一种变压器瓦斯继电器智能化方案研究及应用

南京力通达电气技术有限公司 谢志迅 周正超 翟志华 朱洋凯 马翔宇 孙 利

随着中国高压电网建设的稳步发展，综合能源管理服务及智能运检已经成为新一轮电力新技术开发应用的方向。目前随着国内特高压变压器投运和在运数量越来越多，不同设备厂家、不同使用年限、不同运行环境下的变压器会有不同的状态差异，对变压器的安全运行，检修维护工作的要求也越来越高。瓦斯继电器是变压器安全运行的重要保护组件，在变压器内部发生故障，如绕组断线、铁芯接地、套管引线故障、匝间和层间短路及绝缘劣化、导线焊接不良或分接开关接触不良、油面下降或漏油等，变压器内部会产生故障气体或造成油流涌动，从而触发继电器动作告警或跳闸，保护变压器设备安全。瓦斯继电器通常安装在变压器顶部和油枕之间的连通管上，为避免气体在管路内流动过程中发生窝气，瓦斯继电器的安装位置应设置有2%～4%的安装坡度[1]。

以典型的法兰盘连接双浮子瓦斯继电器为例，在变压器正常运行期间，变压器油充满于瓦斯继电器内部空间。当变压器内部发生轻微故障（如局部放电或过热故障）时[1-2]，变压器油或固体绝缘材料会随着故障的发生而产生分解，并产生诸如氢气、低分子烃类气体以及一氧化碳、二氧化碳等气体，而这些气体会随着变压器油的对流循环运动至气体继电器处，随着时间的推移，这些气体将在继电器顶部缓慢聚集并形成一定的气体压力，压低油面高度。此时随着油面的降低，浮子下移发生转动，磁铁触发磁簧接点动作发出轻瓦斯报警信号。

当变压器内部发生严重故障（如匝间和层间短路故障）时，故障点处会产生高温电弧，变压器油迅速分解并产生大量的气体，这些气体具有一定的压力并向油枕处运动。而变压器油是具有黏滞性的，气体运动过程中会形成油流并冲击挡板。挡板翻转带动磁铁触发磁簧管接通保护跳闸回路，跳开变压器各侧开关并发出重瓦斯动作信号。

1 常规瓦斯继电器故障原因和处理方法

在实际运行中有多种原因能引起变压器瓦斯保护动作，既有可能是变压器内部故障引起的，也有可能是变压器外部原因造成的：变压器换油或补油时，更换变压器呼吸器内干燥剂时会有空气进入变压器，变压器进行强油循环时密封不良处也会有空气渗入变压器本体；变压器渗漏油导致油位降低；环境温度骤降使变压器油冷缩，油位降低；二次信号回路故障导致信号误动；变压器内部故障。其中非变压器内部故障的情况也经常发生，因此需要对动作原因进行现场辨识[3]。

如果变压器运行过程中收到轻瓦斯告警信号，值班人员应首先监视变压器的油温以及电流、电压的变化，然后立即前往变压器处进行检查：先检查其本体和冷却系统的各个阀门以及管路法兰和螺栓连接处是否存在渗漏油现象；其次观察变压器油枕处油位计的油位指示是否正常，若不正常、判断是否是环境温度骤降造成的；然后检查瓦斯继电器，如瓦斯继电器内并无气体聚集，则检查瓦斯保护信号二次回路是否存在接点短路、直流接地等故障缺陷，直至找出保护动作的原因。如若发现瓦斯继电器内聚集有气体，则应采集瓦斯气体送至化验中心验明气体的性质，然后根据得出的分析结论来选择是采取继续监视运行还是立即停运的处理措施。

如果变压器运行过程中突然收到重瓦斯保护动作跳闸信号，值班人员应立即查看保护报文，了解保护动作的情况，检查故障录波装置上断路器跳闸时变压器各侧电压、电流波形的波动情况；然后去现场检查故障变压器，检查变压器各侧开关是否确已跳开，壳体是否变形、焊缝是否开裂、是否喷油或冒烟，检查油温、油位是否正常，瓦斯保护二次回路是否存在故障，检查继电器内有无气体。如果能确定是由内部故障引发的重瓦斯保护动作，则收集本体油样及瓦斯继电器内聚集气体的气样、油样，分别做气相色谱分析，确定故障类别。

