變壓器檢修用綜合控制裝置的創新技術及應用

馬 瑞，劉 剛，白 濤

（國網寧夏電力有限公司石嘴山供電公司，寧夏 石嘴山 753000）

1 項目概述

該項目是國網寧夏電力有限公司石嘴山供電公司通過開展群眾性科技創新，研制的關于變壓器檢修使用的一種綜合控制裝置，針對變壓器檢修關鍵環節尋求技術突破，集中研究解決變壓器放油油位確認不準確、變壓器充氮保護措施實施不智能以及變壓器油枕膠囊充氣過程存在人員高墜安全風險等問題，通過采用智能控制技術，全面提升變壓器檢修工作安全性和經濟性。

2 變壓器檢修用綜合控制裝置介紹

該變壓器檢修用綜合控制裝置型號為：JY-CCDTM，該裝置采用1套PLC、1種超聲波液位傳感器、1種行程開關、1種磁助式電接點壓力表、1種電磁閥、3套鋰電池組和4套無線傳輸模塊構成，分為主控制裝置和3種檢測單元（放油、充氮和膠囊檢測）共4個部分。主控制裝置與3種檢測單元之間是無線連接方式，采用CPU檢測有線端口狀態變化，發射遠距離大功率無線信號，觸發遠程主機報警。在實施現場檢修作業時，將主機箱置于地面，3種檢測單元按照要求布置于變壓器被檢測部件位置，通過自動控制實現變壓器本體自動定位放油、自動充氮停氮和膠囊充脹檢測功能，通過狀態指示或報警信號啟動相應操作即可完成相應檢修試驗工作。

3 變壓器檢修用綜合控制裝置創新工作原理設計

3.1 主控箱

組成結構：主機箱為IP56防護等級的便攜式可拖拽箱體，底部加裝萬向輪，采用不銹鋼材料制作，箱體底部設有用于檢測單元收納的艙室，方便工作完成后的設備歸位，采用工業防水航空插頭，實現電源快速接入，內部安裝PLC、中間繼電器、直動式電磁閥、無線傳輸接收模塊、開關電源、指示燈、閃光蜂鳴器、LED照明燈、檢修電源插座等元件。

工作原理：交流AC220V電源，通過工業航空插頭快速接入主控箱，供給PLC、開關電源、LED照明燈、檢修電源插座。經過開關電源變換為DC24V的電源，供給繼電器、電磁閥、無線傳輸接收模塊、指示燈、閃光蜂鳴器等器件。無線傳輸接收模塊通過接收無線傳輸發射模塊動作信號，PLC通過采集無線傳輸接收模塊的測量值信號，經過濾波和計算后驅動繼電器、指示燈、蜂鳴器或電磁閥動作，從而實現相應的自動控制。

傳感器分為：油枕膠囊充脹檢測傳感器、本體油位探測傳感器和氮氣壓力測量傳感器。其中油枕膠囊充脹檢測傳感器和本體油位探測傳感器采用磁吸式安裝方法，實現安全固定和快速拆裝；油枕膠囊充脹檢測傳感器采用機械式行程開關，本體油位探測傳感器采用超聲波傳感器。氮氣壓力測量傳感器采用磁助式電接點壓力表，安裝固定于檢測單元盒內并通過軟管與主機箱內直動式電磁閥連接，對于主控箱與檢測單元而言，氮氣管路的進出采用快速接頭方式。

3.2 放油檢測單元

結構組成：殼體材質采用鋁合金制作，配備可折疊提手，殼體內部安裝超聲波液位傳感器、無線傳輸發射模塊（頻率433 MHz）、DC24V聚合物鋰離子電池組。

工作原理：DC24V電池組供給超聲波液位傳感器、無線傳輸發射模塊工作電源，通過激勵超聲波傳感器發射超聲波，超聲信號隨箱壁發射到變壓器內，由于變壓器內變壓器油與氣體介質存在巨大的聲阻抗差異，使得2種介質對超聲波能量的吸收能力也存在巨大差異，因此，超聲波傳感器接收到的本體內反射信號會有明顯的強弱差異，通過檢測接收到的超聲波信號強度，能準確判定油位是否到達，通過無線傳輸發射模塊“發射數據”，由無線傳輸接收模塊“接收數據”，傳遞給PLC經過濾波和計算處理后驅動相應的繼電器、指示燈、蜂鳴器動作，實現變壓器本體油位放油指定位置的自動檢測。如圖1所示。

圖1 放油油位自動檢測原理圖

3.3 充氮檢測單元

結構組成：殼體材質采用鋁合金制作，配備可折疊提手，殼體內部安裝磁助式電接點壓力表、無線傳輸發射模塊（頻率433 MHz）、DC24V聚合物鋰離子電池組、標準連接法蘭、4/6分接頭、4分三通接頭、4分活直接頭和軟管。

