智能瓦斯繼電器氣體容積在線監測技術研究

王 建，朱文兵，顧朝亮，王學磊

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

大型油浸式電力變壓器作為電力系統中最重要、昂貴的設備，其故障占電力系統事故原因比例高，給電力系統帶來重大影響和危害。

目前瓦斯保護仍然沿用傳統的保護原理，相關技術開展主要集中在氣體繼電器的結構優化方面，如提出了雙浮球式、浮球擋板式、開口杯擋板式等繼電器機構，部分解決了油泵啟停、器箱遭受外力晃動等機械擾動引起的誤動問題［1-3］。

傳統的變壓器非電量數據采集方式為定期到現場抄表和巡檢。主要存在兩大問題：第一是氣體繼電器真實體積的實時數據缺失，使得難以準確判斷變壓器狀況。變壓器本體的輕瓦斯容積、壓力、溫度和液位變化存在監測不及時的情況。據不完全統計，2010—2020 年，國家電網有限公司110 kV 及以上變壓器輕瓦斯誤報警比率為18.7%，由于無法掌握氣體繼電器真實體積，難以甄別誤報警情況，不利于故障及時診斷。第二是設備和人員安全風險。例如某特高壓變電站，在主變壓器輕瓦斯動作時，檢修人員按照規定現場檢查主變壓器氣體繼電器和取氣盒，并對主變壓器本體開展了鐵芯以及夾件接地電流等測試，過程中發生變壓器爆燃，造成嚴重事故［4-6］。本文旨在研究發現電力變壓器潛在性故障，實現油浸式電力變壓器容積值狀態監測，甄別輕瓦斯誤報警情況，從而保障設備和人員安全。

1 工作原理

對于容量為800 kVA 及以上電力變壓器，需要氣體繼電器作為保護。氣體繼電器安裝在變壓器油箱和儲油柜之間的管路上。當發生故障時，絕緣材料因溫度過高，氣體上升到油箱上部，通過管路進入氣體繼電器［7-8］。當聚集氣體超過限定值，氣體繼電器上浮子下降，下降到限定值，觸點磁鐵吸合上浮子，繼電器發出故障信號，即輕瓦斯動作；當變壓器內部發生嚴重故障時，油中形成大量氣體，進而形成高速油流，油流推動繼電器擋板，使觸點磁鐵吸合擋板，繼電器發出分閘信號或斷路器自動跳閘，即重瓦斯動作。輕、重瓦斯保護動作示意圖，分別見圖1和圖2。

圖1 輕瓦斯保護示意圖

圖2 重瓦斯保護示意圖

2 氣體繼電器容積監測方法

2.1 總體方案選擇

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

其中，TDR 和電容式在工程應用中體現出優勢。TDR 技術利用信號在介質傳輸中，如果傳輸路徑上阻抗發生變化，信號將分為兩路，一路發生反射，一路發生折射，通過計算，可以得到阻抗變化位置。該技術的優點在于安裝方便，后期校準可操作性強，環境抗干擾度高，但缺點是價格昂貴，結構復雜，其測量高度一般受限。

電容式測量檢測原理為電容與高度值存在線性關系，從而實現料位高度值測量。因為電容極板之間靜電引力小，作用能量低，并且可動部分可以非常薄，所以其動態響應良好［9-10］。通過式（1）可知，當電容傳感器插入被測介質中，電極浸入介質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原理

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

綜合考慮變壓器應用現場以及氣體繼電器的整體結構設計，采用非導體電容式來檢測氣體繼電器內部液面的變化情況。

2.2 非導電體電容傳感器

非導電體電容式液位計原理是絕緣介質的電容C理論上與液面高度H呈線性關系，通過測量傳感器電容C的變化值，就可以得到液位高度的變化情況。

以簡化的平面電容傳感器為例，對電容式傳感器偏差進行理論計算。當兩個電極同時垂直伸入變壓器油中時，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；ε2為氣體的介電常數；ω為電極的寬度；h1和h2分別為電極在油中和氣體中的長度；h為電極的總長度。

由此可以看出：電容器的電容值，可以通過電極在油中的長度進行推算。如果可以測量電容C，便可以計算出電容器在油中的長度，如式（4）所示。

進一步分析可知，令電容式傳感器檢測產生誤差的因素是電極間物質的介電常數發生變化。情況主要有以下兩種：

1）故障氣體種類發生變化，令ε2改變。氣體繼電器氣體介電常數最小的為氫氣1.000 26，最大的為氮氣1.000 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 范圍內變化，最大將引入0.864%的偏差。

因此，電極間物質的介電常數發生的最大變化量為：0.032%+0.864%=0.896%。結合小型電容傳感器的參數，將0.896%的介電常數最大變化量代入式（4）計算可得，理論上電容式傳感器的計算偏差應不大于0.904%，可以滿足標準要求。

3 容積測試方法及系統設計

3.1 瓦斯保護模塊設計

瓦斯保護模塊可實現氣體繼電器保護功能，主要機構包括浮球、干簧管。浮球材料的選擇依據主要有：1）密封性檢測，內抽真空密封不滲油；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、耐油流沖擊的機械特性。通過篩選，分別對聚丙烯（Polypropylene，PP）材料、尼龍材料、丁腈橡膠（Nitrile Rubber，NBR）材料進行試驗對比，如圖4所示。

