排油注氮灭火装置控制系统设计研究

2018-01-12徐晓辉

电气自动化 2017年5期

徐晓辉

(国网上海电力公司检修公司，上海 201900)

0 引言

电力变压器是发电厂和变电站中最重要和最昂贵的一次设备，当前电力行业中绝大部分采用油浸式变压器，变压器箱体内充装着大量的变压器油。变压器长期运行，在过负荷、过电压、接地、短路、绝缘老化、变压器油受潮、油酸解等多种因素的影响下，变压器内部的绝缘可能会被破坏[1]。绝缘击穿引起弧光放电，变压器箱体内局部油温超过燃点，将迅速分解汽化，产生各种高温可燃气体。一旦气体聚集造成内部超压，将导致油箱破裂甚至爆炸，可燃性油气遇明火将迅速燃烧，严重危害电网安全和运行人员的人身安全。

保障变电器的安全运行是电网安全运行的重要组成部分[2-3]。目前，对变压器的保护主要采用电气量保护和瓦斯保护。而对变压器内部故障、绝缘破坏、温度升高等导致的变压器起火、爆炸等恶性事故，采用排油注氮灭火装置是最常用且有效的方式[4-7]。排油注氮装置的可靠性，是保障变压器安全稳定运行的重要组成部分。装置既不能在变压器正常运行时发生误动，也不能在发生火灾或压力骤升导致爆炸时拒动。合理设计排油注氮装置的控制系统，是保障装置可靠运行的关键。

现有大量文献对排油注氮装置本身的工作原理[7-8]、施工建设[9-10]、运行维护[11]进行了研究，对装置控制系统设计的研究较少。本文将重点介绍排油注氮装置控制系统设计的要点，并对装置自动启动逻辑的设计进行探讨。

1 排油注氮装置工作原理

排油注氮灭火装置主要由控制系统、断流阀、排油管路、注氮管路等组成。断流阀安装于油枕与瓦斯继电器之间的管路上，当油流突然变大时自动关闭。排油管路连接于油箱上部，通过导油管与事故油坑相连，系统的排油泄压由串接在排油管路中的排油阀控制。注氮管路连接高压氮气瓶和油箱底部，管路在油箱内部设置多个注氮孔，通过氮气释放阀控制从变压器底部注入氮气。

当变压器有火灾或爆炸危险时，控制系统通过采集信息判断排油注氮装置需要启动。装置启动后首先开启排油阀，油箱中变压器油通过排油管路排往事故油池，油箱中油位下降，断流阀自动关闭，油枕不再向变压器供油。再经过一段时延后，控制系统再开启氮气释放阀，将氮气瓶中氮气充入油箱中，与变压器油充分混合，降低油温，避免发生火灾，降低事故影响。其工作流程如图1所示。

图1 排油注氮装置工作流程

排油注氮装置的主要功能为防止变压器发生火灾和爆炸恶性事故，超压启动和高温火灾启动为两种主要的装置启动方式。超压以压力探测器测量压力值作为判据，高温火灾以温感火灾探测器探测结果为主要判据。同时，火灾和爆炸恶性事故主要由变压器内部故障引发，在此情况下，主变重瓦斯保护将会动作，主变各侧断路器将跳开。因此，主变重瓦斯保护动作、三侧断路器跳开也是装置启动的必要条件。装置的自动启动采用“三要素”进行判断，即“超压+主变重瓦斯保护动作+三侧断路器跳开”或“高温+主变重瓦斯保护动作+三侧断路器跳开”。

2 控制系统设计

2.1 双重化控制系统设计

正常工作时，控制系统需要采集主变的实时运行信息以判断排油注氮装置是否需要启动。为了保证装置的可靠动作，可以采用控制双重化的设计方式。即通过两路控制系统分别对采集的数字量与模拟量信息进行分析，进行启动逻辑判断，任何一路控制系统发出启动信号，则装置可靠启动，对变压器进行保护。

以上双重化控制系统可以保证在发生事故时，装置可靠动作，然而控制电源是装置正常运行的基础。类比保护的双重化设计，排油注氮装置控制电源也可以采用双重化设计。排油注氮装置控制电源一般由直流电源提供，可以考虑由变电站内两路直流电源屏分别向两路控制系统供电，两路直流电源来自不同的直流母线，实现完全意义的控制双重化。

