基于新型瓦斯繼電器擋板旋轉(zhuǎn)角速度的重瓦斯報(bào)警新方法

萬書亭，張澤翰，李少鵬，豆龍江，韋教玲，呂鵬瑞

基于新型瓦斯繼電器擋板旋轉(zhuǎn)角速度的重瓦斯報(bào)警新方法

萬書亭1,2，張澤翰1，李少鵬1，豆龍江1，韋教玲1，呂鵬瑞3

(1.河北省電力機(jī)械裝備健康維護(hù)與失效預(yù)防重點(diǎn)試驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，河北 保定 071003；2.中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)工學(xué)院，新疆 克拉瑪依 834000；3.上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 200063)

目前實(shí)際工況中使用的瓦斯繼電器重瓦斯動作流速整定值可靠性較低，僅能提供一定的參數(shù)范圍作為參考。為提高重瓦斯報(bào)警的靈敏度，提出了一種基于瓦斯繼電器擋板旋轉(zhuǎn)角速度的重瓦斯報(bào)警方法。首先對瓦斯繼電器擋板旋轉(zhuǎn)角速度特性進(jìn)行解析推導(dǎo)，并研制了一款實(shí)時(shí)輸出擋板旋轉(zhuǎn)角速度的智能瓦斯繼電器和可以模擬不同重瓦斯故障能量大小的瓦斯繼電器動特性實(shí)驗(yàn)平臺。進(jìn)而試驗(yàn)分析不同激勵下的角速度特性關(guān)系，并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了一系列的仿真分析。由試驗(yàn)和仿真結(jié)果得到擋板旋轉(zhuǎn)角速度整定值，通過判斷擋板旋轉(zhuǎn)角速度是否達(dá)到其整定值，及時(shí)進(jìn)行重瓦斯報(bào)警，提高了重瓦斯報(bào)警的靈敏度，并為重瓦斯故障報(bào)警提供了新的整定方法。

瓦斯繼電器；擋板旋轉(zhuǎn)角速度；重瓦斯報(bào)警；整定值；重瓦斯故障

0 引言

瓦斯繼電器通過監(jiān)測變壓器內(nèi)部瓦斯含量對變壓器進(jìn)行保護(hù)[1]，安裝在變壓器油箱與儲油柜之間的連通管道上[2]。近年來，在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中，重瓦斯誤動造成主變非計(jì)劃停電事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[3-6]。而目前對于瓦斯繼電器重瓦斯動作流速整定值的選取是通過現(xiàn)場安裝經(jīng)驗(yàn)和前蘇聯(lián)提供的試驗(yàn)結(jié)果確定的，且目前部分整定實(shí)驗(yàn)臺仍采取循環(huán)管道的設(shè)計(jì)方案，無法完全模擬實(shí)際運(yùn)行狀況下油流涌動對瓦斯繼電器動特性的影響[7]。

近年來不少學(xué)者對于變壓器故障及重瓦斯動作展開了研究[8-21]。文獻(xiàn)[14]針對有載分接開關(guān)所存在的重瓦斯動作隱患進(jìn)行了研究與分析；文獻(xiàn)[15]提出了一種在重瓦斯保護(hù)動作后先定性后確診的故障診斷分析方法；文獻(xiàn)[16]對重瓦斯動作過程中其內(nèi)部流場情況及反向油流沖擊導(dǎo)致重瓦斯誤動作的可能性進(jìn)行了仿真分析；文獻(xiàn)[17]提出了通過減少變壓器本體振動的策略來提高瓦斯繼電器的可靠性。文獻(xiàn)[18]提出增加保護(hù)延時(shí)的方法避開擋板誤動報(bào)警。文獻(xiàn)[19]提出在區(qū)外故障時(shí)應(yīng)考慮瓦斯保護(hù)誤動的可能性，并通過仿真計(jì)算優(yōu)化了瓦斯保護(hù)整定值參數(shù)。文獻(xiàn)[20-21]通過CFD仿真技術(shù)，探究了瓦斯繼電器內(nèi)部流場以及擋板流速整定值的設(shè)定問題。

瓦斯繼電器作為純機(jī)械式設(shè)備，智能性較低，只有擋板旋轉(zhuǎn)到一定角度后觸發(fā)干簧片才會發(fā)生重瓦斯報(bào)警，且單一的重瓦斯動作流速整定值設(shè)置可靠性有待商榷。故為提高重瓦斯報(bào)警的靈敏度，文獻(xiàn)[22]研制了能實(shí)時(shí)輸出擋板轉(zhuǎn)角的新型瓦斯繼電器，并提出了基于瓦斯繼電器擋板轉(zhuǎn)角特性的油浸式變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測方法。本文在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了一種基于瓦斯繼電器擋板旋轉(zhuǎn)角速度的重瓦斯報(bào)警方法，一旦監(jiān)測到擋板旋轉(zhuǎn)角速度達(dá)到其整定值，即刻進(jìn)行重瓦斯報(bào)警，為重瓦斯故障報(bào)警提供了新的整定方法，解決了純機(jī)械式瓦斯繼電器保護(hù)可靠性較低的問題。

