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 317200）

500 kV主變壓器壓力突變繼電器在線校驗方法探討

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 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之一，開展對壓力突變繼電器應(yīng)用及其校驗的研究具有現(xiàn)實意義。本文介紹了突變壓力保護原理及其標準校驗裝置，并對標準校驗裝置的改進及實現(xiàn)在線校驗作了探討。

壓力突變繼電器；在線校驗

1　概述

主變壓器內(nèi)部的絕緣油由于運行及故障原因會產(chǎn)生壓力變化及體積膨脹，對于內(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，目前是通過對重瓦斯的監(jiān)測和壓力釋放進行本體的保護，但是這兩種保護均是對設(shè)備故障后期的粗放型保護，而且不能進行主設(shè)備內(nèi)部動態(tài)非電量參數(shù)的實時監(jiān)測。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），是對故障過程的保護；壓力突變保護在參數(shù)機理上就比油流和壓力釋放保護更先進，開展對壓力突變繼電器應(yīng)用及其校驗的研究具有現(xiàn)實意義。

目前，現(xiàn)場用壓力突變繼電器便攜校驗設(shè)備國內(nèi)還少有應(yīng)用。為了保證壓力突變繼電器力測試數(shù)據(jù)的準確和統(tǒng)一，現(xiàn)場提出了動態(tài)校驗的要求。

2　突變壓力保護原理及應(yīng)用

壓力突變繼電器為避免與其他保護裝置的保護參數(shù)重復(fù)而出現(xiàn)干擾、誤動的情況，采用了檢測變壓器油箱內(nèi)故障導(dǎo)致的壓速率變化作為保護參數(shù)，即對應(yīng)不同的壓速率，壓力突變繼電器有不同的響應(yīng)時間，壓速率高，速動壓力繼電器動作時間短，反之則長，通過這樣的動作方式實現(xiàn)了壓力的動態(tài)監(jiān)測、動態(tài)保護。一旦變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生短路故障，繼電器可及時動作，在故障早期就進行保護，防止油箱變形、爆裂等嚴重事故。

作為動態(tài)壓力計量測試技術(shù)的具體應(yīng)用，壓力突變繼電器應(yīng)運而出，它的結(jié)構(gòu)原理見圖1。

變壓器正常運行時，壓力突變繼電器下部與變壓器油箱連通，其內(nèi)有一個檢測波紋管。繼電器內(nèi)部有一個密封的硅油管路系統(tǒng)，其中有兩個控制波紋管，一個控制波紋管的管路中有一個控制小孔。當(dāng)變壓器油壓發(fā)生變化時，使檢測波紋管變形，這一作用傳遞到控制波紋管，如果油壓是緩慢變化的，則兩個控制波紋管同樣變化，突發(fā)壓力繼電器不動作；當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時，油室內(nèi)的壓力突然上升，檢測波紋管受壓變形，一個控制波紋管發(fā)生變形，另一個控制波紋管因控制小孔的作用不發(fā)生變形。傳動連桿移動，使電氣開關(guān)發(fā)出信號并切斷電源，導(dǎo)致變壓器退出運行。壓力突變繼電器在國外大型變壓器上已得到較廣的應(yīng)用，在國內(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產(chǎn)型號主要是沈陽中大公司生產(chǎn)的突發(fā)壓力繼電器SYJ-50型（老的型號是TYJ-25），進口產(chǎn)品主要是美國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，都是通過平衡裝置來反映不同壓力變化速率下的動作時間。

3　壓力突變繼電器標準校驗裝置

3.1壓力突變繼電器標準裝置控制原理及技術(shù)指標

標準裝置的壓速率控制采用高低壓容腔的節(jié)流控制方式，通過氣體對繼電器彈性元件的壓縮來實現(xiàn)壓速率的控制，整體裝置校驗原理圖見圖2。

目前，校驗裝置的技術(shù)指標為裝置靜態(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%，時間的測量精度為＜5ms。

3.2壓速率的控制方法

標準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10ms的時間中，占空比定義為輸出給電磁閥的高電平時間占整個控制周期的百分比。占空比為0時，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，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)高壓容腔通過電磁閥流向低壓容腔的氣體流量不同，根據(jù)這個原理進行低壓容腔內(nèi)氣體壓速率的控制。

通過大量的試驗數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論，在試驗環(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），實際控制曲線如圖3所示。

經(jīng)過以上的測試，說明采用大氣容預(yù)壓和快開閥控制低壓腔壓速率能實現(xiàn)壓力突變的控制測試要求。同時采取小流量控制通過節(jié)流閥方式，大流量控制采用4個電磁閥同時動作的方式來具體實現(xiàn)裝置的校驗工作。實際控制原理圖見圖4。

