500 kV主變壓器壓力突變繼電器在線校驗(yàn)方法探討

鄭樹青

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 天臺(tái) 317200）

500 kV主變壓器壓力突變繼電器在線校驗(yàn)方法探討

鄭樹青

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 天臺(tái) 317200）

壓力突變繼電器在大型變壓器上已得到較廣的應(yīng)用，是大型變壓器的重要保護(hù)之一，開展對(duì)壓力突變繼電器應(yīng)用及其校驗(yàn)的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。本文介紹了突變壓力保護(hù)原理及其標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)裝置，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)裝置的改進(jìn)及實(shí)現(xiàn)在線校驗(yàn)作了探討。

壓力突變繼電器；在線校驗(yàn)

1　概述

主變壓器內(nèi)部的絕緣油由于運(yùn)行及故障原因會(huì)產(chǎn)生壓力變化及體積膨脹，對(duì)于內(nèi)部故障（如匝間短路、單相接地等故障）所導(dǎo)致的油箱壓力變化，目前是通過(guò)對(duì)重瓦斯的監(jiān)測(cè)和壓力釋放進(jìn)行本體的保護(hù)，但是這兩種保護(hù)均是對(duì)設(shè)備故障后期的粗放型保護(hù)，而且不能進(jìn)行主設(shè)備內(nèi)部動(dòng)態(tài)非電量參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。而壓力突變繼電器是感受油箱內(nèi)部壓力變化速率（以下簡(jiǎn)稱壓速率），壓速率大表示油箱內(nèi)部產(chǎn)生氣體的速率更快（故障電流更大），是對(duì)故障過(guò)程的保護(hù)；壓力突變保護(hù)在參數(shù)機(jī)理上就比油流和壓力釋放保護(hù)更先進(jìn)，開展對(duì)壓力突變繼電器應(yīng)用及其校驗(yàn)的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

目前，現(xiàn)場(chǎng)用壓力突變繼電器便攜校驗(yàn)設(shè)備國(guó)內(nèi)還少有應(yīng)用。為了保證壓力突變繼電器力測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和統(tǒng)一，現(xiàn)場(chǎng)提出了動(dòng)態(tài)校驗(yàn)的要求。

2　突變壓力保護(hù)原理及應(yīng)用

壓力突變繼電器為避免與其他保護(hù)裝置的保護(hù)參數(shù)重復(fù)而出現(xiàn)干擾、誤動(dòng)的情況，采用了檢測(cè)變壓器油箱內(nèi)故障導(dǎo)致的壓速率變化作為保護(hù)參數(shù)，即對(duì)應(yīng)不同的壓速率，壓力突變繼電器有不同的響應(yīng)時(shí)間，壓速率高，速動(dòng)壓力繼電器動(dòng)作時(shí)間短，反之則長(zhǎng)，通過(guò)這樣的動(dòng)作方式實(shí)現(xiàn)了壓力的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)保護(hù)。一旦變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生短路故障，繼電器可及時(shí)動(dòng)作，在故障早期就進(jìn)行保護(hù)，防止油箱變形、爆裂等嚴(yán)重事故。

作為動(dòng)態(tài)壓力計(jì)量測(cè)試技術(shù)的具體應(yīng)用，壓力突變繼電器應(yīng)運(yùn)而出，它的結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖1。

