胶囊式储油柜油位故障原因分析及对策

0 前 言

胶囊式储油柜是在储油柜内部安装一个胶囊，使绝缘油与空气隔离，并通过硅胶呼吸器与大气连通，安装时通过在胶囊内充氮气或干燥空气等措施防止胶囊破裂，避免绝缘油与空气直接接触。储油柜胶囊是一种橡胶工业制品，主体胶料多以耐臭氧PVC并用胶和耐油NBR、NBR单胶和氯醚橡胶为主，也有以三元氯醚橡胶为主要材料，胶囊多以聚酰胺纤维为骨架材料[1]。目前，胶囊式储油柜容易出现油位指示不正确的典型故障，产生这一故障的原因很多，故障现象也各不相同，特别是油位表的油位指示与储油柜实际油位不一致时，将直接影响变压器的安全经济运行。

1 工作原理

高压油浸式设备绝缘油中溶解了空气，空气中的氧气就促使绝缘油及浸泡在油中的纤维材料氧化、老化。当纤维材料发生水解时，纤维素键断裂，油中纤维素材料被破坏，绝缘加速老化，变压器和电抗器就会降低使用寿命[2]。高压油浸式设备应尽量没有或仅有少量的气体，保持储油柜油量合理，这样可以减少绝缘油与空气的接触面积。随着电气设备电压的不断升高，绝缘油与大气隔绝尤其重要，防止大气中的氧气、水分进入到绝缘油中，避免出现设备的绝缘强度下降及设备老化。因此，现在的油浸式变压器和电抗器上都装有储油柜。储油柜是油浸式变压器和电抗器的重要保护附件之一，其主要用途是保证绝缘油体积的自由变化，使油面与空气接触面积缩小到最低限度，减缓绝缘油的老化；其次，对设备也有补油作用[3]。

储油柜的胶囊隔膜袋通过呼吸管、呼吸器与大气相通，呼吸管连通隔膜袋和呼吸器，呼吸器通过硅胶直接与大气连通，空气经过吸湿器时将其中的水分和杂质过滤干净。当隔膜袋呼吸时，气体呼吸管和呼吸器与外部空气交换，呼吸器中的变色硅胶可以清除空气中的潮气和杂质，确保进入胶囊的空气干燥、清洁。储油柜的结构如图1所示。

图1 胶囊式储油柜结构示意

储油柜内使用油位指示器，一般由内外两部分组成。储油柜内部分包括浮子、托架和磁体，储油柜外部分包括外壳、指针、刻度盘和磁体，两部分由防漏圆盘隔开。

储油柜油位计的浮子漂浮在柜体内胶囊下的油面上，浮子随着油面的升降而升降，并带动摆杆上下摆动。摆杆通过齿轮副带动油位计的主动磁钢转动，主动磁钢带动油位计的被动磁钢转动，被动磁钢又带动表盘指针转动。当达到高油位或低油位时，指示器配置的干簧接点接通发出油位相应的报警信号[4]。

2 某水电站故障现象

某水电站采用550 kV户外、单相、油浸、间隙铁芯线路并联电抗器。并联电抗器是接在高压输电线路上的大容量电感线圈，作用是补偿高压输电线路的电容和吸收其无功功率，防止电网轻负荷时因容性功率过多引起电压升高。

运行巡检人员巡回发现电抗器C相油枕油位显示器显示油位指示为零。故障发生后，油温监测、绕组温度监测和红外测温均未见异常。电抗器油色谱在线监测分析发现，故障相C相油中二氧化碳含量持续升高，油色谱数据变化趋势见图2。

图2 电抗器C相油色谱数据变化趋势

3 故障分析

故障发生后，结合现场检查情况，对可能的故障原因进行了分析。

3.1 储油柜油位低

油位计指示油位为零，有可能存在油箱、储油柜等出现渗漏，造成油位实际偏低。对电抗器外观进行了全面检查，对电抗器集气盒进行了排气，有气泡溢出，对可能渗油的储油柜注排油阀、储油柜排气阀、散热器进出法兰、各排气嘴进行了紧固。同时，对储油柜顶部旁通阀及两边法兰也进行了紧固，对本体下部取油样塞也进行了紧固，监视铁芯、夹件的接地电流，同时也检查电抗器事故油池，均未发现异常。

