排油注氮滅火裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

徐曉輝

(國(guó)網(wǎng)上海電力公司檢修公司，上海 201900)

0 引 言

電力變壓器是發(fā)電廠和變電站中最重要和最昂貴的一次設(shè)備，當(dāng)前電力行業(yè)中絕大部分采用油浸式變壓器，變壓器箱體內(nèi)充裝著大量的變壓器油。變壓器長(zhǎng)期運(yùn)行，在過(guò)負(fù)荷、過(guò)電壓、接地、短路、絕緣老化、變壓器油受潮、油酸解等多種因素的影響下，變壓器內(nèi)部的絕緣可能會(huì)被破壞[1]。絕緣擊穿引起弧光放電，變壓器箱體內(nèi)局部油溫超過(guò)燃點(diǎn)，將迅速分解汽化，產(chǎn)生各種高溫可燃?xì)怏w。一旦氣體聚集造成內(nèi)部超壓，將導(dǎo)致油箱破裂甚至爆炸，可燃性油氣遇明火將迅速燃燒，嚴(yán)重危害電網(wǎng)安全和運(yùn)行人員的人身安全。

保障變電器的安全運(yùn)行是電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要組成部分[2-3]。目前，對(duì)變壓器的保護(hù)主要采用電氣量保護(hù)和瓦斯保護(hù)。而對(duì)變壓器內(nèi)部故障、絕緣破壞、溫度升高等導(dǎo)致的變壓器起火、爆炸等惡性事故，采用排油注氮滅火裝置是最常用且有效的方式[4-7]。排油注氮裝置的可靠性，是保障變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要組成部分。裝置既不能在變壓器正常運(yùn)行時(shí)發(fā)生誤動(dòng)，也不能在發(fā)生火災(zāi)或壓力驟升導(dǎo)致爆炸時(shí)拒動(dòng)。合理設(shè)計(jì)排油注氮裝置的控制系統(tǒng)，是保障裝置可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

現(xiàn)有大量文獻(xiàn)對(duì)排油注氮裝置本身的工作原理[7-8]、施工建設(shè)[9-10]、運(yùn)行維護(hù)[11]進(jìn)行了研究，對(duì)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究較少。本文將重點(diǎn)介紹排油注氮裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，并對(duì)裝置自動(dòng)啟動(dòng)邏輯的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 排油注氮裝置工作原理

排油注氮滅火裝置主要由控制系統(tǒng)、斷流閥、排油管路、注氮管路等組成。斷流閥安裝于油枕與瓦斯繼電器之間的管路上，當(dāng)油流突然變大時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。排油管路連接于油箱上部，通過(guò)導(dǎo)油管與事故油坑相連，系統(tǒng)的排油泄壓由串接在排油管路中的排油閥控制。注氮管路連接高壓氮?dú)馄亢陀拖涞撞?，管路在油箱?nèi)部設(shè)置多個(gè)注氮孔，通過(guò)氮?dú)忉尫砰y控制從變壓器底部注入氮?dú)狻?/p>

當(dāng)變壓器有火災(zāi)或爆炸危險(xiǎn)時(shí)，控制系統(tǒng)通過(guò)采集信息判斷排油注氮裝置需要啟動(dòng)。裝置啟動(dòng)后首先開(kāi)啟排油閥，油箱中變壓器油通過(guò)排油管路排往事故油池，油箱中油位下降，斷流閥自動(dòng)關(guān)閉，油枕不再向變壓器供油。再經(jīng)過(guò)一段時(shí)延后，控制系統(tǒng)再開(kāi)啟氮?dú)忉尫砰y，將氮?dú)馄恐械獨(dú)獬淙胗拖渲?，與變壓器油充分混合，降低油溫，避免發(fā)生火災(zāi)，降低事故影響。其工作流程如圖1所示。

圖1 排油注氮裝置工作流程

排油注氮裝置的主要功能為防止變壓器發(fā)生火災(zāi)和爆炸惡性事故，超壓?jiǎn)?dòng)和高溫火災(zāi)啟動(dòng)為兩種主要的裝置啟動(dòng)方式。超壓以壓力探測(cè)器測(cè)量壓力值作為判據(jù)，高溫火災(zāi)以溫感火災(zāi)探測(cè)器探測(cè)結(jié)果為主要判據(jù)。同時(shí)，火災(zāi)和爆炸惡性事故主要由變壓器內(nèi)部故障引發(fā)，在此情況下，主變重瓦斯保護(hù)將會(huì)動(dòng)作，主變各側(cè)斷路器將跳開(kāi)。因此，主變重瓦斯保護(hù)動(dòng)作、三側(cè)斷路器跳開(kāi)也是裝置啟動(dòng)的必要條件。裝置的自動(dòng)啟動(dòng)采用“三要素”進(jìn)行判斷，即“超壓+主變重瓦斯保護(hù)動(dòng)作+三側(cè)斷路器跳開(kāi)”或“高溫+主變重瓦斯保護(hù)動(dòng)作+三側(cè)斷路器跳開(kāi)”。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 雙重化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

