CN110161357B - 一种油浸式电力变压器压力释放阀故障录波装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种油浸式电力变压器压力释放阀故障录波装置及方法，包括瞬态油压特征量测量模块、压力释放阀开关量输入模块、信号调理与采集模块以及数字核心处理模块；瞬态油压特征量测量模块与信号调理与采集模块相连，压力释放阀开关量输入模块、信号调理与采集模块均与数字核心处理模块相连。本发明基于录波原理及功能要求对装置进行控制，完成对被测变压器内部油压与压力释放阀动作信息的测量、运算、记录、通信等操作，实现在故障或扰动情况下的变压器内部暂态油压变化特征与压力释放阀动作情况的故障录波功能。本发明具有构成简单、易于实现、可靠高效等优点，为变压器运行人员获取故障油压特征、分析事故原因、提出相应的反事故措施提供录波数据。

Description

一种油浸式电力变压器压力释放阀故障录波装置及方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，涉及一种油浸式电力变压器压力释放阀故障录波装置及方法，用于测量、记录油浸式电力变压器在故障或扰动状态下的瞬态油压变化特征以及压力释放阀动作情况。

背景技术

作为一种关键的电力主设备，变压器在电力系统中占有举足轻重的地位，它的稳定运行是保证整个电力系统电能可靠传输、灵活分配、安全使用的重要前提。尤其对于高电压等级、大容量的枢纽变压器，由于自身造价昂贵、结构复杂，且带有大量负荷，无论发生保护拒动或是误动，都将严重影响电力系统的安全稳定运行。当变压器内部发生严重故障时，绝缘油汽化、分解将产生大量瓦斯气体。由于油浸式电力变压器主油箱近似于密闭容器，一旦因故障引起的压力不能被及时释放，变压器油箱将可能发生形变、破裂甚至爆炸、起火等事故，严重威胁变电站内运行人员、其他电力设备安全。

压力释放阀是油浸式电力变压器的一种重要的压力保护装置，通常安装在油浸式电力变压器油箱顶部或侧壁，通过弹簧结构感应安装位置的油压大小。一旦压力释放阀安装位置的油压超过其开启压力，压力释放阀将及时打开，通过排出过压绝缘油的方式实现对油箱内部油压的释放。待油箱内部压力降低至压力释放阀的关闭压力时，压力释放阀将自动闭合，保持油箱的密封。按照标准GB/6451-2015，对于容量为800kVA及以上的变压器，都应装设压力保护装置。长期以来，压力释放阀成功保护了数以万计的电力变压器不因内部油压的骤升而发生油箱损坏。但是，在非内部故障发生的喷油事件亦时有发生，由于运行现场并未安装压力释放阀故障录波器或类似的瞬态油压特征动态记录装置，时至今日，其在非内部故障条件下的喷油原因的依旧不明。此外，即使压力释放阀在内部故障条件下正确喷油动作，由于同样缺少压力释放阀故障录波器或类似的瞬态油压特征动态记录装置，现场运行人员无法对故障暂态过程中的油压特征进行分析和研究。因此，迫切需要针对压力释放阀配备相应的数字式故障录波设备，以实现对油压特征的实时采集与记录分析，查明压力释放阀误动原因，提出相应反事故措施。

智能电网是我国电网发展的方向，通过数字化信息网络系统将能源资源开发、输送、转换、输电、以及蓄能与能源终端用户的各种电气设备和其它用能设施连接在一起，通过智能化控制实现精确供能、对应供能、互助供能和互补供能，将能源利用效率和能源供应安全提高到全新的水平。实现智能电网的重要前提是电力生产中相关数据采集和信息集成和共享，数字化变电站正符合智能电网所要求达到的标准。在数字化变电站中，数字化录波装置在信息收集环节起着重要作用。

