王 建，朱文兵，顧朝亮，王學(xué)磊

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

大型油浸式電力變壓器作為電力系統(tǒng)中最重要、昂貴的設(shè)備，其故障占電力系統(tǒng)事故原因比例高，給電力系統(tǒng)帶來(lái)重大影響和危害。

目前瓦斯保護(hù)仍然沿用傳統(tǒng)的保護(hù)原理，相關(guān)技術(shù)開展主要集中在氣體繼電器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，如提出了雙浮球式、浮球擋板式、開口杯擋板式等繼電器機(jī)構(gòu)，部分解決了油泵啟停、器箱遭受外力晃動(dòng)等機(jī)械擾動(dòng)引起的誤動(dòng)問(wèn)題［1-3］。

傳統(tǒng)的變壓器非電量數(shù)據(jù)采集方式為定期到現(xiàn)場(chǎng)抄表和巡檢。主要存在兩大問(wèn)題：第一是氣體繼電器真實(shí)體積的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)缺失，使得難以準(zhǔn)確判斷變壓器狀況。變壓器本體的輕瓦斯容積、壓力、溫度和液位變化存在監(jiān)測(cè)不及時(shí)的情況。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2010—2020 年，國(guó)家電網(wǎng)有限公司110 kV 及以上變壓器輕瓦斯誤報(bào)警比率為18.7%，由于無(wú)法掌握氣體繼電器真實(shí)體積，難以甄別誤報(bào)警情況，不利于故障及時(shí)診斷。第二是設(shè)備和人員安全風(fēng)險(xiǎn)。例如某特高壓變電站，在主變壓器輕瓦斯動(dòng)作時(shí)，檢修人員按照規(guī)定現(xiàn)場(chǎng)檢查主變壓器氣體繼電器和取氣盒，并對(duì)主變壓器本體開展了鐵芯以及夾件接地電流等測(cè)試，過(guò)程中發(fā)生變壓器爆燃，造成嚴(yán)重事故［4-6］。本文旨在研究發(fā)現(xiàn)電力變壓器潛在性故障，實(shí)現(xiàn)油浸式電力變壓器容積值狀態(tài)監(jiān)測(cè)，甄別輕瓦斯誤報(bào)警情況，從而保障設(shè)備和人員安全。

1 工作原理

對(duì)于容量為800 kVA 及以上電力變壓器，需要?dú)怏w繼電器作為保護(hù)。氣體繼電器安裝在變壓器油箱和儲(chǔ)油柜之間的管路上。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，絕緣材料因溫度過(guò)高，氣體上升到油箱上部，通過(guò)管路進(jìn)入氣體繼電器［7-8］。當(dāng)聚集氣體超過(guò)限定值，氣體繼電器上浮子下降，下降到限定值，觸點(diǎn)磁鐵吸合上浮子，繼電器發(fā)出故障信號(hào)，即輕瓦斯動(dòng)作；當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，油中形成大量氣體，進(jìn)而形成高速油流，油流推動(dòng)繼電器擋板，使觸點(diǎn)磁鐵吸合擋板，繼電器發(fā)出分閘信號(hào)或斷路器自動(dòng)跳閘，即重瓦斯動(dòng)作。輕、重瓦斯保護(hù)動(dòng)作示意圖，分別見圖1和圖2。

圖1 輕瓦斯保護(hù)示意圖

圖2 重瓦斯保護(hù)示意圖

2 氣體繼電器容積監(jiān)測(cè)方法

2.1 總體方案選擇

檢測(cè)液面高度變化方法及方式主要有：浮球式、超聲波測(cè)量、時(shí)域反射（Time Domain Reflectometer，TDR）、激光測(cè)量、電容式、靜壓式等。

其中，TDR 和電容式在工程應(yīng)用中體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。TDR 技術(shù)利用信號(hào)在介質(zhì)傳輸中，如果傳輸路徑上阻抗發(fā)生變化，信號(hào)將分為兩路，一路發(fā)生反射，一路發(fā)生折射，通過(guò)計(jì)算，可以得到阻抗變化位置。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于安裝方便，后期校準(zhǔn)可操作性強(qiáng)，環(huán)境抗干擾度高，但缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其測(cè)量高度一般受限。