變壓器正常運(yùn)行時(shí)，壓力突變繼電器下部與變壓器油箱連通，其內(nèi)有一個(gè)檢測(cè)波紋管。繼電器內(nèi)部有一個(gè)密封的硅油管路系統(tǒng)，其中有兩個(gè)控制波紋管，一個(gè)控制波紋管的管路中有一個(gè)控制小孔。當(dāng)變壓器油壓發(fā)生變化時(shí)，使檢測(cè)波紋管變形，這一作用傳遞到控制波紋管，如果油壓是緩慢變化的，則兩個(gè)控制波紋管同樣變化，突發(fā)壓力繼電器不動(dòng)作；當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，油室內(nèi)的壓力突然上升，檢測(cè)波紋管受壓變形，一個(gè)控制波紋管發(fā)生變形，另一個(gè)控制波紋管因控制小孔的作用不發(fā)生變形。傳動(dòng)連桿移動(dòng)，使電氣開關(guān)發(fā)出信號(hào)并切斷電源，導(dǎo)致變壓器退出運(yùn)行。壓力突變繼電器在國(guó)外大型變壓器上已得到較廣的應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)有些電力部門和產(chǎn)品上也已提出了裝設(shè)要求。

目前，壓力突變繼電器可選的國(guó)產(chǎn)型號(hào)主要是沈陽(yáng)中大公司生產(chǎn)的突發(fā)壓力繼電器SYJ-50型（老的型號(hào)是TYJ-25），進(jìn)口產(chǎn)品主要是美國(guó)QUALITROL公司的900和910系列壓力突變繼電器，其中900系列安裝在油面下，910系列安裝在氣室中；還有日本的PG-1BG型、ABB的7112C型壓力突變繼電器。它們的原理相似，都是通過(guò)平衡裝置來(lái)反映不同壓力變化速率下的動(dòng)作時(shí)間。

3　壓力突變繼電器標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)裝置

3.1壓力突變繼電器標(biāo)準(zhǔn)裝置控制原理及技術(shù)指標(biāo)

標(biāo)準(zhǔn)裝置的壓速率控制采用高低壓容腔的節(jié)流控制方式，通過(guò)氣體對(duì)繼電器彈性元件的壓縮來(lái)實(shí)現(xiàn)壓速率的控制，整體裝置校驗(yàn)原理圖見(jiàn)圖2。

目前，校驗(yàn)裝置的技術(shù)指標(biāo)為裝置靜態(tài)壓力控制范圍：（0～100）kPa，最大壓速率輸出為200 kPa/s，裝置精度0.1%，時(shí)間的測(cè)量精度為＜5ms。

3.2壓速率的控制方法

標(biāo)準(zhǔn)裝置的造壓及控制輸出采用改變高、低壓容腔之間的快開電磁閥占空比的方式控制壓速率輸出?？扉_電磁閥的控制周期為10ms，在整個(gè)10ms的時(shí)間中，占空比定義為輸出給電磁閥的高電平時(shí)間占整個(gè)控制周期的百分比。占空比為0時(shí)，電磁閥關(guān)閉；占空比為1，電磁閥打開。占空比為0.5即50% ～100%時(shí)，電磁閥開5ms，關(guān)5ms。占空比由0～100%任意可調(diào)。占空比不同，10ms內(nèi)高壓容腔通過(guò)電磁閥流向低壓容腔的氣體流量不同，根據(jù)這個(gè)原理進(jìn)行低壓容腔內(nèi)氣體壓速率的控制。

通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論，在試驗(yàn)環(huán)境下控制100 kPa/s的壓速率輸出，低壓腔壓力變化范圍20kPa～60kPa（預(yù)壓值162.7kPa，控制周期10ms，Y軸參數(shù)單位為kPa/10ms），實(shí)際控制曲線如圖3所示。

經(jīng)過(guò)以上的測(cè)試，說(shuō)明采用大氣容預(yù)壓和快開閥控制低壓腔壓速率能實(shí)現(xiàn)壓力突變的控制測(cè)試要求。同時(shí)采取小流量控制通過(guò)節(jié)流閥方式，大流量控制采用4個(gè)電磁閥同時(shí)動(dòng)作的方式來(lái)具體實(shí)現(xiàn)裝置的校驗(yàn)工作。實(shí)際控制原理圖見(jiàn)圖4。

