变压器消防控制系统可靠性提升技术研究

2022-05-28沈阳工程学院钟丹田武宏宇李忠义黄贻僅田金禾曲俊东

电力设备管理 2022年8期

沈阳工程学院钟丹田武宏宇李忠义黄贻僅田金禾曲俊东

自2010年以来，我国工业的发展也激发了电力的需求，使得电网规模以跨越式的方式增长，并且这一增长趋势仍将继续。在发展的同时也要保证电网的质量，而电力设备的安全对于电网运行安全来说是至关重要的，这就对电力设施的消防安全提出了新的更高的要求。

变压器是变电站的主要电气设备之一，在变电站中起着决定性的作用。无论是由电力变压器铁心产生的高温、还是变压器内部放电产生的突发性高温，一旦变压器油的温度高于400℃，就会引起火焰甚至爆炸，造成巨大损失[1]。这一变压器消防技术于1986年首次由法国引进，30年来这一技术在应用原理和控制技术上有了很大的改进和变化，同时对传感方式以及控制技术的要求进一步提高。

电力系统中，大容量变压器多为油浸式电力变压器，可以说变压器是变电站的心脏。然而，油浸式电力变压器总是有着火的危险。排油注氮灭火装置主要用于大型油浸式变压器的消防保护，该装置得启动方式分为手动启动和自动启动两种。当设置为自动启动模式时，由于误操作和拒操作，无法保证运行可靠性，因此运行中的装置都处于手动状态，灭火效果仍有待提高。变压器消防控制模拟系统包含变压器模型、灭火柜、信号模拟装置、灭火柜控制柜等。

1 变压器消防控制模拟系统研制

1.1 变压器模型

变压器模型由4mm 厚钢板焊接而成，长、宽、高分别为1500mm、1200mm、2000mm，内装变压器油。油箱三面配有观察孔，压力释放阀安装于油箱上侧，隔离阀、连接管安装于压力释放阀下方。进行模拟压力试验时，可以关闭隔离阀，通过充气孔给连接管加压。当油箱内压力突破给定值时压力释放阀开始动作，上传动作信号。当排油装置排油时断流阀自动关闭，信号上传到控制面板发出报警信号。油箱上安装有四组火灾探测器，四组火灾探测器分为两组、交叉连接，在模拟火灾时作为两组火灾信号上传到控制面板[2]。油箱内装有加热装置，以模拟变压器的实际运行。

1.2 灭火柜

灭火柜包括氮气瓶、氮气释放阀、排油机构等。变压器消防灭火柜属于灭火装置的执行部件，排油管和注氮管将灭火柜与油箱模型连接。在火灾发生后，接到控制屏的控制信号，先后开启排油阀排油和注氮阀注氮。

防误操作机构安装在灭火器箱内，防误操作机构销支架安装在排油阀手柄下方。在启动灭火装置和排油电磁机构脱扣之前，防误机构先动作，防误机构支撑销缩回、排油阀手柄才能在重锤的带动下动作，否则重锤落下时排油阀打不开。这种防误操作机构和排油启动电路是两个独立的传输电路，有效防止了电磁干扰和重锤机构机械故障造成的误操作。打开排油阀的过程中通过机械连杆机构，同时打开注氮管路上的隔离球阀，这样在注氮阀开启后，氮气可通过隔离球阀注入变压器内。

灭火柜可通过应急开关紧急启动灭火，首先推动防误动机构手动操作片向后与磁铁吸合，撤出防误支撑销，然后打开排油机构锁销启动手动柄，重锺掉落，排油阀打开，延时10～20s 后，按下注氮阀手柄打开氮气释放阀注氮。注意装置正常运行时不能随意触动紧急启动手柄。

灭火器箱内装有温湿度控制器和加热装置，以保持灭火器箱正常工作时的温度和湿度。

1.3 信号模拟装置

变压器排油注氮灭火装置可靠性试验采用硬件设备与软件系统相结合的方式展开。研发的变压器排油注氮灭火装置可靠性试验箱用来模拟变压器实际运行时输入输出信号以及断路器辅助触点，研发的变压器排油注氮灭火装置试验箱也能产生相应的干扰因素以检验变压器排油注氮灭火装置是否误动作或不动作。

图1 变压变压器排油注氮灭火装置可靠性试验箱

信号模拟装置，通过计算机控制继电器各个触点的通断情况，同时通过计算机界面接收变压器排油注氮系统各个保护装置动作情况。如图2所示。

图2 信号模拟装置控制系统

1.4 灭火柜控制柜

灭火柜控制柜是灭火装置的控制部分，通过接收变压器本体的气体继电器和变压器顶部的火灾探测器或泄压阀的信号，可以接收远程信号进行遥控启动，也可以就地手动启动，或者在断路器跳闸时自动启动防爆或灭火[3]。设备的启动模式可以通过面板上的选择按钮来设置。

