變壓器呼吸器微機控制系統的研究與應用

曾 威 劉文平 梁景明 肖 星 陳偉雄

（南方電網廣東中山供電局）

0 引言

油浸式變壓器本體油溫度變化導致其熱脹冷縮，使變壓器油枕膠囊里的空氣與外界空氣產生氣壓差，當變壓器油溫度降低時，氣壓差作用下外界空氣經過呼吸器硅膠干燥后進入油枕膠囊[1-3]。呼吸器硅膠吸收水分后會失效變色，按變壓器運行管理規范要求，當硅膠變色超過2/3 以上時必須更換，以確保其干燥吸潮能力滿足運行需求[4]?，F有變壓器呼吸器運維主要存在維護工作費時費力、頻繁拆裝呼吸器容易造成密封不良、呼吸器更換過程容易吸入未過濾空氣、缺乏狀態監測告警功能的問題。

因此，加強對變壓器呼吸器的研究，增加呼吸器狀態監測告警功能，減少呼吸器的維護工作，對于變壓器的穩定運行具有十分重要的意義。

近年來，國內對變壓器呼吸器開展了相應的研究。文獻[5] 設計了一種變壓器呼吸器在線監測系統，實現了在線監測呼吸器狀態的功能。文獻[6]提出了一種變壓器呼吸器缺陷智能識別方法，利用呼吸器正常與受潮時的顏色不同進行圖像識別。文獻[7]通過改造呼吸器油封杯的結構，減少了呼吸器的維護次數。文獻[8]設計了一種變壓器呼吸器硅膠更換平臺，有效縮短了硅膠更換時間。文獻[9]設計了一種易維護的變壓器呼吸器，硅膠更換時免拆卸呼吸器。但是這些研究多是聚焦于變壓器呼吸器結構改造、缺陷識別、在線監測等方面，針對變壓器呼吸器微機控制系統的研究未有涉及，現有技術不能實時監測變壓器呼吸器狀態，及時準確地發現呼吸器受潮缺陷。

為解決上述問題，本文集成應用雙硅膠罐自動輪換控制技術、閥門切換閉鎖控制技術、恒溫加熱技術、溫濕度監測及故障報警技術，提出并研制了變壓器呼吸器微機控制系統，實現呼吸器硅膠狀態、膠囊側管道空氣濕度自動在線監測及硅膠自動加熱干燥再生功能，提高呼吸器運維效率，及時發現呼吸器受潮缺陷，保障變壓器安全可靠運行。

1 變壓器呼吸器微機控制系統的結構與功能設計

1.1 系統結構設計

變壓器呼吸器微機控制系統結構主要包含可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），溫濕度傳感器、閥門1、閥門2、加熱棒、指示燈、液晶顯示器等部件，系統結構設計如圖1 所示，設計圖如圖2 所示。兩個呼吸器硅膠罐內均裝有藍色可再生變色硅膠顆粒，主要原理是通過兩個閥門來切換兩個硅膠罐的投入，并對退出的硅膠罐內的硅膠顆粒進行加熱再生，達到免更換變壓器呼吸器硅膠顆粒的效果，從而大大降低變壓器呼吸器的維護工作量，提高了電網的安全可靠性。

圖1 變壓器呼吸器微機控制系統結構

圖2 變壓器呼吸器設計圖

1.2 功能設計

變壓器呼吸器微機控制系統通過監測油枕管道的溫濕度判斷運行中的硅膠顆粒是否失效，然后通過切換控制兩個閥門實現AB 硅膠罐輪換工作和加熱再生。其主要功能如下：

1）在線監測、告警功能。系統實時在線監測變壓器呼吸器兩個硅膠罐的溫濕度及油枕管道的溫濕度信息，對采集到的溫濕度數據判斷是否超過設定的定值。系統實時監測運行狀態的溫濕度信息、控制輸出信息及設備告警異常數據，并顯示在液晶顯示器界面上。

2）雙閥門邏輯互鎖控制策略。PLC 控制邏輯中設定了閥門1 和閥門2 之間的互相閉鎖邏輯，即閥門1 打開后才能關閉閥門2。防止兩個閥門同時關閉導致變壓器呼吸器無法呼吸。

3）定值管理。系統具有溫濕度定值設定、現場修改、遠程下載與查看、定值導出打印、現場微機調試等功能?，F場通過USB 接口與筆記本電腦連接即可實現對PLC 控制器的定值修改與查看，也可以模擬其運行狀態。