說(shuō)明：

儲(chǔ)能器：存儲(chǔ)設(shè)備使用時(shí)所需的壓力；

預(yù)壓泵：產(chǎn)生設(shè)備所需要的壓力；

預(yù)壓電磁閥：控制預(yù)壓泵產(chǎn)生壓力與儲(chǔ)能器的連接；

充電電磁：為系統(tǒng)控制部件提供所需的電力；預(yù)壓端傳感器：測(cè)量預(yù)壓端的壓力；

閥1、閥2、閥3、閥4：當(dāng)測(cè)量速率為＜75 kPa/s時(shí)，只使用閥1；當(dāng)測(cè)量壓速率＞75 kPa/s時(shí)，同時(shí)使用閥1、閥2、閥3和閥4；

閥5：預(yù)壓端排氣用；

測(cè)量端排氣閥：測(cè)量端壓力排空。

3.3標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作流程及功能

裝置在實(shí)驗(yàn)室校驗(yàn)工作需要在5 kPa/s、10 kPa/s、20 kPa/s、50 kPa/s、100 kPa/s、200 kPa/s的控制點(diǎn)下進(jìn)行，因此，在設(shè)計(jì)上采用先預(yù)壓后調(diào)節(jié)的方式。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程：由預(yù)壓泵造壓，在造壓的同時(shí)，打開預(yù)壓端電磁閥向儲(chǔ)能器預(yù)壓到100 kPa以上，再由閥5去調(diào)節(jié)使其達(dá)到所需的工作壓力。當(dāng)工作速率在5kPa/s時(shí)，閥1處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，閥2、閥3、閥4關(guān)閉。這時(shí)，將外接的流速控制閥連接到輸出與被檢之間。當(dāng)工作速率在10 kPa/s、20 kPa/s、50 kPa/s、100 kPa/s、200 kPa/s時(shí)，閥1、閥2、閥3、閥4分別處于調(diào)節(jié)狀態(tài)。這時(shí)，將輸出與被檢直接連接即可。被檢端泄壓是通過(guò)測(cè)量端排氣閥排空的。

具體功能見(jiàn)圖5。

校驗(yàn)：校驗(yàn)功能包括預(yù)壓校驗(yàn)，數(shù)字模塊校驗(yàn)。預(yù)壓校驗(yàn)對(duì)預(yù)壓端壓力傳感器測(cè)量的壓力值進(jìn)行校驗(yàn)。數(shù)字模塊校驗(yàn)對(duì)壓力突變繼電器端的壓力測(cè)量值進(jìn)行校驗(yàn)。以上兩種校驗(yàn)功能不對(duì)裝置操作員開放，需要專業(yè)人員進(jìn)行。

突變檢測(cè)：突變檢測(cè)分為預(yù)壓控制、突變控制、讀取動(dòng)作時(shí)間3個(gè)流程。

預(yù)壓控制分為以下2個(gè)子流程：1）預(yù)壓端的壓力測(cè)量。通過(guò)預(yù)壓壓力傳感器把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閙V信號(hào)，以差分信號(hào)的形式送給AD7714芯片進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為24位的數(shù)字信號(hào)。傳感器信號(hào)通過(guò)配置控制字在AD芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)放大，放大倍數(shù)為32，然后通過(guò)計(jì)算把AD值換算為壓力值。AD信號(hào)的測(cè)量采用中斷的方式，當(dāng)AD轉(zhuǎn)換完成后，每隔20ms向單片機(jī)申請(qǐng)一次中斷，單片機(jī)響應(yīng)中斷讀取壓力值的AD碼。預(yù)壓端壓力值的測(cè)量范圍為（0～200）kPa。預(yù)壓測(cè)量中，單片機(jī)直接對(duì)AD芯片進(jìn)行操作。AD芯片和單片機(jī)采用同一時(shí)鐘源。2）壓力控制過(guò)程。在升壓過(guò)程中，通過(guò)控制氣泵使壓力值增加。為了避免氣泵流量大造成的壓力值波動(dòng)，在升壓階段先使預(yù)壓值高于設(shè)定值10 kPa，通過(guò)調(diào)節(jié)通大氣的電磁閥的占空比，在降壓過(guò)程中實(shí)現(xiàn)壓力值的微調(diào)，直至預(yù)壓的設(shè)定值（目前裝置設(shè)定為100 kPa）。然后裝置再通過(guò)控制電磁閥的占空比實(shí)現(xiàn)低壓腔（被校驗(yàn)對(duì)象）壓力的快速降壓和慢速降壓，電磁閥的占空比根據(jù)壓力設(shè)定值的要求，按規(guī)律調(diào)節(jié)，維持壓力值的穩(wěn)定。在降壓控制過(guò)程中，當(dāng)壓力設(shè)定值和壓力測(cè)量值相差較大時(shí)，電磁閥的占空比較大，隨著壓力測(cè)量值越來(lái)越接近設(shè)定值，電磁閥的占空比則越來(lái)越小。當(dāng)壓力設(shè)定值和壓力測(cè)量值相等時(shí)，電磁閥關(guān)閉。

