油浸式变压器的微机型排油注氮灭火控制系统设计

张立 陈振勇 李党召 许垚

（1.国网甘肃省电力公司天水供电公司 甘肃省天水市 741000 2.国网甘肃省电力公司 甘肃省兰州市 730030）（3.许继电气股份有限公司 河南省许昌市 461000）

1 引言

变压器是供电和变电环节中最贵重的设备之一，对变压器内部故障导致的变压器起火、爆炸等恶性事故，使用排油注氮式灭火控制系统是最有用的处理方法。本文研究的微机型排油注氮灭火控制系统，是保障电力系统变压器平稳运作的主要设备[1]。

然而现有的主变排油注氮灭火控制系统为大量电磁式继电器组合来实现逻辑判断及出口动作功能，由于电磁式继电器生产厂家众多、品控管理难度高，且抗干扰能力较弱，已出现多起因继电器故障导致误动作事件，造成变压器故障跳闸。因此，如何提高主变排油注氮灭火控制系统的性能，是维护电网安全运作的重要构成部分。

本文研究的微处理机型主变排油注氮灭火控制系统在整体性能和箱体布局上有很大程度的改进。由于技术的发展，其性能并未因为结构的减小而减弱，反而随着科学的发展而有了进一步的增强，其通讯效用还可以与变电后台监控系统相互之间完成讯息的交互。微机型产品由于其优良的制作环境及做工，可以运用于多种繁杂的电气运作情况下。此外由于平常状况下系统多处于休眠状况，极大得增长了多个部件的使用年限。这些特性使整个系统增长了稳定性，提升了系统中各个部件的功能。

2 微机型排油注氮系统简介

本文所提出的微机型排油注氮灭火控制系统是由变压器瓦斯信号、火灾探测部分，变压器排油注氮控制装备，断流阀，排油注氮管道等构成。该微机型系统具有对变压器是否发生火灾进行实时探测的功能，通过自动或手动两种方式实现对排油阀开关控制[3]，将储油柜与油箱之间的油路彻底封堵。然后，该微机型系统将氮气释放阀打开，向变压器内不断的充入氮气，从而实现排油注氮灭火的功效。系统结构如图1所示。

2.1 微机型排油注氮灭火控制系统原理

该系统中，当变压器遇到上述绝缘、高低能放电等故障时，针对变压器内油温急剧升高同时产生大量可燃性气体，迅速使气体继电器动作，此时断路器立刻跳闸[4]。同时收到火灾探测器报警信号（气压、温度等）和瓦斯报警信号之后，一方面立即自动或者手动启动消防，然后排油阀迅速打开，把变压器油箱顶部的热油快速排出，从而释放油箱内压力并降低油位，有效制止热油的溢出；另一方面将控流阀关闭，有效把油枕补油通道切断，避免火上加油。变压器油排出后，从油箱底部将氮气充入油箱内部，充分使其内部上下层高、低温度油进行融合，使油温迅速降至闪点（135℃-150℃）和燃点（165℃-190℃）以下；同时注入箱内的氮气可将箱内剩余的油与氧气隔离，从而使得明火快速熄灭。为有效降低变压器温度和防止明火复燃，须持续向油箱内注入氮气，从而实现消防灭火[3]。

2.2 微机型排油注氮灭火控制系统各模块功能简介

排油注氮灭火装置：可以主动探查勘测变压器失火信息，可主动或被动运行，命令排油阀完成排油泄压，同时断流阀可以很好的遏止储油柜至变压器油箱的油道，并支配氮气开释向变压器流入氮气。该产品由控制机柜、消防机柜、断流阀、火灾探查监测仪和排油注氮管道等构成。

