500 kV主变压器压力突变继电器在线校验方法探讨

郑树青

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江 天台 317200）

500 kV主变压器压力突变继电器在线校验方法探讨

郑树青

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江 天台 317200）

压力突变继电器在大型变压器上已得到较广的应用，是大型变压器的重要保护之一，开展对压力突变继电器应用及其校验的研究具有现实意义。本文介绍了突变压力保护原理及其标准校验装置，并对标准校验装置的改进及实现在线校验作了探讨。

压力突变继电器；在线校验

1　概述

主变压器内部的绝缘油由于运行及故障原因会产生压力变化及体积膨胀，对于内部故障（如匝间短路、单相接地等故障）所导致的油箱压力变化，目前是通过对重瓦斯的监测和压力释放进行本体的保护，但是这两种保护均是对设备故障后期的粗放型保护，而且不能进行主设备内部动态非电量参数的实时监测。而压力突变继电器是感受油箱内部压力变化速率（以下简称压速率），压速率大表示油箱内部产生气体的速率更快（故障电流更大），是对故障过程的保护；压力突变保护在参数机理上就比油流和压力释放保护更先进，开展对压力突变继电器应用及其校验的研究具有现实意义。

目前，现场用压力突变继电器便携校验设备国内还少有应用。为了保证压力突变继电器力测试数据的准确和统一，现场提出了动态校验的要求。

2　突变压力保护原理及应用

压力突变继电器为避免与其他保护装置的保护参数重复而出现干扰、误动的情况，采用了检测变压器油箱内故障导致的压速率变化作为保护参数，即对应不同的压速率，压力突变继电器有不同的响应时间，压速率高，速动压力继电器动作时间短，反之则长，通过这样的动作方式实现了压力的动态监测、动态保护。一旦变压器油箱内部发生短路故障，继电器可及时动作，在故障早期就进行保护，防止油箱变形、爆裂等严重事故。

作为动态压力计量测试技术的具体应用，压力突变继电器应运而出，它的结构原理见图1。

变压器正常运行时，压力突变继电器下部与变压器油箱连通，其内有一个检测波纹管。继电器内部有一个密封的硅油管路系统，其中有两个控制波纹管，一个控制波纹管的管路中有一个控制小孔。当变压器油压发生变化时，使检测波纹管变形，这一作用传递到控制波纹管，如果油压是缓慢变化的，则两个控制波纹管同样变化，突发压力继电器不动作；当变压器内部发生故障时，油室内的压力突然上升，检测波纹管受压变形，一个控制波纹管发生变形，另一个控制波纹管因控制小孔的作用不发生变形。传动连杆移动，使电气开关发出信号并切断电源，导致变压器退出运行。压力突变继电器在国外大型变压器上已得到较广的应用，在国内有些电力部门和产品上也已提出了装设要求。

目前，压力突变继电器可选的国产型号主要是沈阳中大公司生产的突发压力继电器SYJ-50型（老的型号是TYJ-25），进口产品主要是美国QUALITROL公司的900和910系列压力突变继电器，其中900系列安装在油面下，910系列安装在气室中；还有日本的PG-1BG型、ABB的7112C型压力突变继电器。它们的原理相似，都是通过平衡装置来反映不同压力变化速率下的动作时间。

3　压力突变继电器标准校验装置

3.1压力突变继电器标准装置控制原理及技术指标

标准装置的压速率控制采用高低压容腔的节流控制方式，通过气体对继电器弹性元件的压缩来实现压速率的控制，整体装置校验原理图见图2。

目前，校验装置的技术指标为装置静态压力控制范围：（0～100）kPa，最大压速率输出为200 kPa/s，装置精度0.1%，时间的测量精度为＜5ms。

3.2压速率的控制方法

标准装置的造压及控制输出采用改变高、低压容腔之间的快开电磁阀占空比的方式控制压速率输出。快开电磁阀的控制周期为10ms，在整个10ms的时间中，占空比定义为输出给电磁阀的高电平时间占整个控制周期的百分比。占空比为0时，电磁阀关闭；占空比为1，电磁阀打开。占空比为0.5即50% ～100%时，电磁阀开5ms，关5ms。占空比由0～100%任意可调。占空比不同，10ms内高压容腔通过电磁阀流向低压容腔的气体流量不同，根据这个原理进行低压容腔内气体压速率的控制。

通过大量的试验数据分析得出结论，在试验环境下控制100 kPa/s的压速率输出，低压腔压力变化范围20kPa～60kPa（预压值162.7kPa，控制周期10ms，Y轴参数单位为kPa/10ms），实际控制曲线如图3所示。

经过以上的测试，说明采用大气容预压和快开阀控制低压腔压速率能实现压力突变的控制测试要求。同时采取小流量控制通过节流阀方式，大流量控制采用4个电磁阀同时动作的方式来具体实现装置的校验工作。实际控制原理图见图4。