故障录波器是用来记录电力系统中电气量和非电气量以及开关量的自动记录装置。通过记录和监视系统中模拟量和开关量来对系统中发生的故障和异常等事件生成故障特征波形，储存并发送至远方主站，通过对波形进行分析和计算，从而对故障类型、故障发生原因、故障严重程度等进行准确地判断。随着电力系统网络的复杂化、扩大化和区域网互联趋势的到来，电力系统的行为将会越来越复杂，丰富详尽的现场实测数据尤其是故障或非正常运行下的录波数据，无疑将具有越来越重要的价值。它们不仅是分析故障原因、检验继电保护动作行为的依据,也为电力工作者研究了解复杂系统的真实行为、发现其规律提供了宝贵资料。

80年代中期以来，伴随着计算机技术、通信技术、数字处理技术的飞速发展，微机型故障录波器已完全取代了早期的光电式录波器，成为电网故障信息记录的载体，在许多重大事故的调查和分析中发挥着重要的作用。但由于尚未出现针对电力变压器故障或扰动条件下瞬态油压变化特征以及压力释放阀动作信号的综合录波装置，业界针对压力释放阀非正确动作机理及其反事故措施的研究举步维艰。

油浸式电力变压器通常安装有机械式压力释放阀，用以释放因油箱内部故障引起的过高油压，从而保护变压器本体在内部高压冲击下发生形变、破裂甚至爆炸。长期以来，这种机械式的压力释放阀装置通过内部弹簧结构感受安装处油压大小，当油压超过其开启压力门槛时，通过喷油动作完成压力释放。因此，一旦压力释放阀出现喷油动作，现场运行人员常常需要停运变压器以检查是否有内部故障发生。但有时压力释放阀虽然出现喷油动作，但经停运检查后并未发现变压器内部故障，这种“误喷油”情况尤其在外部短路或励磁涌流时更为频繁。事实上，这种由于“误喷油”而引起的不必要检修严重影响了供电可靠性和运行经济性，同时也加重了现场运维人员的工作负担。

迄今为止，由于运行现场并未安装压力释放阀故障录波器或类似的瞬态油压特征动态记录装置，其在非内部故障条件下的喷油原因的依旧不明，现场运行人员只能凭经验进行定性分析。同时，即使压力释放阀在内部故障条件下正确喷油动作，由于同样因缺少压力释放阀故障录波器或类似的瞬态油压特征动态记录装置，现场运行人员无法对故障暂态过程中的油压特征进行分析和研究。因此，迫切需要针对压力释放阀配备相应的数字式故障录波设备，以实现对瞬态油压特征的实时采集与记录分析。

发明内容

本发明的目的是提供一种油浸式电力变压器压力释放阀故障录波装置及方法，用于测量、记录油浸式电力变压器在故障或扰动状态下的瞬态油压变化特征以及压力释放阀动作情况。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种油浸式电力变压器压力释放阀故障录波装置，包括：瞬态油压特征量测量模块、压力释放阀开关量输入模块、信号调理与采集模块以及数字核心处理模块；其中，瞬态油压特征量测量模块与信号调理与采集模块相连，压力释放阀开关量输入模块与信号调理与采集模块均与数字核心处理模块相连；

瞬态油压特征量测量模块用于测量压力释放阀安装处的油压变化特征，并输出与之相对应的模拟电压/电流信号；

信号调理与采集模块用于接收瞬态油压特征量测量模块输出的模拟量信号，并将其转换为数字核心处理模块能够识别的标准数字信号，再输出标准数字信号；

压力释放阀开关量输入模块与压力释放阀信号端子相连，用于接收压力释放阀动作的开关量信号，并输出数字信号；

数字核心处理模块用于接收信号调理与采集模块输出的标准数字信号以及压力释放阀开关量输入模块输出的数字信号，并进行数字信号处理，实现对被测变压器瞬态油压信号、压力释放阀开关量信号的运算及故障录波。

本发明进一步的改进在于，瞬态油压特征量测量模块由多个高频动态油压传感器及其通信线缆组成；高频动态油压传感器安装在压力释放阀相邻壳体上，传感器端部探头直接与变压器绝缘油相接触，以测量压力释放阀安装处的油压变化特征，并利用通信线缆输出模拟电压信号。

