基于无线自组网的便携式大型...力释放阀检测系统研制与应用_尹琦云.pdf

SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.2 Feb.2023，Total No.3491研究背景压力释放阀是变压器发生内部放电、短路等故障时唯一的泄压保护装置，能够在第一时间内泄放故障变压器内部剧增的油气压力从而起到保护作用，但压力释放阀长期运行在高温、高压环境下1，易发生密封胶圈老化、弹簧或机件卡涩，从而导致误动或拒动而扩大事故范围，造成设备跳闸、变压器爆炸、大面积停电、人身伤亡等后果，严重威胁交直流输电系统运行2，2019 年特高压灵州换流站发生一起该类型事故造成严重影响3。国网公司五通检测管理规定 中，明确要求每年进行一次压力释放阀检测，该检测面临三大问题：一是压力释放阀检测会伴随高压泄放音爆，近距离观测易造成人员身心冲击，远程观测依赖平台转接数据，泄放动作后对残压的判断手段单一、可靠性差；二是检测仪器精度不统一，数据记录碎片化，针对试验结果的判定分析逻辑简单，无法实现故障程度的精确判定；三是变压器压力释放阀型号多，不同结构和口径的压力释放阀需要适配相应固定部件，造成检测不便，适配不当则需要转运其他实验室，提升被试设备暗伤风险4。2系统设计原理该系统深度挖掘分析了现有大型电力充油设备的压力释放阀检测工作开展的情况，并按照“人机物法环”等典型因素进行设备优化设计。1）设计并提出了基于数据域化技术及三原色差动态响应技术的压力检测安全控制策略，提高了检测过程安全性；建立基于数据域化技术的 50 m数据网络覆盖模型及多装置联控网状拓扑模型，检测距离由 3 m 提升至 50 m，解决了近距离的高压泄放音爆造成的人员心理安全问题；研制了基于三原色差动态响应技术的可视化仪表装置，实现了全过程压力信息图形化、后台监视与可视仪表非同源残压观测，解决了压力测试器件残压不可视造成的安全隐患。提出的压力检测安全控制策略分为基于数据域化技术的远距离数据读取及装置控制；基于三原色差动态响应技术的远程压力可视化动态反馈和非同源压力实时监视响应5。采用模块数据域化接口设计，通过 Mod-busTCP/TCP/IP 协议实现后台终端、装置路由以及PLC 控制端无线同步组网（见第 131 页图 1）。检验时，后台终端通过无线连接方式连接，多台检测设备可同时连接至综合检验台，实现 50 m 范围内多台检测装置的联控及压力器件高压试验（见第 131页图 2），大幅增加检验的安全距离，避免检测过程收稿日期：20220506；修回日期：20220725作者简介：尹琦云（1994），男，宁夏银川人，助理工程师，主要从事高压直流输电系统直流检修研究，E-mail：。通信作者：赵欣洋（1985），男，黑龙江海伦人，高级工程师，主要从事高压直流输电系统直流检修研究，E-mail：。基于无线自组网的便携式大型充油变压器压力释放阀检测系统研制与应用尹琦云，赵欣洋，陈瑞摘要：本文指出大型变压器压力释放阀长期运行在高温、高压环境下，易发生密封胶圈老化、弹簧或机件卡涩，从而导致误动或拒动扩大事故范围，造成设备跳闸、变压器爆炸、大面积停电、人身伤亡等后果，且缺乏有效针对压力释放阀的检测手段，针对这些问题，本文设计了一种基于无线自组网的便携式大型充油变压器压力释放阀检测系统，利用无线自组网、三原色差动态响应技术等，研制了基于压力保护器件自适应固定的全向动载压力检验装置，解决了压力释放阀型号不统一、固定难及远距离运输检测不方便的问题。关键词：变压器；压力释放阀；释放阀检测系统；无线自组网中图分类号：TM4文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2023.02.130（国网宁夏电力有限公司超高压公司，宁夏银川750001）文章编号：1674-9146（2023）0213005应用 技 术Applied Technology-130-2023 年 2 月总第 349 期图 3三原色响应实物图中被试设备泄压时的高压泄放音爆造成的人员心理冲击。