4）自動生成呼吸器狀態監測報告。系統可以將已設定時間段內的狀態數據、告警數據、切換次數、加熱數據一鍵生成狀態運行報告，方便運維人員對呼吸器的狀態進行分析，以及對硅膠顆粒的干燥能力做出準確的判斷。

5）歷史數據查詢。系統自帶的儲存芯片可以保存AB 硅膠罐和油枕管道的歷史溫濕度數據、加熱棒的歷史加熱數據、閥門切換動作數據、裝置告警數據等。方便運維人員對系統歷史運行狀況進行分析。

6）智能分析應用。系統對采集的油枕管道里的歷史溫濕度數據進行分析比較，計算出最佳的閥門切換以及加熱再生的最常時間段并自動調整控制輸出策略。有效避免閥門切換以及加熱過程中出現的堵塞和濕氣倒吸的情況發生。

2 變壓器呼吸器微機控制系統關鍵技術

2.1 雙硅膠罐自動輪換控制技術

變壓器呼吸器微機控制系統能實現雙硅膠室輪換使用功能，當運行中硅膠室硅膠需要加熱干燥再生時裝置自動將其退出運行，利用硅膠加熱干燥再生技術對退出運行的硅膠進行加熱，實現硅膠在線加熱干燥再生而循環利用的功能，消除傳統呼吸器硅膠只能一次性使用及需要定期更換的缺點。同時將另一硅膠室硅膠投入運行，確保任何時候變壓器油枕膠囊均可帶干燥的呼吸器硅膠運行。

當硅膠罐A 濕度超標失效，主變油枕的濕度傳感器檢測空氣濕度超標即變壓器油枕管道的濕度（Relative Humidity，RH）＞k% 時（k 為設定的正常運行時濕度定值），且同時必須滿足呼吸器硅膠罐B 的RH＜27%，即呼吸器硅膠罐B 干燥能力正常。先打開管道閥門2，讓其正常呼氣吸氣。同時自動關閉管道閥門1，然后控制硅膠罐A 的加熱棒進行加熱再生。當變壓器油枕管道的RH＞k%，且硅膠罐B 的RH＞27%，呼吸器閥門無法自動切換時，裝置發出告警，經人工確認后，可以通過遠程強制切換閥門，投入硅膠罐B，確保變壓器呼吸器的干燥能力，控制邏輯如圖3 所示。

圖3 變壓器呼吸器微機控制邏輯圖

2.2 閥門切換閉鎖控制技術

變壓器呼吸器微機控制系統采用閥門切換閉鎖控制技術，當呼吸器運行中硅膠室與膠囊側管道之間的閥門打開時，系統自動關閉備用硅膠室與膠囊側管道之間的閥門。系統還設計加熱閉鎖功能，呼吸器硅膠室僅在轉為備用狀態后方可對其硅膠進行加熱干燥再生，再生過程中系統自動關閉備用硅膠室與膠囊側管道之間的閥門，防止加熱硅膠時產生的濕氣進入膠囊。

在閥門切換控制過程中，當管道閥門2 開啟后才關閉閥門1。控制器對兩個閥門設計了嚴格的電氣互鎖邏輯，防止兩個閥門同時關閉導致變壓器油枕膠囊無法正常呼吸。當其中一個閥門開啟時，對應的切換指示燈綠燈亮，系統提示運維人員指示燈所對應的呼吸器硅膠罐處于呼吸工作狀態。相反，當閥門關閉時，指示燈紅燈亮。

2.3 恒溫加熱技術

變壓器呼吸器微機控制系統控制中的溫度系數（Positive Temperature Coefficient，PTC）溫控加熱模塊按設定的溫度對硅膠室中的硅膠進行加熱干燥再生，防止加熱溫度過高損壞硅膠及呼吸器，保障裝置安全運行。

當閥門1 關閉后，硅膠罐A 的空氣將無法進入變壓器油枕管道，有效防止硅膠罐A 加熱產生的水蒸氣進入變壓器油枕，如圖2 所示。加熱原理是通過插入硅膠中的6 根10mm 直徑的管狀加熱棒對其罐內硅膠顆粒進行加熱。加熱棒插入硅膠罐后插入底部的固定陶瓷卡槽，防止加熱棒松動。6 根管狀加熱棒可以增大對硅膠顆粒的受熱接觸面積，從而使硅膠顆粒更加均勻受熱，防止局部溫度過熱導致硅膠顆粒碎裂。變壓器呼吸器干燥硅膠顆粒的主要成分是SiO2，變色藍色硅膠加熱溫度一般不得高于120℃。系統將加熱溫度設置在70～85℃為最佳溫度值，并設計120℃溫控保護電路。通過設定較低的加熱溫度來達到延長硅膠顆粒的使用壽命，也可以通過控制面板的按鍵或者遠程設定加熱溫度和加熱時間。系統采用緩慢加熱的硅膠再生模式，可以根據需要設定70℃/3h 緩慢加熱模式，或83℃/3h 較快加熱模式。由于硅膠顆粒有一定的隔熱能力，插在中間的溫度傳感器檢測到的溫濕度數值有一定延時。溫度控制程序中對溫度數值的判斷加入了延時等待保護子程序，即在加熱到一定時間時，經延時時間定值后開始溫濕度數據的監測與校驗。如圖3 所示，當將硅膠罐加熱到濕度RH＜20%時，硅膠再生完成，停止加熱，通過余熱繼續干燥硅膠顆粒。

