一種變壓器瓦斯繼電器智能化方案研究及應用

南京力通達電氣技術有限公司 謝志迅 周正超 翟志華 朱洋凱 馬翔宇 孫 利

隨著中國高壓電網建設的穩步發展，綜合能源管理服務及智能運檢已經成為新一輪電力新技術開發應用的方向。目前隨著國內特高壓變壓器投運和在運數量越來越多，不同設備廠家、不同使用年限、不同運行環境下的變壓器會有不同的狀態差異，對變壓器的安全運行，檢修維護工作的要求也越來越高。瓦斯繼電器是變壓器安全運行的重要保護組件，在變壓器內部發生故障，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、導線焊接不良或分接開關接觸不良、油面下降或漏油等，變壓器內部會產生故障氣體或造成油流涌動，從而觸發繼電器動作告警或跳閘，保護變壓器設備安全。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流動過程中發生窩氣，瓦斯繼電器的安裝位置應設置有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，在變壓器正常運行期間，變壓器油充滿于瓦斯繼電器內部空間。當變壓器內部發生輕微故障（如局部放電或過熱故障）時[1-2]，變壓器油或固體絕緣材料會隨著故障的發生而產生分解，并產生諸如氫氣、低分子烴類氣體以及一氧化碳、二氧化碳等氣體，而這些氣體會隨著變壓器油的對流循環運動至氣體繼電器處，隨著時間的推移，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。此時隨著油面的降低，浮子下移發生轉動，磁鐵觸發磁簧接點動作發出輕瓦斯報警信號。

當變壓器內部發生嚴重故障（如匝間和層間短路故障）時，故障點處會產生高溫電弧，變壓器油迅速分解并產生大量的氣體，這些氣體具有一定的壓力并向油枕處運動。而變壓器油是具有黏滯性的，氣體運動過程中會形成油流并沖擊擋板。擋板翻轉帶動磁鐵觸發磁簧管接通保護跳閘回路，跳開變壓器各側開關并發出重瓦斯動作信號。

1 常規瓦斯繼電器故障原因和處理方法

在實際運行中有多種原因能引起變壓器瓦斯保護動作，既有可能是變壓器內部故障引起的，也有可能是變壓器外部原因造成的：變壓器換油或補油時，更換變壓器呼吸器內干燥劑時會有空氣進入變壓器，變壓器進行強油循環時密封不良處也會有空氣滲入變壓器本體；變壓器滲漏油導致油位降低；環境溫度驟降使變壓器油冷縮，油位降低；二次信號回路故障導致信號誤動；變壓器內部故障。其中非變壓器內部故障的情況也經常發生，因此需要對動作原因進行現場辨識[3]。

如果變壓器運行過程中收到輕瓦斯告警信號，值班人員應首先監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行檢查：先檢查其本體和冷卻系統的各個閥門以及管路法蘭和螺栓連接處是否存在滲漏油現象；其次觀察變壓器油枕處油位計的油位指示是否正常，若不正常、判斷是否是環境溫度驟降造成的；然后檢查瓦斯繼電器，如瓦斯繼電器內并無氣體聚集，則檢查瓦斯保護信號二次回路是否存在接點短路、直流接地等故障缺陷，直至找出保護動作的原因。如若發現瓦斯繼電器內聚集有氣體，則應采集瓦斯氣體送至化驗中心驗明氣體的性質，然后根據得出的分析結論來選擇是采取繼續監視運行還是立即停運的處理措施。

如果變壓器運行過程中突然收到重瓦斯保護動作跳閘信號，值班人員應立即查看保護報文，了解保護動作的情況，檢查故障錄波裝置上斷路器跳閘時變壓器各側電壓、電流波形的波動情況；然后去現場檢查故障變壓器，檢查變壓器各側開關是否確已跳開，殼體是否變形、焊縫是否開裂、是否噴油或冒煙，檢查油溫、油位是否正常，瓦斯保護二次回路是否存在故障，檢查繼電器內有無氣體。如果能確定是由內部故障引發的重瓦斯保護動作，則收集本體油樣及瓦斯繼電器內聚集氣體的氣樣、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，為方便專業人員收集繼電器內聚集的氣體，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，通過一根銅管和瓦斯繼電器連在一起，這樣當變壓器運行中產生氣體、繼電器發出報警信號后，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，不用登高作業就可帶電檢測氣體繼電器中的氣體成份了。通常集氣盒需要專業人工操作用注射器取氣，一個用作離線色譜儀分析氣體濃度，一個用做可燃性試驗（燃燒法）判斷氣體成分，從而判斷變壓器潛在故障：無色無味，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、放電打火產生的；黃色可燃性氣體是變壓器內部局部過熱產生的。