1 瓦斯繼電器擋板旋轉(zhuǎn)角速度理論分析

變壓器正常運(yùn)行時(shí)，瓦斯繼電器擋板處于靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)變壓器內(nèi)部絕緣油裂解產(chǎn)生的瓦斯氣體量較小時(shí)，擋板幅度小，旋轉(zhuǎn)角速度的值較小；當(dāng)變壓器內(nèi)部產(chǎn)生大量瓦斯氣體進(jìn)行油流涌動沖擊時(shí)，擋板快速轉(zhuǎn)動接觸下干簧片觸發(fā)重瓦斯報(bào)警，此時(shí)擋板角速度值較大。故通過擋板旋轉(zhuǎn)角速度的大小便可推斷出變壓器內(nèi)部故障能量高低。

為探究瓦斯繼電器擋板在油流沖擊下的旋轉(zhuǎn)角速度，本文以QJ1-80型瓦斯繼電器為研究對象，如圖1所示。

瓦斯繼電器擋板受力如圖2所示。對其進(jìn)行力學(xué)結(jié)構(gòu)簡化分析，將擋板繞轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動視為剛體定軸轉(zhuǎn)動，其中動作時(shí)所受力矩包括重力矩、彈簧張緊力矩和沖擊力矩。

圖1 QJ1-80型瓦斯繼電器

圖2 擋板結(jié)構(gòu)分析簡圖

由式(2)可知，擋板的旋轉(zhuǎn)角速度隨著油流沖擊力矩的增大而增大，隨著彈簧張緊力矩和重力矩的增大而減小。當(dāng)變壓器發(fā)生重瓦斯故障時(shí)，油流沖擊力矩越大，擋板旋轉(zhuǎn)角速度越大。換言之，變壓器重瓦斯故障越嚴(yán)重，油流沖擊力矩越大，擋板旋轉(zhuǎn)角速度越大。故通過判斷擋板旋轉(zhuǎn)角速度值進(jìn)行重瓦斯報(bào)警的方案可行。

2 智能瓦斯繼電器及擋板特性試驗(yàn)臺研制

2.1 新型瓦斯繼電器

為實(shí)現(xiàn)對擋板旋轉(zhuǎn)角速度的監(jiān)測，研制了一款智能瓦斯繼電器設(shè)備，包括可實(shí)時(shí)輸出擋板轉(zhuǎn)角的新型瓦斯繼電器及智能控制儀。其中新型瓦斯繼電器使用TBC06DS5閉環(huán)霍爾電流傳感器替換瓦斯繼電器擋板后的一組干簧管，并通過監(jiān)測霍爾集成電路的輸出電壓得到擋板轉(zhuǎn)角，在不影響原有重瓦斯信號測量方式的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對擋板旋轉(zhuǎn)角速度的監(jiān)測。其測量方式如圖3所示。

圖3 擋板位移測量原理

基于上述原理的新型瓦斯繼電器如圖4所示。該繼電器可同時(shí)輸出擋板動作信號和重瓦斯動作信號。且經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，其性能穩(wěn)定可靠，可在實(shí)際工況中應(yīng)用。

圖4 新型瓦斯繼電器

2.2 智能控制儀

新型瓦斯繼電器通過PCIE采集卡將霍爾傳感器采集到的數(shù)據(jù)，再通過降噪、濾波，實(shí)時(shí)傳入智能控制儀中，并對其進(jìn)行分析。智能控制儀如圖5所示。

圖5 智能控制儀

智能控制儀可實(shí)時(shí)顯示繼電器運(yùn)行狀態(tài)和擋板轉(zhuǎn)角，并評估出變壓器絕緣油油流速度，還可對比歷史數(shù)據(jù)波形圖像，進(jìn)行深入的故障分析。

2.3 擋板特性分析試驗(yàn)臺

瓦斯繼電器擋板特性分析試驗(yàn)臺模型如圖6所示。試驗(yàn)臺主要由模擬油流涌動發(fā)生裝置、結(jié)構(gòu)本體和監(jiān)測系統(tǒng)3部分組成，實(shí)物如圖7所示。試驗(yàn)臺本體主要包括：空氣壓縮機(jī)、空氣助流器、脈動流發(fā)生裝置、新型瓦斯繼電器、蝶閥和膠囊式儲油柜[24]。

