分接开关油室气体继电器的选用与验证

变 压器组件分接开关油室气体继电器的选用与验证张德明（上海华明电力设备制造有限公司，上海 200333）摘要 ：阐明了分接开关油室气体继电器的保护功能 ，介绍了气体继电器整定油流速度的验证结果 。关键词 ：分接开关 ；气体继电器 ；选用 ；验证中图分类号 ：献标识码 ：B 文章编号 ：10018425（2010）06005207o., 00333, he of in of is of of 言根据 004、接开关标准有关规定 ，油浸式有载分接开关 (简称分接开关 ) 的切换开关油室与分接选择器必须带有各自独立的油系统 。因此 ，一个有载调压变压器形成了两个各自独立的油系统 。 如图 1 所示 。切换开关 (或选择开关 )油室单独设置一个油系统的目的是对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 。2 气体继电器保护性能油流控制继电器与压力释放装置配合使用是构成分接开关油室的主要安全保护 。油流控制继电器 (图 2)一般安装在分接开关油室与储油柜之间的管路中 。 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 。这种继电器对分接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 ，从而避免或限制了分接开关和变压器的损坏 。继电器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 。静态反应灵敏度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 (或间隙 ) 尺寸大小有关 。动态反应灵敏度是以施加冲击油压及其挡扳动作的反应时间来表示 ，见图 3。 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1234 5 6789101112131481电动机构 ；2垂直传动轴 ；3伞齿轮 ；4水平传动轴 ；5切换开关油室 ；6变压器油箱 ；7气体继电器 ；8硅胶呼吸 器 ；9开 关 储 油 柜 ；10隔 离 板 ；11变 压 器 储 油 柜 ；12主体继电器 ；13变压器器身 ；14分接选择器 。图 1 有载调压变压器的两个独立油系统 (埋入型 )wo of 7 卷 第 6 期2010 年 6 明：分接开关油室气体继电器的选用与验证第 6 期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可真实地模拟油室内部故障时继电器的动作反应 。国内电力行业标准 574载分接开关运行维修导则 第 )条款提出了可以采用气体继电器 (档板式 )替代油流控制继电器作为保护继电器方案 。 气体继电器 （俗称瓦斯继电器 ）兼有油流控制 （俗称重瓦斯 ）和气体控制 （俗称轻瓦斯 ）两大功能 。油流控制采用档板式结构 ，其功能与油流控制继电器功能相似 。气体控制采用浮筒式结构 ，分接开关触头切换所产生电弧气体逐渐聚集在继电器内部 ，迫使继电器浮筒下降到整定位置时 ，接通信号接点 。因此 ， 国产分接开关运行中发生轻瓦斯频繁动作与发信报警的状况较多 。这种信号报警 ，提醒运行人员分析判断 。若判断分接开关运行正常 ，可以通过放气使轻瓦斯信号复归 。若判断分接开关运行异常 ，则停止调压操作和进行检修 。目前 ， 国产分接开关油室常用的气体继电器有5、5 和 5 三种型式 。 其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 ， 其缺点是响应的时间比其他型式继电器的响应时间长 。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作的工作压力 30否则 ，油室内触头切换机构正常变换操作就可能造成继电器保护的误动作 。3 气体继电器的选用分接开关油室配置的气体继电器是按其保护功能和整定油流速度来选用 。保护功能的选用适用于油浸式的分接开关 ， 应按切换开关或选择开关触头不同切换方式的油室的不同保护功能来选用不同型式的气体继电器 。对于铜钨触头油中自由开断的切换开关或选择开关 ，正常变换操作中就会产生气体 。 因此 ，在标准接开关应用导则 中指出 ，采用 “增加靠气体积聚而动作的接点 ”双浮子 (轻重瓦斯 )气体继电器是不合适的 。 因此 ，应正确选用带有油流控制的 “重瓦斯保护 ”气体继电器 。图 2 il 油温下静态反应灵敏度1m/s10%图 3 4)105 7 卷对于真空切换的切换开关或选择开关 ， 正常变换操作的电弧在密封真空管中熄灭而不外露 。 为提高运行可靠性 ， 真空切换回路中往往增加机械隔离触头作为后备保护 。一旦真空管泄漏或切换失败 ，机械隔离触头带弧转换负载电流 ，引发电弧并产气 。为了监控这一异常状况 ， 真空切换分接开关应选用油流控制兼气体控制的轻重瓦斯保护气体继电器来监控 ，必要时对油中溶解气体进行分析 。整定油流速度的选用油室配置气体继电器是按它的整定油流速度这一重要参数来选用 ， 即按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 ：（1）分接开关正常切换时产生的油流速度应小于继电器的整定油流速度 ， 保证正常负载切换时不发生保护误动作 ，且应留有安全保护裕度 。（2）继电器的整定油流速度应小于分接开关故障时的最小油流速度 ， 起着分接开关故障时保护作用 。接开关正常切换时产生的油流速度在油浸式铜钨触头切换的分接开关中 ，触头电弧的作用使变压器油分解形成氢气 (低分子烃类气体 ，如甲烷 (乙烷 (乙烯 (乙炔( ，其中乙炔占主要成分 。 