灭火柜控制柜接到气体继电器动作、火灾探测器动作、压力释放阀动作、断流阀关闭等系统运行信号及装置运行状态信号时点亮控制屏面板上的相应指示灯，并发出声光报警。灭火柜控制柜还可将接收到各种信号，通过非电量触点上传给上级监测部门。主要报警信号有重瓦斯信号、火灾报警1、火灾报警2、压力释放阀、排油信号、断路器跳闸信号、断流阀关信号、油阀开信号、氮阀开信号灯、氮压低信号、漏油报警信号、检修阀关信号等信号，以上所有信号都在控制屏面装有信号灯，另外面板上还有双电源信号灯、系统投入信号灯、系统退出信号灯远方运行信号灯、就地运行信号灯、自动运行信号灯、手动运行信号灯等信号灯。控制屏面板上具有远方、就地选择开关、手动、停止、自动选择开关、手动灭火启动开关、手动确认灭火开关、复归按钮、确认消音按钮等。控制屏可上传上述报警信号的信息至上位机。

图3 变压器排油注氮灭火系统示意图

2 变压器消防控制系统可靠性实验

2.1 变压器自身故障模拟

通过模拟变压器模型中，瓦斯动作、火灾探测器动作、感温电缆信号输出等故障模拟，同时对灭火柜施加振动干扰，消防控制柜施加电磁干扰，验证灭火系统动作的可靠性和远方信号上传的准确性。在变压器模拟本体对瓦斯继电器和感温电缆等信号施加故障源，故障信号直接进入通过电缆进入到控制柜中，同时对灭火柜施加振动干扰，对消防控制柜施加电磁干扰，验证灭火系统动作的可靠性和远方信号上传的准确性[4]。断路器的闭锁模拟是通过屏柜上按钮实现的，采用ABC 三相闭锁按钮实现手动闭锁；可以接受瓦斯动作或漏油动作信号实现自动闭锁[5]。

2.2 故障信号模拟

通过开发的变压器排油注氮灭火装置试验箱上位机软件系统，通过计算机控制继电器各个触点的通断情况，同时通过计算机界面接收变压器排油注氮系统各个保护装置动作情况。火灾控制输出信号利用220DC 接入到模拟测试箱中，利用继电器的开、合状态模拟瓦斯、火灾、油阀、氮阀等控制。断路器模拟可以通过模拟试验箱的干节点，接入到灭火控制规定的高、中、低压端子上，实现手动闭锁。排油防误动作和排油注氮输出，采用单独220DC 手动控制。变压器灭火控制柜上传的信号都采用干节点接入到试验模拟箱，模拟箱安装100ms 采集一次所有信号的动作情况，并在软件界面中展示。

3 变压器消防控制系统可靠性提升方案

按照动作逻辑、控制部分这两个方面提出进一步可靠性提升方法。

3.1 动作逻辑可靠性提升

排油注氮灭火装置启动方式动作逻辑是整套灭火系统可靠性保证的关键点之一。本次研究对远方启动、手动启动、灭火启动和防爆启动几个方面做了逻辑提升，通过软件和硬件逻辑门相结合的方式，对现有的装置进行逻辑改进。尤其对防爆、防火和灭火进行控制时间的设定，保证了变压器能够成功灭火并防止复燃的发生[6]。

图4 变压器消防控制系统动作逻辑图

3.2 控制机构可靠性提升

当消防柜接收到动作信号时，在三秒内将排油阀完全打开，进行排油工作。并且在开始排油5秒后将氮气释放阀打开，氮气通过注氮管道进入变压器油箱。为了改善该装置动作可靠性，需要一个机械联锁阀在确保只有注氮阀和排油阀同时处于打开状态氮气才会沿着注氮管路进入油箱，这一机械联锁阀需要安装在注氮阀和排油阀之间来实现此功能。

3.3 监测与信号部分提升

漏油监测装置安装于排油阀的下端，其功能主要是检查排油阀的密封性是否完好。其工作原理是当监测到排油阀漏油时，漏出来的变压器油通过收油盒流入集油盒，集油盒内部安装有浮球机构，当集油盒内变压器油储存到一定量后，浮球机构达到启动状态，浮球开关动作进而发出漏油报警信号。为了减少由于氮气泄露导致的轻瓦斯频繁动作需要在注氮管路上安装一低泄高封阀，低泄高封阀能够将泄露的氮气排出[7]。当气体积压进入变压器内部时会因此瓦斯继电器动作，因此为了防止这一现象发生，变压器上端排气孔直接与空气相通，因此当有气体渗漏时，可以直接排于空气中。当变压器排油注氮灭火装置工作时，高气压使上端排气孔动作堵死，不会在低泄高封阀上排出气体。低泄高封阀动作压力在0.1～0.15MPa。氮气瓶组应具有压力监视表，压力应不低于7MPa，减压阀设定压力为0.5～0.8MPa，氮气瓶组压力低于7MPa 时，能将氮气瓶欠压信号上传给消防控制柜。