通过双压力继电器安装位置及输出方式的差异化配置，对压力器件校验过程的压力变化情况、电机运行情况、装置电源情况进行综合逻辑判定：当试验罐内侧位压力继电器检测到压力时，可视化仪表红灯闪烁；当试验罐内侧位压力继电器检测到压力时，且无油空压电机动作，装置黄灯和红灯闪烁；当试验罐内侧位压力继电器未检测到压力时，且无油空压电机未动作，装置黄灯和红灯均不闪烁；当装置电源有电时，绿色电源指示灯常亮，针对压力情况，底部压力继电器进行数据同步采集，并传输至后台终端（见图 3、图 4）。项目通过侧位压力继电器及底部压力继电器实现了压力罐的非同源检测，避免了由于压力误判断对设备操作时的人身伤害。2）开发了集数据预置位、动态控制逻辑、自保护策略、数据阶跃响应等功能为一体的压力保护器软件控制平台，采用基于哈夫曼深度的优化二叉树逻辑实现了压力释放阀故障程度的判别以及超压未动作或低压动作等状态分类，20192021 年完成压力数据评价 330 条，应用以来通过软件数据分析发现弹簧卡涩故障 3 起、密封圈老化故障 6 起。软件控制平台采用定压力观测压力动作值及泄压值设计（见图 5）。加压过程自动开启数据阶跃响应监测，采用预置比率系数，通过阶跃计算判定逻辑，实现压力释放阀动作模拟量判定（见第 132 页图 6）。当压力达到动作值时，测试装置快速停止补气并记录动作值，待气柜压力降到定值时压力释放阀复归，压力停止下降，自动记录复归值（见第132 页图 7）。软件控制平台全过程将特征值与预记录设备动作值进行误差百分值比对6。工业软件笔记本内置无线网卡无线路由器PLCTCP/IPModbusTCP有线以太网ModbusTCPTCP/IP综合效验台综合效验台TCP/IP自组网（50 m）1#换流变压器2#换流变压器3#换流变压器图 1无线网络架构图图 2多台检测装置的联控拓扑图 图 4三原色响应原理图三色指示灯无线路由器检测装置装置电源有电绿灯常亮红灯闪烁黄灯红灯闪烁黄灯红灯均不闪烁是否是否是否存在压力无油空压电机是否动作图 5压力释放阀动作试验参数的软件控制平台截图-131-SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.2 Feb.2023，Total No.349时间/s0.70.60.50.40.30.20.1003691215182124273033动态压力曲线图 7保护功能校验压力/MPa针对密封性动作逻辑试验，通过数据预置位设置不高于保护动作定值的保持压力值（见图 8），当气柜压力值达到保压试验设定值时，自动记录压力值并停止增压，120 min 后再次记录气柜压力值，比较前后两次记录数据，判断压力释放阀的密封性能（见图 9、图 10）。软件控制平台全过程将特征值与密封性能参数进行误差百分值比对7。图 8压力释放阀密封试验参数的软件控制平台截图针对超压未动作或低压动作及密封不严的判定，设定保护动作保护值及保压值，系统根据预先编制好的典型特征算法，判定检测设备类型，最终利用哈夫曼深度的优化二叉树逻辑，对记录的低误差动作值、复归值、保压试验值等数据（见图 11、第 133 页表 1），进行加权对比（见第 133 页图12），完成故障程度以及故障种类的判定，根据试验结果形成保护动作校验报告、密封性试验报告，为设备检修提供依据8。为系统设计自保护逻辑，当软件检测到装置处于带电状态时，自保护逻辑开启，实现过压保护、误操作保护功能。压力继电器实时检测试验罐内压力，当达到过压保护定值（1.2 pu）时保护启动，停止电机并自动开启泄压阀泄压；整定过程中，误整定压力动作值超过装置可承受压力定值（0.9 pu）时，软件自锁 30 s 不启动，发误操作告警。