徐曉輝

(國網(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。變壓器長期運行，在過負(fù)荷、過電壓、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)局部油溫超過燃點，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)安全和運行人員的人身安全。

保障變電器的安全運行是電網(wǎng)安全運行的重要組成部分[2-3]。目前，對變壓器的保護(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)定運行的重要組成部分。裝置既不能在變壓器正常運行時發(fā)生誤動，也不能在發(fā)生火災(zāi)或壓力驟升導(dǎo)致爆炸時拒動。合理設(shè)計排油注氮裝置的控制系統(tǒng)，是保障裝置可靠運行的關(guān)鍵。

現(xiàn)有大量文獻(xiàn)對排油注氮裝置本身的工作原理[7-8]、施工建設(shè)[9-10]、運行維護(hù)[11]進(jìn)行了研究，對裝置控制系統(tǒng)設(shè)計的研究較少。本文將重點介紹排油注氮裝置控制系統(tǒng)設(shè)計的要點，并對裝置自動啟動邏輯的設(shè)計進(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)油流突然變大時自動關(guān)閉。排油管路連接于油箱上部，通過導(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氣瓶和油箱底部，管路在油箱內(nèi)部設(shè)置多個注氮孔，通過氮氣釋放閥控制從變壓器底部注入氮氣。

當(dāng)變壓器有火災(zāi)或爆炸危險時，控制系統(tǒng)通過采集信息判斷排油注氮裝置需要啟動。裝置啟動后首先開啟排油閥，油箱中變壓器油通過排油管路排往事故油池，油箱中油位下降，斷流閥自動關(guān)閉，油枕不再向變壓器供油。再經(jīng)過一段時延后，控制系統(tǒng)再開啟氮氣釋放閥，將氮氣瓶中氮氣充入油箱中，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，超壓啟動和高溫火災(zāi)啟動為兩種主要的裝置啟動方式。超壓以壓力探測器測量壓力值作為判據(jù)，高溫火災(zāi)以溫感火災(zāi)探測器探測結(jié)果為主要判據(jù)。同時，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)將會動作，主變各側(cè)斷路器將跳開。因此，主變重瓦斯保護(hù)動作、三側(cè)斷路器跳開也是裝置啟動的必要條件。裝置的自動啟動采用“三要素”進(jìn)行判斷，即“超壓+主變重瓦斯保護(hù)動作+三側(cè)斷路器跳開”或“高溫+主變重瓦斯保護(hù)動作+三側(cè)斷路器跳開”。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 雙重化控制系統(tǒng)設(shè)計

正常工作時，控制系統(tǒng)需要采集主變的實時運行信息以判斷排油注氮裝置是否需要啟動。為了保證裝置的可靠動作，可以采用控制雙重化的設(shè)計方式。即通過兩路控制系統(tǒng)分別對采集的數(shù)字量與模擬量信息進(jìn)行分析，進(jìn)行啟動邏輯判斷，任何一路控制系統(tǒng)發(fā)出啟動信號，則裝置可靠啟動，對變壓器進(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，裝置可靠動作，然而控制電源是裝置正常運行的基礎(chǔ)。類比保護(hù)的雙重化設(shè)計，排油注氮裝置控制電源也可以采用雙重化設(shè)計。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，兩路直流電源來自不同的直流母線，實現(xiàn)完全意義的控制雙重化。

除“自動啟動”控制之外，排油注氮裝置還設(shè)置“手動啟動”功能。“手動啟動”具有最高優(yōu)先級，可以保證在自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)拒動的情況下，無條件由人工啟動裝置，當(dāng)裝置處于“自動啟動”狀態(tài)時，手動啟動仍然有效，對于無人值守站，手動啟動還應(yīng)具有遙控操作功能。此外，裝置還可以通過機械應(yīng)急進(jìn)行啟動，通過直接打開排油閥門和注氮閥門進(jìn)行滅火。

以上雙重化控制系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙重化控制系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

其中DC1、DC2分別代表兩路控制直流；K1、K2為“自動啟動”選擇開關(guān)，合上代表自動啟動；SW1、SW2為手動啟動開關(guān)，緊急時可跳過自動啟動邏輯，直接啟動裝置。選擇機械啟動則完全避開控制系統(tǒng)的啟動條件，直接啟動裝置。

2.2 自動啟動邏輯設(shè)計

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

2.2.1高溫判據(jù)設(shè)計

高溫主要由裝設(shè)在變壓器頂部的溫感火災(zāi)探測器探測。探測器不直接反映油箱內(nèi)部溫度，而是通過探測油箱頂部溫度進(jìn)行高溫判斷，探測器一般由高強度易熔合金探頭制作，動作溫度在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，溫感火災(zāi)探測器才會動作。

圖3 超溫動作邏輯

為了保證探測的全面性和可靠性，可以在變壓器頂部多點裝設(shè)探測器，任何一處探測器動作都將啟動排油注氮裝置。同時，為了避免探測器的動作偏差，可以在每一點處裝設(shè)兩組探測器，只有當(dāng)兩組探測器同時動作時，才判定該處探測器動作。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)超過閥值P1時，即認(rèn)為滿足排油注氮裝置動作的壓力條件。然而在實際運行中，由于變壓器瓦斯保護(hù)動作、冷卻器開啟、壓力釋放閥打開等因素的影響，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后即開始下降，不會發(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時刻可靠動作，使得事故處理變得更為復(fù)雜。

由于壓力超過閥值的單一判據(jù)，不能反映壓力變化的變化趨勢，因此在實際應(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的超壓判據(jù)。其中ap=dVp/dt，Vp=dP/dt。

圖5 超壓動作邏輯

可以設(shè)置排油注氮超壓啟動值P1′(P1′

圖6 不同油箱壓力及加速度變化情況示意圖

實際運行中，針對圖6所示P1(t)、P2(t)、P3(t)、P4(t)四種壓力變化情況，P1(t)和P2(t)同時滿足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)動作、三側(cè)斷路器跳閘兩大要素，排油注氮裝置將可靠啟動。P3(t)滿足P(t)≥P1，但a(t)<0，然而在P(t)到達(dá)P1后，經(jīng)延時tp2，仍然滿足P(t)≥P1，超壓判據(jù)出口。P4(t)變化趨勢與P3(t)相似，滿足P(t)≥P1，同時a(t)<0，但是在P(t)到達(dá)P1后，經(jīng)延時tp2，P(t)成功衰減到P1以下，則超壓判據(jù)返回，此時排油注氮裝置不會動作，主變也不存在爆炸的危險。

2.3 其他輔助設(shè)計

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

探測到環(huán)境溫度低于5 ℃、濕度高于75%時，自動開啟加熱器，溫度高于10 ℃、濕度低于65%時關(guān)閉加熱器。

同時，氮氣瓶壓力值也接入監(jiān)控回路中，及時對氮氣泄漏進(jìn)行報警，以免裝置啟動后影響注氮效果。

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

3 結(jié)束語

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)，用于確保控制系統(tǒng)在發(fā)生故障時能夠可靠動作；并設(shè)計了高溫動作邏輯和超壓動作邏輯來確保系統(tǒng)動作的準(zhǔn)確性；為排油注氮系統(tǒng)的準(zhǔn)確可靠運行提供了設(shè)計思路。

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