变压器检修用综合控制装置的创新技术及应用

马 瑞，刘 刚，白 涛

（国网宁夏电力有限公司石嘴山供电公司，宁夏 石嘴山 753000）

1 项目概述

该项目是国网宁夏电力有限公司石嘴山供电公司通过开展群众性科技创新，研制的关于变压器检修使用的一种综合控制装置，针对变压器检修关键环节寻求技术突破，集中研究解决变压器放油油位确认不准确、变压器充氮保护措施实施不智能以及变压器油枕胶囊充气过程存在人员高坠安全风险等问题，通过采用智能控制技术，全面提升变压器检修工作安全性和经济性。

2 变压器检修用综合控制装置介绍

该变压器检修用综合控制装置型号为：JY-CCDTM，该装置采用1套PLC、1种超声波液位传感器、1种行程开关、1种磁助式电接点压力表、1种电磁阀、3套锂电池组和4套无线传输模块构成，分为主控制装置和3种检测单元（放油、充氮和胶囊检测）共4个部分。主控制装置与3种检测单元之间是无线连接方式，采用CPU检测有线端口状态变化，发射远距离大功率无线信号，触发远程主机报警。在实施现场检修作业时，将主机箱置于地面，3种检测单元按照要求布置于变压器被检测部件位置，通过自动控制实现变压器本体自动定位放油、自动充氮停氮和胶囊充胀检测功能，通过状态指示或报警信号启动相应操作即可完成相应检修试验工作。

3 变压器检修用综合控制装置创新工作原理设计

3.1 主控箱

组成结构：主机箱为IP56防护等级的便携式可拖拽箱体，底部加装万向轮，采用不锈钢材料制作，箱体底部设有用于检测单元收纳的舱室，方便工作完成后的设备归位，采用工业防水航空插头，实现电源快速接入，内部安装PLC、中间继电器、直动式电磁阀、无线传输接收模块、开关电源、指示灯、闪光蜂鸣器、LED照明灯、检修电源插座等元件。

工作原理：交流AC220V电源，通过工业航空插头快速接入主控箱，供给PLC、开关电源、LED照明灯、检修电源插座。经过开关电源变换为DC24V的电源，供给继电器、电磁阀、无线传输接收模块、指示灯、闪光蜂鸣器等器件。无线传输接收模块通过接收无线传输发射模块动作信号，PLC通过采集无线传输接收模块的测量值信号，经过滤波和计算后驱动继电器、指示灯、蜂鸣器或电磁阀动作，从而实现相应的自动控制。

传感器分为：油枕胶囊充胀检测传感器、本体油位探测传感器和氮气压力测量传感器。其中油枕胶囊充胀检测传感器和本体油位探测传感器采用磁吸式安装方法，实现安全固定和快速拆装；油枕胶囊充胀检测传感器采用机械式行程开关，本体油位探测传感器采用超声波传感器。氮气压力测量传感器采用磁助式电接点压力表，安装固定于检测单元盒内并通过软管与主机箱内直动式电磁阀连接，对于主控箱与检测单元而言，氮气管路的进出采用快速接头方式。

3.2 放油检测单元

结构组成：壳体材质采用铝合金制作，配备可折叠提手，壳体内部安装超声波液位传感器、无线传输发射模块（频率433 MHz）、DC24V聚合物锂离子电池组。

工作原理：DC24V电池组供给超声波液位传感器、无线传输发射模块工作电源，通过激励超声波传感器发射超声波，超声信号随箱壁发射到变压器内，由于变压器内变压器油与气体介质存在巨大的声阻抗差异，使得2种介质对超声波能量的吸收能力也存在巨大差异，因此，超声波传感器接收到的本体内反射信号会有明显的强弱差异，通过检测接收到的超声波信号强度，能准确判定油位是否到达，通过无线传输发射模块“发射数据”，由无线传输接收模块“接收数据”，传递给PLC经过滤波和计算处理后驱动相应的继电器、指示灯、蜂鸣器动作，实现变压器本体油位放油指定位置的自动检测。如图1所示。

图1 放油油位自动检测原理图

3.3 充氮检测单元

结构组成：壳体材质采用铝合金制作，配备可折叠提手，壳体内部安装磁助式电接点压力表、无线传输发射模块（频率433 MHz）、DC24V聚合物锂离子电池组、标准连接法兰、4/6分接头、4分三通接头、4分活直接头和软管。