突變控制：首先按被檢端設(shè)定的預(yù)壓值進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓速度低于3 kPa/s,預(yù)壓值達(dá)到給定值后，保持被檢端預(yù)壓值1.5min的穩(wěn)定（為了使被校驗(yàn)對(duì)象的內(nèi)部平衡元件充分恢復(fù)平衡），時(shí)間到后，由單片機(jī)向FPGA發(fā)開始時(shí)間測(cè)量信號(hào)，F(xiàn)PGA接收到時(shí)間測(cè)量啟動(dòng)信號(hào)后，開始計(jì)時(shí)；同時(shí)控制突變電磁閥按給定壓速率輸出，直至被檢繼電器動(dòng)作。被檢繼電器動(dòng)作后，由FPGA檢測(cè)被檢繼電器動(dòng)作信號(hào)，同時(shí)FPGA向單片機(jī)申請(qǐng)中斷；單片機(jī)接收到中斷信號(hào)后，停止對(duì)突變電磁閥的控制，再通過(guò)SPI接口讀取FPGA測(cè)量的時(shí)間值。當(dāng)被檢繼電器動(dòng)作后即完成一次檢測(cè)過(guò)程，此時(shí)裝置自動(dòng)打開被檢端電磁閥，壓力突變繼電器的氣路直接與大氣相通進(jìn)行泄壓。

讀取動(dòng)作時(shí)間：在預(yù)壓時(shí)間到時(shí)（穩(wěn)定預(yù)壓1.5 min），單片機(jī)控制電磁閥進(jìn)行壓速率輸出，同時(shí)由單片機(jī)發(fā)啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)給FPGA。當(dāng)FPAG接收到該信號(hào)后觸發(fā)計(jì)時(shí)，突變繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間由FPGA檢測(cè)，當(dāng)FPGA接收到觸點(diǎn)動(dòng)作信號(hào)后，停止計(jì)時(shí)；然后向單片機(jī)申請(qǐng)中斷，單片機(jī)響應(yīng)中斷，讀取時(shí)間值。

氣密性檢測(cè)：主要是檢查壓力突變繼電器及其校驗(yàn)氣路的密封情況是否完好。主要流程是在所有系統(tǒng)內(nèi)氣路貫通的情況下，壓力在設(shè)定值情況下，經(jīng)過(guò)設(shè)定時(shí)間后，記錄起始?jí)毫χ岛徒Y(jié)束壓力值，通過(guò)壓力泄漏速率衡量被檢端及整個(gè)氣路的氣密性情況。

