高可靠智能压力开关研发及应用

吴鹤春，单文俊，刘福军，郭忠波，韦玉华，胡勇，姜肇雨，谢峰

高可靠智能压力开关研发及应用

吴鹤春，单文俊，刘福军，郭忠波，韦玉华，胡勇，姜肇雨，谢峰

（华能国际电力股份有限公司工程部，北京市 西城区 101102）

压力开关是火电机组保护系统中重要的一次信号元件，压力开关测量的准确性、可靠性及快速性直接决定了电厂保护系统能否正确、快速动作。针对机械式压力开关和压力变送器作为保护元件存在的不足，依据保护、调节、监视三分开控制系统设计原则，设计了微功耗、高可靠的两线制智能数显压力开关，并对智能压力开关进行可靠性设计和试验测试。测试结果表明，该压力开关有效地解决了传统压力开关存在的卡涩、偏移、不可监控和预测的问题，具有微功耗、高可靠、高精度和免校验等优点，为电厂保护系统的可靠运行提供了根本有效的保证。

智能压力开关；微功耗；高可靠；无漂移

0 引言

发电机组保护系统的正确动作对保证机组的安全运行、避免重大生产事故的发生具有决定性的作用[1]。作为保护系统的测量元件，压力开关的性能好坏直接决定了机组保护系统能否及时、准确动作，对预防生产过程中设备的损坏、事故发生及扩大化具有重要作用。尽管电厂在压力开关设计选型时都做了最好的选择，但由于机械式压力开关的卡涩、定值漂移和不可监视，机组保护系统仍然存在拒动和误动现象，对机组的安全运行带来严重威胁。

针对机械式压力开关的卡涩、漂移、破损和变送器累计延时及测量误差问题，本文提出一种新型的两线制智能压力开关，采用高可靠微功耗、智能化设计技术，使其不仅具有故障率低和无漂移性能，还把压力值、保护动作值、返回值等主要参数实时显示出来，为日常维护的监视、预测提供了可能。

1 现有压力开关存在问题

1.1 机械式压力开关问题分析

机械式压力开关尽管是电厂保护最常见的一次信号元件，但主要也存在以下几点问题：

1）卡涩。由于锈蚀、积尘、润滑枯涩、松动、振动、温度膨胀、偏心等原因引起可活动部件卡涩，导致保护误动或拒动。卡涩现象通常比较隐蔽，不易被发现。

2）定值漂移。进口机械式压力开关的精度一般为4%左右，较好的为2%左右。机械式压力开关由于机械磨损、振动引起螺丝松动、弹簧弹性疲劳等问题，使设定值发生变化，从而导致定值的漂移。

3）触点接触不良。由于微动开关触点的氧化，导致开关接触不良；在大功率频繁动作的场合，由于电火花、拉弧导致触点打毛，引发接触不良，不能正确动作。

4）状态无法监控。由于机械式压力开关没有显示，无法判断压力开关是否正常工作。为了确保保护系统的可靠性，工作人员需频繁地对压力开关进行校验和严格的试验，尽管如此仍无法对其进行有效的监测和故障预测。

1.2 变送器作为保护元件存在的不足

由于机械式压力开关的种种不足，很多 电厂试图用变送器替代压力开关，除了汽机保 护外，基本都改用变送器作为保护元件。虽然 这是一个有效的解决办法[3]，但也存在一定安全隐患：

1）采用变送器作为保护元件时，变送器多次的A/D、D/A转换引起的累积误差和延时是不可忽视的。

2）保护的独立性是电厂控制最基本的可靠性要求。保护、调节、监视三者分开是控制系统设计的基本原则。采用变送器作为保护元件不符合三分开的原则。当保护系统采用变送器信号的三取中方式实现，当信号处理的控制器发生故障时，可能导致调节、保护、监视均失灵。

3）压力开关和变送器的设计目的、功能不同。变送器一般扫描周期约700 ms，最快能达到 100ms，相比于机械式压力开关，变送器滞后约3s，而保护设计规范要求动作时间最大不应超过100ms。