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 ，必定有同等体积的油被挤向储油柜 。 气体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 。在低能放电中 ，通过离子反应促使最弱的键 (338kJ/裂 ，重新化合成氢气而积累 。 对的断裂需要较高的温度 (较多的能量 )，然后迅速以 (607kJ/C=C 键 (720kJ/CC 键 (960kJ/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 。据有关资料的介绍 ， 变压器油分解为炔类气体所需的能量为 830kJ/而其他烃类气体所需的能量为 420kJ/大量的乙炔是电弧的弧道中产生的 ，占烃类气体的 70%80%。 取加权平均的分解能量 50kJ/在常压状况下产生单位体积的气体所需要的能量为 750/。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着很大的影响 。因此 ，需要对触头产生的交流电弧能量进行计算 。交流电弧能量可按下述基本公式来计算W=1）式 (1)中 ，u 为电弧电压 ，其值为 u=0。 其中 E 为弧柱电场强度 ，可以认为在燃弧每一半周波期间 ，对于在变压器油中的自由燃弧 ，当电弧电流小于 10 000A 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 600切换开关 (图 5)为例 ，切换开关另一侧过渡触头 主通断触头 0为电弧近极压降 ，它为恒数 ，通取 0V。则可计算 u=200150=250V。i 为电弧电流 ， 即为一幅值 i=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=(0)Im(0)(0)(2（2）式中 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= ，t=250交流电弧重燃半波周数 ， 分接开关燃弧时间限为 10 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(故障时为系统电压 s)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 ，主通断触头程序断口开距图 5 M 明：分接开关油室气体继电器的选用与验证第 6 期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=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 U 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 ，电弧平均燃弧时间通常为 6考虑触头闭合撞击产生机械振动引起触头间隙电弧为 2累计燃弧时间取 t10为合适 ，则 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 。在假定三个切换单元 (三相的扇形块 )的电弧触头同步开断状况下计算电弧能量 。每个切换单元 (一相扇形块 )中主通断触头 00A 时产生电弧能量为 ：(0)(1+250600314(1+=一相扇形块 )中过渡触头 若电力系统电压 30 级电压渡电阻匹配为 R=n，最佳匹配系数 n=时过渡触头 c=1+n)1+6002222开断电流为 822A 时产生的电弧能量为 ：(0)(1+250822314(1+= 两个触头的电弧时间约 20由于液流反应时间相应滞后 ，在这么短的 20间内 ， 可以视为两个触头产生电弧能量的迭加 。于是 ，整个分接开关三个切换单元(三相扇形块 )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蒡W/(s)1s= 切换开关切换一次产气量 t=s了验证上述计算正确与否 ， 产气量可用经验公式来计算切换开关切换一次产气量 。 即 ：V0=3）式 (3)中 k 为系数 ，可取 为触头切换的电流 ， 三个单元总的切换电流 I=3I=3(600+822)=4 266A；V 为每 气的体积 ，在常压状态下为 400t 为切换时间 10 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= 26604/106=L=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 。当油溶解饱和在头盖下部积累满后 ，气体就进入气体继电器 ，最后进入分接开关储油柜 ，通过呼吸器逸出 。由于继电器管道 (直径 D=面 S=4.9(则管道内油流速为 ：1 000/s=600 分接开关在负载状态下切换时 ，其气体继电器管道内油流速计算值见表 1 所示 。从表 1 可以看出 ， 对于 切换开关在正常2 倍过载切换 (开断容量试验 )时 ，油室的气体继电器管道内产生最大油流达到 s，考虑一定的安全裕度后 ，选用整定油流速度 s10%的气体继电器是比较合适的 。计算项目过渡触头 )过载切换油流 /mmA 893电弧能量W/W=个切换单元 W=2渡触头 W=个单元 (扇形块 )W=2渡触头 ) 600 分接开关在负载状态下切换参数计算 （R=，n=） of M 600 7 卷从上述分析计算可以知道 ， 气体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 ， 气体继电器管道内油的流速也就不同 。