正常工作時(shí)，控制系統(tǒng)需要采集主變的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息以判斷排油注氮裝置是否需要啟動(dòng)。為了保證裝置的可靠動(dòng)作，可以采用控制雙重化的設(shè)計(jì)方式。即通過(guò)兩路控制系統(tǒng)分別對(duì)采集的數(shù)字量與模擬量信息進(jìn)行分析，進(jìn)行啟動(dòng)邏輯判斷，任何一路控制系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，則裝置可靠啟動(dòng)，對(duì)變壓器進(jìn)行保護(hù)。

以上雙重化控制系統(tǒng)可以保證在發(fā)生事故時(shí)，裝置可靠動(dòng)作，然而控制電源是裝置正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。類(lèi)比保護(hù)的雙重化設(shè)計(jì)，排油注氮裝置控制電源也可以采用雙重化設(shè)計(jì)。排油注氮裝置控制電源一般由直流電源提供，可以考慮由變電站內(nèi)兩路直流電源屏分別向兩路控制系統(tǒng)供電，兩路直流電源來(lái)自不同的直流母線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)完全意義的控制雙重化。

除“自動(dòng)啟動(dòng)”控制之外，排油注氮裝置還設(shè)置“手動(dòng)啟動(dòng)”功能?！笆謩?dòng)啟動(dòng)”具有最高優(yōu)先級(jí)，可以保證在自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)拒動(dòng)的情況下，無(wú)條件由人工啟動(dòng)裝置，當(dāng)裝置處于“自動(dòng)啟動(dòng)”狀態(tài)時(shí)，手動(dòng)啟動(dòng)仍然有效，對(duì)于無(wú)人值守站，手動(dòng)啟動(dòng)還應(yīng)具有遙控操作功能。此外，裝置還可以通過(guò)機(jī)械應(yīng)急進(jìn)行啟動(dòng)，通過(guò)直接打開(kāi)排油閥門(mén)和注氮閥門(mén)進(jìn)行滅火。

以上雙重化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙重化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

其中DC1、DC2分別代表兩路控制直流；K1、K2為“自動(dòng)啟動(dòng)”選擇開(kāi)關(guān)，合上代表自動(dòng)啟動(dòng)；SW1、SW2為手動(dòng)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，緊急時(shí)可跳過(guò)自動(dòng)啟動(dòng)邏輯，直接啟動(dòng)裝置。選擇機(jī)械啟動(dòng)則完全避開(kāi)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)條件，直接啟動(dòng)裝置。

2.2 自動(dòng)啟動(dòng)邏輯設(shè)計(jì)

正常運(yùn)行時(shí)，裝置一般處于自動(dòng)啟動(dòng)狀態(tài)，自動(dòng)啟動(dòng)邏輯是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是裝置可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。采用“三要素”作為排油注氮裝置啟動(dòng)的判據(jù)，將大大提高裝置動(dòng)作的可靠性，避免單一的壓力測(cè)量與感溫探測(cè)造成裝置的誤動(dòng)。然而，在主變發(fā)生內(nèi)部故障，重瓦斯保護(hù)動(dòng)作時(shí)，正常情況下，“重瓦斯動(dòng)作”與“主變?nèi)齻?cè)斷路器跳開(kāi)”將同時(shí)可靠滿(mǎn)足。此時(shí)，壓力測(cè)量和感溫探測(cè)將成為判定裝置是否啟動(dòng)的唯一判據(jù)。因此，保證壓力探測(cè)和感溫探測(cè)的正確動(dòng)作也是排油注氮裝置可靠動(dòng)作的重要考慮因素。

2.2.1高溫判據(jù)設(shè)計(jì)

高溫主要由裝設(shè)在變壓器頂部的溫感火災(zāi)探測(cè)器探測(cè)。探測(cè)器不直接反映油箱內(nèi)部溫度，而是通過(guò)探測(cè)油箱頂部溫度進(jìn)行高溫判斷，探測(cè)器一般由高強(qiáng)度易熔合金探頭制作，動(dòng)作溫度在135 ℃±7 ℃。只有當(dāng)變壓器油箱內(nèi)部溫度達(dá)到一定高溫甚至燃燒時(shí)，溫感火災(zāi)探測(cè)器才會(huì)動(dòng)作。

圖3 超溫動(dòng)作邏輯

為了保證探測(cè)的全面性和可靠性，可以在變壓器頂部多點(diǎn)裝設(shè)探測(cè)器，任何一處探測(cè)器動(dòng)作都將啟動(dòng)排油注氮裝置。同時(shí)，為了避免探測(cè)器的動(dòng)作偏差，可以在每一點(diǎn)處裝設(shè)兩組探測(cè)器，只有當(dāng)兩組探測(cè)器同時(shí)動(dòng)作時(shí)，才判定該處探測(cè)器動(dòng)作。以上判斷邏輯如圖3所示。

