外油卧式金属波纹管储油柜油位异常分析

运行与维护
2020.5 电力系统装备丨103
Operation And Maintenance
电力系统装备
Electric Power System Equipment
2020年第5期
2020 No.5
储油柜是大型油浸式变压器必不可少的保护器件[1]。

在变压器运行过程中，起到容积补偿、油量补充、油气隔离、指示油量等重要作用[2]。

随着电力装备制造技术的不断革新，储
油柜结构也发展出多种类型。

图1 储油柜结构分类
其中，金属波纹管储油柜采用不锈钢波纹补偿技术，较隔膜式与胶囊式储油柜具有工作寿命长、无老化、抗破损、免维护等特点[3]，已在110~220 kV 变压器上得到了广泛运行。

但在生产实践中，传统意义上的外油式金属波纹管储油柜（即外油卧式储油柜）受各类因素影响，油位异常缺陷发生频率较高。

本文将对外油卧式储油柜的结构、油位异常缺陷原因进行分析，为外油卧式储油柜的运行检修提供经验参考。

1 外油卧式储油柜结构及工作原理
1.1 外油卧式储油柜结构
外油卧式储油柜的工作原理类似于胶囊式储油柜，不同之处在于其采用金属波纹管作为容积补偿元件和隔离密封元件。

如图2所示，外油卧式储油柜的金属波纹管呈横卧方式布置于柜体内，其一端为自由伸缩的活动端，通过滚轮与滑道配合进行伸缩，另一端与端板固定，从而实现金属波纹管内、外空间的隔离。

金属波纹管的内部为气室可通过呼吸管与大气连通，其外部（即储油柜柜体）为油室，通过主油管与变压器本体油箱连通，油室顶部连管为排气管，底部连管为注放油管。

滚轮柜体（油室）
金属波纹管（气室）
集污盒
主油管
活动端
呼吸管端板
排气管
注放油管
收紧装置
拉带
转角滑轮图2 外油卧式储油柜结构（拉带式油位计）
外油卧式储油柜多采用拉带式油位计或并磁翻转式油位计[4]
，仅部分早期产品采用指针式油位表[5]。

以图2所示的拉带式油位计为例，其拉带一端固定在金属波纹管的活动端，另一端通过转角滑轮连接并固定于端板处的收紧装置。

当金属波纹管发生水平伸缩变化时，油位观察窗内的拉带在收紧装置作用下，呈现垂直升降变化，并通过拉带上的油位示数
反映当前油位。

图3 拉带式油位计
1.2 外油卧式储油柜工作原理
正常工作时，储油柜气室通过呼吸管、吸湿器与大气连通，使金属波纹管内侧压力与大气压力保持基本一致。

当变压器内绝缘油随温度变化产生体积膨胀与缩小时，油室压力发生相应变化，从而打破金属波纹管内、外两侧受力平衡，促使金属波纹管产生伸缩变化，改变油室体积，实现容积补偿的
功能。

图4 金属波纹管收缩至自由状态的缺陷储油柜
需要特别注意的是，当外油卧式储油柜的油室、气室压力相等时，金属波纹管的自由状态呈现为“高油位”的收缩状态。

此时，油位计示数一般在9（或80%）左右。

因此，在
［摘 要］本文针对外油卧式金属波纹管储油柜的结构、工作原理进行分析，归纳总结了六类油位异常缺陷的特点、原因，并提出了相应的防范措施。

［关键词］储油柜；外油卧式；油位异常［中图分类号］TM76 ［文献标志码］A ［文章编号］1001–523X （2020）05–0103–03
Analysis of Abnormal Oil Level of Horizontal Oil Corrugated
Oil Tank with External Oil
Lin Ze-wei
［Abstract ］This article analyzes the structure and working principle of horizontal oil corrugated oil storage tanks with external oil, summarizes the characteristics and causes of six types of abnormal oil level defects, and proposes corresponding preventive measures.［Keywords ］oil storage tank; horizontal horizontal oil; abnormal oil level 外油卧式金属波纹管储油柜油位异常分析
林泽炜
（国网福州供电公司，福建福州 350000）
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对外油卧式储油柜进行分析时，应注意金属波纹管在未收缩到自由状态前，其自身的收缩力将对油室乃至变压器本体油箱产生一个较大的负压。

这也是该类型储油柜与胶囊式储油柜最大的不同之处。

2 油位异常缺陷分析
目前，在运的外油卧式储油柜油位异常缺陷成因多种多样，其表现形式也各不相同，下面将对具体现象及原因进行阐述与分析。

2.1 拉带卡涩造成油位异常
该类缺陷表现为储油柜在不同温度下指示油位不变（通常呈现低油位），而吸湿器呼吸正常。

当绝缘油体积增大时，金属波纹管正常收缩，通过呼吸管、吸湿器排出多余气体，而由于拉带与转角滑轮配合不当、拉带自身形变、收紧装置老化等原因，无法随金属波纹管的收缩而收入收紧装置中，造成油位计指示油位低于实际油位。

