變壓器消防控制系統(tǒng)可靠性提升技術研究

沈陽工程學院 鐘丹田 武宏宇 李忠義 黃貽僅 田金禾 曲俊東

自2010年以來，我國工業(yè)的發(fā)展也激發(fā)了電力的需求，使得電網(wǎng)規(guī)模以跨越式的方式增長，并且這一增長趨勢仍將繼續(xù)。在發(fā)展的同時也要保證電網(wǎng)的質(zhì)量，而電力設備的安全對于電網(wǎng)運行安全來說是至關重要的，這就對電力設施的消防安全提出了新的更高的要求。

變壓器是變電站的主要電氣設備之一，在變電站中起著決定性的作用。無論是由電力變壓器鐵心產(chǎn)生的高溫、還是變壓器內(nèi)部放電產(chǎn)生的突發(fā)性高溫，一旦變壓器油的溫度高于400℃，就會引起火焰甚至爆炸，造成巨大損失[1]。這一變壓器消防技術于1986年首次由法國引進，30年來這一技術在應用原理和控制技術上有了很大的改進和變化，同時對傳感方式以及控制技術的要求進一步提高。

電力系統(tǒng)中，大容量變壓器多為油浸式電力變壓器，可以說變壓器是變電站的心臟。然而，油浸式電力變壓器總是有著火的危險。排油注氮滅火裝置主要用于大型油浸式變壓器的消防保護，該裝置得啟動方式分為手動啟動和自動啟動兩種。當設置為自動啟動模式時，由于誤操作和拒操作，無法保證運行可靠性，因此運行中的裝置都處于手動狀態(tài)，滅火效果仍有待提高。變壓器消防控制模擬系統(tǒng)包含變壓器模型、滅火柜、信號模擬裝置、滅火柜控制柜等。

1 變壓器消防控制模擬系統(tǒng)研制

1.1 變壓器模型

變壓器模型由4mm 厚鋼板焊接而成，長、寬、高分別為1500mm、1200mm、2000mm，內(nèi)裝變壓器油。油箱三面配有觀察孔，壓力釋放閥安裝于油箱上側(cè)，隔離閥、連接管安裝于壓力釋放閥下方。進行模擬壓力試驗時，可以關閉隔離閥，通過充氣孔給連接管加壓。當油箱內(nèi)壓力突破給定值時壓力釋放閥開始動作，上傳動作信號。當排油裝置排油時斷流閥自動關閉，信號上傳到控制面板發(fā)出報警信號。油箱上安裝有四組火災探測器，四組火災探測器分為兩組、交叉連接，在模擬火災時作為兩組火災信號上傳到控制面板[2]。油箱內(nèi)裝有加熱裝置，以模擬變壓器的實際運行。

1.2 滅火柜

滅火柜包括氮氣瓶、氮氣釋放閥、排油機構(gòu)等。變壓器消防滅火柜屬于滅火裝置的執(zhí)行部件，排油管和注氮管將滅火柜與油箱模型連接。在火災發(fā)生后，接到控制屏的控制信號，先后開啟排油閥排油和注氮閥注氮。

防誤操作機構(gòu)安裝在滅火器箱內(nèi)，防誤操作機構(gòu)銷支架安裝在排油閥手柄下方。在啟動滅火裝置和排油電磁機構(gòu)脫扣之前，防誤機構(gòu)先動作，防誤機構(gòu)支撐銷縮回、排油閥手柄才能在重錘的帶動下動作，否則重錘落下時排油閥打不開。這種防誤操作機構(gòu)和排油啟動電路是兩個獨立的傳輸電路，有效防止了電磁干擾和重錘機構(gòu)機械故障造成的誤操作。打開排油閥的過程中通過機械連桿機構(gòu)，同時打開注氮管路上的隔離球閥，這樣在注氮閥開啟后，氮氣可通過隔離球閥注入變壓器內(nèi)。

