换流站变压器智能轻瓦斯集气盒自动取气装置的研制

付 强，邓集瀚，黑增杰，赵直爽

（1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司大理局，云南 大理 671000；2.河南绿控科技有限公司，河南 许昌 461000）

0 引 言

瓦斯继电器是油浸式变压器上常用的一种重要的保护装置，安装在变压器与油枕之间的连接管路中[1]。当变压器内部发生故障时，它会发出信号或自动切断变压器电源。通常情况下，变压器、瓦斯继电器和瓦斯继电器的重要附属设备集气盒内，均会充满用于冷却、绝缘和消弧的绝缘油。变压器运行中，内部有轻微故障或温度较高时，会将故障点周围的绝缘油分解并产生气体或使变压器内部固体绝缘材料析出气体。由于气体产生的速率相对较快，来不及溶解到变压器油里面。这些游离态的气体流入瓦斯气体继电器并聚集，当气体积累到一定体积，将促使瓦斯继电器发出轻瓦斯动作信号。此时，需要及时采集气样进行气相色谱分析，并依据色谱试验结果判断确定变压器是否需要停运。但是，某些内部轻微故障发展的很快，在短时间内会迅速发展成恶性内部故障，甚至引发变压器爆炸起火。事实上，曾发生过几起取轻瓦斯气体时，变压器爆炸起火导致的人身伤亡事件。

为保障人身安全，不少电力企业制定轻瓦斯动作信号时必须停电取气的策略。但是，停电倒闸操作需要一段时间，在这段时间内游离态的气体会回溶到油中，且不同组分的特征气体溶解速率不同，导致色谱分析数值不准确。若气体较少，停电倒闸操作时间过长，气体将全会回溶导致无气可取[2]。因此，在轻瓦斯动作后需要在第一时间取气，才能真实反映变压器问题所在。

基于此，特研制一套智能瓦斯集气盒自动取气装置，在最危险的阶段替代人工取气，避免人员受伤。通过设计和确定瓦斯继电器浮球位置和集齐盒（或广口瓶）液位高度，从而自动完成集气盒的排油和取气。

1 传统取气方法及缺点

1.1 传统取气方法

由于换流变运行前已将内部充满绝缘油，此时瓦斯与取气盒之间的连接管及取气盒内均充满了油。要将集合在瓦斯顶部的气体引下来，必须先将连接管的油完全排掉及取气盒处部分油排掉。排油方法是打开取气盒底部阀门，瓦斯处的气体在油压下经连接管引至取气盒的顶部。当连接管重新出油时，说明瓦斯处气体已完全引至取气盒处，此时关闭取气盒的底部阀门，可读取取气盒处的气量，如图1所示[3]。

图1 取气盒排油聚气

随后进行气体采集操作，即将预先准备好的已接有双头针的取样针筒接入取气盒的取气接口处，稍稍打开取气阀门（开度约30%），气体会慢慢压入针筒内，从而完成取气样。

1.2 传统取气缺点

传统的取气方法采用纯手动操作，存在以下缺点[4]：必须在换流变停运时进行操作，以避免设备带电造成人员伤害和设备损伤；不能实现在设备故障产生集气时及时提取；因气体提取时间滞后，收集气体不能准确反映设备故障原因。

2 自动取气装置的设计

2.1 总体设计

为确保可靠性，本装置不改变原有元件各项性能指标，采取加装辅助机构的方式进行改造，总体设计如图2所示。

图2 总体设计

2.2 原理说明

换流站变压器智能轻瓦斯集气盒自动取气装置，包括瓦斯继电器本体和通过油气引管与瓦斯继电器本体连通的集气盒本体，还包括第一电动执行器、第二电动执行器、集气装置和PLC。PLC与瓦斯继电器本体、第一电动执行器和第二电动执行器电性连接。第一电动执行器设于集气盒本体的排油阀处，通过PLC控制第一电动执行器开启和关闭排油阀。集气盒本体的放气阀与集气装置连接，第二电动执行器设于放气阀处，通过PLC控制第二电动执行器开启和关闭放气阀。

2.3 使用步骤

取气包括以下步骤。

步骤1：于PLC中设定集气盒本体1容积、油气引管100的半径及长度，以归算绝缘油量V1，设定第一延时T1、第二延时T2和第三延时T3；

步骤2：获取到轻瓦斯动作信号，控制第一电动执行器2打开排油阀11；

步骤3：获取到绝缘油量达到V1，延时T1后，控制第一电动执行器2关闭排油阀11，并控制第二电动执行器3打开放气阀12，控制电动三通调节阀连通集气装置和集气盒本体1；

步骤4：延时T2后，控制电动三通调节阀切断集气装置与集气盒本体1的连通，控制电动三通调节阀连通集气盒本体1和集气装置外部；

步骤5：获取到轻瓦斯动作信号消失，延时T3后，控制第二电动执行器3关闭放气阀12，控制电动三通调节阀切断集气盒本体1与集气装置外部的连通。

3 特点分析

本装置无需对瓦斯继电器进行任何改动，不改变元件各项性能指标，不在瓦斯继电器接线柱引入任何接线。集气盒的进气口阀门、排气口阀门、排油口阀门以及集气袋阀门加装电动驱动装置，实现电驱开启、关闭阀门；PLC处理采集的信息，实现各阀门智能化开启、关闭；装置拥有较好的可靠性，在变电站强电磁环境工况下仍能正确动作。集气袋与集气盒排气口连接应可靠，不出现漏油、漏气现象；集气袋阀门应可靠，关闭后不出现漏气现象；集气袋容量大于300 mL；广口瓶容量大于500 mL，且瓶体难以倾覆；瓦斯继电器浮球位置监测探头，厚度不大于3 cm，并采用粘贴的固定形式牢靠固定于瓦斯继电器玻璃窗表面。瓦斯继电器浮球位置监测探头的通信、电源电缆均采用阻燃耐火电缆。

4 结 论

与现有技术相比，本装置通过PLC捕获轻瓦斯动作信号，并通过控制第一电动执行器和第二电动执行器模拟人工排油放气操作，自动排油取气，可做到实时准确的取气操作，在第一时间及时取到真实有效的原始气体样品，保障了气相色谱数据的准确性，同时避免了作业人员受到伤害的风险。