若在未经处理的情况下，采用吹气法（即先补油，后吹气调定油位）进行补油操作，变化情况如图5所示。

由于补油过程中，排气管处于关闭状态，随着绝缘油自注放油管注入油室，金属波纹管受正压作用收缩，而指示油位受拉带卡涩影响保持不变。

若不尽快停机检查，随着补油过程的进行，金属波纹管压缩至自由状态后，油室内部压强不断增大，最终可能导致压力释放阀动作喷油[2]。

主油管
呼
吸
管
端
板
排
气
管
注
放
油
管
收紧装置
拉带转角滑轮
（卡涩状态）
图5 拉带卡涩状态下吹气法补油示意图
针对此类缺陷，在补油过程中应注意油位指示变化情况，若发现异常及时停机检查。

根据情况对拉带式油位计进行调整，必要时进行更换。

2.2 金属波纹管卡滞造成油位异常
该类缺陷表现为储油柜在一定温度范围内指示油位不变，且吸湿器无呼吸。

若卡滞程度严重，可能造成压力释放阀动作；若卡滞程度较轻，当温度变化超过一定值时，将造成油位指示突变，甚至重瓦斯或截流阀动作[6]。

造成金属波纹管卡滞的因素众多。

首先，从外油卧式储油柜自身结构进行分析：当变压器绝缘油发生体积变化时，油面上升或下降，油室压强发生变化，进而促使金属波纹管通过相应的伸缩运动补偿绝缘油的体积变化。

由于油面升降方向与金属波纹管伸缩方向呈90°，且受金属波纹管自身重力作用，其在伸缩运动时存在一定的倾斜[3]，造成各方向受力不均[7]。

其次，金属波纹管与储油柜间隙过小，储油柜不圆等制造质量因素也会对伸缩运动造成影响。

最后，运输及安装过程中碰撞产生的凹陷也可能造成卡滞现象。

需注意的是，误关呼吸管阀门、吸湿器堵塞（尤其是新装吸湿器未取出密封胶垫）也会出现类似情况。

针对此类缺陷，建议先退出变压器本体重瓦斯跳闸保护，检查吸湿器、呼吸管是否畅通，确认无异常后，对储油柜进行检查，必要时更换损坏储油柜。

2.3 气体残留造成油位偏高
该类缺陷表现为储油柜指示油位较油位-温度曲线偏高，吸湿器呼吸正常。

常见于储油柜首次安装注油后静置、排气不足，造成油室内有气体残留。

由于空气的体积膨胀系数36.7远大于变压器绝缘油的体积膨胀系数7，同等体积的空气在受热膨胀时体积增大量远大于绝缘油，造成油位计指示油位偏高的现象[1]。

针对此类缺陷，只需以排气管连续稳定出油为标准，重新排气、调定油位即可。

2.4 储油柜油室顶部密封不良造成油位异常升高
该类缺陷表现为储油柜指示油位逐渐升高至自由状态示数，重新调定油位、排气后，经长时间运行缺陷复发。

该类缺陷通常由储油柜排气管道密封不良造成。

在此情况下，储油柜的油室、气室均与大气连通，金属波纹管内外的压力平衡被破坏，使其趋向于自由状态收缩。

同时，油室体积随着扩大进而产生负压，渗漏点附近的空气被抽入油室内。

受密封损坏程度、运行油温等因素影响，该变化过程通常极为缓慢，需经过几个月时间才会呈现出自由状态下的“高油位”。

主
油
管
呼
吸
管
排
气
管
注
放
油
管
柜体
（与大气连通）
金属波纹管
（趋向自由状态）
拉带式
油位计
缺陷位置
图6 储油柜顶部密封不良示意图
需要注意的是外油卧式储油柜在正常运行时，油室一般呈现负压状态[7]，无法在缺陷位置观察到渗漏油痕迹。

此外，生产实践中出现的密封损坏程度普遍较轻，在重新排气、调定油位后缺陷复现极为缓慢，短时间内难以观察。

因此该类缺陷成因容易被检修人员误判为排气不足。

建议在处理油位异常升高缺陷时，注意对储油柜顶部及排气管法兰密封情况进行检查、试漏。

2.5 本体与有载连通造成油位异常
该类缺陷虽然罕见，但其特征明显：缺陷储油柜本体油位指示趋向于金属波纹管自由状态的高油位持续上升，同时伴随有载油位异常下降的现象。

缺陷成因可分为两类：（1）有载调压开关油室与本体油箱之间密封失效；（2）连体式储油柜有载与本体油室之间的隔板存在裂纹、砂眼。

呼
吸
管
排
气
管
注
放
油
管
有
载
注
放
油
管
有
载
呼
吸
管
柜体
（与大气连通）
有载油室密封
不良形成连通
金属波纹管
（趋向自由状态）
有载
油枕
拉带式
油位计
图7 本体与有载连通示意图
如图7所示，无论缺陷点位于开关油室还是油室隔板，均可将有载油室与本体油室视为U型连通管的两端。

