南京力通達(dá)電氣技術(shù)有限公司 謝志迅 周正超 翟志華 朱洋凱 馬翔宇 孫 利

隨著中國(guó)高壓電網(wǎng)建設(shè)的穩(wěn)步發(fā)展，綜合能源管理服務(wù)及智能運(yùn)檢已經(jīng)成為新一輪電力新技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的方向。目前隨著國(guó)內(nèi)特高壓變壓器投運(yùn)和在運(yùn)數(shù)量越來(lái)越多，不同設(shè)備廠家、不同使用年限、不同運(yùn)行環(huán)境下的變壓器會(huì)有不同的狀態(tài)差異，對(duì)變壓器的安全運(yùn)行，檢修維護(hù)工作的要求也越來(lái)越高。瓦斯繼電器是變壓器安全運(yùn)行的重要保護(hù)組件，在變壓器內(nèi)部發(fā)生故障，如繞組斷線、鐵芯接地、套管引線故障、匝間和層間短路及絕緣劣化、導(dǎo)線焊接不良或分接開(kāi)關(guān)接觸不良、油面下降或漏油等，變壓器內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生故障氣體或造成油流涌動(dòng)，從而觸發(fā)繼電器動(dòng)作告警或跳閘，保護(hù)變壓器設(shè)備安全。瓦斯繼電器通常安裝在變壓器頂部和油枕之間的連通管上，為避免氣體在管路內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中發(fā)生窩氣，瓦斯繼電器的安裝位置應(yīng)設(shè)置有2%～4%的安裝坡度[1]。

以典型的法蘭盤連接雙浮子瓦斯繼電器為例，在變壓器正常運(yùn)行期間，變壓器油充滿于瓦斯繼電器內(nèi)部空間。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生輕微故障（如局部放電或過(guò)熱故障）時(shí)[1-2]，變壓器油或固體絕緣材料會(huì)隨著故障的發(fā)生而產(chǎn)生分解，并產(chǎn)生諸如氫氣、低分子烴類氣體以及一氧化碳、二氧化碳等氣體，而這些氣體會(huì)隨著變壓器油的對(duì)流循環(huán)運(yùn)動(dòng)至氣體繼電器處，隨著時(shí)間的推移，這些氣體將在繼電器頂部緩慢聚集并形成一定的氣體壓力，壓低油面高度。此時(shí)隨著油面的降低，浮子下移發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，磁鐵觸發(fā)磁簧接點(diǎn)動(dòng)作發(fā)出輕瓦斯報(bào)警信號(hào)。

當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障（如匝間和層間短路故障）時(shí)，故障點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生高溫電弧，變壓器油迅速分解并產(chǎn)生大量的氣體，這些氣體具有一定的壓力并向油枕處運(yùn)動(dòng)。而變壓器油是具有黏滯性的，氣體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)形成油流并沖擊擋板。擋板翻轉(zhuǎn)帶動(dòng)磁鐵觸發(fā)磁簧管接通保護(hù)跳閘回路，跳開(kāi)變壓器各側(cè)開(kāi)關(guān)并發(fā)出重瓦斯動(dòng)作信號(hào)。

1 常規(guī)瓦斯繼電器故障原因和處理方法

在實(shí)際運(yùn)行中有多種原因能引起變壓器瓦斯保護(hù)動(dòng)作，既有可能是變壓器內(nèi)部故障引起的，也有可能是變壓器外部原因造成的：變壓器換油或補(bǔ)油時(shí)，更換變壓器呼吸器內(nèi)干燥劑時(shí)會(huì)有空氣進(jìn)入變壓器，變壓器進(jìn)行強(qiáng)油循環(huán)時(shí)密封不良處也會(huì)有空氣滲入變壓器本體；變壓器滲漏油導(dǎo)致油位降低；環(huán)境溫度驟降使變壓器油冷縮，油位降低；二次信號(hào)回路故障導(dǎo)致信號(hào)誤動(dòng)；變壓器內(nèi)部故障。其中非變壓器內(nèi)部故障的情況也經(jīng)常發(fā)生，因此需要對(duì)動(dòng)作原因進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)辨識(shí)[3]。