電容式測(cè)量檢測(cè)原理為電容與高度值存在線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)料位高度值測(cè)量。因?yàn)殡娙輼O板之間靜電引力小，作用能量低，并且可動(dòng)部分可以非常薄，所以其動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好［9-10］。通過(guò)式（1）可知，當(dāng)電容傳感器插入被測(cè)介質(zhì)中，電極浸入介質(zhì)的深度隨液位高低而變化，從而改變兩極板間的電荷量，可以得到檢測(cè)液位高度變化值［11-13］。電容式液位傳感器如圖3所示。

圖3 電容式液位高度檢測(cè)原理

式中：D為外電極直徑；d為內(nèi)電極直徑；L為電極高度；ε為介電系數(shù)；C為絕緣介質(zhì)的電容值。

綜合考慮變壓器應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)以及氣體繼電器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用非導(dǎo)體電容式來(lái)檢測(cè)氣體繼電器內(nèi)部液面的變化情況。

2.2 非導(dǎo)電體電容傳感器

非導(dǎo)電體電容式液位計(jì)原理是絕緣介質(zhì)的電容C理論上與液面高度H呈線性關(guān)系，通過(guò)測(cè)量傳感器電容C的變化值，就可以得到液位高度的變化情況。

以簡(jiǎn)化的平面電容傳感器為例，對(duì)電容式傳感器偏差進(jìn)行理論計(jì)算。當(dāng)兩個(gè)電極同時(shí)垂直伸入變壓器油中時(shí)，電容器的電容C可表示為

將h2=h-h1代入式（2）中，可得

式中：C1和C2分別為電容器在油和氣體中的電容；k為靜電力常量；ε1為油的介電常數(shù)；ε2為氣體的介電常數(shù)；ω為電極的寬度；h1和h2分別為電極在油中和氣體中的長(zhǎng)度；h為電極的總長(zhǎng)度。

由此可以看出：電容器的電容值，可以通過(guò)電極在油中的長(zhǎng)度進(jìn)行推算。如果可以測(cè)量電容C，便可以計(jì)算出電容器在油中的長(zhǎng)度，如式（4）所示。

進(jìn)一步分析可知，令電容式傳感器檢測(cè)產(chǎn)生誤差的因素是電極間物質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化。情況主要有以下兩種：

1）故障氣體種類發(fā)生變化，令ε2改變。氣體繼電器氣體介電常數(shù)最小的為氫氣1.000 26，最大的為氮?dú)?.000 58，將引入0.032%的偏差。

2）變壓器油殘留在電極表面，令ε2改變。變壓器油的介電常數(shù)在2.2～2.4 之間，附著在電極表面的油膜厚度在10-7～10-3mm 范圍內(nèi)變化，最大將引入0.864%的偏差。

因此，電極間物質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生的最大變化量為：0.032%+0.864%=0.896%。結(jié)合小型電容傳感器的參數(shù)，將0.896%的介電常數(shù)最大變化量代入式（4）計(jì)算可得，理論上電容式傳感器的計(jì)算偏差應(yīng)不大于0.904%，可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 容積測(cè)試方法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 瓦斯保護(hù)模塊設(shè)計(jì)

瓦斯保護(hù)模塊可實(shí)現(xiàn)氣體繼電器保護(hù)功能，主要機(jī)構(gòu)包括浮球、干簧管。浮球材料的選擇依據(jù)主要有：1）密封性檢測(cè)，內(nèi)抽真空密封不滲油；2）工作耐熱耐寒性，工作溫度為-30～120 ℃；3）耐腐蝕，耐變壓器油；4）具有耐磨、耐油流沖擊的機(jī)械特性。通過(guò)篩選，分別對(duì)聚丙烯（Polypropylene，PP）材料、尼龍材料、丁腈橡膠（Nitrile Rubber，NBR）材料進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，如圖4所示。

圖4 材料選型

通過(guò)油浸、高低溫、浮力測(cè)試、材料固定強(qiáng)度試驗(yàn)，尼龍焊接的空心浮球，在72 h油浸試驗(yàn)后重量無(wú)變化，其他測(cè)試性能結(jié)果也滿足要求，工藝一致性良好，故選用該浮球材料。

