高可靠智能壓力開關研發及應用

吳鶴春，單文俊，劉福軍，郭忠波，韋玉華，胡勇，姜肇雨，謝峰

高可靠智能壓力開關研發及應用

吳鶴春，單文俊，劉福軍，郭忠波，韋玉華，胡勇，姜肇雨，謝峰

（華能國際電力股份有限公司工程部，北京市 西城區 101102）

壓力開關是火電機組保護系統中重要的一次信號元件，壓力開關測量的準確性、可靠性及快速性直接決定了電廠保護系統能否正確、快速動作。針對機械式壓力開關和壓力變送器作為保護元件存在的不足，依據保護、調節、監視三分開控制系統設計原則，設計了微功耗、高可靠的兩線制智能數顯壓力開關，并對智能壓力開關進行可靠性設計和試驗測試。測試結果表明，該壓力開關有效地解決了傳統壓力開關存在的卡澀、偏移、不可監控和預測的問題，具有微功耗、高可靠、高精度和免校驗等優點，為電廠保護系統的可靠運行提供了根本有效的保證。

智能壓力開關；微功耗；高可靠；無漂移

0 引言

發電機組保護系統的正確動作對保證機組的安全運行、避免重大生產事故的發生具有決定性的作用[1]。作為保護系統的測量元件，壓力開關的性能好壞直接決定了機組保護系統能否及時、準確動作，對預防生產過程中設備的損壞、事故發生及擴大化具有重要作用。盡管電廠在壓力開關設計選型時都做了最好的選擇，但由于機械式壓力開關的卡澀、定值漂移和不可監視，機組保護系統仍然存在拒動和誤動現象，對機組的安全運行帶來嚴重威脅。

針對機械式壓力開關的卡澀、漂移、破損和變送器累計延時及測量誤差問題，本文提出一種新型的兩線制智能壓力開關，采用高可靠微功耗、智能化設計技術，使其不僅具有故障率低和無漂移性能，還把壓力值、保護動作值、返回值等主要參數實時顯示出來，為日常維護的監視、預測提供了可能。

1 現有壓力開關存在問題

1.1 機械式壓力開關問題分析

機械式壓力開關盡管是電廠保護最常見的一次信號元件，但主要也存在以下幾點問題：

1）卡澀。由于銹蝕、積塵、潤滑枯澀、松動、振動、溫度膨脹、偏心等原因引起可活動部件卡澀，導致保護誤動或拒動?？F象通常比較隱蔽，不易被發現。

2）定值漂移。進口機械式壓力開關的精度一般為4%左右，較好的為2%左右。機械式壓力開關由于機械磨損、振動引起螺絲松動、彈簧彈性疲勞等問題，使設定值發生變化，從而導致定值的漂移。

3）觸點接觸不良。由于微動開關觸點的氧化，導致開關接觸不良；在大功率頻繁動作的場合，由于電火花、拉弧導致觸點打毛，引發接觸不良，不能正確動作。

4）狀態無法監控。由于機械式壓力開關沒有顯示，無法判斷壓力開關是否正常工作。為了確保保護系統的可靠性，工作人員需頻繁地對壓力開關進行校驗和嚴格的試驗，盡管如此仍無法對其進行有效的監測和故障預測。

1.2 變送器作為保護元件存在的不足

由于機械式壓力開關的種種不足，很多 電廠試圖用變送器替代壓力開關，除了汽機保 護外，基本都改用變送器作為保護元件。雖然 這是一個有效的解決辦法[3]，但也存在一定安全隱患：

1）采用變送器作為保護元件時，變送器多次的A/D、D/A轉換引起的累積誤差和延時是不可忽視的。

2）保護的獨立性是電廠控制最基本的可靠性要求。保護、調節、監視三者分開是控制系統設計的基本原則。采用變送器作為保護元件不符合三分開的原則。當保護系統采用變送器信號的三取中方式實現，當信號處理的控制器發生故障時，可能導致調節、保護、監視均失靈。

3）壓力開關和變送器的設計目的、功能不同。變送器一般掃描周期約700 ms，最快能達到 100ms，相比于機械式壓力開關，變送器滯后約3s，而保護設計規范要求動作時間最大不應超過100ms。

4）變送器資源消耗大、功耗高。普通變送器功耗是4mA，比智能壓力開關的160 μA大33倍，特別是總線變送器采用了雙CPU結構，為保證 通信速率，總線處理CPU的頻率很高，功耗達到28mA，這類變送器難以成為保護的取信元件。

2 兩線制智能壓力開關

2.1 兩線制智能壓力開關工作原理

兩線制智能壓力開關采用標準工業級微功耗壓力傳感器或熱電阻、熱電偶作為測量元件，微功耗高精度集成電路將測量結果進行信號處理，經單片機MCU進行A/D轉換、線性、溫度補償、設定、校準等處理，通過D/A后輸出4~20 mA，同時輸出DO驅動IGBT[4]控制開關狀態；單片機接受按鍵并輸出顯示，集成了數顯壓力開關變送器的新一代智能壓力開關，其原理如圖1所示。