如果變壓器運(yùn)行過(guò)程中收到輕瓦斯告警信號(hào)，值班人員應(yīng)首先監(jiān)視變壓器的油溫以及電流、電壓的變化，然后立即前往變壓器處進(jìn)行檢查：先檢查其本體和冷卻系統(tǒng)的各個(gè)閥門以及管路法蘭和螺栓連接處是否存在滲漏油現(xiàn)象；其次觀察變壓器油枕處油位計(jì)的油位指示是否正常，若不正常、判斷是否是環(huán)境溫度驟降造成的；然后檢查瓦斯繼電器，如瓦斯繼電器內(nèi)并無(wú)氣體聚集，則檢查瓦斯保護(hù)信號(hào)二次回路是否存在接點(diǎn)短路、直流接地等故障缺陷，直至找出保護(hù)動(dòng)作的原因。如若發(fā)現(xiàn)瓦斯繼電器內(nèi)聚集有氣體，則應(yīng)采集瓦斯氣體送至化驗(yàn)中心驗(yàn)明氣體的性質(zhì)，然后根據(jù)得出的分析結(jié)論來(lái)選擇是采取繼續(xù)監(jiān)視運(yùn)行還是立即停運(yùn)的處理措施。

如果變壓器運(yùn)行過(guò)程中突然收到重瓦斯保護(hù)動(dòng)作跳閘信號(hào)，值班人員應(yīng)立即查看保護(hù)報(bào)文，了解保護(hù)動(dòng)作的情況，檢查故障錄波裝置上斷路器跳閘時(shí)變壓器各側(cè)電壓、電流波形的波動(dòng)情況；然后去現(xiàn)場(chǎng)檢查故障變壓器，檢查變壓器各側(cè)開(kāi)關(guān)是否確已跳開(kāi)，殼體是否變形、焊縫是否開(kāi)裂、是否噴油或冒煙，檢查油溫、油位是否正常，瓦斯保護(hù)二次回路是否存在故障，檢查繼電器內(nèi)有無(wú)氣體。如果能確定是由內(nèi)部故障引發(fā)的重瓦斯保護(hù)動(dòng)作，則收集本體油樣及瓦斯繼電器內(nèi)聚集氣體的氣樣、油樣，分別做氣相色譜分析，確定故障類別。

由于瓦斯繼電器安裝位置較高，為方便專業(yè)人員收集繼電器內(nèi)聚集的氣體，瓦斯繼電器可選配集氣盒（圖1），集氣盒安裝在變壓器下部距地面1.5～1.7米位置，通過(guò)一根銅管和瓦斯繼電器連在一起，這樣當(dāng)變壓器運(yùn)行中產(chǎn)生氣體、繼電器發(fā)出報(bào)警信號(hào)后，可使用集氣盒將瓦斯繼電器中積聚的氣體引至變壓器下部，不用登高作業(yè)就可帶電檢測(cè)氣體繼電器中的氣體成份了。通常集氣盒需要專業(yè)人工操作用注射器取氣，一個(gè)用作離線色譜儀分析氣體濃度，一個(gè)用做可燃性試驗(yàn)（燃燒法）判斷氣體成分，從而判斷變壓器潛在故障：無(wú)色無(wú)味，不可燃為空氣；黑色可燃性氣體是變壓器鐵心接地放電產(chǎn)生的；灰色可燃性氣體是變壓器絕緣降低，接觸不良、放電打火產(chǎn)生的；黃色可燃性氣體是變壓器內(nèi)部局部過(guò)熱產(chǎn)生的。

圖1 集氣盒結(jié)構(gòu)圖

綜上，瓦斯繼電器及其取氣盒為變壓器本體提供了一種重要的非電量保護(hù)，同時(shí)提供了一種可行的故障鑒別方法。但由于該方法需人工操作、存在誤操作可能，且在特高壓變壓器運(yùn)行環(huán)境下，如變壓器內(nèi)部故障發(fā)展迅速時(shí)，人工帶電現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)氣體是非常危險(xiǎn)的，因此迫切需要研究一種自動(dòng)化的瓦斯繼電器乙炔監(jiān)測(cè)方案替代人工操作，杜絕人身安全隱患。