为确定储油柜内的实际油位，将一根透明塑料软管的一头接在电抗器底部取油样阀上，另一头用绝缘杆高举至本体储油柜顶部，利用连通器原理测量实际油位高度，检查电抗器实际油位在储油柜一半的高度。再通过红外测温仪，利用油与空气分界面上下介质的热物理性参数不同，在实际油面处形成一个有明显温度突变的清晰热像特征，确认储油柜内的油也在储油柜一半的位置。通过上述方法，排除电抗器漏油的可能。

3.2 假油位

由于胶囊式储油柜采用电磁式油位计间接地指示油位，运行中可能会出现假油位。假油位是指油位计指示油位与储油柜的实际油位不符，吸湿器堵塞、胶囊破裂、油位计卡涩等故障，都会导致油位计指示错误[5]。

吸湿器堵塞会造成胶囊无法随着储油柜油面升降而收缩，通过观察吸湿器工作情况，可以排除此种可能。

胶囊破裂后，下垂的胶囊端部可能压在油位计的浮子及连杆上，使浮子及连杆运动受阻而不能正确反映油位。此时，可以打开储油柜顶部，用圆头木棒探入胶囊内检查情况，尝试吸尽胶囊内的绝缘油，若发现胶囊内始终存在绝缘油，则可判断胶囊破损。

油位计卡涩有多种原因，油位计浮子损坏进油、异物将油位计旋转机构卡涩等，都会造成油位计指示错误。可用圆头木棒整理摊平胶囊，使胶囊平浮于油面上，观察油位计指示是否有变化[6]。

4 处理情况

4.1 停电前的处理

由于并联电抗器为涉网设备，需要经过电力调度机构同意才能停电检查处理。在调度未同意前，需要做好油位故障后的运行监督，防止电力事故的发生。

4.1.1 油质监督

油质监督是发现充油设备内部故障的重要手段。油位指示为零，如果是胶囊破损进气造成的，严重时会导致气体继电器重瓦斯保护误动作，因此加强油质监督就十分重要。常用的油质监督方法有两种：离线油样化验和油色谱在线监测。这两种方法虽都不是判定充油设备是否故障的根本标准，但可以对运行中的设备油质变化趋势进行分析。在出现油位故障后，除按照定期监测制度开展油化工作外，还应缩短取油样周期，及时排除气体继电器内的残余气体，防止在油位故障期间由于设备内部故障而造成事故[7]。

4.1.2 温度监督

油位故障掩盖了油浸式电抗器的真实充油情况，一旦设备处于少油运行且没有被及时发现，就可能导致设备事故。因此在出现油位故障后，还应加强对设备的温度监视。温度监督要全面考虑设备的运行工况，设备巡回时，还应记录环境温度、绕组温度、上层油温和负载电流，并与之前巡回记录进行比较分析。如果发现其他条件不变的情况下温度不断上升，则设备内部可能出现异常。同时，还可以利用红外测温设备对外壳、套管等进行测温，如果出现局部异常过热，应及早申请停电检查处理。

4.2 停电后的处理

停电后，检修人员打开储油柜顶部，用圆头木棒探入胶囊内部发现有大量绝缘油，判断胶囊已经破损。

4.2.1 排 油

待电抗器停电后，关闭电抗器本体与冷却器连接阀门，打开电抗器储油柜顶部进气阀门；打开电抗器本体上与真空滤油机管路连接的阀门；开启真空滤油机往油罐抽油。待电抗器储油柜绝缘油抽完后，停止抽油，关闭电抗器储油柜与本体连接阀门。

4.2.2 热油循环

拆除与电抗器连接油管，将拆除的油管与油罐顶部的阀门进行连接，打开油罐与真空滤油机连接的阀门，开启滤油机，对油罐内的绝缘油进行热油循环。热油循环温度控制在60 ℃左右，循环时间大于8 h。

4.2.3 胶囊更换

储油柜绝缘油排空后，检查发现电抗器油枕胶囊底部连接缝有5 cm长裂口(见图3)。更换胶囊前应仔细检查新胶囊袋密封情况，更换时防止异物进入；安装胶囊时注意胶囊长度方向与储油柜平行，防止胶囊产生扭转和褶皱。