由于在运变压器的有载油枕大多为敞开式结构，本体油室通过缺陷点、有载呼吸管与大气连通，金属波纹管趋向于自由状态收缩。

在其收缩过程中，本体油室体积扩大形成负压，逐渐将有载油枕内的绝缘油抽入变压器本体内，当有载油位低于缺陷点，则会将空气抽入本体内。

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由于有载油枕容量普遍较小，一旦此类缺陷发生，有载油位将出现明显下降。

此外，若变压器有载调压开关采用油灭弧形式，此类缺陷还将造成有载绝缘油污染本体，引起油色谱异常。

针对此类缺陷需对可能的连通点进行排查、处理，必要时对有载调压开关进行吊芯检查。

若变压器本体绝缘油被污染，还需进行热油循环，直至油化试验合格。

2.6 金属波纹管内漏造成油位异常升高
此类缺陷在其发展初期的表现与储油柜顶部密封不良情况基本一致。

但随着设备运行，将在储油柜油位观察窗处出
现明显的油气分界面。

图8 油位观察窗处出现油气分界面
造成金属波纹管内漏的原因可分为三类：（1）制造工艺不良，如：金属波纹管焊缝存在砂眼、金属波纹管与储油柜
柜体之间密封不良等[6]；
（2）未按要求运输，如，运输前未将金属波纹管置于压缩状态，导致其在运输过程中频繁自由伸缩受损；（3）检修工艺不良，如，正压试漏、调定油位时压力过大等。

呼吸管
排气管
主油管
注放油管
柜体
（与大气连通）
金属波纹管（趋向自由状态）
拉带式油位计图9 金属波纹管内漏示意图（a ）
呼吸管
排气管
主
油管
注放油管
柜体
（与大气连通）
金属波纹管（趋向自由状态）
拉带式油位计图10 金属波纹管内漏示意图（b ）
与前文缺陷类似，由于金属波纹管内漏，其内外出现连通，原本维持平衡的压力差被破坏，金属波纹管趋向自由状态收缩。

如图9所示。

此时，油室体积扩大产生负压，将金属波纹管内部的空气抽入油室中。

而油温上升时，如图10所示，绝缘油体积膨胀，在推动金属波纹管收缩的同时，部分绝缘油将通过渗漏点进入金属波纹管内部。

随着设备运行，上述两种变化过程在不同油温状态下交替进行，最终金属波纹管将
稳定在其自由状态位置附近，而部分绝缘油进入其内部，并在油位观察窗呈现出油气分界面，该分界面始终不高于油室内油位。

而最终油气分界面的稳定位置则与缺陷部位、运行油温等因素有关。

值得一提的是，本体吸湿器内硅胶变色情况有助于鉴别此类缺陷。

由于绝缘油进入金属波纹管内部，其受热产生的油蒸汽也将通过吸湿器排至大气，造成吸湿器内顶层吸湿剂呈现一种均匀且轻微的遇油变色现象。

鉴于此类缺陷在初期难以通过观察辨别，建议在遇到外油卧式储油柜油位异常升高时，优先排除顶部密封不良、与有载连通的可能，并注意油位观察窗是否有油气分界面，必要时开启油位计密封法兰进行检查。

若确认发生内漏，应及时修复或更换储油柜。

3 防范措施
外油卧式储油柜虽具有寿命长、密封性好等诸多优点，但在生产实践中仍存在多种形式的油位异常缺陷。

为有效预防与及时研判外油卧式储油柜油位异常缺陷，运检人员应注意以下几点。

（1）出厂运输阶段。

外油卧式储油柜在运输前应向油室内充入0.04~0.06 MPa 的干燥氮气或空气，使金属波纹管处于压合状态方可进行运输，以此避免金属波纹管频繁伸缩造成损伤。

（2）到货验收阶段。

到场储油柜的油室压力表数值应与厂家规定一致，其油位指示应处于满油位或厂家标定状态，且开启油室管口时应有强烈气体喷出。

（3）安装准备阶段。

安装前应释放油室内部压力，并通过呼吸管向气室内吹气的方式，使金属波纹管从运输的压合状态伸展到油位指示计指示过0油位，以此确保金属波纹管伸缩灵活无卡涩。

（4）首次注油阶段：首次注油后，应保持呼吸管阀门处于关闭状态，静置1~2h ，再重新进行注油，直至排气管连续稳定出油，方可确保油室内气体已排净。

（5）运维检修阶段。

在日常巡视中，注意记录现场油位-油温对应情况，并观察呼吸器硅胶变色情况，以便尽早准确地发现并判断缺陷情况。

4 结语
储油柜作为变压器的一个重要保护器件，其运行状况直接影响设备的供电可靠性。

运检人员应当充分了解不同类型储油柜结构、工作原理中的特殊性，针对性地在设备全寿命周期的各个阶段把好质量关，做好防范措施，减少缺陷出现及复发概率，切实保证变压器的正常运行。

参考文献
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