2.2.2超壓判據(jù)改進(jìn)

圖4 油箱壓力變化曲線(xiàn)示意圖

變壓器油箱內(nèi)部超壓的判斷，目前主要采用壓力值超過(guò)閥值的單一判據(jù)，如圖4(a)所示，當(dāng)變壓器油箱壓力P(t)超過(guò)閥值P1時(shí)，即認(rèn)為滿(mǎn)足排油注氮裝置動(dòng)作的壓力條件。然而在實(shí)際運(yùn)行中，由于變壓器瓦斯保護(hù)動(dòng)作、冷卻器開(kāi)啟、壓力釋放閥打開(kāi)等因素的影響，在發(fā)生內(nèi)部故障后，P(t)并不一定是持續(xù)變大的，在圖4(b)所示情況下，P(t)在達(dá)到閥值P1后即開(kāi)始下降，不會(huì)發(fā)生變壓器超壓爆裂等惡性事故，然而排油注氮裝置將在t1時(shí)刻可靠動(dòng)作，使得事故處理變得更為復(fù)雜。

由于壓力超過(guò)閥值的單一判據(jù)，不能反映壓力變化的變化趨勢(shì)，因此在實(shí)際應(yīng)用中難以適應(yīng)不同的壓力變化情況，可以引入壓力變化加速度ap，共同作為排油注氮裝置啟動(dòng)的超壓判據(jù)。其中ap=dVp/dt，Vp=dP/dt。

圖5 超壓動(dòng)作邏輯

可以設(shè)置排油注氮超壓?jiǎn)?dòng)值P1′(P1′

圖6 不同油箱壓力及加速度變化情況示意圖

實(shí)際運(yùn)行中，針對(duì)圖6所示P1(t)、P2(t)、P3(t)、P4(t)四種壓力變化情況，P1(t)和P2(t)同時(shí)滿(mǎn)足P(t)≥P1且a(t)≥0，超壓判據(jù)出口，結(jié)合主變重瓦斯保護(hù)動(dòng)作、三側(cè)斷路器跳閘兩大要素，排油注氮裝置將可靠啟動(dòng)。P3(t)滿(mǎn)足P(t)≥P1，但a(t)<0，然而在P(t)到達(dá)P1后，經(jīng)延時(shí)tp2，仍然滿(mǎn)足P(t)≥P1，超壓判據(jù)出口。P4(t)變化趨勢(shì)與P3(t)相似，滿(mǎn)足P(t)≥P1，同時(shí)a(t)<0，但是在P(t)到達(dá)P1后，經(jīng)延時(shí)tp2，P(t)成功衰減到P1以下，則超壓判據(jù)返回，此時(shí)排油注氮裝置不會(huì)動(dòng)作，主變也不存在爆炸的危險(xiǎn)。

2.3 其他輔助設(shè)計(jì)

為了保證裝置的可靠運(yùn)行，整個(gè)控制系統(tǒng)還包含其他輔助設(shè)計(jì)。為了減少環(huán)境因素對(duì)控制回路的影響，控制箱內(nèi)裝設(shè)除濕加熱器。除濕加熱器由電源開(kāi)關(guān)、溫濕度控制器和加熱管組成。當(dāng)

探測(cè)到環(huán)境溫度低于5 ℃、濕度高于75%時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟加熱器，溫度高于10 ℃、濕度低于65%時(shí)關(guān)閉加熱器。

同時(shí)，氮?dú)馄繅毫χ狄步尤氡O(jiān)控回路中，及時(shí)對(duì)氮?dú)庑孤┻M(jìn)行報(bào)警，以免裝置啟動(dòng)后影響注氮效果。

此外，為了提高裝置的性能，裝置啟動(dòng)的致動(dòng)器采用電磁鐵驅(qū)動(dòng)，以提高抗干擾能力和防誤動(dòng)能力。注氮管道中增設(shè)球閥采用機(jī)械連鎖方式與排油球閥聯(lián)動(dòng)，只有當(dāng)排油閥正確動(dòng)作后才能打開(kāi)氮?dú)忾y。以上輔助設(shè)計(jì)也是提高裝置可靠動(dòng)作的關(guān)鍵。

3 結(jié)束語(yǔ)

排油注氮裝置的準(zhǔn)確性與可靠性是保證油浸式變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要組成部分。本文構(gòu)建了雙重化控制系統(tǒng)，用于確?？刂葡到y(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)能夠可靠動(dòng)作；并設(shè)計(jì)了高溫動(dòng)作邏輯和超壓動(dòng)作邏輯來(lái)確保系統(tǒng)動(dòng)作的準(zhǔn)確性；為排油注氮系統(tǒng)的準(zhǔn)確可靠運(yùn)行提供了設(shè)計(jì)思路。

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