本发明进一步的改进在于，高频动态油压传感器的测量频率为20kHz以上，测量误差小于1％，工作温度为-45～120℃，量程为-0.1～6MPa。

本发明进一步的改进在于，信号调理与采集模块由接线端子、信号调理电路、低通滤波器、信号采样电路以及模数A/D转换电路组成，通信线缆接与线端子相连，接线端子与信号调理电路相连，信号调理电路经低通滤波器和信号采样电路与模数A/D转换电路相连，模数A/D转换电路与数字核心处理模块相连。

本发明进一步的改进在于，数字核心处理模块由总线、中央处理器、GPS同步时钟、随机存储器、只读存储器以及控制电路组成；总线包括数据总线、地址总线、控制总线，总线用于实现数据交换和操作控制；中央处理器利用单片微处理器、通用微处理器或数字信号处理器实时实现数字信号处理；采用GPS同步时钟，实现变电站内、系统各场站装置同步采样要求；随机存储器用于暂存临时数据；只读存储器用于保存数据；控制电路通过复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列实现整个数字电路的连接和协调工作。

本发明进一步的改进在于，还包括与相连的数字核心处理模块数据存储模块、人机对话模块以及数据通信接口模块；

数据存储模块用于存储故障录波数据；

人机对话模块用于建立故障录波装置与使用者之间的信息联系，以便运行人员对录波装置的人工操作、调试以及得到信息反馈；

数据通信接口模块利用以太网实现与其他设备以及总站之间的信息交互、数据传输、远方操作以及远程维护。

本发明进一步的改进在于，人机对话模块包括紧凑键盘、显示屏、指示灯、按钮以及打印机接口；

数据存储模块由闪存存储器、SD卡以及U盘组成；闪存存储器作为录波数据的主存储器使用，SD卡作为备份存储器，U盘作为数据的导出存储器；

数据通信接口模块遵循IEC 61850通信协议，利用以太网实现与其他设备以及总站之间的信息交互、数据传输、远方操作以及远程维护。

基于上述的装置的录波方法，包括如下步骤：

(1)瞬态油压特征量测量模块测量压力释放阀安装处的油压变化特征，并输出模拟电压/电流信号；

信号调理与采集模块接收瞬态油压特征量测量模块输出的模拟量信号，并将其转换为数字核心处理模块能够识别的标准数字信号，再输出标准数字信号；

压力释放阀开关量输入模块接收压力释放阀动作的开关量信号，并输出数字信号；

(2)数字核心处理模块接收信号调理与采集模块输出的标准数字信号以及压力释放阀开关量输入模块输出的数字信号后，判断当前压力释放阀动作开关量信号S_prv(t)是否置1，若置1进入步骤(6)，否则进入步骤(3)；