圖1 兩線制智能壓力開關工作原理

兩線制智能壓力開關為徹底解決機械式壓力開關存在的問題提供了有效的解決辦法， 它把壓力值、保護動作值、返回值等主要參數 進行實時顯示，為日常監視、維護、預測提供了可能。

2.2 兩線制智能壓力開關特點

壓力開關作為保護的一次取信元件，基本要求是可靠、準確、快速。根據保護系統要求，壓力開關應是干觸點[5]，不需外部供電或內部電池。因此，兩線制智能數顯壓力開關是保護系統理想的一次取信元件，具有如下特點：

1）滿足了保護系統不供電的干觸點要求[6]。兩線制智能壓力開關利用DCS/PLC控制系統DI輸入通道的查詢信號電壓供電(LOOP POWER)，儀表整機工作電流(160mA)是以DCS/PLC的DI輸入回路的門檻電流為基準的。當工作電流超過光電隔離器門檻電流時，光電隔離器的二極管就會發光，三極管導通，信號觸發。所以，工作電流必須做到既要保證儀表能正常工作，還要確保DCS/PLC正確接收開關的閉合和斷開信號，其滿足保護系統的全部要求，實現了壓力開關的數字化和智能化。

2）智能壓力開關高可靠性容錯設計。半導體器件工作時，因其自身電阻的存在，必然產生熱量，在溫度和電流的綜合作用下，器件內溫度超過極限將導致失效[6]。理論與實踐均表明，160mA工作電流下的儀表元器件功耗極低，其故障率幾乎為0，微功耗從本質上有效保證了兩線制壓力開關的可靠性。與此同時，智能壓力開關是針對火電廠現場最常見的惡劣環境，如極端溫度、強電、瞬間超壓等設計的，從而防止了各種常見故障的發生[7]。

溫度適應范圍寬：智能壓力開關經過-10~ 80℃溫度范圍的長時間測試，并順利通過青海地區-40℃的半年試用，確保了在惡劣環境下能正常工作。

防強電沖擊：為了防止強電沖擊，確保驅動電磁閥、接觸器等交流負載，以交流峰值的3倍以上(1500V)作為設計電壓，而實際上大部分壓力開關查詢電壓僅為48V或24V，近30倍的設計余量保證了儀表在各種惡劣環境下的外部沖擊都不會引發故障，保障了智能壓力開關的安全可靠性。

防瞬間過壓：智能壓力開關傳感器均采用擴散硅壓阻傳感器而非陶瓷傳感器，并盡可能比實際壓力范圍大一檔，在精度允許的情況下再適當增加余量，抗瞬間沖擊。

3）高精度、高標準設計。

精度標準：一般儀表是以常溫下的誤差作為標準[8]，而兩線制智能壓力開關則是以-10~ 80℃溫度范圍內的所有誤差不超過±0.5%作為標準。

無漂移：160mA工作電流下的儀表自身的發熱幾乎為0，沒有自熱引起的漂移，由于儀表嚴密的環境溫度補償，保證了儀表基本沒有漂移[9]。

生產工藝及測試嚴格：為了確保壓力開關的性能，生產工藝和測試是在不同溫度下進行實時檢測和誤差計算，不同于一般儀表的抽檢和試驗后測試方式。嚴格的測試工藝保證了壓力開關的精度和穩定性，將最惡劣環境下的誤差作為測試結果，確保了在惡劣環境下的精度能達到保護的要求。

4）免校驗、免維護。兩線制智能壓力開關具有零故障和不漂移的免維護基礎，利用常規的運行巡檢，如無異常則完全不需定期校驗。即便大修，就地加壓比對即可。經過長時間安全運行后，校驗周期可以加長，甚至完全無需校驗，大大降低日常的維護和檢修工作量，避免了頻繁拆裝帶來的人力浪費以及諸如機械式壓力開關接線松動或接觸不良、儀表管接頭泄漏等人為失誤引起的故障。

5）可監控、可預測。兩線制智能壓力開關能通過數顯展示壓力開關的全部信息，為保護系統提供了可視、可查、可監控、可預測的可能，為電廠保護可靠性的提高提供了根本性的保證。

6）抗振動、抗干擾、防水。智能壓力開關采用分倉和相互制約結構，通過螺絲和焊接雙重固定的電路板，有效地防止了電路板的相對位移，避免了松動引起的脫落，保證了儀表的抗振能力。電路上除了普通的電容型濾波外，在輸入電路的80mH共模元件保證了微功耗電路抗干擾能 力[9-10]，根據GBT18268.1—2010[9]可知，智能壓力開關具有極高的抗干擾性。智能壓力開關采用了雙層密封結構，保證了儀表的防水性[11]。

