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電有限責任公司，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電有限責任公司，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用及其校驗的研究具有現實意義。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

主變壓器內部的絕緣油由于運行及故障原因會產生壓力變化及體積膨脹，對于內部故障（如匝間短路、單相接地等故障）所導致的油箱壓力變化，目前是通過對重瓦斯的監測和壓力釋放進行本體的保護，但是這兩種保護均是對設備故障后期的粗放型保護，而且不能進行主設備內部動態非電量參數的實時監測。而壓力突變繼電器是感受油箱內部壓力變化速率（以下簡稱壓速率），壓速率大表示油箱內部產生氣體的速率更快（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用及其校驗的研究具有現實意義。

目前，現場用壓力突變繼電器便攜校驗設備國內還少有應用。為了保證壓力突變繼電器力測試數據的準確和統一，現場提出了動態校驗的要求。

2　突變壓力保護原理及應用

壓力突變繼電器為避免與其他保護裝置的保護參數重復而出現干擾、誤動的情況，采用了檢測變壓器油箱內故障導致的壓速率變化作為保護參數，即對應不同的壓速率，壓力突變繼電器有不同的響應時間，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了壓力的動態監測、動態保護。一旦變壓器油箱內部發生短路故障，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。

作為動態壓力計量測試技術的具體應用，壓力突變繼電器應運而出，它的結構原理見圖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，其內有一個檢測波紋管。繼電器內部有一個密封的硅油管路系統，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。當變壓器油壓發生變化時，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，突發壓力繼電器不動作；當變壓器內部發生故障時，油室內的壓力突然上升，檢測波紋管受壓變形，一個控制波紋管發生變形，另一個控制波紋管因控制小孔的作用不發生變形。傳動連桿移動，使電氣開關發出信號并切斷電源，導致變壓器退出運行。壓力突變繼電器在國外大型變壓器上已得到較廣的應用，在國內有些電力部門和產品上也已提出了裝設要求。

目前，壓力突變繼電器可選的國產型號主要是沈陽中大公司生產的突發壓力繼電器SYJ-50型（老的型號是TYJ-25），進口產品主要是美國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指標

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

目前，校驗裝置的技術指標為裝置靜態壓力控制范圍：（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5ms。占空比由0～100%任意可調。占空比不同，10ms內高壓容腔通過電磁閥流向低壓容腔的氣體流量不同，根據這個原理進行低壓容腔內氣體壓速率的控制。

通過大量的試驗數據分析得出結論，在試驗環境下控制100 kPa/s的壓速率輸出，低壓腔壓力變化范圍20kPa～60kPa（預壓值162.7kPa，控制周期10ms，Y軸參數單位為kPa/10ms），實際控制曲線如圖3所示。

經過以上的測試，說明采用大氣容預壓和快開閥控制低壓腔壓速率能實現壓力突變的控制測試要求。同時采取小流量控制通過節流閥方式，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：存儲設備使用時所需的壓力；

預壓泵：產生設備所需要的壓力；

預壓電磁閥：控制預壓泵產生壓力與儲能器的連接；

充電電磁：為系統控制部件提供所需的電力；預壓端傳感器：測量預壓端的壓力；

閥1、閥2、閥3、閥4：當測量速率為＜75 kPa/s時，只使用閥1；當測量壓速率＞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，在設計上采用先預壓后調節的方式。具體實現過程：由預壓泵造壓，在造壓的同時，打開預壓端電磁閥向儲能器預壓到100 kPa以上，再由閥5去調節使其達到所需的工作壓力。當工作速率在5kPa/s時，閥1處于調節狀態，閥2、閥3、閥4關閉。這時，將外接的流速控制閥連接到輸出與被檢之間。當工作速率在10 kPa/s、20 kPa/s、50 kPa/s、100 kPa/s、200 kPa/s時，閥1、閥2、閥3、閥4分別處于調節狀態。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：校驗功能包括預壓校驗，數字模塊校驗。預壓校驗對預壓端壓力傳感器測量的壓力值進行校驗。數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，需要專業人員進行。

突變檢測：突變檢測分為預壓控制、突變控制、讀取動作時間3個流程。

預壓控制分為以下2個子流程：1）預壓端的壓力測量。通過預壓壓力傳感器把壓力信號轉變為mV信號，以差分信號的形式送給AD7714芯片進行AD轉換，把模擬信號轉換為24位的數字信號。傳感器信號通過配置控制字在AD芯片內部實現放大，放大倍數為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AD轉換完成后，每隔20ms向單片機申請一次中斷，單片機響應中斷讀取壓力值的AD碼。預壓端壓力值的測量范圍為（0～200）kPa。預壓測量中，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，在升壓階段先使預壓值高于設定值10 kPa，通過調節通大氣的電磁閥的占空比，在降壓過程中實現壓力值的微調，直至預壓的設定值（目前裝置設定為100 kPa）。然后裝置再通過控制電磁閥的占空比實現低壓腔（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壓力設定值的要求，按規律調節，維持壓力值的穩定。在降壓控制過程中，當壓力設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定值，電磁閥的占空比則越來越小。當壓力設定值和壓力測量值相等時，電磁閥關閉。

突變控制：首先按被檢端設定的預壓值進行預壓，預壓速度低于3 kPa/s,預壓值達到給定值后，保持被檢端預壓值1.5min的穩定（為了使被校驗對象的內部平衡元件充分恢復平衡），時間到后，由單片機向FPGA發開始時間測量信號，FPGA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：在預壓時間到時（穩定預壓1.5 min），單片機控制電磁閥進行壓速率輸出，同時由單片機發啟動計時信號給FPGA。當FPAG接收到該信號后觸發計時，突變繼電器觸點動作時間由FPGA檢測，當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內氣路貫通的情況下，壓力在設定值情況下，經過設定時間后，記錄起始壓力值和結束壓力值，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低壓腔的平均壓力變化率來比對壓速率值。相當于通過靜態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場繼電器的不同安裝位置。在此條件下進行了多次試驗，結果如表1。

由表1可見，在不同預壓情況下繼電器的動作時間是不同的。因此需要對現場綜合工況進行考慮，從而實現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，由于繼電器內部的空間體積是固定的預知的，因此壓速率控制模式簡單，只要根據試驗數據進行參數預設即可。但是在現場，由于繼電器內部滿油、安裝位置高低不同，導致標準裝置的氣路長短及氣路容積均無法確定。在測試中發現，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，這樣就會導致在現場情況改變后的輸出壓速率不穩定，為此研發組討論并設計增加了速率校驗功能。主要解決預壓端預壓值誤差，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，由于校驗參數存儲在單片機的RAM中，所以在單片機不掉電的情況下，數據始終保持。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，數據結果如下表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%，可以代表現場校驗時的極端情況。

由表3試驗數據可以看到，經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）。經過試驗發現，可以采用節流閥進行限速的方式實現低速控制，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工作的建議

根據目前的了解，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，應結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部接點；強油循環的變壓器，壓力突變繼電器不應裝在靠近出油管的區域，以免在啟動和停止油泵時，繼電器出現誤動作。

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

[2]GB/T 6451-2008三相油浸式電力變壓器技術參數要求[S].

[3]W 10021-2005110(66)kV-500kV油浸式變壓器(電抗器)運行規范.

[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則》判斷變壓器故障的探討[J].變壓器，2008（10）.

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[7]周平，李曉慶，紀志成.變壓器內部故障的仿真模型及特性分析[J].江南大學學報，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