除“自动启动”控制之外，排油注氮装置还设置“手动启动”功能。“手动启动”具有最高优先级，可以保证在自动控制系统出现拒动的情况下，无条件由人工启动装置，当装置处于“自动启动”状态时，手动启动仍然有效，对于无人值守站，手动启动还应具有遥控操作功能。此外，装置还可以通过机械应急进行启动，通过直接打开排油阀门和注氮阀门进行灭火。

以上双重化控制系统设计架构如图2所示。

图2 双重化控制系统设计架构

其中DC1、DC2分别代表两路控制直流；K1、K2为“自动启动”选择开关，合上代表自动启动；SW1、SW2为手动启动开关，紧急时可跳过自动启动逻辑，直接启动装置。选择机械启动则完全避开控制系统的启动条件，直接启动装置。

2.2 自动启动逻辑设计

正常运行时，装置一般处于自动启动状态，自动启动逻辑是控制系统设计的关键，也是装置可靠运行的关键。采用“三要素”作为排油注氮装置启动的判据，将大大提高装置动作的可靠性，避免单一的压力测量与感温探测造成装置的误动。然而，在主变发生内部故障，重瓦斯保护动作时，正常情况下，“重瓦斯动作”与“主变三侧断路器跳开”将同时可靠满足。此时，压力测量和感温探测将成为判定装置是否启动的唯一判据。因此，保证压力探测和感温探测的正确动作也是排油注氮装置可靠动作的重要考虑因素。

2.2.1高温判据设计

高温主要由装设在变压器顶部的温感火灾探测器探测。探测器不直接反映油箱内部温度，而是通过探测油箱顶部温度进行高温判断，探测器一般由高强度易熔合金探头制作，动作温度在135 ℃±7 ℃。只有当变压器油箱内部温度达到一定高温甚至燃烧时，温感火灾探测器才会动作。

图3 超温动作逻辑

为了保证探测的全面性和可靠性，可以在变压器顶部多点装设探测器，任何一处探测器动作都将启动排油注氮装置。同时，为了避免探测器的动作偏差，可以在每一点处装设两组探测器，只有当两组探测器同时动作时，才判定该处探测器动作。以上判断逻辑如图3所示。

2.2.2超压判据改进

图4 油箱压力变化曲线示意图

变压器油箱内部超压的判断，目前主要采用压力值超过阀值的单一判据，如图4(a)所示，当变压器油箱压力P(t)超过阀值P1时，即认为满足排油注氮装置动作的压力条件。然而在实际运行中，由于变压器瓦斯保护动作、冷却器开启、压力释放阀打开等因素的影响，在发生内部故障后，P(t)并不一定是持续变大的，在图4(b)所示情况下，P(t)在达到阀值P1后即开始下降，不会发生变压器超压爆裂等恶性事故，然而排油注氮装置将在t1时刻可靠动作，使得事故处理变得更为复杂。

由于压力超过阀值的单一判据，不能反映压力变化的变化趋势，因此在实际应用中难以适应不同的压力变化情况，可以引入压力变化加速度ap，共同作为排油注氮装置启动的超压判据。其中ap=dVp/dt，Vp=dP/dt。

图5 超压动作逻辑

可以设置排油注氮超压启动值P1′(P1′

图6 不同油箱压力及加速度变化情况示意图

实际运行中，针对图6所示P1(t)、P2(t)、P3(t)、P4(t)四种压力变化情况，P1(t)和P2(t)同时满足P(t)≥P1且a(t)≥0，超压判据出口，结合主变重瓦斯保护动作、三侧断路器跳闸两大要素，排油注氮装置将可靠启动。P3(t)满足P(t)≥P1，但a(t)<0，然而在P(t)到达P1后，经延时tp2，仍然满足P(t)≥P1，超压判据出口。P4(t)变化趋势与P3(t)相似，满足P(t)≥P1，同时a(t)<0，但是在P(t)到达P1后，经延时tp2，P(t)成功衰减到P1以下，则超压判据返回，此时排油注氮装置不会动作，主变也不存在爆炸的危险。