消防控制机柜：用来采集气体监测仪、火警探测仪等告警信息，驱动消防机柜内对应的元件产生变位信息，体现灭火设备的工作状况并输出告警信号的电气设备柜。

消防机柜：用来储存氮气并决定氮气释放、排油、泄压的施行设备。一般由具备氮气储存、释压、调控，油气阻隔、排放等功能的元件所构成。

断流阀：通常处在开放状况，当变压器着火的时候，可以主动阻止储油柜的油汇入变压器油箱。

火灾探测装置：安装在变压器顶部，用来探查监测火灾并发出火警信号。

排油注氮管路：连接在微机型排油注氮灭火设备与变压器之间，实现排油与注氮功能的管道。

排油阀：装配在排油回路中实现排油泄压的快速开放型阀门。

排油连接阀：开放和关闭排油注氮灭火设备的阀门。用法兰把它装设在变压器油箱上部分的排油管上。

注氮阀（氮气释放阀）：收到控制机柜的开启信息后启动开释氮气的阀门。

注氮连接阀：开放和阻隔微机型排油注氮灭火设备的阀门。用法兰把它装设在油箱下部分的注氮通道上。

检修阀：安装于排油注氮灭火设备排油管道的阀门，关闭后设备处于检修状态。

波纹管：用于排油管路，实现管道位移和尺寸补偿的弹性波纹构件。

排气组件：常规运行状态下，用来排出泄露的氮气，以防泄露的氮气误入油箱的组件。

油气隔离装置：用来阻隔变压器油与氮气的密闭性设备。与氮气传输方向相同为油气阻隔元件的正方向；反之称为油气隔离装置的反向。

3 系统微机化部分介绍

随着电力行业的快速发展，微机型排油注氮控制系统在变电站消防领域逐步实现推广与应用。本文采用控制装置微机化的思路，在成熟的微电子技术支撑下，以微机型变压器非电量保护装置为参考，结合目前排油注氮灭火装置的典型二次逻辑，开发出一套性能可靠、自动化水平高的微机型主变排油注氮灭火装置，该产品可对传统电磁式/PLC 继电器组合而成主变排油注氮灭火控制产品进行整体替换，在提高稳定性和可靠性的同时，增加装置事故自检、异常信息自动上传、远方操作等功能。

3.1 系统微机化部分各模块功能简介

微机控制装置的硬件主要包括以下三个部分：

（1）模拟量输入系统：包括电压形成、模拟滤波、采样保持、多路转换以及模数转换，可以将模拟输入量准确地转换为所需的数字量[5]。

（2）CPU 主系统：包括微处理器、只读存储器、可擦存储器、随机存储器及定时器等。微处理器执行存放在电子存储器的程序，对原始数据进行分析处理，以完成程序所规定的任务。

（3）开关量输入/输出系统：由多路并列适配器、光隔元件及有接电的微型继电器构成，以实现多路出口动作、信号告警、外部信息输入及人机对话等功能。

3.2 系统微机化部分关键技术介绍

该系统微机化部分主要采用了开入“三取二”技术和双电源切换技术，针对老旧变电站现场的实际情况，联系电力系统可靠性的要求，从而实现不发生误动作等情况，从而有效的规避因设备损坏、误操作、误动作等导致的电力系统故障的产生。

3.2.1 开入“三取二”技术介绍

为充分提高变压器非电量信号采集的灵敏性、选择性和高可靠型，避免变压器火灾的发生，在本文所研究的微机型排油注氮灭火控制系统中，将重瓦斯信号、油箱超压信号、火灾监测信号、三侧跳闸信号、检修阀关闭信号、排油闭锁信号、注氮闭锁信号均使用“三取二”的方式进行[6]。即当三个信号开入有任意两个以上开入有开入信号时该开入有效，如图2所示。

为满足电力系统可靠性要求，本文研究的微机型排油注氮灭火控制系统中排油注氮控制装置硬件设计采用双重抗干扰措施，在光电隔离的基础上加装开入量功率启动回路，只有功率大于5W 的开入才能使开入光隔导通；软件设计使用“三取二”逻辑，只有三个信号中同时存在两个以上时才判断该开入有效，保证开入的准确性，减少拒动误动可能。“三取二”信号控制方式降低了因单一接点故障而导致的装置误动，从而提高电力系统运行可靠性。

3.2.2 双电源切换技术

该控制系统通过将继电器线圈引出至外部端子并额外配置电源，从而实现本回路继电器可直接控制电磁铁的功能。该系统可以实现一旦排油注氮装置失效，排油注氮功能依旧可正常执行。在该系统中采用了一种双路电源自动切换电路，该电路可用于切换第一输入电源和第二输入电源，实现对系统的可靠高效供电。

如图3所示，假设第一路电源可正常使用，则第二路电源不向系统供电，仅做为备用电源。KM1 得电时，其主触头闭合且常闭辅助触点断开，KM2 不得电且其主触头断开，负载由第一路电源供电。当第一路供电电源失电后，则KM1 主触头断开，其常闭辅助触点闭合。此时第二路电源则开始向系统供电，KM2 得时，其主触头闭合且常闭辅助触点断开；若KM1 供电恢复，KM1 线圈仍不能得电。

图1：系统结构图

图2：“三取二”逻辑框图

图3：双电源切换技术逻辑框图

4 结语

本文设计的微机型排油注氮灭火控制设备，一方面能够实现对变压器火灾的自动监测，通过主动（或被动）方式处理排油阀的启停，实现排油减压；另一方面封堵储油柜和油箱之间的通道，通过对氮气开释阀的约束，不断的将氮气充入变压器内，从而起到高效灭火的作用。该系统进一步提升了变电站的自动化水平，降低误动跳闸事故的发生，降低变电设备运维检修人力物力成本，具有可观的经济效益。其通信功能还可以与变电站后台监控系统进行信息交流，实现远方监控功能，大幅降低运维人员巡视操作的劳动强度，提升了工作效率。满足国网公司对微机型排油注氮控制系统规范化管理的需求。成果成功应用后，可以逐步推广到国网公司运维检修技改项目中，具有广阔的应用前景和较高转化应用价值。