分接开关油流控制继电器的选用与验证_图文

1、分接开关油流控制继电器的选用与验证张德明(华明电力设备制造有限公司上海200333摘要:阐明分接开关油流控制继电器结构原理及保护功能,介绍油流控制继电器整定油流速度选用、试验的验证及其选用不当引起故障与排除方法。关键词:分接开关,油流控制继电器、选用与验证 根据IEC60214-1(2003、GB10230.1-2007第5.125.14款的规定,油浸式有载分接开关的切换开关(或选择开关油室与分接选择器(或无励磁分接开关必须各自带有独立的油系统和安全保护装置。切换开关(或选择开关油室必须带有单独一个油系统。这个油系统是由独立的储油柜、吸湿器、油流控制继电器等安全保护装置组成,以便对切换开关(或

2、选择开关油室进行压力上升监控,同时将其油室内部故障所引起火灾和爆炸的风险降到最小。分接选择器(或无励磁分接开关也需要一个独立的油系统。对于埋入型安装方式,它与图1 有载调压变压器的两个独立油系统(埋入型变压器本体共用一个油系统。这个油系统也是1-电动机构;2-垂直传动轴;3-伞齿轮;4 -水平传动轴由储油柜、吸湿器、气体继电器等安全保护装5-切换开关油室;6-变压器油箱;7-气体继电器;8-硅置组成,以便对变压器油箱进行压力上升监控,胶呼吸器;9-分接开关储油柜;10-隔离板;11-变压器因此,一个有载调压变压器形成了两个各本体储油柜;12-主体继电器;13-变压器器身;14-分接自独立的油系

3、统。见图1所示。选择器;1.油流控制继电器结构原理和保护性能 油流控制继电器(图2的最常使用方法的是安装在有载分接开关切换油室与储油柜之间管路中。这种继电器是由从切换开关或选择开关油室流向储油柜油流的升高来触发的。这些继电器对切换开关油室内短时间的较低到较高功率的故障作出响应,使变压器的断路器跳闸,从而避免或者限制了有载分接开关和变压器的损坏。结构原理油流控制继电器采用户外式设计装置。安装在从有载分接开关通向储油柜的管路上,尽可能靠近分接开关的切换油室。它采用档扳结构,图2 油流控制继电器由带永久磁钢的挡扳组成。其干簧接点的动作机构安装在一铸铝合金的壳体内,档扳依靠永久磁钢的吸力而处于闭合位置

4、。档扳上有一通孔。分接开关切换机构正常变换时,触头开断电弧使油分解而产生气体穿过档扳孔,经安装向上倾斜(2%4%管道到储油柜经呼吸器自由逸出。一旦档扳打开后,永久磁钢吸动干簧接点,从而接通跳闸回路。干簧接点有一常开或一常闭,特殊要求也可提供两常开或两常闭接点。油流控制继电器壳顶部有跳闸和复位两只试验按纽。壳体正面有观察窗,用于检查挡扳的位置。油流控制继电器还带有一接线盒,该盒与壳体内的变压器油完全隔开。盒的侧面有一电缆进线孔,便于接线。油流控制继电器外壳上有明显颜色(红色的油流标志,其箭头必须指向储油柜。保护性能 油流控制继电器的动作特性是以反应灵敏度来表示,反应灵敏度有静态和动态两种。静态反

5、应灵敏度是用整定油流速度表示。这个试验是用一个循环泵提供一个流量准确的油流,这个油流逐渐增大到气体继电器挡板开始动作为止,油流的测量借助油流量计来进行。油的流速与油的入口处截面及挡板开孔尺寸大小有关。动态反应灵敏度是以施加冲击油压及其档扳动作的反应时间来表示。见图3所示。动态反应灵敏度试验是利用图4专用试验装置来进行,即在油压箱里的油充空气压力加压及电磁阀门瞬时打开引起冲击油流使挡板动作。从电磁阀门打开到继电器接点反应的时间用示波器拍摄示波图取得。动态反应灵敏度试验是真实地模拟油室内部故障时油流控制继电器的动作反应。图3 动态反应灵敏度 值得注意的是,继电器最小动态反应力必须大于油室正常变换操

6、作的工作压力300kPa。否则,油室内切换机构正常变换操作就可能造成保护继电器的误动作。油流控制继电器在变压器工程上应用已经有很多年,它的优点是工作可靠和很少或者没有误动作,已被运行所证实。由于这种继电器本质上是一种液流继电器,因而它的缺点是响应的时间比其它型式继电器的响应时间长。技术参数国产QJ4G-25或QJ6-25气体继电器是个俗称重瓦斯气体继电器,其功能与德国MR公司RS2001油流控制继电器功图4 动态反应灵敏度试验装置能相似。因而,它也能适用于有载分接开关的安全保护。RS2001油流控制继电器和QJ4G-25气体继电器的技术参数见表1所示。表1 RS2001油流控制继电器和QJ4G