滅火柜可通過應急開關緊急啟動滅火，首先推動防誤動機構(gòu)手動操作片向后與磁鐵吸合，撤出防誤支撐銷，然后打開排油機構(gòu)鎖銷啟動手動柄，重鍾掉落，排油閥打開，延時10～20s 后，按下注氮閥手柄打開氮氣釋放閥注氮。注意裝置正常運行時不能隨意觸動緊急啟動手柄。

滅火器箱內(nèi)裝有溫濕度控制器和加熱裝置，以保持滅火器箱正常工作時的溫度和濕度。

1.3 信號模擬裝置

變壓器排油注氮滅火裝置可靠性試驗采用硬件設備與軟件系統(tǒng)相結(jié)合的方式展開。研發(fā)的變壓器排油注氮滅火裝置可靠性試驗箱用來模擬變壓器實際運行時輸入輸出信號以及斷路器輔助觸點，研發(fā)的變壓器排油注氮滅火裝置試驗箱也能產(chǎn)生相應的干擾因素以檢驗變壓器排油注氮滅火裝置是否誤動作或不動作。

圖1 變壓變壓器排油注氮滅火裝置可靠性試驗箱

信號模擬裝置，通過計算機控制繼電器各個觸點的通斷情況，同時通過計算機界面接收變壓器排油注氮系統(tǒng)各個保護裝置動作情況。如圖2所示。

圖2 信號模擬裝置控制系統(tǒng)

1.4 滅火柜控制柜

滅火柜控制柜是滅火裝置的控制部分，通過接收變壓器本體的氣體繼電器和變壓器頂部的火災探測器或泄壓閥的信號，可以接收遠程信號進行遙控啟動，也可以就地手動啟動，或者在斷路器跳閘時自動啟動防爆或滅火[3]。設備的啟動模式可以通過面板上的選擇按鈕來設置。

滅火柜控制柜接到氣體繼電器動作、火災探測器動作、壓力釋放閥動作、斷流閥關閉等系統(tǒng)運行信號及裝置運行狀態(tài)信號時點亮控制屏面板上的相應指示燈，并發(fā)出聲光報警。滅火柜控制柜還可將接收到各種信號，通過非電量觸點上傳給上級監(jiān)測部門。主要報警信號有重瓦斯信號、火災報警1、火災報警2、壓力釋放閥、排油信號、斷路器跳閘信號、斷流閥關信號、油閥開信號、氮閥開信號燈、氮壓低信號、漏油報警信號、檢修閥關信號等信號，以上所有信號都在控制屏面裝有信號燈，另外面板上還有雙電源信號燈、系統(tǒng)投入信號燈、系統(tǒng)退出信號燈遠方運行信號燈、就地運行信號燈、自動運行信號燈、手動運行信號燈等信號燈。控制屏面板上具有遠方、就地選擇開關、手動、停止、自動選擇開關、手動滅火啟動開關、手動確認滅火開關、復歸按鈕、確認消音按鈕等。控制屏可上傳上述報警信號的信息至上位機。

圖3 變壓器排油注氮滅火系統(tǒng)示意圖

2 變壓器消防控制系統(tǒng)可靠性實驗

2.1 變壓器自身故障模擬

通過模擬變壓器模型中，瓦斯動作、火災探測器動作、感溫電纜信號輸出等故障模擬，同時對滅火柜施加振動干擾，消防控制柜施加電磁干擾，驗證滅火系統(tǒng)動作的可靠性和遠方信號上傳的準確性。在變壓器模擬本體對瓦斯繼電器和感溫電纜等信號施加故障源，故障信號直接進入通過電纜進入到控制柜中，同時對滅火柜施加振動干擾，對消防控制柜施加電磁干擾，驗證滅火系統(tǒng)動作的可靠性和遠方信號上傳的準確性[4]。斷路器的閉鎖模擬是通過屏柜上按鈕實現(xiàn)的，采用ABC 三相閉鎖按鈕實現(xiàn)手動閉鎖；可以接受瓦斯動作或漏油動作信號實現(xiàn)自動閉鎖[5]。