由于瓦斯继电器安装位置较高，为方便专业人员收集继电器内聚集的气体，瓦斯继电器可选配集气盒（图1），集气盒安装在变压器下部距地面1.5～1.7米位置，通过一根铜管和瓦斯继电器连在一起，这样当变压器运行中产生气体、继电器发出报警信号后，可使用集气盒将瓦斯继电器中积聚的气体引至变压器下部，不用登高作业就可带电检测气体继电器中的气体成份了。通常集气盒需要专业人工操作用注射器取气，一个用作离线色谱仪分析气体浓度，一个用做可燃性试验（燃烧法）判断气体成分，从而判断变压器潜在故障：无色无味，不可燃为空气；黑色可燃性气体是变压器铁心接地放电产生的；灰色可燃性气体是变压器绝缘降低，接触不良、放电打火产生的；黄色可燃性气体是变压器内部局部过热产生的。

图1 集气盒结构图

综上，瓦斯继电器及其取气盒为变压器本体提供了一种重要的非电量保护，同时提供了一种可行的故障鉴别方法。但由于该方法需人工操作、存在误操作可能，且在特高压变压器运行环境下，如变压器内部故障发展迅速时，人工带电现场检验气体是非常危险的，因此迫切需要研究一种自动化的瓦斯继电器乙炔监测方案替代人工操作，杜绝人身安全隐患。

2 瓦斯继电器故障气体监测方法

变压器内部故障的有效监测手段通常有绕组温度监测、油中气体含量监测分析、铁心接地电流监测、局部放电监测等，其中应用最普遍的就是油中气体含量监测，这种技术又分为单组份氢气浓度监测，全 组 份（CO、CO2、H2、O2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6）油中气体色谱监测以及全组份油中气体光谱监测。当变压器内部发生故障时，油中产生的气体可被监测出来作为内部故障的诊断依据，IEC已有成熟的诊断标准，如大卫三角、三比值、立方体法等。但这三种油中气体的监测方法在实际应用中还存在一些问题。

油中气体监测装置的采集原理分为油气分离模组和监测模组，其结构复杂，化学及物理部件较多，需要定期调校，导致成本较高和维护工作量较大。且由于监测前需进行脱气步骤，最快要40分钟完成脱气，因此这类监测装置的气体浓度采集时间通常都超过1小时（其中脱气时间40～50分钟，检测时间10～15分钟），为保障机械部件寿命，一般采集间隔最短设定在4小时。

油中气体监测装置的采集原理需带有故障气体的变压器油流经监测装置的位置，而特高压变压器通常体积都较大，内部故障位置不一定就在监测装置附近，因此不能保障任何位置的故障所产生的气体都能够被快速有效监测到，特别是发展较迅速的故障，气体会以气泡形式快速发展，而常规油中气体监测装置采集的是油中溶解气体，反应速度受限。

总体上，对于常规变压器的早期内部故障中发展较慢的故障类型，油中气体监测装置的应用是比较有效的，但对近年新发现的特高压变压器的部分快速发展的故障类别，现有油中气体含量监测技术就有些力不从心。由于变压器内部快速发展的故障通常会产生大量气体，这些故障气体已游离出变压器油、浓度较大，且会较快聚集到套管升高座顶部以及瓦斯继电器内。如能利用集气盒本身的直接取气功能，省去油气分离模组及脱气时间直接对聚集的气体进行成分检测，可实现一种比常规油中气体监测装置更简单快速的测量气体组分的智能监测装置。这种装置可帮助用户更有效的应用瓦斯继电器，保护变压器的运行安全。

瓦斯继电器在变压器内部发生故障时收集到的气体成分主要是氢气、乙炔以及少量其它烃类气体，其中氢气和乙炔的占比最大，且代表了绝大多数的故障类型，都可以作为气体监测对象，特别是乙炔含量的监测一直是变压器内部故障的重点故障特征气体。如能快速检测出瓦斯继电器内部的气体成分就可迅速判断变压器是否有内部故障及其严重程度，是对常规油中溶解气体在线监测装置的极好补充，也是变压器组部件智能化的重要发展方向。

3 智能集气盒设计方案

考虑到瓦斯继电器自身的结构和功能特点，增加气体监测的方案有几个难点：确定要监测的气体类型，氢气和乙炔都是可选项，各有优缺点；气体传感器必须长期可靠运行，现有气体传感器技术都不能够接触到液体和油，否则会失效；瓦斯继电器气体监测装置必须实现自动监测流程，同时维护工作量不能太大，否则失去替代人工的意义；装置的密封和安全性必须保障，不能带来二次故障。根据这些难点，方案设计分为以下三部分。