3 智能壓力開關的可靠性設計與測試

3.1 智能化測試系統

為了保證智能壓力開關的高可靠、高性能，保證產品質量100%合格，設計了全面、嚴格的智能化測試系統，其測試系統結構原理如圖2所示，現場實測如圖3、4所示。將25只壓力開關組裝到試驗安裝支架上，并用高壓軟管連接至壓力試驗泵，壓力試驗泵上裝有標準表。將25只 開關的輸出端子連接到DI輸入模塊，同時將變送器連接到AI輸入模塊，DI和AI輸入模塊由485接口連接到監控主機，通過檢測程序對智能開關的信號進行監控。通過壓力泵加壓進行壓力開關動作試驗和變送器4、8、12、16、20mA測試，并將結果保存到數據庫中(廠家內部摸底 測試)。

圖2 測試系統結構原理

1—智能壓力開關測試安裝支架；2—開關量輸入端子；3—模擬量輸入端子；4—壓力軟管；5—壓力泵

3.2 系統測試流程

每只智能壓力開關的測試秉承反復測試、重復驗證原則，主要流程如下：

1）首次整機精度測試。首次試驗需完成零位量程的標定，以零、中、滿3點進行精度標定，對4mA、12mA、20mA進行設定，對開關動作、返回值、常開/常閉進行設定，并進行常溫下的初步校驗。

2）交流耐壓負載測試。以中間接觸器為負載，完成交流功能的開關試驗，重復動作3次無異常。

3）摸底與補償測試。先測試常溫下測量誤差，記錄到數據庫，并以此作為-10℃和80℃試驗的參比值，在-10℃試驗后對超差的進行溫度修正，并進行80℃的溫度試驗，同樣對試驗后的不合格產品進行修正。摸底試驗是在達到-10℃或80℃溫度值并穩定15min后進行測試，修正后再進行新一輪的測試，經檢查-10℃和80℃下均達到精度后，進行下一步測試。

4）初步測試。以25℃為基準，-10 ℃、60 ℃、80℃，每個溫度點2 h，每1 h測試一次，在每次測試中所有測試記錄的誤差均在±0.5%以內時進行下一步測試，否則退回到上一階段的摸底補償測試。

5）最終測試。以25℃為基準，-10℃、60 ℃、80℃，每個溫度點4h，每2 h測試一次，連續2個輪回周期內的所有測試記錄誤差均應在±0.5%以內，不合格者重新進行補償和試驗。

6）時漂測試。為了對產品的漂移進行檢查，防止任何出廠包裝過程中引起的故障，也作為出廠長時間庫存后的質量檢查，最后一次時漂測試具有一票否決的作用。

通過高低溫反復交替的苛刻測試環境，不良元器件將很快失效而被淘汰，充分暴露了元器件或工藝結構的故障隱患，同時釋放了傳感器的安裝應力和電子元器件的應力[10]。測試系統以誤差小于±0.5%作為質量檢驗的硬性指標，使質保更加精準、易于掌握和操作，利用精度的一票否決權保證質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。采用經過嚴格篩選的專用器件組成的微功耗儀表系統完全區別于傳統微功耗儀表，具有超常的高可靠性。

2）平均無故障時間(mean time between failures，MTBF)試驗分析。依據MTBF試驗時 間的計算公式[12-15]：MTBF試驗時間=MTBF目標值′信心水準/樣品臺數′加速因素，采用25只智能壓力開關在80℃溫度環境下連續運行45 d，25只壓力開關無一發生故障。按照國際標準推算，本產品MTBF可達到34 a，詳見表1。

3）誤動與拒動的分析。如表2所示，除了IGBT擊穿外，不論發生哪類故障，測試期間智能壓力開關的誤動率為0，故障引起的拒動可能性得到有效的抑制。

表1 MTBF試驗匯總(環境溫度80℃)

表2 故障可能性分析

4 智能壓力開關應用

通過智能壓力開關可以實現保護系統全方位的監控，確保保護系統處于良好的工作狀態，隨時預防事故的發生。智能壓力開關的應用實例有：華能北京熱電燃機交流油泵、華能德州小機掛閘油壓、華能金陵和海門等離子系統、華能玉環爐膛壓力、國電寶慶磨煤機油壓、秦山核電站二期凝泵出口壓力低(見圖5)、兩江燃機電站真空、首鋼高爐氧化風機入口濾網差壓、索普化工集團聯鎖保護、華能丹東密封油濾網差壓等近百家電力、鋼鐵、化工企業[16-20]，性能穩定可靠，應用效果良好。

圖5 核電現場圖片

5 結論

通過分析機械式壓力開關存在的卡澀、漂移、無法監控，以及變送器速度慢、AI通道價格昂貴、不滿足保護系統三分要求等不足，針對燃煤發電廠保護系統，開發了新型高可靠、高精度、微功耗的兩線式智能壓力開關，并設計和搭建了嚴格的測試系統。測試結果表明，兩線制智能數顯壓力開關在可靠性、快速性、可預測性方面較機械式壓力開關及變送器都得到大幅提升，系統測量精度誤差小于0.5%，平均無故障時間已達到40萬h，為保護系統的故障預測、動作精準、可靠運行提供一套徹底的解決方案，為確保機組的保護系統的可靠性提供了有力的保證。

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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。

吳鶴春(1956)，男，高級工程師，研究方向為電廠熱工自動化，whcbj@163.com。

吳鶴春

(責任編輯 楊陽)