(3)判断当前t时刻下瞬态油压p(t)与压力释放阀启动门槛p_set的大小，若p(t)-p_set≥0时，进入步骤(6)，否则进入步骤(4)；

(4)判断当前是否收到网络远程启动指令，若收到进入步骤(6)，否则进入步骤(5)；

(5)判断当前是否收到人工自启动指令，若收到进入步骤(6)，否则进入步骤(8)；

(6)进入故障录波运行状态，并依次记录故障前、故障中、故障后的油压特征数据以及压力释放阀开关量信号；

(7)依次判断故障前、故障中、故障后的录波数据是否存满，若已存满进入步骤(8)；否则，继续存储录波数据；

(8)执行通信任务处理和人机对话处理，按照键盘、按钮操作进行相应的任务处理；

(9)判别故障录波装置当前的工作方式，若处于调试方式执行调试任务处理，否则进入步骤(10)；

(10)执行运行自检，对运行状态下的装置进行检测，若发现装置缺陷则发出告警信号并闭锁整个装置，等待技术人员排除故障、人工复位；否则，返回步骤(1)。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明通过对瞬态油压特征量测量模块、压力释放阀开关量输入模块、信号调理与采集模块、数字核心处理模块之间的物理连接及相互配合，用于准确测量、记录油浸式电力变压器故障或扰动状态下的暂态油压变化特征以及压力释放阀动作情况，填补国内外在该领域的技术空白，为分析变压器故障、非正常运行条件下内部瞬态油压特征，并查明压力释放阀误动原因并提出相应反事故措施，提供重要数据来源及参考依据。本发明通过瞬态油压特征量测量模块测量变压器压力释放阀安装位置的油压变化特征，该录波装置独立于电力网络，油压特征的测量和信号传输所受干扰较小，亦不向电力系统注入谐波；信号调理与采集模块、数字核心处理模块完全能够满足快速、实时处理多通路、高频数据的处理要求。

进一步的，本发明中采用测量频率为20kHz以上，测量误差小于1％，工作温度为-45～120℃，量程为-0.1～6MPa的高频动态油压传感器，高频动态油压传感器无论从精度还是使用范围都能满足电力变压器内部高温、油污、强电磁环境要求。

本发明按照录波原理及功能要求对装置进行控制，完成对被测变压器油压与压力释放阀动作信息的测量、运算、记录、通信等操作，实现在故障或扰动情况下的变压器暂态油压变化特征以及压力释放阀动作情况的故障录波功能。本发明具有构成简单、易于实现、可靠高效等优点，本发明装置的应用为变压器运维人员获取压力释放阀瞬态油压数据、分析事故原因、提出相应的反事故措施提供软硬件平台。

附图说明

图1为本发明的装置结构原理图。

图2为本发明的逻辑流程图。

图3为油浸式电力变压器压力释放阀故障录波装置瞬态油压数据现场试验验证结果。

图4为油浸式电力变压器压力释放阀故障录波装置压力释放阀的动作信号现场试验验证结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

参见图1，一种油浸式电力变压器压力释放阀故障录波装置，包括：瞬态油压特征量测量模块、压力释放阀开关量输入模块、信号调理与采集模块、数字核心处理模块、数据存储模块、人机对话模块以及数据通信接口模块。

其中，瞬态油压特征量测量模块与信号调理与采集模块相连，压力释放阀开关量输入模块、信号调理与采集模块、数据存储模块、人机对话模块以及数据通信接口模块均与数字核心处理模块相连；

瞬态油压特征量测量模块由多个高频动态压力传感器以及通信线缆组成，高频动态油压传感器安装在压力释放阀相邻的变压器壳体上，传感器端部探头需直接与变压器绝缘油相接触，以测量压力释放阀安装位置的内部油压变化特征，并利用通信线缆输出模拟电压信号。高频动态油压传感器的测量频率为20kHz以上，测量误差小于1％，工作温度为-45～120℃，量程为-0.1～6MPa。

压力释放阀开关量输入模块与压力释放阀信号端子相连，接收其发出动作开关量信号，并通过光电隔离电路输出数字信号。

信号调理与采集模块由接线端子、信号调理电路、低通滤波器、信号采样电路以及模数(A/D)转换电路组成，通信线缆接与线端子相连，接线端子与信号调理电路相连，信号调理电路经低通滤波器和信号采样电路与模数(A/D)转换电路相连，模数A/D转换电路与数字核心处理模块相连；信号调理与采集模块用于接收瞬态油压特征量测量模块得到的模拟电压信号，并将其转换为数字核心处理模块能够识别的标准数字信号。

数字核心处理模块用于接收信号调理与采集模块输出的标准数字信号以及压力释放阀开关量输入模块输出的数字信号，并进行数字信号处理，实现对被测变压器瞬态油压信号、压力释放阀开关量信号的运算及故障录波。

数字核心处理模块由总线、中央处理器(CPU)、GPS同步时钟、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)以及控制电路组成。总线包括数据总线、地址总线以及控制总线，总线用于实现数据交换和操作控制等。中央处理器(CPU)是数字核心处理模块的指挥中枢，可以利用单片微处理器、通用微处理器或数字信号处理器(DSP)等器件实时快速实现数字信号处理。采用GPS同步时钟，实现变电站内、系统各场站装置严格同步采样要求。随机存储器(RAM)用于暂存需要快速交换的大量临时数据，包括信号调理与采集模块输入的数据信息、计算处理过程的中间结果等。只读存储器(ROM)用于保存数据。控制电路可以通过复杂可编程逻辑器件(CPLD)或现场可编程门阵列(FPGA)等实现整个数字电路的有效连接和协调工作。