3）研制了基于压力保护器件自适应固定的全向动载压力检验装置，解决了压力释放阀型号不统加压开始数据阶跃响应监测节约判定达到动作值控制逻辑停止加压并记录阶跃点压力系数 k加压系数泄压系数时间 t比较判定加压开始预置位保压值加压达到保压值控制逻辑停止加压并记录120 min 后控制逻辑再次记录压力值生成结果图 9密封性校验流程图图 6阶跃计算判定逻辑应用 技 术Applied Technology图 10密封性校验0.70.60.50.40.30.20.10061218243036424854606672动态压力曲线时间/s压力/MPa0.500.250-0.25-0.5012345678910误差上限值误差百分值误差下限值图 11压力保护器件综合校验误差曲线图编号误差百分值/%-132-2023 年 2 月总第 349 期编号动作值/kPa铭牌数值/kPa误差百分值/%11.7141.72-0.34921.7141.72-0.11631.7181.72-0.23341.7161.72-0.46551.7121.72-0.40761.7131.72-0.40771.7131.72-0.40781.7131.720.11691.7221.72-0.233101.7161.72-0.291表 1压力释放阀动作值误差表一、固定难及远距离运输检测不方便问题；开发了径向旋压的三臂杆等曲率式压力保护器件固定结构，实现了适用于 250490 MVA 容量变压器 20 cm20 cm35 cm35 cm 压力器件的模块化、自适应调节固定（见图 13）；提出轻量化全向动载方法，压缩装置体积至 1.2 m3，校验时间由 72 h 压缩至 3 h。提出轻量化全向动载方法，实现检测装置就地化可移动检测。采用压力释放阀检测装置空气压缩机及其管路优化结构设计，集成 420 mA 微功耗压力传感器，优化固定及加压件选材，将装置体积减小至 1.2 m3（见表 2），解决了装置体积大、移动难的问题；使用全向动载万向滑轮结构（见图 14），实现检测装置的全向移动与动载功能。3结论本系统将大型变压器压力释放阀检测作业进行了流程优化，研制了分体式、小体积、轻量化、可移动的无油空压电磁保护式大型充油变压器压力保护器件综合检验装置，实现了压力器件的就地检测。通过 Wi-Fi 无线连接方式连接综合检验台。可以远程启动试验、发出检验指令、读取试验数据。三臂杆结构实现压力释放阀可靠固定，操作时间缩短至 3 min。浙江工业大学化工机械设计研究所对本项目研发的大型充油设备压力保护器件综合检验装置进行性能检测。针对三臂杆等曲率式压力保护器件固定方法进行力学验证。对应用本项目研发装置所校验的压力保护器件的动作逻辑、密封性结果的正确性与准确性予以检测评价，对集数据预置位、动态控制逻辑、自保护策略、数据阶跃响应等功能进行检测。结果显示，所研发装置对于压力保护器件校验结果准确，逻辑功能均成功实现，检测合格。宁夏灵州换流站应用本系统后，评价认为：该装置校验功能完备，软件控制平台简洁、操作性最终获得了以动作值为主要偏离权重的加权故障程度数为 35 的优化哈夫曼树，判定故障程度为严重。式中：Wk为压力释放阀单项故障程度系数；Lk为压力释放阀单项故障哈夫曼深度；WPL 为压力释放阀加权故障程度值。以本图为例：a 代表动作值偏离程度；b 代表复归值偏离程度；c 代表保压试验偏离程度；d 代表密封性能偏离程度；原始哈夫曼故障程度树WPL=73+53+21+42=46WPL=71+52+23+43=35WPL=72+52+22+42=36WPL=nk=1WkLk深度优化图 12哈夫曼深度的优化二叉树故障程度判定逻辑序号项目对比内容材质面积/m21电机传统电机防护措施不锈钢：密度 7.93kg/m32无油空压电机防护措施玻璃钢：密度 1.52.0 kg/m30.72终端集成计算机平台（含显示终端、操作终端）不锈钢集成移动计算机平台ABS 工程塑料3防护罩传统覆盖式不锈钢+玻璃钢0.9适应性覆盖式 不锈钢0.44电子回路集成平台传统防护措施 不锈钢0.7优化调整不锈钢0.52表 2压力释放阀检测装置整体设计优化参数表分体式无油空压电机设计上层空间安装储气罐、压力传感器等，下层空间电控元件的紧密型布置结构体积压缩至：长 500 mm、宽 500