2 瓦斯繼電器故障氣體監(jiān)測(cè)方法

變壓器內(nèi)部故障的有效監(jiān)測(cè)手段通常有繞組溫度監(jiān)測(cè)、油中氣體含量監(jiān)測(cè)分析、鐵心接地電流監(jiān)測(cè)、局部放電監(jiān)測(cè)等，其中應(yīng)用最普遍的就是油中氣體含量監(jiān)測(cè)，這種技術(shù)又分為單組份氫氣濃度監(jiān)測(cè)，全 組 份（CO、CO2、H2、O2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6）油中氣體色譜監(jiān)測(cè)以及全組份油中氣體光譜監(jiān)測(cè)。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，油中產(chǎn)生的氣體可被監(jiān)測(cè)出來(lái)作為內(nèi)部故障的診斷依據(jù)，IEC已有成熟的診斷標(biāo)準(zhǔn)，如大衛(wèi)三角、三比值、立方體法等。但這三種油中氣體的監(jiān)測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問(wèn)題。

油中氣體監(jiān)測(cè)裝置的采集原理分為油氣分離模組和監(jiān)測(cè)模組，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，化學(xué)及物理部件較多，需要定期調(diào)校，導(dǎo)致成本較高和維護(hù)工作量較大。且由于監(jiān)測(cè)前需進(jìn)行脫氣步驟，最快要40分鐘完成脫氣，因此這類監(jiān)測(cè)裝置的氣體濃度采集時(shí)間通常都超過(guò)1小時(shí)（其中脫氣時(shí)間40～50分鐘，檢測(cè)時(shí)間10～15分鐘），為保障機(jī)械部件壽命，一般采集間隔最短設(shè)定在4小時(shí)。

油中氣體監(jiān)測(cè)裝置的采集原理需帶有故障氣體的變壓器油流經(jīng)監(jiān)測(cè)裝置的位置，而特高壓變壓器通常體積都較大，內(nèi)部故障位置不一定就在監(jiān)測(cè)裝置附近，因此不能保障任何位置的故障所產(chǎn)生的氣體都能夠被快速有效監(jiān)測(cè)到，特別是發(fā)展較迅速的故障，氣體會(huì)以氣泡形式快速發(fā)展，而常規(guī)油中氣體監(jiān)測(cè)裝置采集的是油中溶解氣體，反應(yīng)速度受限。

總體上，對(duì)于常規(guī)變壓器的早期內(nèi)部故障中發(fā)展較慢的故障類型，油中氣體監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)用是比較有效的，但對(duì)近年新發(fā)現(xiàn)的特高壓變壓器的部分快速發(fā)展的故障類別，現(xiàn)有油中氣體含量監(jiān)測(cè)技術(shù)就有些力不從心。由于變壓器內(nèi)部快速發(fā)展的故障通常會(huì)產(chǎn)生大量氣體，這些故障氣體已游離出變壓器油、濃度較大，且會(huì)較快聚集到套管升高座頂部以及瓦斯繼電器內(nèi)。如能利用集氣盒本身的直接取氣功能，省去油氣分離模組及脫氣時(shí)間直接對(duì)聚集的氣體進(jìn)行成分檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)一種比常規(guī)油中氣體監(jiān)測(cè)裝置更簡(jiǎn)單快速的測(cè)量氣體組分的智能監(jiān)測(cè)裝置。這種裝置可幫助用戶更有效的應(yīng)用瓦斯繼電器，保護(hù)變壓器的運(yùn)行安全。

