便攜式壓力保護(hù)器件綜合校驗裝置的研制

陳 瑞，徐天書，張思齊，黑增杰

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司，寧夏 銀川 750011；2.河南綠控科技有限公司，河南 許昌 461000）

0 引 言

換流變壓器是換流站重要的大型充油設(shè)備，也是超特高壓直流輸電工程至關(guān)重要的關(guān)鍵設(shè)備，是交、直流輸電系統(tǒng)中整流、逆變兩端接口的核心設(shè)備。它的投入和安全運行是工程取得發(fā)電效益的關(guān)鍵和重要保證。

換流變壓器壓力釋放閥是取代安全氣道、防爆膜的新過壓保護(hù)裝置，能可靠保護(hù)變壓器。但是，換流變正常運行過程中，高溫惡劣運行條件會導(dǎo)致其密封膠圈老化、彈簧或機(jī)件卡澀。當(dāng)換流變設(shè)備在運行中出現(xiàn)故障時，由于線圈過熱使一部分變壓器油汽化，導(dǎo)致油箱中壓力迅速增加。這時壓力釋放閥迅速動作，保護(hù)油箱不致變形或爆裂。所以，壓力釋放閥的運行可靠性直接關(guān)系到變壓器的安全。

近年來，換流站變壓器事故時有發(fā)生，一旦發(fā)生事故都是大事故，事故影響范圍較大，事故處理周期較長。2018年，某換流站出現(xiàn)換流變分接開關(guān)壓力釋放動作引起極Ⅰ直流系統(tǒng)非計劃停運，說明經(jīng)過多年運行，加之惡劣的運行條件（高溫），會破壞壓力釋放閥的密封性和絕緣性，易產(chǎn)生滲漏、誤報警或者拒動[1]。

目前，換流變壓器壓力釋放閥并沒有合適的校驗裝置，導(dǎo)致無法把握換流變壓力釋放閥的工作狀態(tài)和動作可靠性。針對此情況，研發(fā)了一種便攜式壓力保護(hù)器件綜合檢驗裝置。

1 傳統(tǒng)壓力保護(hù)器件檢測方法及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)檢測方法介紹

1.1.1 檢測項目介紹

根據(jù)《國家電網(wǎng)公司直流換流站檢測管理規(guī)定》及《國家電網(wǎng)公司直流換流站檢修管理規(guī)定》要求，壓力釋放閥在每年停電檢修期間僅做外觀檢查和二次信號回路檢查，若發(fā)現(xiàn)壓力釋放閥出現(xiàn)明顯變形或者滲漏油等現(xiàn)象，會通知檢修人員將壓力釋放閥拆下送到專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢驗，主要檢驗項目如下[2]：

（1）例行試驗，包括外觀質(zhì)量檢查、開啟壓力試驗、關(guān)閉壓力試驗、信號開關(guān)絕緣性能試驗和時效開啟性能試驗。

（2）型式試驗，即高溫開啟性能試驗。夏季運行中的換流變壓器的頂層油溫可能高達(dá)90 ℃，是對壓力釋放閥考驗最嚴(yán)格的時段，也是換流變壓力釋放閥最可能誤動的時段。

1.1.2 檢測方法介紹

（1）開啟壓力試驗。常溫下，向試驗罐內(nèi)充壓縮空氣，進(jìn)氣壓力增量控制在25～40 kPa/s。當(dāng)壓力增量達(dá)到動作值時，壓力釋放閥應(yīng)連續(xù)間歇跳動，周期為1～4 s。每次跳動，信號開關(guān)的機(jī)械信號和二次信號應(yīng)可靠動作。壓力釋放閥連續(xù)動作5次無異常為合格。

（2）關(guān)閉壓力試驗。壓力釋放閥動作后，應(yīng)立即關(guān)閉進(jìn)氣閥。由于罐內(nèi)壓力仍大于壓力釋放閥的關(guān)閉壓力，壓力釋放閥將緩慢關(guān)閉。當(dāng)壓力表指針完全停止時，說明已經(jīng)完全關(guān)閉，此時指針讀數(shù)即為壓力釋放閥的關(guān)閉壓力值。關(guān)閉壓力應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定，試驗次數(shù)不少于3次，取其最低值作為關(guān)閉壓力值。