4）变送器资源消耗大、功耗高。普通变送器功耗是4mA，比智能压力开关的160 μA大33倍，特别是总线变送器采用了双CPU结构，为保证 通信速率，总线处理CPU的频率很高，功耗达到28mA，这类变送器难以成为保护的取信元件。

2 两线制智能压力开关

2.1 两线制智能压力开关工作原理

两线制智能压力开关采用标准工业级微功耗压力传感器或热电阻、热电偶作为测量元件，微功耗高精度集成电路将测量结果进行信号处理，经单片机MCU进行A/D转换、线性、温度补偿、设定、校准等处理，通过D/A后输出4~20 mA，同时输出DO驱动IGBT[4]控制开关状态；单片机接受按键并输出显示，集成了数显压力开关变送器的新一代智能压力开关，其原理如图1所示。

图1 两线制智能压力开关工作原理

两线制智能压力开关为彻底解决机械式压力开关存在的问题提供了有效的解决办法， 它把压力值、保护动作值、返回值等主要参数 进行实时显示，为日常监视、维护、预测提供了可能。

2.2 两线制智能压力开关特点

压力开关作为保护的一次取信元件，基本要求是可靠、准确、快速。根据保护系统要求，压力开关应是干触点[5]，不需外部供电或内部电池。因此，两线制智能数显压力开关是保护系统理想的一次取信元件，具有如下特点：

1）满足了保护系统不供电的干触点要求[6]。两线制智能压力开关利用DCS/PLC控制系统DI输入通道的查询信号电压供电(LOOP POWER)，仪表整机工作电流(160mA)是以DCS/PLC的DI输入回路的门槛电流为基准的。当工作电流超过光电隔离器门槛电流时，光电隔离器的二极管就会发光，三极管导通，信号触发。所以，工作电流必须做到既要保证仪表能正常工作，还要确保DCS/PLC正确接收开关的闭合和断开信号，其满足保护系统的全部要求，实现了压力开关的数字化和智能化。

2）智能压力开关高可靠性容错设计。半导体器件工作时，因其自身电阻的存在，必然产生热量，在温度和电流的综合作用下，器件内温度超过极限将导致失效[6]。理论与实践均表明，160mA工作电流下的仪表元器件功耗极低，其故障率几乎为0，微功耗从本质上有效保证了两线制压力开关的可靠性。与此同时，智能压力开关是针对火电厂现场最常见的恶劣环境，如极端温度、强电、瞬间超压等设计的，从而防止了各种常见故障的发生[7]。

温度适应范围宽：智能压力开关经过-10~ 80℃温度范围的长时间测试，并顺利通过青海地区-40℃的半年试用，确保了在恶劣环境下能正常工作。

防强电冲击：为了防止强电冲击，确保驱动电磁阀、接触器等交流负载，以交流峰值的3倍以上(1500V)作为设计电压，而实际上大部分压力开关查询电压仅为48V或24V，近30倍的设计余量保证了仪表在各种恶劣环境下的外部冲击都不会引发故障，保障了智能压力开关的安全可靠性。

防瞬间过压：智能压力开关传感器均采用扩散硅压阻传感器而非陶瓷传感器，并尽可能比实际压力范围大一档，在精度允许的情况下再适当增加余量，抗瞬间冲击。

3）高精度、高标准设计。

精度标准：一般仪表是以常温下的误差作为标准[8]，而两线制智能压力开关则是以-10~ 80℃温度范围内的所有误差不超过±0.5%作为标准。

无漂移：160mA工作电流下的仪表自身的发热几乎为0，没有自热引起的漂移，由于仪表严密的环境温度补偿，保证了仪表基本没有漂移[9]。

生产工艺及测试严格：为了确保压力开关的性能，生产工艺和测试是在不同温度下进行实时检测和误差计算，不同于一般仪表的抽检和试验后测试方式。严格的测试工艺保证了压力开关的精度和稳定性，将最恶劣环境下的误差作为测试结果，确保了在恶劣环境下的精度能达到保护的要求。