数据存储模块由闪存存储器(Flash Memory)、SD卡以及U盘组成。闪存存储器作为录波数据的主存储器使用，SD卡作为备份存储器，U盘作为数据的导出存储器。

人机对话模块包括紧凑键盘、显示屏、指示灯、按钮以及打印机接口等。用于建立故障录波装置与使用者之间的信息联系，以便运行人员对录波装置的人工操作、调试以及得到信息反馈等。

数据通信接口模块遵循IEC 61850通信协议，利用以太网实现与其他设备以及总站之间的信息交互、数据传输、远方操作以及远程维护等。

参见图2，基于上述油浸式电力变压器压力释放阀故障录波装置的录波方法，按照录波原理及功能要求对装置进行控制，完成对被测变压器油压与压力释放阀动作信息的测量、运算、记录、通信等操作。录波方法具体包括以下步骤：

(1)故障录波装置在合上电源(简称上电)或硬件复位(简称复位)后，首先执行初始化，使整个故障录波装置处于正常工作状态；

(2)执行上电后的全面自检，对故障录波装置自身的工作状态进行正确性、完整性检测，若发现装置缺陷则发出告警信号并闭锁整个装置，等待技术人员排除故障、人工复位；若通过自检，进入步骤(3)；

(3)执行数据采集初始化，主要作用是对循环保存采样数据的存储区进行地址分配，设置标志当前最新数据的动态地址指针；

(4)瞬态油压特征量测量模块测量压力释放阀安装处的油压变化特征，即压力释放阀启动门槛p_set，并输出模拟电压/电流信号；

信号调理与采集模块接收瞬态油压特征量测量模块输出的模拟量信号，并将其转换为数字核心处理模块能够识别的标准数字信号，再输出标准数字信号；

压力释放阀开关量输入模块接收压力释放阀动作的开关量信号，即当前t时刻下瞬态油压p(t)以及压力释放阀动作开关量信号S_prv(t)，并输出数字信号；

(5)数字核心处理模块接收信号调理与采集模块输出的标准数字信号以及压力释放阀开关量输入模块输出的数字信号后，判断当前压力释放阀动作开关量信号S_prv(t)是否置1(喷油动作)，若置1进入步骤(9)，否则进入步骤(6)；

(6)判断当前油压p(t)与压力释放阀启动门槛p_set的大小，若p(t)-p_set≥0时，进入步骤(9)，否则进入步骤(7)；

(7)判断当前是否收到网络远程启动指令，若收到进入步骤(9)，否则进入步骤(8)；

(8)判断当前是否收到人工自启动指令，若收到进入步骤(9)，否则进入步骤(11)；

(9)进入故障录波运行状态，并依次记录故障前(A时段)、故障中(B时段)、故障后(C时段)油压特征数据以及压力释放阀开关量信号；

(10)依次判断A时段、B时段、C时段的录波数据是否存满，若已存满进入步骤(11)；否则，继续存储录波数据；

(11)执行通信任务处理和人机对话处理，为信息发送和接收进行数据准备，按照键盘、按钮操作进行相应的任务处理；

(12)判别故障录波装置当前的工作方式，即处于调试方式还是运行方式，若处于调试方式执行调试任务处理，否则进入步骤(13)；

(13)执行运行自检，对运行状态下的故障录波装置进行检测，若发现装置缺陷则发出告警信号并闭锁整个装置，等待技术人员排除故障、人工复位；否则，返回步骤(3)。

本发明能够完成对被测变压器油压与压力释放阀动作信息的测量、运算、记录、通信等操作，实现在故障或扰动情况下的变压器暂态油压变化特征以及压力释放阀动作情况的故障录波功能。本发明具有构成简单、易于实现、可靠高效等优点，本发明装置的应用为变压器运行人员获取故障油压数据、分析事故原因、提出反事故措施提供软硬件平台。