圖6 試驗(yàn)臺模型

圖7 瓦斯繼電器擋板特性分析試驗(yàn)臺

其原理為使用空氣助流器模擬重瓦斯故障產(chǎn)生的不同能量的氣流，氣流沖擊內(nèi)部油流，油流涌動沖擊瓦斯繼電器擋板，并結(jié)合壓力傳感器、流速傳感器及新型瓦斯繼電器測量出管道壓強(qiáng)、流速、重瓦斯信號以及擋板轉(zhuǎn)角。

3 不同激勵壓強(qiáng)下瓦斯繼電器擋板旋轉(zhuǎn)角速度試驗(yàn)研究

設(shè)置空氣助流器的激勵壓強(qiáng)分別為0.10 MPa、0.12 MPa、0.14 MPa、0.16 MPa、0.18 MPa進(jìn)行試驗(yàn)，得到涌動油流的流速、重瓦斯信號與擋板轉(zhuǎn)角如圖8所示。

由圖8可知，在0.10 MPa的激勵壓強(qiáng)下，擋板未發(fā)生轉(zhuǎn)動；在0.12 MPa激勵壓強(qiáng)下，涌動油流速度增加，沖擊擋板發(fā)生轉(zhuǎn)動并觸發(fā)下干簧片觸點(diǎn)，啟動重瓦斯跳閘；且隨著激勵壓強(qiáng)的增加，重瓦斯動作愈發(fā)迅速，即擋板旋轉(zhuǎn)角速度也愈發(fā)增大。

圖9 不同激勵壓強(qiáng)下?lián)醢逍D(zhuǎn)角速度值

表1 不同激勵壓強(qiáng)下?lián)醢逵|發(fā)下干簧片過程中的最大角速度值及發(fā)生時(shí)間

由圖9及表1可知，隨著激勵壓強(qiáng)即模擬重瓦斯故障能量的增大，擋板最大角速度值呈遞增狀態(tài)；且激勵壓強(qiáng)越大，擋板觸發(fā)下干簧片觸點(diǎn)的時(shí)間越短，并趨近于反比關(guān)系。因此，當(dāng)變壓器出現(xiàn)重瓦斯故障時(shí)，通過判斷擋板的旋轉(zhuǎn)角速度值進(jìn)而反映變壓器是否出現(xiàn)重瓦斯故障。

4 不同沖擊能量下瓦斯繼電器擋板旋轉(zhuǎn)角速度的仿真分析

4.1 計(jì)算模型及邊界條件設(shè)置

本文以QJ1-80型瓦斯繼電器為例進(jìn)行仿真分析，創(chuàng)建三維等比模型，如圖10所示。再通過ANSYS平臺下的DesignModeler模塊對該三維模型進(jìn)行流體域的抽取。

圖10 三維幾何模型

通過混合網(wǎng)格技術(shù)對瓦斯繼電器進(jìn)行流體域分析，如圖11所示。且為保證擋板在動作過程中計(jì)算的精度，在網(wǎng)格處理時(shí)需將此處的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，加密后的動網(wǎng)格計(jì)算域如圖12所示[25]。

圖11 流體域網(wǎng)格劃分

圖12 動網(wǎng)格計(jì)算域的網(wǎng)格處理

仿真選用不同激勵壓強(qiáng)試驗(yàn)中管道脈動油流的流速作為入口邊界條件，即將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合得到速度函數(shù)，輸入到Fluent軟件中。由于變壓器中的絕緣油不可壓縮，管道內(nèi)壓強(qiáng)無法確定，遂以outflow為邊界條件。流場計(jì)算采用SIMPLEC算法，設(shè)置收斂殘差為10-6。

4.2 仿真結(jié)果分析

在0.10 MPa激勵壓強(qiáng)下，仿真過程中擋板未發(fā)生動作，與試驗(yàn)結(jié)果相同，其速度云圖如圖13所示。在0.12～0.18 MPa激勵壓強(qiáng)下，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果也較為吻合。在0.12 MPa和 0.18 MPa激勵壓強(qiáng)下，其云圖如圖14和圖15所示。

圖13 0.10 MPa擋板速度云圖

圖14 0.12 MPa擋板速度云圖

圖15 0.18 MPa擋板速度云圖

將圖16中不同激勵壓強(qiáng)下仿真與試驗(yàn)擋板旋轉(zhuǎn)角速度值與其發(fā)生時(shí)間進(jìn)行整理分析，如表2所示。并將不同激勵壓強(qiáng)下仿真與試驗(yàn)過程中擋板的最大角速度值與其發(fā)生時(shí)間繪制為柱狀圖，如圖17所示。