干簧管分為上、下干簧管，其作用是在上、下浮球的帶動(dòng)下開關(guān)、閉合，進(jìn)而控制電路導(dǎo)通與開斷，發(fā)出輕瓦斯報(bào)警信號(hào)或者發(fā)出重瓦斯報(bào)警信號(hào)并作用于跳閘。隨著干簧管開斷次數(shù)的增多，其接點(diǎn)將磨損導(dǎo)致電阻增大，其機(jī)構(gòu)性能對(duì)于氣體繼電器功能起著重要作用。變壓器故障中氣體繼電器故障占7.29%，而其中由于干簧管導(dǎo)致的故障比例相當(dāng)高。主要原因有干簧管接點(diǎn)絕緣性能降低、干簧管損壞等。根據(jù)JB/T 9647—2014《變壓器用氣體繼電器》，接點(diǎn)壽命試驗(yàn)是干簧管性能評(píng)價(jià)的主要手段。通過(guò)油浸高低溫、絕緣電阻、耐壓測(cè)試，采用壓鉚觸點(diǎn)鎢合金鍍銀方案［14］。

3.2 液位測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

電容式液位計(jì)測(cè)試系統(tǒng)采用4線制，RS485輸出方式，共線的方式進(jìn)行接線。電容傳感器直接決定氣體繼電器內(nèi)部液面高度測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。其中，電極表面存在油膜是影響電容器傳感器檢測(cè)準(zhǔn)確性的最主要因素。電容式傳感器按照極板類型通常有平面式電容傳感器和雙筒式電容傳感器。在實(shí)驗(yàn)室中，分別選取平面式電容傳感器（電極厚0.1 mm、寬8 mm、長(zhǎng)14 mm）和雙筒式電容傳感器（內(nèi)筒直徑5 mm、外筒直徑9 mm、筒壁厚0.1 mm、長(zhǎng)14 mm）浸入變壓器油，拿出靜置3 min后再分別置于15 mm、25 mm、35 mm、45 mm、55 mm、70 mm 液面高度下的變壓器油中進(jìn)行液面高度測(cè)量，對(duì)比分析兩種傳感器的測(cè)量偏差。由液面高度檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果得出，兩種傳感器的檢測(cè)最大偏差在液位高度較低時(shí)相差不大，當(dāng)液體逐漸升高時(shí)，雙筒式電容傳感器的檢測(cè)最大偏差明顯小于平面式電容傳感器。故液位傳感器選用雙筒式電容液位傳感器，工作原理是在正負(fù)探極間存在變壓器油，該電容測(cè)量值與液位值有線性關(guān)系，采用集成芯片，采集并輸出電容值的電信號(hào)［15-17］。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)液位傳感裝置進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，在上下測(cè)量孔間雙向十字開槽，槽寬不影響液位測(cè)量，且盡量使強(qiáng)度改變不大，重新測(cè)試改進(jìn)后的液位傳感裝置，對(duì)比發(fā)現(xiàn)傳感器在性能上有提升，達(dá)到預(yù)設(shè)的技術(shù)指標(biāo)要求，滿足實(shí)時(shí)對(duì)油面狀態(tài)改變進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)［18-20］。液位測(cè)試原理見圖5，液位測(cè)試布置見圖6。

圖5 液位測(cè)試原理

圖6 液位測(cè)試布置

研究主要設(shè)備用到高低溫試驗(yàn)箱，型號(hào)為GDW6005，對(duì)氣體繼電器液位監(jiān)測(cè)模塊輸出特性配合驗(yàn)證測(cè)試。高低溫試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)參數(shù)為：溫度范圍-60～150 ℃，溫度波動(dòng)度不超過(guò)±0.5 ℃，溫度均勻度不超過(guò)±2 ℃。

3.3 試驗(yàn)步驟

氣體繼電器液位監(jiān)控模塊安裝見圖7，智能瓦斯繼電器內(nèi)氣體容積實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，按照以下具體步驟進(jìn)行，氣體容積測(cè)試流程見圖8。