本发明装置能够在不破坏变压器现有结构完整性的前提下实现对压力释放阀油压信息的实时数字式测量、采集、存储、传输。进一步的，本发明中采用测量频率为20kHz，测量误差小于1％，工作温度为-45～120℃，量程为-0.1～6MPa的硅压阻式高频动态压力传感器，无论从精度还是使用范围都能满足电力变压器内部高温、油污、强电磁环境；本发明的录波装置独立于电力网络，压力特征的测量和传输所受干扰较小，亦不向电力系统注入谐波；数据采集、处理元件完全能够满足快速、实时处理多通路、高频数据的要求。本发明具有构成简单、易于实现、可靠高效等优点。

以SFSZ8-40000/110三相三绕组变压器为测试平台进行现场试验，说明本发明效果，该型变压器主要几何结构及铭牌参数如表1所示。当在t＝0ms时，试验设定变压器突发内部电弧短路故障，由于故障电弧汽化绝缘油产生故障气体导致变压器油箱内部油压骤升，当测量油压大于装置启动门槛或压力释放阀喷油动作时，本发明装置启动进行压力释放阀压力信息故障录波。如图3和图4所示，本故障录波装置记录了短路故障前100ms及故障后500ms变压器内部多个油压测点与压力释放阀安装处的瞬态油压数据，同时记录了压力释放阀的动作信号。

表1 SFSZ8-40000/110型变压器主要几何结构及铭牌参数

现场测试结果表明：本发明装置能够完成对被测变压器内部油压与压力释放阀动作信息的测量、运算、记录、通信等操作，实现在故障或扰动情况下的变压器内部暂态油压变化特征与压力释放阀动作情况的故障录波功能。为变压器运行人员获取故障油压特征、分析事故原因、提出相应的反事故措施提供录波数据。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (1)

1.一种油浸式电力变压器压力释放阀故障录波方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)瞬态油压特征量测量模块测量压力释放阀安装处的油压变化特征，并输出模拟电压/电流信号；

信号调理与采集模块接收瞬态油压特征量测量模块输出的模拟量信号，并将其转换为数字核心处理模块能够识别的标准数字信号，再输出标准数字信号；

压力释放阀开关量输入模块接收压力释放阀动作的开关量信号，并输出数字信号；

(2)数字核心处理模块接收信号调理与采集模块输出的标准数字信号以及压力释放阀开关量输入模块输出的数字信号后，判断当前压力释放阀动作开关量信号S_prv(t)是否置1，若置1进入步骤(6)，否则进入步骤(3)；

(3)判断当前t时刻下瞬态油压p(t)与压力释放阀启动门槛p_set的大小，若p(t)-p_set≥0时，进入步骤(6)，否则进入步骤(4)；

(4)判断当前是否收到网络远程启动指令，若收到进入步骤(6)，否则进入步骤(5)；

(5)判断当前是否收到人工自启动指令，若收到进入步骤(6)，否则进入步骤(8)；

(6)进入故障录波运行状态，并依次记录故障前、故障中、故障后的油压特征数据以及压力释放阀开关量信号；

(7)依次判断故障前、故障中、故障后的录波数据是否存满，若已存满进入步骤(8)；否则，继续存储录波数据；

(8)执行通信任务处理和人机对话处理，按照键盘、按钮操作进行相应的任务处理；

(9)判别故障录波装置当前的工作方式，若处于调试方式执行调试任务处理，否则进入步骤(10)；

(10)执行运行自检，对运行状态下的装置进行检测，若发现装置缺陷则发出告警信号并闭锁整个装置，等待技术人员排除故障、人工复位；否则，返回步骤(1)；

该方法能够记录短路故障前100ms及故障后500ms变压器内部多个油压测点与压力释放阀安装处的瞬态油压数据，同时记录压力释放阀的动作信号。

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