圖1 集氣盒結構圖

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，同時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行環境下，如變壓器內部故障發展迅速時，人工帶電現場檢驗氣體是非常危險的，因此迫切需要研究一種自動化的瓦斯繼電器乙炔監測方案替代人工操作，杜絕人身安全隱患。

2 瓦斯繼電器故障氣體監測方法

變壓器內部故障的有效監測手段通常有繞組溫度監測、油中氣體含量監測分析、鐵心接地電流監測、局部放電監測等，其中應用最普遍的就是油中氣體含量監測，這種技術又分為單組份氫氣濃度監測，全 組 份（CO、CO2、H2、O2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6）油中氣體色譜監測以及全組份油中氣體光譜監測。當變壓器內部發生故障時，油中產生的氣體可被監測出來作為內部故障的診斷依據，IEC已有成熟的診斷標準，如大衛三角、三比值、立方體法等。但這三種油中氣體的監測方法在實際應用中還存在一些問題。

油中氣體監測裝置的采集原理分為油氣分離模組和監測模組，其結構復雜，化學及物理部件較多，需要定期調校，導致成本較高和維護工作量較大。且由于監測前需進行脫氣步驟，最快要40分鐘完成脫氣，因此這類監測裝置的氣體濃度采集時間通常都超過1小時（其中脫氣時間40～50分鐘，檢測時間10～15分鐘），為保障機械部件壽命，一般采集間隔最短設定在4小時。

油中氣體監測裝置的采集原理需帶有故障氣體的變壓器油流經監測裝置的位置，而特高壓變壓器通常體積都較大，內部故障位置不一定就在監測裝置附近，因此不能保障任何位置的故障所產生的氣體都能夠被快速有效監測到，特別是發展較迅速的故障，氣體會以氣泡形式快速發展，而常規油中氣體監測裝置采集的是油中溶解氣體，反應速度受限。

總體上，對于常規變壓器的早期內部故障中發展較慢的故障類型，油中氣體監測裝置的應用是比較有效的，但對近年新發現的特高壓變壓器的部分快速發展的故障類別，現有油中氣體含量監測技術就有些力不從心。由于變壓器內部快速發展的故障通常會產生大量氣體，這些故障氣體已游離出變壓器油、濃度較大，且會較快聚集到套管升高座頂部以及瓦斯繼電器內。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間直接對聚集的氣體進行成分檢測，可實現一種比常規油中氣體監測裝置更簡單快速的測量氣體組分的智能監測裝置。這種裝置可幫助用戶更有效的應用瓦斯繼電器，保護變壓器的運行安全。

瓦斯繼電器在變壓器內部發生故障時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，且代表了絕大多數的故障類型，都可以作為氣體監測對象，特別是乙炔含量的監測一直是變壓器內部故障的重點故障特征氣體。如能快速檢測出瓦斯繼電器內部的氣體成分就可迅速判斷變壓器是否有內部故障及其嚴重程度，是對常規油中溶解氣體在線監測裝置的極好補充，也是變壓器組部件智能化的重要發展方向。

3 智能集氣盒設計方案

考慮到瓦斯繼電器自身的結構和功能特點，增加氣體監測的方案有幾個難點：確定要監測的氣體類型，氫氣和乙炔都是可選項，各有優缺點；氣體傳感器必須長期可靠運行，現有氣體傳感器技術都不能夠接觸到液體和油，否則會失效；瓦斯繼電器氣體監測裝置必須實現自動監測流程，同時維護工作量不能太大，否則失去替代人工的意義；裝置的密封和安全性必須保障，不能帶來二次故障。根據這些難點，方案設計分為以下三部分。