（3）時效開啟性能試驗。常溫下，合格的壓力釋放閥（帶有機(jī)械信號的標(biāo)志桿需復(fù)位）至少應(yīng)靜放24 h以上，試驗測得的第一次動作壓力應(yīng)符合規(guī)定，試驗方法同開啟壓力試驗。

（4）信號開關(guān)絕緣性能試驗。①信號開關(guān)接點試驗：信號開關(guān)接點處于斷開位置，將其中一個接點端子接地，在接點間施加短時工頻電壓2 000 V，1 min應(yīng)不出現(xiàn)閃絡(luò)、擊穿現(xiàn)象。②接點端子對地試驗：將兩組端子全部短接后，在端子與地之間施加短時工頻耐壓電壓2 000 V，1 min應(yīng)不出現(xiàn)閃絡(luò)、擊穿現(xiàn)象。

（5）高溫開啟性能試驗。將裝有壓力釋放閥的試罐置于恒溫箱內(nèi)加熱到100 ℃，保持30 min后，取出試驗罐進(jìn)行高溫開啟性能試驗。試驗方法和判斷標(biāo)準(zhǔn)同開啟壓力試驗，全部試驗時間不應(yīng)超過2 min。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)對壓力保護(hù)器件校驗都采用直接校驗的方法，即將被校驗器件拆下送至校驗臺上校驗。根據(jù)JB/T 7065-2004《變壓器用壓力釋放閥》，需要做的測試項目包括[3]開啟壓力試驗、關(guān)閉壓力試驗、時效開啟性能試驗、高低溫開啟性能試驗、密封性能試驗、排量性能試驗、密封圈耐油老化試驗、信號開關(guān)絕緣性能試驗、開啟時間試驗、防護(hù)性能試驗、防潮性能試驗、防鹽霧性能試驗以及抗振能力試驗。

但是，這種校驗方法存在一定的局限性[4]。第一，現(xiàn)有的校驗裝置開啟關(guān)閉壓力校驗需在兩個不同的試罐上進(jìn)行，不同口徑的壓力釋放閥需要在多個不同容積的試罐上進(jìn)行，密封性能需在專用的設(shè)備上進(jìn)行，工作效率低。第二，校驗過程自動化程度低，壓力測試依靠壓力表指示進(jìn)行判斷，不能保證精度。

1.3 研究目標(biāo)

本文針對傳統(tǒng)壓力釋放閥校驗的弊端進(jìn)行分析，研制一種便攜式壓力保護(hù)器件校驗裝置，可以實現(xiàn)如下目標(biāo)。

（1）實用性。適用于現(xiàn)場檢修時，將壓力釋放裝置從換流變上拆卸，快速安裝在試驗裝置上。通過加壓，智能控制器記錄壓力上升曲線和壓力釋放裝置動作值，通過比較動作設(shè)定值判斷壓力釋放裝置是否可靠。

（2）易操作。檢測裝置便攜式設(shè)計，分本機(jī)、補(bǔ)氣泵和便攜式氣罐3部分?，F(xiàn)場容易組裝，壓力釋放裝置能夠快速安裝并投入測試。

（3）專業(yè)化。研制的便攜式壓力保護(hù)器件綜合校驗裝置具體參數(shù)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，確保測量數(shù)據(jù)真實有效。裝置參數(shù)如表1所示。

表1 便攜式壓力保護(hù)器件綜合校驗裝置參數(shù)表

2 便攜式壓力保護(hù)器件綜合校驗裝置的設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

便攜式壓力保護(hù)器件綜合校驗裝置的設(shè)計要考慮很多構(gòu)成因素，包括檢測單元、控制裝置和一體化無油空氣壓縮機(jī)等，總體設(shè)計原理如圖1所示。

空氣壓縮機(jī)提供氣源，通過水氣分離器、減壓裝置、電磁閥與測試罐相連，同時罐體上安裝有高精度壓力傳感器件、安全壓力保護(hù)器件和放氣閥等。開始進(jìn)行開啟壓力和關(guān)閉壓力試驗時，微處理器通過控制進(jìn)氣電磁閥并實時采集壓力傳感器數(shù)據(jù)，獲取壓力釋放閥的開啟壓力值、時效開啟壓力值及關(guān)閉壓力值并顯示在顯示器上，同時采集壓力釋放閥的信號接點。