3.1 传感器选型

瓦斯继电器在变压器内部发生故障时收集到的气体成分主要是氢气、乙炔以及少量其它烃类气体[4-5]，根据变电站运行规程，优选乙炔气体作为监测对象。目前的气体传感器技术主要有：电化学传感器。容易中毒，寿命较短；半导体式气体传感器。需要控温，非线性，寿命长，主要用于在线油色谱；热导式气体传感器。也属于半导体式，线性度较好，应用范围较窄；催化燃烧式气体传感器。精度高，寿命长，需要氢火焰，主要用于离线色谱仪；光学传感器。包括光声光谱，红外光谱等，成本较高，在户外环境下监测精度会有漂移。由于所有的气体传感器都不能接触油，且除了光学传感器都无法单独测量乙炔，如需测量需用载气和色谱柱进行组份分离，体积大，维护工作量也大。根据维护和可靠性需求，选择采用红外光谱作为乙炔监测传感器方案（图2）。

图2 乙炔红外光谱传感器结构图

3.2 装置整体设计

根据瓦斯继电器气体监测装置的功能需求，装置本体有两种实现方法：方法一是在瓦斯继电器上改造结构，增设气路进行气体监测。优点是可直接在瓦斯继电器本体结构上进行改造设计，监测启动信号无需外引，无需改动油路。缺点是改动了继电器本体，且排气部分气路设计复杂，装置检查和校验时仍需要登高作业；方法二是对集气盒进行改造，优点是不影响瓦斯继电器本体保护功能且方便安装和检查，缺点是需实现自动取气排油功能，气路和油路都要改动。

通过研究瓦斯继电器及集气盒的自动排气排油功能的实现可能，最终采用方法二，设计要点包括：通过瓦斯继电器的告警或动作信号启动自动取气、监测、排气、排油流程；通过电磁阀控制实现油路和气路控制，通过串联电磁阀保障油路气路的可靠性和安全性，任何一个电磁阀单独故障都不会引起变压器漏油；智能集气盒中增设泄漏传感器进行实时泄露监测，发现漏油关闭入口的取气电磁阀并报警；采用优化PID算法控制电磁阀，确保不超调；油路和气路分离设计，保障油不会进入气路，从而损坏传感器；传感器及装置定期自检和自校准，保证监测精度的长期稳定；设计废油盒收集排出的废油，废油盒满溢前自动报警提醒检修人员处理，避免污染周边环境（图3）。

图3 智能集气盒功能原理图

3.3 通信接口设计及控制流程设计

为实现装置信息的及时上送和远程监控功能，装置设计有3路有线通信口以及无线通讯信道，支持RS485/GPRS/ LORA通信方式，通信协议可以支持Modbus、T103，亦支持扩展IEC61850协议。

智能集气盒具有自动控制模块，其运行控制详细流程步骤描述如下：(1)装置初始化，通信处理及界面处理；(2)装置自检，判断是否有异常，有异常则报警并进入异常处理、返回步骤1，无异常则进入步骤3；(3)监测取气盒的油位，如没有充满油则进入步骤7，否则进入步骤4；(4)判断瓦斯继电器信号状态，没有则返回步骤1，有告警或动作信号则进入步骤5；(5)自动取气：先打开取气阀、再打开排油阀取气，同时监测取气盒油位，完成取气后关闭排油阀；(6)气体成分监测：开气泵先给传感器换气，切换到检测通道进气，进行乙炔测量和计算，完成后关闭气泵和检测阀；(7)排出剩余气体：打开排气阀，同时监测取气盒油位，油位到顶后关闭排气阀。

综上，智能瓦斯继电器气体监测装置，是一种基于瓦斯继电器集气盒能够进行自动放油、取气、实时监测气体中的乙炔浓度的智能监测装置，并能实现采集数据的有线或无线远传，降低了人为操作的误操作可能及安全风险，进一步完善了目前变压器油中气体在线监测装置的配置方案，提升了变压器的智能化程度和监测安全性。通过样机的试制和实测应用，采用的红外光谱乙炔传感器测量范围为0～10000ppm，测量精度达到±100ppm，设计方案有效可行，取气和气体监测辨识功能稳定，具有进一步研究和推广意义，当然实用中也还有需改进和完善的地方，如在环境温度急剧变化情况下传感器精度的提高和长期稳定性等，还需业内专家们共同研究和推进此类技术和产品的完善和进步。