2.2 故障信號模擬

通過開發(fā)的變壓器排油注氮滅火裝置試驗箱上位機軟件系統(tǒng)，通過計算機控制繼電器各個觸點的通斷情況，同時通過計算機界面接收變壓器排油注氮系統(tǒng)各個保護裝置動作情況。火災控制輸出信號利用220DC 接入到模擬測試箱中，利用繼電器的開、合狀態(tài)模擬瓦斯、火災、油閥、氮閥等控制。斷路器模擬可以通過模擬試驗箱的干節(jié)點，接入到滅火控制規(guī)定的高、中、低壓端子上，實現(xiàn)手動閉鎖。排油防誤動作和排油注氮輸出，采用單獨220DC 手動控制。變壓器滅火控制柜上傳的信號都采用干節(jié)點接入到試驗模擬箱，模擬箱安裝100ms 采集一次所有信號的動作情況，并在軟件界面中展示。

3 變壓器消防控制系統(tǒng)可靠性提升方案

按照動作邏輯、控制部分這兩個方面提出進一步可靠性提升方法。

3.1 動作邏輯可靠性提升

排油注氮滅火裝置啟動方式動作邏輯是整套滅火系統(tǒng)可靠性保證的關鍵點之一。本次研究對遠方啟動、手動啟動、滅火啟動和防爆啟動幾個方面做了邏輯提升，通過軟件和硬件邏輯門相結(jié)合的方式，對現(xiàn)有的裝置進行邏輯改進。尤其對防爆、防火和滅火進行控制時間的設定，保證了變壓器能夠成功滅火并防止復燃的發(fā)生[6]。

圖4 變壓器消防控制系統(tǒng)動作邏輯圖

3.2 控制機構(gòu)可靠性提升

當消防柜接收到動作信號時，在三秒內(nèi)將排油閥完全打開，進行排油工作。并且在開始排油5秒后將氮氣釋放閥打開，氮氣通過注氮管道進入變壓器油箱。為了改善該裝置動作可靠性，需要一個機械聯(lián)鎖閥在確保只有注氮閥和排油閥同時處于打開狀態(tài)氮氣才會沿著注氮管路進入油箱，這一機械聯(lián)鎖閥需要安裝在注氮閥和排油閥之間來實現(xiàn)此功能。

3.3 監(jiān)測與信號部分提升

漏油監(jiān)測裝置安裝于排油閥的下端，其功能主要是檢查排油閥的密封性是否完好。其工作原理是當監(jiān)測到排油閥漏油時，漏出來的變壓器油通過收油盒流入集油盒，集油盒內(nèi)部安裝有浮球機構(gòu)，當集油盒內(nèi)變壓器油儲存到一定量后，浮球機構(gòu)達到啟動狀態(tài)，浮球開關動作進而發(fā)出漏油報警信號。為了減少由于氮氣泄露導致的輕瓦斯頻繁動作需要在注氮管路上安裝一低泄高封閥，低泄高封閥能夠?qū)⑿孤兜牡獨馀懦鯷7]。當氣體積壓進入變壓器內(nèi)部時會因此瓦斯繼電器動作，因此為了防止這一現(xiàn)象發(fā)生，變壓器上端排氣孔直接與空氣相通，因此當有氣體滲漏時，可以直接排于空氣中。當變壓器排油注氮滅火裝置工作時，高氣壓使上端排氣孔動作堵死，不會在低泄高封閥上排出氣體。低泄高封閥動作壓力在0.1～0.15MPa。氮氣瓶組應具有壓力監(jiān)視表，壓力應不低于7MPa，減壓閥設定壓力為0.5～0.8MPa，氮氣瓶組壓力低于7MPa 時，能將氮氣瓶欠壓信號上傳給消防控制柜。

4 結(jié)語

本文通過分析變壓器典型故障、研制排油注氮滅火模擬系統(tǒng)，通過對故障信號的模擬對變壓器排油注氮滅火系統(tǒng)進行可靠性試驗，同時也對比現(xiàn)場實際情況與本次實驗結(jié)果的不同之處，通過改善變壓器排油注氮滅火裝置的控制結(jié)構(gòu)和動作結(jié)構(gòu)，來改善該裝置動作的可靠性，進而提出變壓器排油注氮滅火系統(tǒng)改造意見。