换流变压器油枕胶囊泄漏免拆卸快速诊断技术研究

石明垒，苗 瑜，陈文强，步顺德，黄 智，沈正元

（国网浙江电力有限公司检修分公司，杭州 311232）

0 引言

高压直流输电系统中，换流变压器（以下简称“换流变”）是实现交流电与直流电转换的重要设备，能够有效保证特高压直流输电系统实现远距离、大容量、低损耗、异步非同频联网、大区域间能源输送等功能，是保证能源供应安全、经济和环保的战略性技术，能有力推动我国电力科技核心技术的发展[1-7]。

换流变油枕胶囊用于隔离空气和绝缘油，避免绝缘油和空气直接接触，延缓油质老化，同时防止外界杂质进入变压器内部[8-11]。现有文献侧重于研究油枕结构、油枕胶囊泄漏监测装置及其改进措施等方面[12-19]，但针对胶囊破损泄漏诊断技术却鲜有涉及。因胶囊破损导致的换流变停役事件时有发生，针对换流变油枕胶囊故障的常规处理方式工艺流程复杂、工期冗长。及时、快速、准确地诊断油枕胶囊是否破损，关系到换流站换流变能否按期复役，直接影响着直流系统的安全稳定运行。

某±800 kV 特高压直流工程，每座换流站配置28 台换流变，其中24 台在运行状态，4 台备用。根据技术路线的不同，每台换流变油枕内配置1 个或2 个油枕胶囊，胶囊是一个耐油的尼龙橡胶囊袋，胶囊内部通过呼吸器与大气相通，外部与绝缘油相接触。当换流变绝缘油受热膨胀时，油由油箱流向油枕，胶囊随着绝缘油的膨胀而压缩；当绝缘油遇冷收缩时，绝缘油由油枕流向油箱，胶囊随之膨胀。

1 油枕胶囊泄漏监测原理

换流变油枕胶囊示意如图1 所示。电力系统内换流变配置胶囊泄漏报警监测装置，根据技术路线的不同，主要分为瓦斯继电器集气型和光波传感器探油型2 种类型。

图1 变压器油枕胶囊

1.1 瓦斯继电器集气型

瓦斯继电器集气原理采用单浮球瓦斯继电器，一端用法兰盘密封，另一端通过联管与油枕绝缘油相通。正常情况下，油中无空气，瓦斯继电器充满绝缘油，浮球浮起。当胶囊破损时，空气进入油枕汇集至瓦斯继电器，瓦斯继电器内部油位油下降，浮球落下引发报警。瓦斯继电器位置及实物如图2 所示。

图2 油枕加装气体继电器安装图与实物

1.2 光波传感器探油型

光波传感器集气原理采用的MBR 传感器具有LED 发光功能，安装于胶囊内部，如图3 所示。胶囊完好时，胶囊内部无绝缘油，传感器LED 发射光被光学接收器接收，无报警信号。当胶囊破损时，绝缘油渗透到胶囊内部，此时传感器接触到绝缘油，LED 发射光被绝缘油发散、吸收，导致耦合电路失衡，发出报警信号。

图3 油枕加装MBR 传感器光波探测安装图与实物

2 胶囊泄漏报警原因分析

引起胶囊泄漏报警主要有4 种原因：

（1）胶囊破损。胶囊内气体进入油枕，胶囊泄漏报警；绝缘油进入胶囊内部，胶囊泄漏报警。

（2）换流变负压油回路密封不严。换流变运行中，负压绝缘油回路密封不严，绝缘油随温度变化出现热胀冷缩现象，空气进入油枕，聚集在油枕上部瓦斯继电器处，引发泄漏报警信号，易发生于油枕顶部油回路管路。

（3）设备安装不规范。胶囊安装时内部留存部分残油，换流变安装初期在抽真空、注油阶段带入少许残油。

（4）泄漏检测继电器本身故障。瓦斯继电器浮球破损、MBR 传感器发收光或耦合电路失衡，以及二次回路故障等，导致报警信号出现。

统计某±800 kV 特高压换流站，投运至今共出现胶囊泄漏报警122 次，经检测实际破损胶囊12 台·次，实际破损率占10%，胶囊泄漏报警误报率占90%，胶囊专项检查工作耗费大量人力和物力，因此对胶囊泄漏进行快速、准确诊断极为重要。

3 胶囊泄漏诊断方法

3.1 常规胶囊泄漏诊断工艺

常规胶囊泄漏报警检查主要包括棉棒底部探油、油枕排油、胶囊泄压、胶囊吊出检查确认、油务处理等工序，工艺复杂、工期较长且易受天气影响。按照常规处理方式，将胶囊吊出后才可检查确认胶囊破损状况，吊出胶囊需对油枕进行排油，排油区域如图4 中虚线框所示。诊断排油，排油量约6 t，诊断工期约7 h，在迎峰度夏期间±800 kV 换流站满负荷8 000 MW 运行，停电损失约0.56 亿kWh，采用新型诊断技术，每节约用时1 h，可节约0.08 亿kWh。