7、-25气体继电器的性能参数 2. 油流控制继电器整定流速的选用分接开关油室所配置的油流控制继电器是按它的整定油流速度这一重要技术参数来选用。换句话说,油流控制继电器整定油流速度必须按所配置的分接开关正常切换时产生的油流和故障发生时所产生油流来选用。选用与油流速度相匹配的原则如下:分接开关正常切换时产生的油流速度应小于油流控制继电器的整定油流速度,保证正常负载切换时不发生误保护动作,且应留有安全保护裕度;油流控制继电器的整定油速应小于分接开关故障时产生的最小油流速度,起着分接开关故障时的保护作用。因此,应分析分接开关在正常负载切换和故障下所产生的油流速度。分接开关正常切换时产生的油流速度在油浸式

8、铜钨触头切换的分接开关中,变压器油既是熄弧介质,又是绝缘和冷却介质。变压器油是由许多不同分子量的碳氢化合物分子组成的混合物,分子中含有CH3、CH2和CH化学基团,并由C-C键键合在一起。由于触头切换产生电弧的结果,可以使某些C-H键和C-C键断裂,伴随生成少量活泼的氢原子和不稳定的碳氢化合物的自由基,这些氢原子或自由基通过复杂的化学反应迅速重新化合,形成氢气(H2和低分子烃类气体,如甲烷(CH4、乙烷(C2H6、乙烯(C2H4、乙炔(C2H2等,其中乙炔(C2H2占主要成分。当产气速率大于溶解速率时,就在触头区域产生气泡。由于油是不可压缩的液体,气泡占了油的空间,必定有同等容积的油被挤向储油

9、柜。油流控制继电器中油流与电弧触头产气几乎是同时发生的,一定的产气速率必定有一 定油流通过继电器。而产气速率取决于触头的电弧功率,即触头的电弧容量。在低能量放电中,通过离子反应促使最弱的键CH键(338kJ/mo1断裂,主要重新化合成氢气(H2而积累。对C一C键的断裂需要较高的温度(较多的能量,然后迅速以C一C键(607 kJ/mo1、C=C键(720 kJ/mo1和CC键(960 kJ/mo1的形式重新化合成烃类气体,依次需要越来越高的温度和越来越多的能量,如图5所示。据有关资料介绍,变压器油分解为炔类气体所需的能量为830 kJ/mo1,而其它烃类气体所需的能量为420 kJ/mo1。大量

10、的乙炔是电弧的弧道中产生的,图5 哈斯特气体分压与温度函数关系占烃类气体的7080%。取加权平均的分解能量Ecp约为750 kJ/mo1,即在常压状况下产生单位体积的气体所需要的能量为750/22.4= 33.5 kJ/L。在分接开关触头切换的过程中,产生交流电弧能量对分接开关的工作性能和油室安全保护装置的选用有很大的影响。因此,需要对触头产生的交流电弧能量进行计算。 根据油中交流电弧工作原理,交流电弧能量可按下述基本公式来计算W =u i dt (1式(1中,u电弧电压,其值为u = El+U0。其中E为弧柱电场强度,可以认为在燃弧每一半波期间,E为常数。对于在变压器油中的自由燃弧,当电弧电

11、流小于10000A时,取E =200V/cm;l为电弧长度。在分接开关中,它指的是触头用于熄弧的程序断口开距的距离,并不是触头最终断开距离。现以CM600切换开关(图6为例,切换开关另一侧过渡触头K3即将接触之前时,主通断触头K1的断开距离约为1cm;U0为电弧近极压降,它为恒数,通取U0 = 50V。则可计算u = 200×1+50 = 250V。图6 CM型切换机构i电弧电流。电弧电流为一幅值I m不变的正弦形电流,即i = I m sint,其中为电源的角频率。把弧柱电压u和电弧电流i代入式(1得W =u i dt =(El+U0I msintdt = (El+U0I m/si

12、ntdt= (El+U0I m/(2n-1+COSt (2式中,I m-电弧电流,即电弧触头的开断电流;t-电弧电流从零上升至最大幅值的时间,t=0.005s,t = 2×50×0.005 =/2 ;n-交流电弧重燃的半波周数,对于分接开关,燃弧时间限为10ms,则n = 1;从式(2可以看出,第一个半波的交流电弧能量仅与开断电流和电弧电压相关,初看与触头间恢复电压U(故障时系统电压Un或正常切换级电压Us无关。但电压U是维持触头电弧的先决条件,当触头电压高于电弧电压时,电弧稳定燃烧;反之,无法维持电弧而熄灭。其次电压高低又直接影响电弧的能否重燃,一旦交流电弧重燃半周,t=