说明：

储能器：存储设备使用时所需的压力；

预压泵：产生设备所需要的压力；

预压电磁阀：控制预压泵产生压力与储能器的连接；

充电电磁：为系统控制部件提供所需的电力；预压端传感器：测量预压端的压力；

阀1、阀2、阀3、阀4：当测量速率为＜75 kPa/s时，只使用阀1；当测量压速率＞75 kPa/s时，同时使用阀1、阀2、阀3和阀4；

阀5：预压端排气用；

测量端排气阀：测量端压力排空。

3.3标准装置的工作流程及功能

装置在实验室校验工作需要在5 kPa/s、10 kPa/s、20 kPa/s、50 kPa/s、100 kPa/s、200 kPa/s的控制点下进行，因此，在设计上采用先预压后调节的方式。具体实现过程：由预压泵造压，在造压的同时，打开预压端电磁阀向储能器预压到100 kPa以上，再由阀5去调节使其达到所需的工作压力。当工作速率在5kPa/s时，阀1处于调节状态，阀2、阀3、阀4关闭。这时，将外接的流速控制阀连接到输出与被检之间。当工作速率在10 kPa/s、20 kPa/s、50 kPa/s、100 kPa/s、200 kPa/s时，阀1、阀2、阀3、阀4分别处于调节状态。这时，将输出与被检直接连接即可。被检端泄压是通过测量端排气阀排空的。

具体功能见图5。

校验：校验功能包括预压校验，数字模块校验。预压校验对预压端压力传感器测量的压力值进行校验。数字模块校验对压力突变继电器端的压力测量值进行校验。以上两种校验功能不对装置操作员开放，需要专业人员进行。

突变检测：突变检测分为预压控制、突变控制、读取动作时间3个流程。

预压控制分为以下2个子流程：1）预压端的压力测量。通过预压压力传感器把压力信号转变为mV信号，以差分信号的形式送给AD7714芯片进行AD转换，把模拟信号转换为24位的数字信号。传感器信号通过配置控制字在AD芯片内部实现放大，放大倍数为32，然后通过计算把AD值换算为压力值。AD信号的测量采用中断的方式，当AD转换完成后，每隔20ms向单片机申请一次中断，单片机响应中断读取压力值的AD码。预压端压力值的测量范围为（0～200）kPa。预压测量中，单片机直接对AD芯片进行操作。AD芯片和单片机采用同一时钟源。2）压力控制过程。在升压过程中，通过控制气泵使压力值增加。为了避免气泵流量大造成的压力值波动，在升压阶段先使预压值高于设定值10 kPa，通过调节通大气的电磁阀的占空比，在降压过程中实现压力值的微调，直至预压的设定值（目前装置设定为100 kPa）。然后装置再通过控制电磁阀的占空比实现低压腔（被校验对象）压力的快速降压和慢速降压，电磁阀的占空比根据压力设定值的要求，按规律调节，维持压力值的稳定。在降压控制过程中，当压力设定值和压力测量值相差较大时，电磁阀的占空比较大，随着压力测量值越来越接近设定值，电磁阀的占空比则越来越小。当压力设定值和压力测量值相等时，电磁阀关闭。

突变控制：首先按被检端设定的预压值进行预压，预压速度低于3 kPa/s,预压值达到给定值后，保持被检端预压值1.5min的稳定（为了使被校验对象的内部平衡元件充分恢复平衡），时间到后，由单片机向FPGA发开始时间测量信号，FPGA接收到时间测量启动信号后，开始计时；同时控制突变电磁阀按给定压速率输出，直至被检继电器动作。被检继电器动作后，由FPGA检测被检继电器动作信号，同时FPGA向单片机申请中断；单片机接收到中断信号后，停止对突变电磁阀的控制，再通过SPI接口读取FPGA测量的时间值。当被检继电器动作后即完成一次检测过程，此时装置自动打开被检端电磁阀，压力突变继电器的气路直接与大气相通进行泄压。

读取动作时间：在预压时间到时（稳定预压1.5 min），单片机控制电磁阀进行压速率输出，同时由单片机发启动计时信号给FPGA。当FPAG接收到该信号后触发计时，突变继电器触点动作时间由FPGA检测，当FPGA接收到触点动作信号后，停止计时；然后向单片机申请中断，单片机响应中断，读取时间值。

气密性检测：主要是检查压力突变继电器及其校验气路的密封情况是否完好。主要流程是在所有系统内气路贯通的情况下，压力在设定值情况下，经过设定时间后，记录起始压力值和结束压力值，通过压力泄漏速率衡量被检端及整个气路的气密性情况。

溯源检测包括两个功能：1）时间溯源。此功能可以输出任意设定时间（10ms～120 s）的电平（3.3 V），对这个电平用毫秒计进行测量就可以对装置的内部时间模块进行溯源校验。2）压速率溯源：此功能通过对压速率高速压力传感器的实时测量和单位时间内低压腔的平均压力变化率来比对压速率值。相当于通过静态压力的测量来验证压速率的实测值。