2.4 溫濕度監測及故障報警技術

系統使用高精度溫濕度傳感器采集呼吸器膠囊側管道空氣及雙硅膠室內空氣的溫濕度，并顯示實時采樣值。當膠囊側管道空氣或運行中硅膠室空氣的濕度值超過設定空氣濕度上限值時，說明運行中硅膠室硅膠已受潮，裝置自動將其退出運行后進行硅膠加熱干燥再生，并將已干燥的另一硅膠室切換至運行狀態。當系統檢測備用硅膠室空氣濕度大于設定空氣濕度上限值，說明備用硅膠室的硅膠已受潮，自動對備用硅膠室的硅膠進行加熱干燥再生，確保備用硅膠室的硅膠狀態良好。

具體是在6 根加熱棒的中間安裝有一個15mm直徑87mm 長的金屬防水型溫濕度傳感器，其中溫度測量精度為±0.3℃，濕度精度為±3%RH，濕度傳感器測量范圍為0%RH～100%RH，溫度分辨率為0.01℃，濕度分辨率為0.1%RH。將溫濕度數據傳輸至控制器，由控制器將溫濕度數據上送至變電站主控室后臺系統。后臺系統通過數據網絡將變壓器呼吸器實時溫濕度數據發送至值班人員手機，或者在定期檢修維護時在控制器上查看實時的溫濕度數據。

系統設置自檢功能，當檢測到呼吸器膠囊側管道空氣濕度超標、裝置失電、切換裝置故障、PTC 溫控加熱模塊故障時，自動輸出硬接點告警信號到后臺監控機，便于運行人員及時發現變壓器呼吸器缺陷。

3 應用實例

本文研制的變壓器呼吸器微機控制系統已應用于某220kV 變電站，在#1 主變本體安裝了一套呼吸器設備，實現了對呼吸器溫濕度的實時在線監測、控制、預警功能。

運維人員通過該系統可查看實時數據，提高了變壓器呼吸器巡視維護的工作效率。圖4 為變壓器呼吸器微機控制系統實時采集界面，通過該界面可直接顯示呼吸器A、B 硅膠罐的溫濕度數據、硅膠加熱運行狀況、環境溫濕度。

圖4 微機控制系統實時采集界面

運維人員通過該系統設置“手動/自動”閥門切換、“手動/自動”倉室加熱切換、互換時間、加熱時間，查看雙硅膠罐運行及加熱情況，以便了解各硅膠罐的運行狀況，圖5 為系統“手動/自動”設置界面。

圖5 微機控制系統“手動/自動”設置界面

運維人員在系統參數界面可手動設置時間、溫度報警、濕度報警、A/B 室除濕參數，也可按格式文件導入、導出參數，方便運維人員編制、校核、修改參數，圖6 為系統參數設置界面。

圖6 微機控制系統參數設置界面

運維人員通過查看變壓器呼吸器某次啟動加熱功能前后濕度變化曲線，可以看出啟動加熱棒后濕度迅速下降，加熱棒停止工作后的濕度變化平穩，硅膠的吸濕能力較強，如圖7 所示。

圖7 濕度變化曲線

該變壓器呼吸器微機控制系統投運后，實現了呼吸器硅膠狀態、膠囊側管道空氣濕度自動在線監測及硅膠自動加熱干燥再生功能。該系統可代替人工巡檢，提升變壓器呼吸器運維質量，延長呼吸器的使用壽命，并能快速準確發現呼吸器受潮缺陷，確保了變壓器安全可靠運行。

4 結束語

本文研制的變壓器呼吸器微機控制系統，可在線監測變壓器呼吸器硅膠狀態并對硅膠加熱干燥再生，提升變壓器呼吸器運維技術水平，大大提高硅膠的使用效率，減少呼吸器硅膠更換工作量，減輕運行人員的工作負擔。