溯源檢測(cè)包括兩個(gè)功能：1）時(shí)間溯源。此功能可以輸出任意設(shè)定時(shí)間（10ms～120 s）的電平（3.3 V），對(duì)這個(gè)電平用毫秒計(jì)進(jìn)行測(cè)量就可以對(duì)裝置的內(nèi)部時(shí)間模塊進(jìn)行溯源校驗(yàn)。2）壓速率溯源：此功能通過(guò)對(duì)壓速率高速壓力傳感器的實(shí)時(shí)測(cè)量和單位時(shí)間內(nèi)低壓腔的平均壓力變化率來(lái)比對(duì)壓速率值。相當(dāng)于通過(guò)靜態(tài)壓力的測(cè)量來(lái)驗(yàn)證壓速率的實(shí)測(cè)值。

通訊功能：通訊功能包括下位機(jī)和上位機(jī)的通訊，下位機(jī)和FPGA的通訊。

4　壓力突變繼電器標(biāo)準(zhǔn)裝置的改進(jìn)

首先需要掌握壓力突變繼電器的性能指標(biāo)，即在實(shí)驗(yàn)室無(wú)油與現(xiàn)場(chǎng)滿油情況下繼電器彈性元件的動(dòng)作特性是否改變，對(duì)于結(jié)果的影響大小均需要通過(guò)大量的試驗(yàn)來(lái)確定。

4.1實(shí)驗(yàn)室的壓力控制測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段，通過(guò)控制壓力突變繼電器初始?jí)毫?lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)繼電器的不同安裝位置。在此條件下進(jìn)行了多次試驗(yàn)，結(jié)果如表1。

由表1可見(jiàn)，在不同預(yù)壓情況下繼電器的動(dòng)作時(shí)間是不同的。因此需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)綜合工況進(jìn)行考慮，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的在線校驗(yàn)。

4.2不同方式下的壓速率控制及解決方案

在試驗(yàn)室校驗(yàn)時(shí)，由于繼電器內(nèi)部的空間體積是固定的預(yù)知的，因此壓速率控制模式簡(jiǎn)單，只要根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)預(yù)設(shè)即可。但是在現(xiàn)場(chǎng)，由于繼電器內(nèi)部滿油、安裝位置高低不同，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)裝置的氣路長(zhǎng)短及氣路容積均無(wú)法確定。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，在被校壓力突變繼電器的氣路容腔明顯改變后，壓速率控制存在一定的偏差，這樣就會(huì)導(dǎo)致在現(xiàn)場(chǎng)情況改變后的輸出壓速率不穩(wěn)定，為此研發(fā)組討論并設(shè)計(jì)增加了速率校驗(yàn)功能。主要解決預(yù)壓端預(yù)壓值誤差，電磁閥特性變化，被檢壓力突變繼電器端容積和氣路變化對(duì)升壓速率的影響問(wèn)題。在使用中，由于校驗(yàn)參數(shù)存儲(chǔ)在單片機(jī)的RAM中，所以在單片機(jī)不掉電的情況下，數(shù)據(jù)始終保持。如果重新上電，再次運(yùn)行速率校驗(yàn)功能即可。

速率校驗(yàn)功能對(duì)壓力突變繼電器端的速率值進(jìn)行校驗(yàn)，在進(jìn)行壓力突變檢測(cè)前進(jìn)行速率校驗(yàn)，能防止被檢的壓力突變繼電器容積不同對(duì)壓力速率的影響，是在每次開機(jī)后的首項(xiàng)操作。

項(xiàng)目組在不同氣路的情況下，針對(duì)做速率校準(zhǔn)之后進(jìn)行校驗(yàn)與不做速率校準(zhǔn)兩種情況進(jìn)行校驗(yàn)，數(shù)據(jù)結(jié)果如下表2、3。試驗(yàn)時(shí)，氣路分為兩種情況：即繼電器充液體（變壓器油）及繼電器無(wú)液體（空氣），這兩種情況校驗(yàn)回路的氣容相差80%，可以代表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)時(shí)的極端情況。

由表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到，經(jīng)過(guò)壓速率校準(zhǔn)后的校驗(yàn)，壓速率控制與實(shí)際氣路影響不大。因此經(jīng)過(guò)壓速率校準(zhǔn)的裝置可以消除由于外部氣路改變的影響，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)的要求。