工作原理：DC24V電池組供給無線傳輸發射模塊工作電源，磁助式電接點壓力表在電接點壓力表裝置的電接觸信號針上，裝有可調節的永久磁鋼，可以增加接點吸力，加快接觸動作，從而使觸點接觸可靠，消除電弧，能有效地避免儀表由于工作環境振動或介質壓力脈動造成觸點的頻繁關斷，自動充氮單元通過軟管與主機箱連接，利用壓力表監測器壓力發出高低位信號（下限啟動，上限停止），通過無線傳輸發射模塊“發射數據”，由無線傳輸接收模塊“接收數據”，傳遞給PLC經過濾波和計算處理后驅動相應的繼電器、指示燈動作，控制模塊自動啟停電磁閥，利用裝置“低位充氮、高位停止”的功能使器身氮氣壓力持續維持在0.01～0.03 MPa范圍內，從而實現變壓器大修充氮保護自動控制。如圖2所示。

圖2 大修充氮保護自動控制原理圖

3.4 膠囊檢測單元

結構組成：殼體材質采用鋁合金制作，配備可折疊提手，殼體內部安裝機械式行程開關、無線傳輸發射模塊（頻率433 MHz）、DC24V聚合物鋰離子電池組和高強釹鐵硼永磁鐵。

工作原理：通過磁吸式膠囊充脹檢測行程開關探測膠囊充氣狀態，當油枕內膠囊外空氣全部排出后，行程開關動作輸出信號反饋到無線傳輸發射模塊，由無線傳輸接收模塊“接收數據”，傳遞給PLC經過濾波和計算處理后驅動相應的繼電器、指示燈動作，并自動關閉氣泵電源并實現變壓器油枕膠囊充氣自動控制。如圖3所示。

圖3 膠囊充氣狀態檢測原理圖

4 變壓器檢修用綜合控制裝置安裝、設置及應用

通過上述的設計原理，變壓器檢修用綜合控制裝置在變壓器檢修中具有本體放油自動控制；變壓器大修充氮保護自動控制；變壓器油枕膠囊充氣自動控制；聲光報警與自動靜音；電源線、傳感器線和氮氣導管的快速連接與拆除；3種功能集成于一體，根據應用需求靈活選擇；傳感器等配件的收納與存放功能。其工作電壓范圍AC170~264 V，工作頻率范圍47~63 Hz，額定工作電流≤16 A，合適環境溫度-25℃～70℃，環境濕度<90%RH（25℃時），海拔<3 000 m的自然環境中使用。安裝時，所使用的工具有：大小十字螺絲刀；扳手一套；吊裝工具；機柜支撐架。

4.1 裝置配線

安裝前，先對裝置接線進行檢查，確保變壓器檢修用綜合控制裝置相與機殼之間、相與相之間不能發生短路現象；接線、線號、各器件安裝方向與電氣圖紙一致；所采用熱插拔工業端子接線；控制裝置側面設置自動充氮進氣口和出氣口標識，對接軟管時請勿接反。

安裝時，先確認裝置接線是否無誤，確認無誤后，給裝置送入220 V單相交流電源；閉合QF1微型斷路器；閉合FU1、FU2、FU3、FU4、FU5熔斷器；檢查PWR開關電源輸入輸出有無異常、PLC工作狀態有無異常、照明燈有無異常、電源插座有無異常、油位檢測單元蓄電池組輸出電壓是否異常，標準電壓輸DC24V；檢查膠囊檢測單元蓄電池組輸出電壓是否異，常標準電壓輸出DC24V；檢查自動充氮單元蓄電池組輸出電壓是否異常，標準電壓輸DC24V，（注意：各檢測單元根據現場要求進行參數設置后，再投入使用）。

4.2 現場運行

變壓器檢修用綜合控制裝置與油位檢測單元、膠囊檢測單元、自動充氮單元連接現場投運時，應先啟動變壓器檢修用綜合控制裝置，待裝置正常運行，無故障報出后，再向油位檢測單元、膠囊檢測單元、自動充氮單元提供電源DC24V。