4）免校验、免维护。两线制智能压力开关具有零故障和不漂移的免维护基础，利用常规的运行巡检，如无异常则完全不需定期校验。即便大修，就地加压比对即可。经过长时间安全运行后，校验周期可以加长，甚至完全无需校验，大大降低日常的维护和检修工作量，避免了频繁拆装带来的人力浪费以及诸如机械式压力开关接线松动或接触不良、仪表管接头泄漏等人为失误引起的故障。

5）可监控、可预测。两线制智能压力开关能通过数显展示压力开关的全部信息，为保护系统提供了可视、可查、可监控、可预测的可能，为电厂保护可靠性的提高提供了根本性的保证。

6）抗振动、抗干扰、防水。智能压力开关采用分仓和相互制约结构，通过螺丝和焊接双重固定的电路板，有效地防止了电路板的相对位移，避免了松动引起的脱落，保证了仪表的抗振能力。电路上除了普通的电容型滤波外，在输入电路的80mH共模元件保证了微功耗电路抗干扰能 力[9-10]，根据GBT18268.1—2010[9]可知，智能压力开关具有极高的抗干扰性。智能压力开关采用了双层密封结构，保证了仪表的防水性[11]。

3 智能压力开关的可靠性设计与测试

3.1 智能化测试系统

为了保证智能压力开关的高可靠、高性能，保证产品质量100%合格，设计了全面、严格的智能化测试系统，其测试系统结构原理如图2所示，现场实测如图3、4所示。将25只压力开关组装到试验安装支架上，并用高压软管连接至压力试验泵，压力试验泵上装有标准表。将25只 开关的输出端子连接到DI输入模块，同时将变送器连接到AI输入模块，DI和AI输入模块由485接口连接到监控主机，通过检测程序对智能开关的信号进行监控。通过压力泵加压进行压力开关动作试验和变送器4、8、12、16、20mA测试，并将结果保存到数据库中(厂家内部摸底 测试)。

图2 测试系统结构原理

1—智能压力开关测试安装支架；2—开关量输入端子；3—模拟量输入端子；4—压力软管；5—压力泵

3.2 系统测试流程

每只智能压力开关的测试秉承反复测试、重复验证原则，主要流程如下：

1）首次整机精度测试。首次试验需完成零位量程的标定，以零、中、满3点进行精度标定，对4mA、12mA、20mA进行设定，对开关动作、返回值、常开/常闭进行设定，并进行常温下的初步校验。

2）交流耐压负载测试。以中间接触器为负载，完成交流功能的开关试验，重复动作3次无异常。

3）摸底与补偿测试。先测试常温下测量误差，记录到数据库，并以此作为-10℃和80℃试验的参比值，在-10℃试验后对超差的进行温度修正，并进行80℃的温度试验，同样对试验后的不合格产品进行修正。摸底试验是在达到-10℃或80℃温度值并稳定15min后进行测试，修正后再进行新一轮的测试，经检查-10℃和80℃下均达到精度后，进行下一步测试。

4）初步测试。以25℃为基准，-10 ℃、60 ℃、80℃，每个温度点2 h，每1 h测试一次，在每次测试中所有测试记录的误差均在±0.5%以内时进行下一步测试，否则退回到上一阶段的摸底补偿测试。

5）最终测试。以25℃为基准，-10℃、60 ℃、80℃，每个温度点4h，每2 h测试一次，连续2个轮回周期内的所有测试记录误差均应在±0.5%以内，不合格者重新进行补偿和试验。