5　尚待解決的問(wèn)題

由于傳感器的不確定度及壓速率控制方式導(dǎo)致被檢端壓力在測(cè)量時(shí)始終有0.04 kPa左右的波動(dòng)，這將對(duì)控制速度在0.05 kPa/10 ms時(shí)造成較大影響。所以在5 kPa/s的壓速度控制輸出時(shí)，速度計(jì)算和控制誤差比其他測(cè)試點(diǎn)大。目前，在計(jì)算5 kPa/s的占空比時(shí)，采用10 kPa/s和12 kPa/s的占空比進(jìn)行線性計(jì)算，此時(shí)實(shí)際壓速率偏大（可以達(dá)到8 kPa/s）。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，可以采用節(jié)流閥進(jìn)行限速的方式實(shí)現(xiàn)低速控制，待今后研究出更好的方式再進(jìn)一步改進(jìn)。目前在實(shí)際校驗(yàn)中，只要5個(gè)點(diǎn)就可以標(biāo)定出被檢壓力突變繼電器的動(dòng)作曲線，因此在目前的實(shí)際校驗(yàn)中省略5 kPa/s的校驗(yàn)點(diǎn)，而從10 kPa/s開始。

6　對(duì)于壓力突變保護(hù)及相關(guān)工作的建議

根據(jù)目前的了解，一般壓力突變繼電器的校驗(yàn)只在變壓器出廠及返廠大修時(shí)進(jìn)行，因此，壓力突變繼電器的校驗(yàn)工作應(yīng)盡快開展；對(duì)壓力突變繼電器進(jìn)行準(zhǔn)確校驗(yàn)，可保證壓力突變繼電器的動(dòng)作性能，

有利于現(xiàn)場(chǎng)的可靠使用。

為進(jìn)一步確認(rèn)壓力突變繼電器的動(dòng)作準(zhǔn)確性，應(yīng)結(jié)合變壓器進(jìn)行壓力突變繼電器的使用試驗(yàn)，將各種非電量保護(hù)繼電器安裝于變壓器本體，進(jìn)行變壓器人為故障試驗(yàn)，獲取故障時(shí)各氣體繼電器的動(dòng)作特性和靈敏性。研究之間的配合性能，選取合理的配合方式。

變壓器投運(yùn)前和停電進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)需對(duì)壓力突變繼電器保護(hù)回路進(jìn)行傳動(dòng)試驗(yàn)，傳動(dòng)信號(hào)直接來(lái)自壓力突變繼電器的內(nèi)部接點(diǎn)；強(qiáng)油循環(huán)的變壓器，壓力突變繼電器不應(yīng)裝在靠近出油管的區(qū)域，以免在啟動(dòng)和停止油泵時(shí)，繼電器出現(xiàn)誤動(dòng)作。

[1]DLT 540-1994QJ-25(50,80)型氣體繼電器檢定規(guī)程[S].

[2]GB/T 6451-2008三相油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)要求[S].

[3]W 10021-2005110(66)kV-500kV油浸式變壓器(電抗器)運(yùn)行規(guī)范.

[4]李璐，陳正鳴，鄺石，等.220 kV變壓器氣體繼電器誤動(dòng)作分析及防范[J].供用電，2008（3）.

[5]楊震勇.《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》判斷變壓器故障的探討[J].變壓器，2008（10）.

[6]賀以燕，楊治業(yè).變壓器試驗(yàn)技術(shù)大全[M].沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社.

[7]周平，李曉慶，紀(jì)志成.變壓器內(nèi)部故障的仿真模型及特性分析[J].江南大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（2）.

鄭樹青（1978-），男，高級(jí)工程師，從事抽水蓄能電廠電氣一次設(shè)備管理工作。

TM407

A

1672-5387（2015）11-0007-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.11.003

2015-07-31