置的正确性、可靠性、灵敏性，装置的报警判别如图7所示，按以下流程设计：1)装置运行后，当没有激光返回信号持续时间超过1秒钟时，装置发出报警。2)当装置每次检测到激光返回信号后，则暂停激光发射30ms，需要确认接收到的返回信号消失，然后再进行下一次的激光发射；否则认为是装置出现故障，同样提供报警输出。

图7 换流变压器油枕胶囊破裂检测流程图

5 结语

虽然油枕胶囊是换流变压器的附件，但油枕胶囊在运行过程中出现破裂直接影响到输电系统的稳定运行，因此换流变压器有必要配置一套稳定、可靠的油枕胶囊破裂监测装置。本文介绍了一套基于光的全反射、折射原理的换流变压器油枕胶囊破裂监测装置，相对与原有的电容值测量原理泄漏监测装置，该换流变压器油枕胶囊破裂监测装置实现手段简单、原理可靠，能够对故障进行及时正确的早期诊断，为换流站运维人员采取紧急处理措施争取时间，对保障直流输电系统安全稳定运行具有积极作用，同时也为换流变压器制造厂家及工程技术改造提供了参考。

[1]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京:中国电力出版社,2004.

[2]韩晓东,翟亚东.高压直流输电用换流变压器[J].高压电器,2002,38(3).

[3]秦晓俐.换流变压器油枕气囊泄漏监测装置改进建议[J].电子世界,2015,16:152-154.