工作原理：DC24V电池组供给无线传输发射模块工作电源，磁助式电接点压力表在电接点压力表装置的电接触信号针上，装有可调节的永久磁钢，可以增加接点吸力，加快接触动作，从而使触点接触可靠，消除电弧，能有效地避免仪表由于工作环境振动或介质压力脉动造成触点的频繁关断，自动充氮单元通过软管与主机箱连接，利用压力表监测器压力发出高低位信号（下限启动，上限停止），通过无线传输发射模块“发射数据”，由无线传输接收模块“接收数据”，传递给PLC经过滤波和计算处理后驱动相应的继电器、指示灯动作，控制模块自动启停电磁阀，利用装置“低位充氮、高位停止”的功能使器身氮气压力持续维持在0.01～0.03 MPa范围内，从而实现变压器大修充氮保护自动控制。如图2所示。

图2 大修充氮保护自动控制原理图

3.4 胶囊检测单元

结构组成：壳体材质采用铝合金制作，配备可折叠提手，壳体内部安装机械式行程开关、无线传输发射模块（频率433 MHz）、DC24V聚合物锂离子电池组和高强钕铁硼永磁铁。

工作原理：通过磁吸式胶囊充胀检测行程开关探测胶囊充气状态，当油枕内胶囊外空气全部排出后，行程开关动作输出信号反馈到无线传输发射模块，由无线传输接收模块“接收数据”，传递给PLC经过滤波和计算处理后驱动相应的继电器、指示灯动作，并自动关闭气泵电源并实现变压器油枕胶囊充气自动控制。如图3所示。

图3 胶囊充气状态检测原理图

4 变压器检修用综合控制装置安装、设置及应用

通过上述的设计原理，变压器检修用综合控制装置在变压器检修中具有本体放油自动控制；变压器大修充氮保护自动控制；变压器油枕胶囊充气自动控制；声光报警与自动静音；电源线、传感器线和氮气导管的快速连接与拆除；3种功能集成于一体，根据应用需求灵活选择；传感器等配件的收纳与存放功能。其工作电压范围AC170~264 V，工作频率范围47~63 Hz，额定工作电流≤16 A，合适环境温度-25℃～70℃，环境湿度<90%RH（25℃时），海拔<3 000 m的自然环境中使用。安装时，所使用的工具有：大小十字螺丝刀；扳手一套；吊装工具；机柜支撑架。

4.1 装置配线

安装前，先对装置接线进行检查，确保变压器检修用综合控制装置相与机壳之间、相与相之间不能发生短路现象；接线、线号、各器件安装方向与电气图纸一致；所采用热插拔工业端子接线；控制装置侧面设置自动充氮进气口和出气口标识，对接软管时请勿接反。

安装时，先确认装置接线是否无误，确认无误后，给装置送入220 V单相交流电源；闭合QF1微型断路器；闭合FU1、FU2、FU3、FU4、FU5熔断器；检查PWR开关电源输入输出有无异常、PLC工作状态有无异常、照明灯有无异常、电源插座有无异常、油位检测单元蓄电池组输出电压是否异常，标准电压输DC24V；检查胶囊检测单元蓄电池组输出电压是否异，常标准电压输出DC24V；检查自动充氮单元蓄电池组输出电压是否异常，标准电压输DC24V，（注意：各检测单元根据现场要求进行参数设置后，再投入使用）。

4.2 现场运行

变压器检修用综合控制装置与油位检测单元、胶囊检测单元、自动充氮单元连接现场投运时，应先启动变压器检修用综合控制装置，待装置正常运行，无故障报出后，再向油位检测单元、胶囊检测单元、自动充氮单元提供电源DC24V。