因此 ，应选用不同整定油流速度的气体继电器与之相匹配 。 例如 1000 型四电阻过渡旗循环法的三相分接开关 (图 6)，其分接开关在正常满载状态下或在过载状态下切换时 ， 气体继电器管道内油流速计算值如表 2 所示 。从表 2 可以看出 ， 对于 1000 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 ，s，考虑一定的安全裕度后 ，选用整定油流速度 s10%的气体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 额定通过电流 ，即 I(分接开关暂停调压操作 。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 切换开关可能的故障是发生级间短路故障 ，而 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 5)。 此时 则在 时 ，nn。 当 严重的级间短路发生了 。 s/0为级间的内阻抗 ， 一般为 若 0 0 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 ， 也会切断变压器 ，起到防止事故进一步扩大的保护作用 。600 分接开关发生一相的级间短路时 ，气体继电器管道内产生最小冲击油速的计算见表 3。同样 ，1000 分接开关发生一相的级间短路时 ， s，跳闸接点动作 ，切除变压器 ，防止事故的进一步扩大 。4 体继电器的实际油流速度的计算用压力计从气体继电器入口处测试不同整定油流速度的气体继电器档扳的动作力值 ， 整定油流速度 s 时气体继电器测得的挡板动作静压力值为 整定油流速度 s 时测得的挡板动作静压力值 据挡板的测试力来验证整定油流速度值继电器的动态油流速度 ，按流体力学 ，油流作用挡板上的力等于油流的动压力乘以挡板的面积 ， 即 g。V=2 （4）式中 V气体继电器动作的油流速度 ，m/ of 3开断电流 /A 2 mm单相 )电弧触头不同步开断主通断触头 23 000 3 W=2渡触头 11 W=个切换单元 W=2渡触头 1000 分接开关在负载状态下切换参数计算 of 1000 表 2 是在 500V、 000A、n=2= 下计算 。56张 德明：分接开关油室气体继电器的选用与验证第 6 期气体继电器挡板的动阻力 ， 它可按实测静压力值 取静摩擦系数为 1气体继电器档板面积 ，实测 电器档板的面积为 S=42油密度 ，取 重力加速度 ，取 g=s 油流速继电器为例 ，测静阻力 F=2=212s 油流速继电器为例 ，测静阻力 F=2=2124），继电器制造厂将继电器整定油流速度的出厂试验简化为测试档扳动作力来替代 。体继电器静态的动作特性测试气体继电器静态动作特性试验安排如下 ：在分接开关头部法兰弯管 R 上装有一个带控制阀和压力传感器的气体继电器 ， 在继电器出口处上部高 接一个装有呼吸器的储油柜 ，在分接开关头部法兰注油管装上一个可以升降的储油柜 ，调节储油柜的高度 ，如图 7 所示 。打开通往油流控制继电器阀门 ， 记录油流控制继电器在稳定油流速下动作的静压力值 P。P 值由两储油柜油位高度差所产生 ，即P=1=g(h2中 油的密度 ，=重力加速度 ，g=P 值如表 4 所示 。从表 4 可以看出 ， 气体继电器动作压力与整定油流速度相关 。随着整定油流速度的增加 ，挡板动作压力也相应提高 。体继电器动态的动作特性的验证为了了解气体继电器动态的动作特性的状况 ，人为用 9L/ 32L/滤油机给油室注入流动油流作为正常切换与切换故障的状态的模拟验证 。滤油机油流速度按 V=2公式计算 ，式中 Q 为滤油机油流量 ， 单位为 L 为管道直计算项目主通断触头 c/A 50 000油流控制继电器是否动作保护主通断触头 1一相电弧延长不熄 (图 6)过渡触头 42W=(2m1开断电流 50 600600 1 642电弧能量 W/ 600 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计算 in of M 600 表 3 按级电压 500V，00A，R=压器级间值 况下进行计算 。图 7 of 不同整定油流速的气体继电器进行动作特性测试数据 of of mP储油柜高度 编号 5编号 6动作静压差值 P/ 25 7 卷径 ，D=25用 9L/油机注油时 ，油流速 V= 252=s，其油流值与正常切换相当 。 用 32L/油机注油时 ，油流速 V=2 252=s， 其油流值与切换故障相当 。对于整定油流速 s 和 s 气体继电器 ，用 9L/ 32L/油机向油室注油 ，此时气体继电器实际动作压力值如表 5 所示 。从表 5 中的数据比较可以发现下述规律 ：（1）随着流过气体继电器内的油流速度的增大 ，油流对继电器挡板产生动态压力增加了 ， 因而压力传感器测得动态动作压力值相应地降低 。（2）在气体继电器内的油流速度很低时 ，其动态动作压力与静态动作压力相比几乎没有明显的变化 。但随着油流速的增大 ，其动态动作压力测值总小于静态动作压力测值 。5 结束语通过分接开关配置的气体继电器的分析计算 ，可以得到下述启示 ：（1）气体继电器按保护功能选用气体继电器型式应符合表 6 的要求 。（2）油流速度与动作压力是气体继电器两个不同的动作特性物理量 ，两者不能混为一谈 。气体继电器动作特性是采用整定油流速度的静态反应灵敏度来表示的 。因此 ，它必须按分接开关切换电流所产生的油的流动速度来选用合适的整定油流速度的气体继电器 。（3）