13、20ms,n = 2,电弧能量就增加了;电弧燃至t=30ms,n = 3 ,电弧能量就大幅度增加。可见电压对交流电弧能量的影响之大。但对于分接开关而言,交流电弧一般限定在半个周波内熄灭,即t=10ms,即n = 1。由于电弧重燃状况与分接开关要求燃弧时间不符,为此在分析与计算中不予考虑。在假定切换单元(扇形块的电弧触头同步开断状况下计算电弧能量:每个切换单元(扇形块中主通断触头K1在开断电流I k1=600A时产生电弧能量为W k1 = (El+U0I m/(1+COSt=(250×600/314 (1+COS/2= 0.478kJ每个切换单元(扇形块中过渡触头K2在开断电流计算如下

14、:系统电压Un =230kV±8×1.25%,级电压Us=230×1.25%/1.732=1.66 kV,过渡电阻匹配为R=nUs/In,最佳匹配系数n=0.577,此时过渡触头K2的开断电流为I k2=In/2 +Ic= In/2 +Us/2R=(1+nIn/2n=(1+0.577×600/(2×0.577= 822A则过渡触头K2开断电流822A时产生电弧能量为W k2 = (El+U0I m/(1+COSt=(250×822/314 (1+COS/2= 0.655kJ由于切换开关采用双电阻过渡电路原理,两个触头的电弧时间约20m

15、s。由于液流反应时间相应滞后,在这么短20ms时间内,可以视为两个触头产生电弧能量迭加。于是,整个分接开关三个切换单元(扇形块的电弧能量在油室单位时间(T=1s内产生油体积流速为F =3×W/ 33.5 T= 31.133kJ/(33.5 kJ/s1s= 3.4/33.5 0.102L/s由此可知,切换开关切换一次产气量V0 = Ft = 0.102L/s×0.01s =10.2mL 。油室内触头电弧产气体积也可用经验公式来计算切换开关切换一次产气量。即V0 =kUsIVtN (3式(3中k为系数,可取0.9;Us为级电压1.66kV;I为触头切换的电流,三个单元总的切换电

16、流I=3I=3(600+822 =4266A;V为每kWs产气的体积,在常压状态下为4060cm3;t为切换时间10ms; N为燃弧区域气体膨胀的倍数,取47倍。考虑正常切换(并不是故障时,V与N值取下限值计算: V0 =kUsIVtN=0.9×1.66×4266×0.01×40×4/106=0.0102L=10.2mL这个由试验公式计算切换开关切换一次产气量与能量转换计算的产气量是相同的。触头切换产生气体在油室上升过程中,一部分被油溶解,另一部分积累在头盖的下部。当油溶解饱和和头盖下部积累满后,气体进入气体继电器,最后进入分接开关储油柜,通过

17、呼吸器逸出。由于继电器管道(直径D=2,5cm截面S=D2/4 = 4.9 (cm2,则管道内油流速为V1 = F/S = 0.102×1000/4.9 = 20.8 cm/s = 0.208 m/s分接开关在满载状态或过载状态下切换时,其油流控制继电器管道内油流速计算值见表2所示。表2 CM600分接开关在负载状态下切换参数计算(R=nUs/I , n=0.577cos=1 从表2可以看出,对于CM型分接开关的切换开关在正常 2倍过载切换(开断容量试验时,油室的油流控制继电器管道内产生最大油流达到0.63m/s,考虑一定的安全裕度后,选用整定油流速度1.0m/s±10%的

18、油流控制继电器是比较合适的。从上述的分析计标可以知道,油流控制继电器管道内油的流速与触头所切换电流大小直接相关。不同电流规格的分接开关,油流控制继电器管道内油的流速也就不同。因此,应选用不同的整定油流速度的油流控制继电器与之相匹配。例如CMD1000型四电阻过渡旗循环法的三相分接开关(图7,其分接开关在正常满载状态下或在过载状态下切换时,油流控制继电器管图7 四电阻过渡电路道内油流速计算值见表3所示。表3 CMD1000分接开关在负载状态下切换参数计算 注:上表是在Us=2500V、In=1000A、R1=0.5Us/In=1.25、R2=1.5R1=1.875、cos=1下计算。从表3可以看