3.1 傳感器選型

瓦斯繼電器在變壓器內部發生故障時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]，根據變電站運行規程，優選乙炔氣體作為監測對象。目前的氣體傳感器技術主要有：電化學傳感器。容易中毒，壽命較短；半導體式氣體傳感器。需要控溫，非線性，壽命長，主要用于在線油色譜；熱導式氣體傳感器。也屬于半導體式，線性度較好，應用范圍較窄；催化燃燒式氣體傳感器。精度高，壽命長，需要氫火焰，主要用于離線色譜儀；光學傳感器。包括光聲光譜，紅外光譜等，成本較高，在戶外環境下監測精度會有漂移。由于所有的氣體傳感器都不能接觸油，且除了光學傳感器都無法單獨測量乙炔，如需測量需用載氣和色譜柱進行組份分離，體積大，維護工作量也大。根據維護和可靠性需求，選擇采用紅外光譜作為乙炔監測傳感器方案（圖2）。

圖2 乙炔紅外光譜傳感器結構圖

3.2 裝置整體設計

根據瓦斯繼電器氣體監測裝置的功能需求，裝置本體有兩種實現方法：方法一是在瓦斯繼電器上改造結構，增設氣路進行氣體監測。優點是可直接在瓦斯繼電器本體結構上進行改造設計，監測啟動信號無需外引，無需改動油路。缺點是改動了繼電器本體，且排氣部分氣路設計復雜，裝置檢查和校驗時仍需要登高作業；方法二是對集氣盒進行改造，優點是不影響瓦斯繼電器本體保護功能且方便安裝和檢查，缺點是需實現自動取氣排油功能，氣路和油路都要改動。

通過研究瓦斯繼電器及集氣盒的自動排氣排油功能的實現可能，最終采用方法二，設計要點包括：通過瓦斯繼電器的告警或動作信號啟動自動取氣、監測、排氣、排油流程；通過電磁閥控制實現油路和氣路控制，通過串聯電磁閥保障油路氣路的可靠性和安全性，任何一個電磁閥單獨故障都不會引起變壓器漏油；智能集氣盒中增設泄漏傳感器進行實時泄露監測，發現漏油關閉入口的取氣電磁閥并報警；采用優化PID算法控制電磁閥，確保不超調；油路和氣路分離設計，保障油不會進入氣路，從而損壞傳感器；傳感器及裝置定期自檢和自校準，保證監測精度的長期穩定；設計廢油盒收集排出的廢油，廢油盒滿溢前自動報警提醒檢修人員處理，避免污染周邊環境（圖3）。

圖3 智能集氣盒功能原理圖

3.3 通信接口設計及控制流程設計

為實現裝置信息的及時上送和遠程監控功能，裝置設計有3路有線通信口以及無線通訊信道，支持RS485/GPRS/ LORA通信方式，通信協議可以支持Modbus、T103，亦支持擴展IEC61850協議。

智能集氣盒具有自動控制模塊，其運行控制詳細流程步驟描述如下：(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，有異常則報警并進入異常處理、返回步驟1，無異常則進入步驟3；(3)監測取氣盒的油位，如沒有充滿油則進入步驟7，否則進入步驟4；(4)判斷瓦斯繼電器信號狀態，沒有則返回步驟1，有告警或動作信號則進入步驟5；(5)自動取氣：先打開取氣閥、再打開排油閥取氣，同時監測取氣盒油位，完成取氣后關閉排油閥；(6)氣體成分監測：開氣泵先給傳感器換氣，切換到檢測通道進氣，進行乙炔測量和計算，完成后關閉氣泵和檢測閥；(7)排出剩余氣體：打開排氣閥，同時監測取氣盒油位，油位到頂后關閉排氣閥。

綜上，智能瓦斯繼電器氣體監測裝置，是一種基于瓦斯繼電器集氣盒能夠進行自動放油、取氣、實時監測氣體中的乙炔濃度的智能監測裝置，并能實現采集數據的有線或無線遠傳，降低了人為操作的誤操作可能及安全風險，進一步完善了目前變壓器油中氣體在線監測裝置的配置方案，提升了變壓器的智能化程度和監測安全性。通過樣機的試制和實測應用，采用的紅外光譜乙炔傳感器測量范圍為0～10000ppm，測量精度達到±100ppm，設計方案有效可行，取氣和氣體監測辨識功能穩定，具有進一步研究和推廣意義，當然實用中也還有需改進和完善的地方，如在環境溫度急劇變化情況下傳感器精度的提高和長期穩定性等，還需業內專家們共同研究和推進此類技術和產品的完善和進步。