圖1 便攜式壓力保護(hù)器件綜合校驗裝置原理圖

開始密封性試驗時，微處理器通過算法控制進(jìn)氣電磁閥進(jìn)適量氣體，通過高精度壓力傳感器實時采集壓力，通過微控制器的運算并控制各部件的運行，完成壓力釋放閥的密封性校驗。

2.2 硬件設(shè)計

本裝置參照中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《變壓器用壓力釋放閥》（JB/T7065-2004）、《變壓器用壓力釋放閥試驗導(dǎo)則》（JB/T 7069-2004）規(guī)定的試驗方法進(jìn)行，主要硬件設(shè)計內(nèi)容如下。

（1）采用高精度壓力傳感器作為校驗裝置的壓力獲取方式，并使用液晶屏幕進(jìn)行顯示，提高了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

（2）采用人機(jī)交互方式及界面，并使用鍵盤進(jìn)行定值輸入，提高了便捷性，包括控制系統(tǒng)、壓力采集、信號接收、過載保護(hù)、壓力調(diào)節(jié)以及電源等模塊，如圖2所示。

圖2 便攜式壓力保護(hù)器件綜合校驗裝置硬件原理圖

（3）研制一種壓力釋放閥卡具，能夠?qū)崿F(xiàn)自動壓緊，擺脫螺栓裝卸方式，提高自動化程度，同時提高測試效率。

（4）采用嵌入式計算機(jī)控制，實時采集壓力信號，同步監(jiān)測動作信號，達(dá)到精確校準(zhǔn)壓力釋放閥開啟、關(guān)閉壓力值的目的。

（5）采用超壓保護(hù)、校驗時禁止操作等多種保護(hù)措施，保障人身設(shè)備安全。

（6）研制不同口徑的壓力釋放閥卡具，以便校驗不同口徑的壓力釋放閥。

2.3 裝置功能

壓力釋放閥和壓力釋放繼電器一次只能試驗一只，并且安裝在正確位置，確保整個氣路可靠密封。打開壓力保護(hù)器件綜合校驗裝置上的電源開關(guān)，控制器和人機(jī)界面上電開始工作。

通過人機(jī)界面上的“儲能”按鈕，可以啟動壓縮機(jī)對儲氣罐儲能，儲能到設(shè)定壓力后自動停止。壓力低于設(shè)定值時自動啟動，穩(wěn)定儲氣罐內(nèi)部空氣壓力。

通過人機(jī)界面上的“試驗開始”按鈕，可以控制電磁閥向壓力釋放閥或壓力釋放繼電器充氣。點擊“試驗停止”按鈕，可以控制電磁閥停止充氣。壓力釋放閥或壓力釋放繼電器充氣后，壓力達(dá)到釋放值時，將釋放管路內(nèi)部空氣壓力。壓力釋放閥恢復(fù)后，此時繼續(xù)充氣，則釋放閥會再次動作。人機(jī)界面記錄了整個試驗過程中的壓力趨勢和釋放閥動作信號，通過打印機(jī)可打印壓力趨勢圖和動作信號。

3 樣機(jī)試驗

樣機(jī)制作完成后，筆者從某換流站選取1支壓力釋放閥進(jìn)行在線動作測量值和銘牌數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，其中誤差百分值計算公式為：

計算結(jié)果如表2所示，實驗誤差曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，在線測量數(shù)據(jù)同銘牌數(shù)據(jù)誤差在±0.5%以內(nèi)，滿足便攜式壓力保護(hù)器件綜合校驗裝置的測量精度。

4 結(jié) 語

便攜式壓力保護(hù)器件綜合校驗裝置的研制，可令運維人員更安全、高效地開展壓力釋放閥及壓力速動繼電器綜合校驗。該項目成果可推廣用于各個換流站，同時產(chǎn)品系列化后也可以應(yīng)用于常規(guī)變電站，而生產(chǎn)變壓器的廠家可以用來作為便捷移動式測試裝置，應(yīng)用前景廣闊。

表2 壓力釋放閥動作值誤差表

圖3 便攜式壓力保護(hù)器件綜合校驗誤差曲線圖