19、出,对于CMD1000型分接开关的切换开关在正常2倍过载切换(开断容量试验时,油室的油流控制继电器管道内产生最大油流达到0.86m/s,考虑一定的安全裕度后,选用整定油流速度1.2m/s±10%的油流控制继电器是比较合适的。为了切换安全起见,建议电动机构的过流闭锁接点整定值选取为 1.21.5倍额定通过电流,即I=(1.21.5 In时,分接开关暂停调压操作。切换开关一相级间短路故障时最小冲击油流速度的估算对于CM型切换开关常见故障是发生级间短路故障,K1主通断触头的电弧延长不熄,而K3过渡触头闭合,引起主通断触头的开断电流的增加(环流缘故,切换容量上升,严重时甚至引起级间短路(见图

20、6。此时K1主通断触头的开断电流从In增加至负载电流In与环流Ic之矢量和,则在cos=1时,则I K1=In+Ic=In+Us/R 。当K4再闭合时,严重的级间短路发生了。Ic= Us/Z O,Z O为级间的内阻抗,一般为m级,若Z O =50 m,则Ic 就增加20倍。在分接开关发生一相级间短路故障时可视为产生最小冲击油流。即使此时,油室通往继电器的油流仍大大超过其整定油速而跳闸动作,从而切断变压器,起着防止事故进一步扩大的保护。CM600分接开关发生一相级间短路时,油流控制继电器管道内产生最小冲击油速的计算见表4所示。表4 CM600分接开关一相级间短路故障时继电器管道内产生最小冲击油流

21、计算 注:上表按级电压Us = 2500V,In=600A,R1=2.4,变压器级间值Z O=0.05状况下进行计算同样,CM1000分接开关发生一相级间短路时,油流控制继电器管道内最小冲击油速达到3.50 m/s,跳闸接点动作,切除变压器,起着防止事故的进一步扩大保护。的气体约占 6080%。这些气体主要由乙炔（C2H2）乙烯（C2H4）和氢气（H2） ，甚至少量甲烷（CH4） 等组成。 正因这些气体的实际存在， 随着气体的积聚量达到轻瓦斯动作整定值， 轻瓦斯动作报警是必然的。 因此，IEC60214-2(2004标准中指出：靠气体的积聚而触点动作的双浮子气体继电器对切换开关和选 择开关的保

22、护是不适用的。 但切换开关和选择开关若在真空管中熄弧时，其油室应采用轻重瓦斯双浮子气体继电器保护。 变压器油因电弧高温分解产生气体量（平均值）与触头切换的级容量近似成正比。级容量等于级 电压与负载电流的乘积， 级电压越高， 负载电流越大， 油分解形成的气泡越大， 即产生的气体量越多。 运行正常的分接开关，在负荷较重（负载电流 In250A） ，每天切换次数高于 10 次以上，轻瓦斯动 作报警较为频繁。注入新油半年后，一般约一个月一次，最短 10 天左右就会有一次。 由于分接开关头盖下部也聚集相当数量气体， 随着气温突然变热， 气体的膨胀也会冲向气体继电 器，可能致使轻瓦斯发信报警或重瓦斯的误动

23、作。 轻瓦斯频繁动作与油质性能好坏、油中含水量大小、调压操作次数有关。注入新油的分接开关， 投运半年内一般不发生轻瓦斯报警。半年过后，轻瓦斯就会频繁发信。这是因为注入新油含气量少， 随着调压次数增加，切换产生的气体增多。当气体被油溶解达到饱和时，就开始聚集在气体继电器内 部，一旦达到整定值时，轻瓦斯就会发信。同时，油中含水量大，产气量也增大；油中含水量小，产 气量也减少。且产气量随着分接开关调压次数的增加，油的绝缘强度（简称油耐压）则下降。当轻瓦 斯发信时，则提示油中溶解气体已经饱和。 这样分接开关经现场吊检和录波 （示波图）未见明显异常， 且油样耐压仍达到运行要求时，一般仅作放气复归处理和油样跟踪分析，仍可以继续进行调压操作。 故此认为轻瓦斯信号的报警作用并不确切。随着分接开关继续调压操作，油中游离碳进一步增加，使 油的绝缘性能不断下降和油的灭弧性能变差，由此开始油的劣化加速。当油的耐压低于 30kV 时，即 应停止调压操作，进行换油及再生处理。 轻瓦斯频繁动作与气体继电器安装管路水平倾斜角度有关。按气体继电器安装要求，气体继电器 通往储油柜的管路向上倾斜度为 2%4%，以便分接开关切换产生气体能顺畅通过管路从储油柜逸 出。从华明公司售后服务统计中也发现部分气体继电器的管路安