說明：

儲能器：存儲設(shè)備使用時所需的壓力；

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：測量預(yù)壓端的壓力；

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

閥5：預(yù)壓端排氣用；

測量端排氣閥：測量端壓力排空。

3.3標準裝置的工作流程及功能

裝置在實驗室校驗工作需要在5 kPa/s、10 kPa/s、20 kPa/s、50 kPa/s、100 kPa/s、200 kPa/s的控制點下進行，因此，在設(shè)計上采用先預(yù)壓后調(diào)節(jié)的方式。具體實現(xiàn)過程：由預(yù)壓泵造壓，在造壓的同時，打開預(yù)壓端電磁閥向儲能器預(yù)壓到100 kPa以上，再由閥5去調(diào)節(jié)使其達到所需的工作壓力。當(dāng)工作速率在5kPa/s時，閥1處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，閥2、閥3、閥4關(guān)閉。這時，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，閥1、閥2、閥3、閥4分別處于調(diào)節(jié)狀態(tài)。這時，將輸出與被檢直接連接即可。被檢端泄壓是通過測量端排氣閥排空的。

具體功能見圖5。

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

突變檢測：突變檢測分為預(yù)壓控制、突變控制、讀取動作時間3個流程。

預(yù)壓控制分為以下2個子流程：1）預(yù)壓端的壓力測量。通過預(yù)壓壓力傳感器把壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)閙V信號，以差分信號的形式送給AD7714芯片進行AD轉(zhuǎn)換，把模擬信號轉(zhuǎn)換為24位的數(shù)字信號。傳感器信號通過配置控制字在AD芯片內(nèi)部實現(xiàn)放大，放大倍數(shù)為32，然后通過計算把AD值換算為壓力值。AD信號的測量采用中斷的方式，當(dāng)AD轉(zhuǎn)換完成后，每隔20ms向單片機申請一次中斷，單片機響應(yīng)中斷讀取壓力值的AD碼。預(yù)壓端壓力值的測量范圍為（0～200）kPa。預(yù)壓測量中，單片機直接對AD芯片進行操作。AD芯片和單片機采用同一時鐘源。2）壓力控制過程。在升壓過程中，通過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，在升壓階段先使預(yù)壓值高于設(shè)定值10 kPa，通過調(diào)節(jié)通大氣的電磁閥的占空比，在降壓過程中實現(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）。然后裝置再通過控制電磁閥的占空比實現(xiàn)低壓腔（被校驗對象）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。在降壓控制過程中，當(dāng)壓力設(shè)定值和壓力測量值相差較大時，電磁閥的占空比較大，隨著壓力測量值越來越接近設(shè)定值，電磁閥的占空比則越來越小。當(dāng)壓力設(shè)定值和壓力測量值相等時，電磁閥關(guān)閉。

突變控制：首先按被檢端設(shè)定的預(yù)壓值進行預(yù)壓，預(yù)壓速度低于3 kPa/s,預(yù)壓值達到給定值后，保持被檢端預(yù)壓值1.5min的穩(wěn)定（為了使被校驗對象的內(nèi)部平衡元件充分恢復(fù)平衡），時間到后，由單片機向FPGA發(fā)開始時間測量信號，F(xiàn)PGA接收到時間測量啟動信號后，開始計時；同時控制突變電磁閥按給定壓速率輸出，直至被檢繼電器動作。被檢繼電器動作后，由FPGA檢測被檢繼電器動作信號，同時FPGA向單片機申請中斷；單片機接收到中斷信號后，停止對突變電磁閥的控制，再通過SPI接口讀取FPGA測量的時間值。當(dāng)被檢繼電器動作后即完成一次檢測過程，此時裝置自動打開被檢端電磁閥，壓力突變繼電器的氣路直接與大氣相通進行泄壓。

讀取動作時間：在預(yù)壓時間到時（穩(wěn)定預(yù)壓1.5 min），單片機控制電磁閥進行壓速率輸出，同時由單片機發(fā)啟動計時信號給FPGA。當(dāng)FPAG接收到該信號后觸發(fā)計時，突變繼電器觸點動作時間由FPGA檢測，當(dāng)FPGA接收到觸點動作信號后，停止計時；然后向單片機申請中斷，單片機響應(yīng)中斷，讀取時間值。

氣密性檢測：主要是檢查壓力突變繼電器及其校驗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)過設(shè)定時間后，記錄起始壓力值和結(jié)束壓力值，通過壓力泄漏速率衡量被檢端及整個氣路的氣密性情況。