圖4 材料選型

通過油浸、高低溫、浮力測試、材料固定強度試驗，尼龍焊接的空心浮球，在72 h油浸試驗后重量無變化，其他測試性能結果也滿足要求，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、下浮球的帶動下開關、閉合，進而控制電路導通與開斷，發出輕瓦斯報警信號或者發出重瓦斯報警信號并作用于跳閘。隨著干簧管開斷次數的增多，其接點將磨損導致電阻增大，其機構性能對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致的故障比例相當高。主要原因有干簧管接點絕緣性能降低、干簧管損壞等。根據JB/T 9647—2014《變壓器用氣體繼電器》，接點壽命試驗是干簧管性能評價的主要手段。通過油浸高低溫、絕緣電阻、耐壓測試，采用壓鉚觸點鎢合金鍍銀方案［14］。

3.2 液位測量模塊設計

電容式液位計測試系統采用4線制，RS485輸出方式，共線的方式進行接線。電容傳感器直接決定氣體繼電器內部液面高度測量結果的準確性。其中，電極表面存在油膜是影響電容器傳感器檢測準確性的最主要因素。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。在實驗室中，分別選取平面式電容傳感器（電極厚0.1 mm、寬8 mm、長14 mm）和雙筒式電容傳感器（內筒直徑5 mm、外筒直徑9 mm、筒壁厚0.1 mm、長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行液面高度測量，對比分析兩種傳感器的測量偏差。由液面高度檢測試驗結果得出，兩種傳感器的檢測最大偏差在液位高度較低時相差不大，當液體逐漸升高時，雙筒式電容傳感器的檢測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，工作原理是在正負探極間存在變壓器油，該電容測量值與液位值有線性關系，采用集成芯片，采集并輸出電容值的電信號［15-17］。

在設計過程中，對液位傳感裝置進行了優化改進，在上下測量孔間雙向十字開槽，槽寬不影響液位測量，且盡量使強度改變不大，重新測試改進后的液位傳感裝置，對比發現傳感器在性能上有提升，達到預設的技術指標要求，滿足實時對油面狀態改變進行狀態監測［18-20］。液位測試原理見圖5，液位測試布置見圖6。

圖5 液位測試原理

圖6 液位測試布置

研究主要設備用到高低溫試驗箱，型號為GDW6005，對氣體繼電器液位監測模塊輸出特性配合驗證測試。高低溫試驗臺技術參數為：溫度范圍-60～150 ℃，溫度波動度不超過±0.5 ℃，溫度均勻度不超過±2 ℃。

3.3 試驗步驟

氣體繼電器液位監控模塊安裝見圖7，智能瓦斯繼電器內氣體容積實時在線監測，按照以下具體步驟進行，氣體容積測試流程見圖8。

圖7 氣體繼電器液位監控模塊

圖8 氣體繼電器內氣體容積測試流程

1）將帶液位傳感的瓦斯繼電器卡裝在繼電器校驗臺上，并正確接線。

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

3）測試在不同環境溫度下（-40 ℃、-25 ℃、0 ℃、25 ℃、40 ℃、60 ℃）液位傳感檢測輸出換算高度與實際高度差異。每組測試10次，取最大值作為結果。

4 試驗驗證

電容式液位傳感器通常安裝固定方式為頂部安裝。當變壓器油箱內有大量氣體產生時，瓦斯繼電器內油位下降，此時液位計會出現變壓器油掛壁的情況，從而影響測量精度。同時，由于傳感器精度對溫度要求較高，所以通過不同液位高度和不同環境溫度的試驗，對提出的液位測量方法進行了驗證。

4.1 不同液位高度試驗驗證

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

表1 同一室溫下不同高度測試數據

通過在同一溫度下，針對不同液位高度進行重復性試驗，計算數據得出，不同液位高度下液位傳感測量最大偏差滿足≤1%。

4.2 不同溫度試驗驗證

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

表2 液位高度15 mm時不同溫度測試數據

表3 液位高度30 mm時不同溫度測試數據

表4 液位高度45 mm時不同溫度測試數據

表5 液位高度70 mm時不同溫度測試數據

通過以上數據可知，液位傳感裝置在0 ℃以下時，測試最大偏差比室溫時略大，分析原因主要是測試數據受到液位傳感裝置變壓器油掛壁現象影響。但由于選用測試系統具備溫度補償的特點，所有最大測試偏差仍在允許范圍內，檢測最大偏差均小于1%，能夠實時對油面狀態改變進行監測。

以上試驗驗證了所提出的液位測量方法精度高，穩定性好，測量最大偏差均可控制在±1%以內，可以滿足JB/T 9647—2014《變壓器用氣體繼電器》中相關規定：氣體繼電器氣體體積刻度最大允許偏差為±10%。

5 結語

非電量信號的獲取精度不高，試驗數據取樣時長較大，難以滿足變壓器狀態快速精確診斷的要求。通過研究，實現了變壓器輕瓦斯氣體容積狀態實時監測，可對瓦斯繼電器內部集聚的氣體進行快速分析，為進一步綜合分析變壓器健康狀態，制定故障診斷策略提供依據。下一步，可針對提高傳感器精度，氣體成分分析與油流速動實時監測等方面開展研究，提出綜合分析策略，提高變壓器故障識別準確率。