通讯功能：通讯功能包括下位机和上位机的通讯，下位机和FPGA的通讯。

4　压力突变继电器标准装置的改进

首先需要掌握压力突变继电器的性能指标，即在实验室无油与现场满油情况下继电器弹性元件的动作特性是否改变，对于结果的影响大小均需要通过大量的试验来确定。

4.1实验室的压力控制测试

在实验室测试阶段，通过控制压力突变继电器初始压力来模拟现场继电器的不同安装位置。在此条件下进行了多次试验，结果如表1。

由表1可见，在不同预压情况下继电器的动作时间是不同的。因此需要对现场综合工况进行考虑，从而实现对继电器的在线校验。

4.2不同方式下的压速率控制及解决方案

在试验室校验时，由于继电器内部的空间体积是固定的预知的，因此压速率控制模式简单，只要根据试验数据进行参数预设即可。但是在现场，由于继电器内部满油、安装位置高低不同，导致标准装置的气路长短及气路容积均无法确定。在测试中发现，在被校压力突变继电器的气路容腔明显改变后，压速率控制存在一定的偏差，这样就会导致在现场情况改变后的输出压速率不稳定，为此研发组讨论并设计增加了速率校验功能。主要解决预压端预压值误差，电磁阀特性变化，被检压力突变继电器端容积和气路变化对升压速率的影响问题。在使用中，由于校验参数存储在单片机的RAM中，所以在单片机不掉电的情况下，数据始终保持。如果重新上电，再次运行速率校验功能即可。

速率校验功能对压力突变继电器端的速率值进行校验，在进行压力突变检测前进行速率校验，能防止被检的压力突变继电器容积不同对压力速率的影响，是在每次开机后的首项操作。

项目组在不同气路的情况下，针对做速率校准之后进行校验与不做速率校准两种情况进行校验，数据结果如下表2、3。试验时，气路分为两种情况：即继电器充液体（变压器油）及继电器无液体（空气），这两种情况校验回路的气容相差80%，可以代表现场校验时的极端情况。

由表3试验数据可以看到，经过压速率校准后的校验，压速率控制与实际气路影响不大。因此经过压速率校准的装置可以消除由于外部气路改变的影响，可以满足现场校验的要求。

5　尚待解决的问题

由于传感器的不确定度及压速率控制方式导致被检端压力在测量时始终有0.04 kPa左右的波动，这将对控制速度在0.05 kPa/10 ms时造成较大影响。所以在5 kPa/s的压速度控制输出时，速度计算和控制误差比其他测试点大。目前，在计算5 kPa/s的占空比时，采用10 kPa/s和12 kPa/s的占空比进行线性计算，此时实际压速率偏大（可以达到8 kPa/s）。经过试验发现，可以采用节流阀进行限速的方式实现低速控制，待今后研究出更好的方式再进一步改进。目前在实际校验中，只要5个点就可以标定出被检压力突变继电器的动作曲线，因此在目前的实际校验中省略5 kPa/s的校验点，而从10 kPa/s开始。

6　对于压力突变保护及相关工作的建议

根据目前的了解，一般压力突变继电器的校验只在变压器出厂及返厂大修时进行，因此，压力突变继电器的校验工作应尽快开展；对压力突变继电器进行准确校验，可保证压力突变继电器的动作性能，

有利于现场的可靠使用。

为进一步确认压力突变继电器的动作准确性，应结合变压器进行压力突变继电器的使用试验，将各种非电量保护继电器安装于变压器本体，进行变压器人为故障试验，获取故障时各气体继电器的动作特性和灵敏性。研究之间的配合性能，选取合理的配合方式。

变压器投运前和停电进行预防性试验时需对压力突变继电器保护回路进行传动试验，传动信号直接来自压力突变继电器的内部接点；强油循环的变压器，压力突变继电器不应装在靠近出油管的区域，以免在启动和停止油泵时，继电器出现误动作。

[1]DLT 540-1994QJ-25(50,80)型气体继电器检定规程[S].

[2]GB/T 6451-2008三相油浸式电力变压器技术参数要求[S].

[3]W 10021-2005110(66)kV-500kV油浸式变压器(电抗器)运行规范.

[4]李璐，陈正鸣，邝石，等.220 kV变压器气体继电器误动作分析及防范[J].供用电，2008（3）.

[5]杨震勇.《变压器油中溶解气体分析和判断导则》判断变压器故障的探讨[J].变压器，2008（10）.

[6]贺以燕，杨治业.变压器试验技术大全[M].沈阳：辽宁科学技术出版社.

[7]周平，李晓庆，纪志成.变压器内部故障的仿真模型及特性分析[J].江南大学学报，2005（2）.

郑树青（1978-），男，高级工程师，从事抽水蓄能电厂电气一次设备管理工作。

TM407

A

1672-5387（2015）11-0007-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.11.003

2015-07-31