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图3 胶囊破裂处

储油柜注油，尽量不采用真空注油方法，防止胶囊突出部与柜底连管等处产生摩擦，损坏胶囊袋。先把胶囊内部充满干燥的空气，通过热油循环向储油柜注油，注油温度控制在60 ℃。通过滤油机从电抗器顶部注油阀门把循环完成后的新油向储油柜注油，胶囊袋慢慢向上，袋内空气被压缩通过排气孔排出，观测电抗器储油柜油位，以满足运行油位要求。

注油完成后，拆除连接管路和设备，打开电抗器与冷却器之间的阀门。待电抗器静置24 h后，取油样送检，以确认绝缘油满足要求。

故障处理后，电抗器油色谱在线监测发现油中二氧化碳含量明显下降，见图4。

图4 处理后电抗器C相油色谱数据

5 故障对策

胶囊作为隔绝绝缘油和外界空气的重要部件，安装胶囊破损监测装置可以及时发现胶囊破损，避免电力设备事故的发生。目前，胶囊破损的监测方法主要有四种：气体继电器法、CPR专用继电器法、电容监测法和激光监测法[8]。

5.1 气体继电器法

单浮子的气体继电器可以用来监测储油柜胶囊是否破损和漏气。气体继电器的一端用储油柜顶部的法兰盘密封，另一端通过法兰和联管与储油柜内部连通，胶囊通过联管与吸湿器相连，如图5所示。气体继电器内部预先充满绝缘油，所带浮子浮于油面，当胶囊破损时，胶囊内的空气进入储油柜，汇集到储油柜顶部的气体继电器中，继电器的油面下降，浮子下落，发出报警信号。

图5 气体继电器结构示意

5.2 CPR专用继电器法

意大利产的CPR系列气体继电器是监测胶囊破损和漏气的专用继电器，这种继电器安装在储油柜顶部，如图6所示。当胶囊破损时，内部空气进入储油柜，汇集到储油柜顶部的继电器中，当气体达到一定容积后，浮子滚动，发出报警信号。

图6 CPR专用继电器结构示意

5.3 电容监测法

电容监测法是将监测探头放入胶囊内部，探头与胶囊之间构成一个电容。胶囊未破损时，探头处于空气中，测量到一个小数值的初始电容值CA；当胶囊破损后，胶囊内部充入绝缘油，测量到电容值CB；当测量电容值CB与初始电容值CA的差值ΔC达到定值后报警，如图7所示。

注：R:液体的电导率；CB:最终电容值(探头被覆盖)；C：液体的电容值；ΔC：电容值的变化量；CA：初始电容值(探头未被覆盖时)。

图7 电容监测法示意

5.4 激光监测法

激光监测法由一个安装在胶囊内部的激光监测探头和安装在现地控制箱内的探测装置组成，如图8所示。其工作原理是基于光的反射和折射原理。当胶囊完好时，安装在胶囊内部的激光监测探头能接收到很强的发射光；当胶囊破损后，发射光通过变压器油后发散、吸收，激光监测探头接收的光减弱，发出报警信号。

气体继电器法优点是成本低、原理简单，缺点是对气体继电器和法兰的密封要求较高，安装难度较大。CPR专用继电器法优点是结构简单、安装方便、可靠性高，缺点是对储油柜和阀门的密封要求较高，成本比气体继电器高。电容监测法正确报警与传感器探头的完好性、报警定值设定的有效性、监测装置电容值计算的正确性、进入胶囊的油面高度等因素有关，且存在报警不及时、动作不可靠的情况。激光监测法优点是可靠性高，不受设备运行情况及环境温度的影响，缺点是结构复杂、成本高[9]。

图8 激光监测法示意

6 结 语

胶囊式储油柜作为变压器和电抗器的重要附件，直接影响到设备的安全稳定运行。当储油柜油位出现故障时，应首先排除实际油位低的情况，否则应立即申请设备停电处理。在确定油位故障为显示问题后，变压器和电抗器可以根据电网需要、检修安排等申请停电，在观察运行期间要重点监视设备运行温度和绝缘油化验结果。在条件允许的情况下，应尽量配置储油柜胶囊破损监测装置，及时发现胶囊破损故障，避免发生电力设备事故。