圖7 氣體繼電器液位監(jiān)控模塊

圖8 氣體繼電器內(nèi)氣體容積測(cè)試流程

1）將帶液位傳感的瓦斯繼電器卡裝在繼電器校驗(yàn)臺(tái)上，并正確接線。

2）測(cè)試在室溫下不同油面高度（15 mm、25 mm、35 mm、45 mm、55 mm、70 mm）下液位傳感檢測(cè)輸出換算高度與實(shí)際高度差異。每組測(cè)試10 次，取最大值作為結(jié)果。

3）測(cè)試在不同環(huán)境溫度下（-40 ℃、-25 ℃、0 ℃、25 ℃、40 ℃、60 ℃）液位傳感檢測(cè)輸出換算高度與實(shí)際高度差異。每組測(cè)試10次，取最大值作為結(jié)果。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

電容式液位傳感器通常安裝固定方式為頂部安裝。當(dāng)變壓器油箱內(nèi)有大量氣體產(chǎn)生時(shí)，瓦斯繼電器內(nèi)油位下降，此時(shí)液位計(jì)會(huì)出現(xiàn)變壓器油掛壁的情況，從而影響測(cè)量精度。同時(shí)，由于傳感器精度對(duì)溫度要求較高，所以通過(guò)不同液位高度和不同環(huán)境溫度的試驗(yàn)，對(duì)提出的液位測(cè)量方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

4.1 不同液位高度試驗(yàn)驗(yàn)證

在室溫條件下，測(cè)試不同油面高度（15 mm、25 mm、35 mm、45 mm、55 mm、70 mm）下液位傳感檢測(cè)輸出換算高度與實(shí)際高度，每組測(cè)試10 次，取最大值作為結(jié)果，如表1所示。

表1 同一室溫下不同高度測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)在同一溫度下，針對(duì)不同液位高度進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，計(jì)算數(shù)據(jù)得出，不同液位高度下液位傳感測(cè)量最大偏差滿足≤1%。

4.2 不同溫度試驗(yàn)驗(yàn)證

測(cè)試在不同環(huán)境溫度下（-40 ℃、-25 ℃、0 ℃、25 ℃、40 ℃、60 ℃）液位傳感檢測(cè)輸出換算高度與實(shí)際高度（15 mm、30 mm、45 mm、70 mm）間差異，每組測(cè)試10次，取最大值作為結(jié)果，如表2—表5所示。

表2 液位高度15 mm時(shí)不同溫度測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 液位高度30 mm時(shí)不同溫度測(cè)試數(shù)據(jù)

表4 液位高度45 mm時(shí)不同溫度測(cè)試數(shù)據(jù)

表5 液位高度70 mm時(shí)不同溫度測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可知，液位傳感裝置在0 ℃以下時(shí)，測(cè)試最大偏差比室溫時(shí)略大，分析原因主要是測(cè)試數(shù)據(jù)受到液位傳感裝置變壓器油掛壁現(xiàn)象影響。但由于選用測(cè)試系統(tǒng)具備溫度補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，所有最大測(cè)試偏差仍在允許范圍內(nèi)，檢測(cè)最大偏差均小于1%，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)油面狀態(tài)改變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

以上試驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的液位測(cè)量方法精度高，穩(wěn)定性好，測(cè)量最大偏差均可控制在±1%以內(nèi)，可以滿足JB/T 9647—2014《變壓器用氣體繼電器》中相關(guān)規(guī)定：氣體繼電器氣體體積刻度最大允許偏差為±10%。

5 結(jié)語(yǔ)

非電量信號(hào)的獲取精度不高，試驗(yàn)數(shù)據(jù)取樣時(shí)長(zhǎng)較大，難以滿足變壓器狀態(tài)快速精確診斷的要求。通過(guò)研究，實(shí)現(xiàn)了變壓器輕瓦斯氣體容積狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可對(duì)瓦斯繼電器內(nèi)部集聚的氣體進(jìn)行快速分析，為進(jìn)一步綜合分析變壓器健康狀態(tài)，制定故障診斷策略提供依據(jù)。下一步，可針對(duì)提高傳感器精度，氣體成分分析與油流速動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等方面開展研究，提出綜合分析策略，提高變壓器故障識(shí)別準(zhǔn)確率。