图4 油枕排油区域示意图

3.2 新型胶囊免拆卸诊断泄漏技术

为准确判断胶囊是否破损，简化诊断工艺，提升工作效率，本文提出一种新型胶囊免拆卸诊断技术方法。新方法包括棉棒底部探油、静态保压试验、微正压保压排气3 种工艺。

（1）棉棒底部探油

拆卸油枕顶部呼吸器管路，利用缠绕棉布的铁丝深入胶囊底部，观察棉棒头部是否有油迹。该方法适用于排查胶囊中、下部破损泄漏缺陷，可直观查看换流变油枕胶囊内是否有绝缘油（如图5 所示），不适用于胶囊上部或轻微破损情况。

图5 棉棒底部探油

（2）静态保压试验

向胶囊充入微正压干燥空气，开展静态保压试验，观测连接管路压力表计示数变化情况。若压力表计无明显下降，保压成功，胶囊密封良好；若压力表计指示明显下降，保压不成功，胶囊密封不良。该方法多用于排查胶囊中、上部破损，不适用于胶囊砂眼类轻微破损。

（3）微正压保压排气

通过给胶囊充入微正压干燥空气，使胶囊内充满空气，但无明显压力，打开油枕顶部排气塞观察绝缘油溢出情况（如图6 所示）。该方法适用于胶囊砂眼类微小破损。

图6 充气保压后排气塞检查气泡冒出

3.3 现场案例

案例一，棉棒底部探油： 2015 年6 月，某站极1 高端Y/D-B 相换流变胶囊泄漏报警，现场采用棉棒底部探油发现胶囊内进入大量绝缘油，吊出油枕胶囊检查发现底部有贯穿性破损，如图7 所示。

图7 极1 高端换流变Y/D-B 相胶囊破损泄漏

案例二，静态保压试验： 2017 年5 月，某站极1 高端Y/D-A 相、极2 高端Y/Y-B 相换流变胶囊泄漏报警，通过胶囊底部探油未见异常，现场向胶囊充入0.03 MPa 以内的压力，静态保压发现胶囊压力指示数下降，说明胶囊存在破损点，经排查发现油枕顶部接口法兰存在隐蔽裂缝，如图8 所示。

图8 胶囊顶部接口法兰破损

案例三，微正压保压排气： 2019 年2 月，某站极1 高Y/Y-C 相换流变胶囊泄漏报警，现场采用胶囊底部探油与胶囊静态保压均未见异常，向油枕胶囊充入0.01 MPa 微正压保压，发现油枕顶部排气塞有微量气泡冒出，判断胶囊存在微小破损，共用时约2 h。吊出胶囊，并对胶囊充入水和气进行加压，检查发现胶囊有5 处砂眼，如图9 所示。

图9 极1 高Y/Y-C 相换流变油枕胶囊沙眼

某换流站投运以来的胶囊破损案例统计如表1 所示。可以看出： 利用常规技术，在4 年内诊断出5 台胶囊异常；利用新型诊断技术，在1年内诊断出6 台胶囊破损。相比于常规胶囊泄漏诊断技术，新型免拆卸诊断胶囊破损技术具有更短的工期与更高的准确率。

表1 某换流站换流变胶囊泄漏诊断案例统计

4 结语

针对换流变油枕胶囊破损，提出通过棉棒底部探油、静态保压试验、微正压保压排气3 种方式相结合的新型胶囊泄漏诊断技术，并与常规处理方案进行对比，验证了所提技术方案的可行性与可靠性。

（1）新型诊断技术方案中，棉棒底部探油方法简单、直观、迅速，但较难诊断上部破损；静态保压试验相对复杂、便捷，但较难诊断砂眼类细微破损；微正压保压排气适用于大小破损，但操作复杂，工艺难度稍高。3 种方法相结合可在不拆卸油枕胶囊的情况下，快速、准确地诊断胶囊是否破损，相比于常规方式，能够有效简化诊断工艺、控制检修工期、提高工作效益。经实践证实，新型诊断技术方案具有更高的可行性与可靠性。

（2）新型诊断技术方案不拆卸胶囊、不排油，受外界环境等因素干扰较小，操作简单，流程简化，更实现容易，处理工期由7 h 缩短为2 h，大大提高了现场工作效率。

（3）利用新型技术方案，现场停电损失由0.56亿kWh 降低至0.16 亿kWh，按0.5 元/kWh 计算，相比于常规处理方案，单台换流变胶囊破损诊断可产生0.2 亿元经济效益。

（4）新型技术方案具有自适应功能，可应用于各电压等级换流变，并可供常规变压器借鉴。可引入新建工程，提升变压器油枕胶囊验收质量管控。可引入变压器胶囊常态化维护检测及更换判据，提升变压器油枕胶囊可靠性管理。