由表2及圖17數(shù)據(jù)可得，隨著激勵壓強(qiáng)的增加，試驗(yàn)與仿真的擋板最大角速度值逐漸增加；相同激勵壓強(qiáng)下，相較于試驗(yàn)過程，仿真中擋板達(dá)到最大角速度值的時(shí)間更少，即擋板以更少的時(shí)間觸發(fā)下干簧片觸點(diǎn)。當(dāng)激勵壓強(qiáng)為0.12 MPa時(shí)，試驗(yàn)中擋板最大旋轉(zhuǎn)角速度值為5.052 rad/s，此時(shí)擋板后的永磁體通過磁吸作用于干簧片，使得觸點(diǎn)接通，發(fā)出重瓦斯報(bào)警的信號，由此可得，油流涌動使擋板旋轉(zhuǎn)角速度達(dá)到5.052 rad/s時(shí)為重瓦斯報(bào)警的閾值，故通過監(jiān)測擋板角速度是否達(dá)到整定值進(jìn)而進(jìn)行重瓦斯報(bào)警方法可行。

表2 不同激勵壓強(qiáng)下仿真與試驗(yàn)擋板旋轉(zhuǎn)最大角速度值及發(fā)生時(shí)間

圖17 仿真與試驗(yàn)擋板最大角速度值與其發(fā)生時(shí)間

5 總結(jié)

本文提出了一種基于瓦斯繼電器擋板旋轉(zhuǎn)角速度的重瓦斯報(bào)警方法，通過模擬不同故障程度下油流涌動對瓦斯繼電器擋板旋轉(zhuǎn)角速度進(jìn)行仿真計(jì)算和試驗(yàn)研究，可得出如下結(jié)論：

1) 隨著變壓器重瓦斯故障程度和故障能量的增大，發(fā)生重瓦斯動作時(shí)的瓦斯繼電器擋板旋轉(zhuǎn)角速度也隨之增加。當(dāng)故障發(fā)展到一定程度，旋轉(zhuǎn)角速度逐漸增加并趨于穩(wěn)定。

2) 通過判斷瓦斯繼電器擋板角速度大小進(jìn)而及時(shí)進(jìn)行重瓦斯報(bào)警，提高了重瓦斯報(bào)警的靈敏度，并為重瓦斯故障報(bào)警提供了新的整定和識別方法。

3) 當(dāng)發(fā)生重瓦斯故障后，擋板轉(zhuǎn)動至最大角度觸到下干簧片觸點(diǎn)，啟動重瓦斯跳閘后，可通過監(jiān)測到的擋板旋轉(zhuǎn)角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的重瓦斯故障程度的判定。

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A new method for a heavy gas alarm based on rotational angular velocity of the baffle of a new gas relay

WAN Shuting1, 2, ZHANG Zehan1, LI Shaopeng1, DOU Longjiang1, WEI Jiaoling1, Lü Pengrui3

(1. Hebei Key Laboratory of Health Maintenance and Failure Prevention of Electric Machinery and Equipment, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2. College of Engineering, Karamay Campus of China University of Petroleum (Beijing), Karamay 843000,China; 3. Shanghai Electric Appliance Scientific Research Institute (Group) Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

The current gas relay heavy gas action flow rate calibration values used in actual working conditions are lacking reliability and only provide a certain parameter range as a reference. Therefore, in order to improve the sensitivity of a heavy gas alarm, this paper proposes a method based on the angular velocity of a gas relay baffle rotation. First, it analyzes and derives the angular velocity characteristics of gas relay baffle rotation, and develops an intelligent gas relay with real time output of the rotational angular velocity of the baffle and a gas relay dynamic characteristic experimental platform. This can simulate different heavy gas fault energy magnitudes. Then it tests and analyzes the angular velocity characteristic relationship under different excitations. From the test results, a series of simulation analyses is carried out. The adjustment value of the baffle rotation angle speed is obtained from the test and simulation results. From judging whether the baffle rotation angle speed reaches its adjustment value, it gives a timely heavy gas alarm. This improves the sensitivity of the heavy gas alarm, and provides a new adjustment method for a heavy gas fault alarm.

gas relay; angular velocity of baffle rotation; heavy gas alarm; setting value; heavy gas fault

10.19783/j.cnki.pspc.211737

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51777075)；保定市科技計(jì)劃基礎(chǔ)研究專項(xiàng)基金項(xiàng)目資助(2172P010)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2020MS110)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51777075).

2021-12-20；

2022-07-01

萬書亭(1970—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)研究；E-mail: 13582996591@139.com

張澤翰(1996—)，男，碩士研究生，主要從事電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)研究；

李少鵬(1995—)，男，碩士研究生，主要從事電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)研究；

豆龍江(1988—)，男，通信作者，博士，講師，主要從事電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)研究。E-mail: doulongjiang@126.com

(編輯 魏小麗)