瓦斯繼電器在變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)收集到的氣體成分主要是氫氣、乙炔以及少量其它烴類氣體，其中氫氣和乙炔的占比最大，且代表了絕大多數(shù)的故障類型，都可以作為氣體監(jiān)測(cè)對(duì)象，特別是乙炔含量的監(jiān)測(cè)一直是變壓器內(nèi)部故障的重點(diǎn)故障特征氣體。如能快速檢測(cè)出瓦斯繼電器內(nèi)部的氣體成分就可迅速判斷變壓器是否有內(nèi)部故障及其嚴(yán)重程度，是對(duì)常規(guī)油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置的極好補(bǔ)充，也是變壓器組部件智能化的重要發(fā)展方向。

3 智能集氣盒設(shè)計(jì)方案

考慮到瓦斯繼電器自身的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，增加氣體監(jiān)測(cè)的方案有幾個(gè)難點(diǎn)：確定要監(jiān)測(cè)的氣體類型，氫氣和乙炔都是可選項(xiàng)，各有優(yōu)缺點(diǎn)；氣體傳感器必須長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，現(xiàn)有氣體傳感器技術(shù)都不能夠接觸到液體和油，否則會(huì)失效；瓦斯繼電器氣體監(jiān)測(cè)裝置必須實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)流程，同時(shí)維護(hù)工作量不能太大，否則失去替代人工的意義；裝置的密封和安全性必須保障，不能帶來(lái)二次故障。根據(jù)這些難點(diǎn)，方案設(shè)計(jì)分為以下三部分。

3.1 傳感器選型

瓦斯繼電器在變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)收集到的氣體成分主要是氫氣、乙炔以及少量其它烴類氣體[4-5]，根據(jù)變電站運(yùn)行規(guī)程，優(yōu)選乙炔氣體作為監(jiān)測(cè)對(duì)象。目前的氣體傳感器技術(shù)主要有：電化學(xué)傳感器。容易中毒，壽命較短；半導(dǎo)體式氣體傳感器。需要控溫，非線性，壽命長(zhǎng)，主要用于在線油色譜；熱導(dǎo)式氣體傳感器。也屬于半導(dǎo)體式，線性度較好，應(yīng)用范圍較窄；催化燃燒式氣體傳感器。精度高，壽命長(zhǎng)，需要?dú)浠鹧?，主要用于離線色譜儀；光學(xué)傳感器。包括光聲光譜，紅外光譜等，成本較高，在戶外環(huán)境下監(jiān)測(cè)精度會(huì)有漂移。由于所有的氣體傳感器都不能接觸油，且除了光學(xué)傳感器都無(wú)法單獨(dú)測(cè)量乙炔，如需測(cè)量需用載氣和色譜柱進(jìn)行組份分離，體積大，維護(hù)工作量也大。根據(jù)維護(hù)和可靠性需求，選擇采用紅外光譜作為乙炔監(jiān)測(cè)傳感器方案（圖2）。

圖2 乙炔紅外光譜傳感器結(jié)構(gòu)圖

3.2 裝置整體設(shè)計(jì)

根據(jù)瓦斯繼電器氣體監(jiān)測(cè)裝置的功能需求，裝置本體有兩種實(shí)現(xiàn)方法：方法一是在瓦斯繼電器上改造結(jié)構(gòu)，增設(shè)氣路進(jìn)行氣體監(jiān)測(cè)。優(yōu)點(diǎn)是可直接在瓦斯繼電器本體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)啟動(dòng)信號(hào)無(wú)需外引，無(wú)需改動(dòng)油路。缺點(diǎn)是改動(dòng)了繼電器本體，且排氣部分氣路設(shè)計(jì)復(fù)雜，裝置檢查和校驗(yàn)時(shí)仍需要登高作業(yè)；方法二是對(duì)集氣盒進(jìn)行改造，優(yōu)點(diǎn)是不影響瓦斯繼電器本體保護(hù)功能且方便安裝和檢查，缺點(diǎn)是需實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取氣排油功能，氣路和油路都要改動(dòng)。