溯源檢測包括兩個功能：1）時間溯源。此功能可以輸出任意設(shè)定時間（10ms～120 s）的電平（3.3 V），對這個電平用毫秒計進行測量就可以對裝置的內(nèi)部時間模塊進行溯源校驗。2）壓速率溯源：此功能通過對壓速率高速壓力傳感器的實時測量和單位時間內(nèi)低壓腔的平均壓力變化率來比對壓速率值。相當(dāng)于通過靜態(tài)壓力的測量來驗證壓速率的實測值。

通訊功能：通訊功能包括下位機和上位機的通訊，下位機和FPGA的通訊。

4　壓力突變繼電器標準裝置的改進

首先需要掌握壓力突變繼電器的性能指標，即在實驗室無油與現(xiàn)場滿油情況下繼電器彈性元件的動作特性是否改變，對于結(jié)果的影響大小均需要通過大量的試驗來確定。

4.1實驗室的壓力控制測試

在實驗室測試階段，通過控制壓力突變繼電器初始壓力來模擬現(xiàn)場繼電器的不同安裝位置。在此條件下進行了多次試驗，結(jié)果如表1。

由表1可見，在不同預(yù)壓情況下繼電器的動作時間是不同的。因此需要對現(xiàn)場綜合工況進行考慮，從而實現(xiàn)對繼電器的在線校驗。

4.2不同方式下的壓速率控制及解決方案

在試驗室校驗時，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單，只要根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行參數(shù)預(yù)設(shè)即可。但是在現(xiàn)場，由于繼電器內(nèi)部滿油、安裝位置高低不同，導(dǎo)致標準裝置的氣路長短及氣路容積均無法確定。在測試中發(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，這樣就會導(dǎo)致在現(xiàn)場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)計增加了速率校驗功能。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升壓速率的影響問題。在使用中，由于校驗參數(shù)存儲在單片機的RAM中，所以在單片機不掉電的情況下，數(shù)據(jù)始終保持。如果重新上電，再次運行速率校驗功能即可。

速率校驗功能對壓力突變繼電器端的速率值進行校驗，在進行壓力突變檢測前進行速率校驗，能防止被檢的壓力突變繼電器容積不同對壓力速率的影響，是在每次開機后的首項操作。

項目組在不同氣路的情況下，針對做速率校準之后進行校驗與不做速率校準兩種情況進行校驗，數(shù)據(jù)結(jié)果如下表2、3。試驗時，氣路分為兩種情況：即繼電器充液體（變壓器油）及繼電器無液體（空氣），這兩種情況校驗回路的氣容相差80%，可以代表現(xiàn)場校驗時的極端情況。

由表3試驗數(shù)據(jù)可以看到，經(jīng)過壓速率校準后的校驗，壓速率控制與實際氣路影響不大。因此經(jīng)過壓速率校準的裝置可以消除由于外部氣路改變的影響，可以滿足現(xiàn)場校驗的要求。

5　尚待解決的問題

由于傳感器的不確定度及壓速率控制方式導(dǎo)致被檢端壓力在測量時始終有0.04 kPa左右的波動，這將對控制速度在0.05 kPa/10 ms時造成較大影響。所以在5 kPa/s的壓速度控制輸出時，速度計算和控制誤差比其他測試點大。目前，在計算5 kPa/s的占空比時，采用10 kPa/s和12 kPa/s的占空比進行線性計算，此時實際壓速率偏大（可以達到8 kPa/s）。經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，可以采用節(jié)流閥進行限速的方式實現(xiàn)低速控制，待今后研究出更好的方式再進一步改進。目前在實際校驗中，只要5個點就可以標定出被檢壓力突變繼電器的動作曲線，因此在目前的實際校驗中省略5 kPa/s的校驗點，而從10 kPa/s開始。

6　對于壓力突變保護及相關(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只在變壓器出廠及返廠大修時進行，因此，壓力突變繼電器的校驗工作應(yīng)盡快開展；對壓力突變繼電器進行準確校驗，可保證壓力突變繼電器的動作性能，

有利于現(xiàn)場的可靠使用。

為進一步確認壓力突變繼電器的動作準確性，應(yīng)結(jié)合變壓器進行壓力突變繼電器的使用試驗，將各種非電量保護繼電器安裝于變壓器本體，進行變壓器人為故障試驗，獲取故障時各氣體繼電器的動作特性和靈敏性。研究之間的配合性能，選取合理的配合方式。

變壓器投運前和停電進行預(yù)防性試驗時需對壓力突變繼電器保護回路進行傳動試驗，傳動信號直接來自壓力突變繼電器的內(nèi)部接點；強油循環(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，以免在啟動和停止油泵時，繼電器出現(xiàn)誤動作。

[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).變壓器試驗技術(shù)大全[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社.

[7]周平，李曉慶，紀志成.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，2005（2）.

鄭樹青（1978-），男，高級工程師，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