6）时漂测试。为了对产品的漂移进行检查，防止任何出厂包装过程中引起的故障，也作为出厂长时间库存后的质量检查，最后一次时漂测试具有一票否决的作用。

通过高低温反复交替的苛刻测试环境，不良元器件将很快失效而被淘汰，充分暴露了元器件或工艺结构的故障隐患，同时释放了传感器的安装应力和电子元器件的应力[10]。测试系统以误差小于±0.5%作为质量检验的硬性指标，使质保更加精准、易于掌握和操作，利用精度的一票否决权保证质量的真正在控和可控[11-12]。

3.3 可靠性分析

1）主要元器件可靠性分析。采用经过严格筛选的专用器件组成的微功耗仪表系统完全区别于传统微功耗仪表，具有超常的高可靠性。

2）平均无故障时间(mean time between failures，MTBF)试验分析。依据MTBF试验时 间的计算公式[12-15]：MTBF试验时间=MTBF目标值´信心水准/样品台数´加速因素，采用25只智能压力开关在80℃温度环境下连续运行45 d，25只压力开关无一发生故障。按照国际标准推算，本产品MTBF可达到34 a，详见表1。

3）误动与拒动的分析。如表2所示，除了IGBT击穿外，不论发生哪类故障，测试期间智能压力开关的误动率为0，故障引起的拒动可能性得到有效的抑制。

表1 MTBF试验汇总(环境温度80℃)

表2 故障可能性分析

4 智能压力开关应用

通过智能压力开关可以实现保护系统全方位的监控，确保保护系统处于良好的工作状态，随时预防事故的发生。智能压力开关的应用实例有：华能北京热电燃机交流油泵、华能德州小机挂闸油压、华能金陵和海门等离子系统、华能玉环炉膛压力、国电宝庆磨煤机油压、秦山核电站二期凝泵出口压力低(见图5)、两江燃机电站真空、首钢高炉氧化风机入口滤网差压、索普化工集团联锁保护、华能丹东密封油滤网差压等近百家电力、钢铁、化工企业[16-20]，性能稳定可靠，应用效果良好。

图5 核电现场图片

5 结论

通过分析机械式压力开关存在的卡涩、漂移、无法监控，以及变送器速度慢、AI通道价格昂贵、不满足保护系统三分要求等不足，针对燃煤发电厂保护系统，开发了新型高可靠、高精度、微功耗的两线式智能压力开关，并设计和搭建了严格的测试系统。测试结果表明，两线制智能数显压力开关在可靠性、快速性、可预测性方面较机械式压力开关及变送器都得到大幅提升，系统测量精度误差小于0.5%，平均无故障时间已达到40万h，为保护系统的故障预测、动作精准、可靠运行提供一套彻底的解决方案，为确保机组的保护系统的可靠性提供了有力的保证。

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Design and Application of High Reliability Intelligent Pressure Switch

WU Hechun, SHAN Wenjun, LIU Fujun, GUO Zhongbo, WEI Yuhua, HU Yong, JIANG Zhaoyu, XIE Feng

(Engineering Department of Huaneng Power International Inc., Xicheng District，Beijing 101102,China)

Pressure switch is an important primary signal element in thermal power unit protection system. The accuracy, reliability and rapidity of the pressure switch measurement directly determine the correct and fast operation of the power plant protection system. Aiming at the shortcomings of mechanical pressure switch and pressure transmitters as protection elements, this paper designsed a two-wire intelligent digital display pressure switch with low power consumption and high reliability according to the design principles of protection, regulation and monitoring. The reliability design and test of the intelligent pressure switch was carried out. The test results show that the pressure switch can effectively solve the problems of jamming, offset, non-monitoring and non-prediction existing in the traditional pressure switch, and has obvious advantages of low power consumption, high reliability, high precision and calibration-free, which provides a fundamental and effective guarantee for the reliability of the power plant protection system.

intelligent pressure switch; low power consumption; high reliability; no drift

10.12096/j.2096-4528.pgt.19076

2019-05-10。

吴鹤春(1956)，男，高级工程师，研究方向为电厂热工自动化，whcbj@163.com。

吴鹤春

(责任编辑 杨阳)