4.3 油位檢測單元——超聲波液位傳感器設置

蓄電池組接線分為輸入和輸出2個端子，操作油位檢測單元時，將蓄電池輸出端與超聲波液位傳感器連接，供電正常后，超聲波液位傳感器點亮。

在對超聲波液位專感器進行設置時，第一步：門限選擇，用磁性筆觸發超聲波液位傳感器界面的數字③，界面進入到門限選擇界面，這時通常擇選“默認門限”。第二步：進行校準液面選擇，用磁性筆觸發位置③，界面進行到校準液面選擇界面，此時需要根據目前探頭所在位置設置有液，可以通過觸點②切換“有液”或“無液”（通常低位選擇有液，高位選擇無液）。第三步：罐壁厚度選擇，用磁性筆觸發位置③，界面進入罐壁厚度選擇界面，然后根據被測罐選擇合適的厚度，可以通過觸點②切換罐壁厚度<40 mm或≥40 mm。第四步：校準方式選擇，用磁性筆觸發位置③，界面進入校準方式選擇界面，選擇自動，儀表以6 d為1個周期進行自動校準，不需要人工進行校準，如果選擇手動式校準，則需要人工定期對儀表進行校準，建議校準周期為1個月1次。第五步：增益模式選擇，用磁性筆觸發位置③，界面進入增益模式選擇，此處的小、中、大、強表示探頭信號強弱；通常不需要對此進行選擇，默認選擇小就可以。第六步：調試完成確認，用磁性筆觸發位置③，進入界面，然后繼續觸發位置③完成校準。如果右上角數字為31，需要斷電檢查接線，重新正確接線后，再重新進行調試，直到調試完成。如圖4所示。

圖4 油位檢測單元——超聲波液位傳感器設置

4.4 自動充氮單元——磁助式電接點壓力表設置

蓄電池組接線分為輸入和輸出2個端子，操作自動充氮單元時，將蓄電池輸出端與線發射模塊連接。

電氣線路如圖5所示方式進行連接時，便能將被測的壓力保持在P1至P2（應預先設定）的范圍內，以達到自動控制的目的。

圖5 電氣線路連接圖

其工作原理為：（1）當被測介質的壓力（以下簡稱壓力）在0至P1的區域內時，儀表指示指針上的動觸頭與P1設定點上的定觸點因處于接觸（即動合，下同）狀態，使繼電器J1通電后其觸點動合。此時，接觸器J3因通電使其觸點亦動合，電機即開始工作；（2）當壓力由P1向P2遞增時，由于繼電器J1上的觸點動合處于自保持狀態，故電機仍繼續工作；（3）當壓力達到P2的設定點時，指示針上的觸頭即與其相接觸，使繼電器J2通電，其觸點則斷開（即動斷，下同），而繼電器J1則因斷電使其觸點復于原狀，電機亦隨即停止工作；（4）當壓力由P2向P1下降時，由于繼電器J1上的觸點仍處于斷開狀態（此時儀表中的觸點亦處于斷開狀態），故電機仍停止工作；（5）待壓力降至P1設定點之瞬間，由于指針上的觸頭又與其相動合，致使繼電器J1和接觸器J3上的觸點又分別回復至起始狀態（1），這樣，電機又將重新開始工作。

4.5 膠囊檢測單元——直壓柱塞橫裝滾輪式開關設置

蓄電池組接線分為輸入和輸出2個端子，操作膠囊檢測單元時，將蓄電池輸出端與無線發射模塊連接，膠囊檢測單元內行程開關可根據現場情況進行調整操作力。對可調滾子轉動桿，其動作行程設置為≤20°，全行程≥75°，操作力≤（2~8）N。

5 日常維護

變壓器檢修用綜合控制裝置塊現場運行時免維護。設備現場維護只能由專業的人員進行，并只限于設備及其部件的清潔和檢查。每半年或更頻繁些，應清潔和檢查設備：斷開設備前級的進線斷路器；用低壓力的壓縮空氣機小心地清潔設備內灰塵；檢查控制連線有無松動現象，檢查電氣和機械連接牢固性，檢查所有導線有無損傷現象；檢查完畢后，接通電源。

油位檢測單元、膠囊檢測單元、自動充氮單元內含DC24V蓄電池組，應進行充電維護，每間隔2~3個月進行充放電檢測，檢查電池充放電是否正常；檢查完畢后，可接通電源。

6 結束語

綜上所述，國網寧夏電力有限公司石嘴山供電公司創新的該項目成果是一種利用傳感器測量和PLC裝置實現自動控制的變壓器綜合檢修裝置，此裝置可以在變壓器放油檢修工作過程中，精準定位放油油位，并實現報警提示，提升檢修效率；在變壓器大修工作間隙采用智能控制方式確保充氮保護實施可靠性，將器身內部氮氣壓力維持在規定范圍，有效防止器身受潮；在變壓器油枕膠囊檢修、補油操作后，利用膠囊充氣探測及氣泵智能控制技術實現膠囊充氣自動化，徹底摒棄人員持續登高判斷膠囊充氣狀態的方式，成功避免人員高墜安全隱患，并極大提升工作效率，減少電網設備運維人財物投入，對建設現代化智能一流電網產生積極作用。