通過(guò)研究瓦斯繼電器及集氣盒的自動(dòng)排氣排油功能的實(shí)現(xiàn)可能，最終采用方法二，設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：通過(guò)瓦斯繼電器的告警或動(dòng)作信號(hào)啟動(dòng)自動(dòng)取氣、監(jiān)測(cè)、排氣、排油流程；通過(guò)電磁閥控制實(shí)現(xiàn)油路和氣路控制，通過(guò)串聯(lián)電磁閥保障油路氣路的可靠性和安全性，任何一個(gè)電磁閥單獨(dú)故障都不會(huì)引起變壓器漏油；智能集氣盒中增設(shè)泄漏傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)泄露監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)漏油關(guān)閉入口的取氣電磁閥并報(bào)警；采用優(yōu)化PID算法控制電磁閥，確保不超調(diào)；油路和氣路分離設(shè)計(jì)，保障油不會(huì)進(jìn)入氣路，從而損壞傳感器；傳感器及裝置定期自檢和自校準(zhǔn)，保證監(jiān)測(cè)精度的長(zhǎng)期穩(wěn)定；設(shè)計(jì)廢油盒收集排出的廢油，廢油盒滿溢前自動(dòng)報(bào)警提醒檢修人員處理，避免污染周邊環(huán)境（圖3）。

圖3 智能集氣盒功能原理圖

3.3 通信接口設(shè)計(jì)及控制流程設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)裝置信息的及時(shí)上送和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，裝置設(shè)計(jì)有3路有線通信口以及無(wú)線通訊信道，支持RS485/GPRS/ LORA通信方式，通信協(xié)議可以支持Modbus、T103，亦支持?jǐn)U展IEC61850協(xié)議。

智能集氣盒具有自動(dòng)控制模塊，其運(yùn)行控制詳細(xì)流程步驟描述如下：(1)裝置初始化，通信處理及界面處理；(2)裝置自檢，判斷是否有異常，有異常則報(bào)警并進(jìn)入異常處理、返回步驟1，無(wú)異常則進(jìn)入步驟3；(3)監(jiān)測(cè)取氣盒的油位，如沒(méi)有充滿油則進(jìn)入步驟7，否則進(jìn)入步驟4；(4)判斷瓦斯繼電器信號(hào)狀態(tài)，沒(méi)有則返回步驟1，有告警或動(dòng)作信號(hào)則進(jìn)入步驟5；(5)自動(dòng)取氣：先打開(kāi)取氣閥、再打開(kāi)排油閥取氣，同時(shí)監(jiān)測(cè)取氣盒油位，完成取氣后關(guān)閉排油閥；(6)氣體成分監(jiān)測(cè)：開(kāi)氣泵先給傳感器換氣，切換到檢測(cè)通道進(jìn)氣，進(jìn)行乙炔測(cè)量和計(jì)算，完成后關(guān)閉氣泵和檢測(cè)閥；(7)排出剩余氣體：打開(kāi)排氣閥，同時(shí)監(jiān)測(cè)取氣盒油位，油位到頂后關(guān)閉排氣閥。

綜上，智能瓦斯繼電器氣體監(jiān)測(cè)裝置，是一種基于瓦斯繼電器集氣盒能夠進(jìn)行自動(dòng)放油、取氣、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體中的乙炔濃度的智能監(jiān)測(cè)裝置，并能實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的有線或無(wú)線遠(yuǎn)傳，降低了人為操作的誤操作可能及安全風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步完善了目前變壓器油中氣體在線監(jiān)測(cè)裝置的配置方案，提升了變壓器的智能化程度和監(jiān)測(cè)安全性。通過(guò)樣機(jī)的試制和實(shí)測(cè)應(yīng)用，采用的紅外光譜乙炔傳感器測(cè)量范圍為0～10000ppm，測(cè)量精度達(dá)到±100ppm，設(shè)計(jì)方案有效可行，取氣和氣體監(jiān)測(cè)辨識(shí)功能穩(wěn)定，具有進(jìn)一步研究和推廣意義，當(dāng)然實(shí)用中也還有需改進(jìn)和完善的地方，如在環(huán)境溫度急劇變化情況下傳感器精度的提高和長(zhǎng)期穩(wěn)定性等，還需業(yè)內(nèi)專家們共同研究和推進(jìn)此類技術(shù)和產(chǎn)品的完善和進(jìn)步。