4.3 油位检测单元——超声波液位传感器设置

蓄电池组接线分为输入和输出2个端子，操作油位检测单元时，将蓄电池输出端与超声波液位传感器连接，供电正常后，超声波液位传感器点亮。

在对超声波液位专感器进行设置时，第一步：门限选择，用磁性笔触发超声波液位传感器界面的数字③，界面进入到门限选择界面，这时通常择选“默认门限”。第二步：进行校准液面选择，用磁性笔触发位置③，界面进行到校准液面选择界面，此时需要根据目前探头所在位置设置有液，可以通过触点②切换“有液”或“无液”（通常低位选择有液，高位选择无液）。第三步：罐壁厚度选择，用磁性笔触发位置③，界面进入罐壁厚度选择界面，然后根据被测罐选择合适的厚度，可以通过触点②切换罐壁厚度<40 mm或≥40 mm。第四步：校准方式选择，用磁性笔触发位置③，界面进入校准方式选择界面，选择自动，仪表以6 d为1个周期进行自动校准，不需要人工进行校准，如果选择手动式校准，则需要人工定期对仪表进行校准，建议校准周期为1个月1次。第五步：增益模式选择，用磁性笔触发位置③，界面进入增益模式选择，此处的小、中、大、强表示探头信号强弱；通常不需要对此进行选择，默认选择小就可以。第六步：调试完成确认，用磁性笔触发位置③，进入界面，然后继续触发位置③完成校准。如果右上角数字为31，需要断电检查接线，重新正确接线后，再重新进行调试，直到调试完成。如图4所示。

图4 油位检测单元——超声波液位传感器设置

4.4 自动充氮单元——磁助式电接点压力表设置

蓄电池组接线分为输入和输出2个端子，操作自动充氮单元时，将蓄电池输出端与线发射模块连接。

电气线路如图5所示方式进行连接时，便能将被测的压力保持在P1至P2（应预先设定）的范围内，以达到自动控制的目的。

图5 电气线路连接图

其工作原理为：（1）当被测介质的压力（以下简称压力）在0至P1的区域内时，仪表指示指针上的动触头与P1设定点上的定触点因处于接触（即动合，下同）状态，使继电器J1通电后其触点动合。此时，接触器J3因通电使其触点亦动合，电机即开始工作；（2）当压力由P1向P2递增时，由于继电器J1上的触点动合处于自保持状态，故电机仍继续工作；（3）当压力达到P2的设定点时，指示针上的触头即与其相接触，使继电器J2通电，其触点则断开（即动断，下同），而继电器J1则因断电使其触点复于原状，电机亦随即停止工作；（4）当压力由P2向P1下降时，由于继电器J1上的触点仍处于断开状态（此时仪表中的触点亦处于断开状态），故电机仍停止工作；（5）待压力降至P1设定点之瞬间，由于指针上的触头又与其相动合，致使继电器J1和接触器J3上的触点又分别回复至起始状态（1），这样，电机又将重新开始工作。

4.5 胶囊检测单元——直压柱塞横装滚轮式开关设置

蓄电池组接线分为输入和输出2个端子，操作胶囊检测单元时，将蓄电池输出端与无线发射模块连接，胶囊检测单元内行程开关可根据现场情况进行调整操作力。对可调滚子转动杆，其动作行程设置为≤20°，全行程≥75°，操作力≤（2~8）N。

5 日常维护

变压器检修用综合控制装置块现场运行时免维护。设备现场维护只能由专业的人员进行，并只限于设备及其部件的清洁和检查。每半年或更频繁些，应清洁和检查设备：断开设备前级的进线断路器；用低压力的压缩空气机小心地清洁设备内灰尘；检查控制连线有无松动现象，检查电气和机械连接牢固性，检查所有导线有无损伤现象；检查完毕后，接通电源。

油位检测单元、胶囊检测单元、自动充氮单元内含DC24V蓄电池组，应进行充电维护，每间隔2~3个月进行充放电检测，检查电池充放电是否正常；检查完毕后，可接通电源。

6 结束语

综上所述，国网宁夏电力有限公司石嘴山供电公司创新的该项目成果是一种利用传感器测量和PLC装置实现自动控制的变压器综合检修装置，此装置可以在变压器放油检修工作过程中，精准定位放油油位，并实现报警提示，提升检修效率；在变压器大修工作间隙采用智能控制方式确保充氮保护实施可靠性，将器身内部氮气压力维持在规定范围，有效防止器身受潮；在变压器油枕胶囊检修、补油操作后，利用胶囊充气探测及气泵智能控制技术实现胶囊充气自动化，彻底摒弃人员持续登高判断胶囊充气状态的方式，成功避免人员高坠安全隐患，并极大提升工作效率，减少电网设备运维人财物投入，对建设现代化智能一流电网产生积极作用。