消除環(huán)境溫度對油浸式電流互感器影響的微正壓設計

張春豐，劉 霞，敖 明

（1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學研究院，長春 130021；2.國網(wǎng)白山供電公司，吉林 白山 134302）

油浸式電流互感器具有散熱快、傳導均勻的優(yōu)點，同時其填充介質絕緣油有很好的易修復和可恢復性，結構簡單，工藝易掌握，制造經驗豐富，價格與其他形式絕緣的互感器相比較低，報廢后，可對其絕緣油和報廢部件進行回收再利用，不浪費資源，不污染環(huán)境，因此油浸式電流互感器在高壓和超高壓電力系統(tǒng)中被廣泛應用?，F(xiàn)有的油浸式電流互感器，當環(huán)境溫度變低時油的體積變小，在沒有外力作用的密閉空間內會產生微負壓，從而影響電氣設備的安全運行。為了保證在低溫環(huán)境下運行的互感器內部不產生微負壓，采用在膨脹器外部加一個能滿足互感器內部在最低環(huán)境溫下不產生負壓，在最高環(huán)境溫度下，壓力不超過設備設計最大值的外力，通過理論計算給出了這個外力的大小及添加方式。

1 年度環(huán)境溫差問題

由于油浸式電流互感器填充介質絕緣油體積隨溫度變化，當溫度變化較大時就會對互感器帶來一定的沖擊。當環(huán)境溫度升高，油溫升高時，絕緣油的體積會變大，膨脹器會被伸長，迫使互感器內部正壓增大，會出現(xiàn)密封不嚴溢油的可能；當環(huán)境溫度降低，油溫降低時，絕緣油的體積會變小，膨脹器會被迫收縮，若膨脹器自然收縮不及時，互感器內部就有產生負壓的可能，負壓時互感器密封不嚴就會導致進氣、進水受潮，產生嚴重的絕緣事故。為了避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，通過模擬和計算對油浸式電流互感器的膨脹器進行改造。

2 微正壓設計方案

2.1 設計原理

解決油浸式電流互感器在低溫下容易產生負壓的有效方法，是使互感器內部始終處于微正壓狀態(tài)，即互感器內部承受的壓力應在0.005～0.05 MPa。從而提出了微正壓油浸式電流互感器的設計方案，其原理是無論設備運行溫度如何改變，總有一個外力作用于膨脹器上，使互感器內部始終處于擠壓狀態(tài)；其方法是在膨脹器的頂端與金屬罩之間加設一個彈簧，該彈簧的彈力和壓縮量可由互感器的具體參數(shù)計算出。微正壓油浸式電流互感器膨脹器的設計見圖1。

2.2 計算方法

已知某互感器所用膨脹器的額定行程為Le，其等效截面積為Sx，補償?shù)淖畲笕莘e為Vb，其內部能承受的最大壓強為pmax。

壓力F 計算公式為：

可計算出互感器的膨脹器上端所能承受的最大壓力Fmax＝10pmaxSx，互感器的膨脹器上端加裝的彈簧彈力不得大于Fmax。

圖1 微正壓油浸式電流互感器膨脹器設計構型

彈簧彈力Ft計算公式為：

式中：K為彈簧常數(shù)，L為彈簧壓縮的行程。

由此可知，彈簧彈力與加裝彈簧的彈性常數(shù)和彈簧的壓縮行程有關。其中彈簧常數(shù)公式為：

式中：G為線材的剛性模數(shù)（如琴鋼絲G＝8 000，不銹鋼絲G＝7 300）；d為線材直徑；Do為彈簧外徑，Dm為彈簧中徑，Dm＝Do－d；N為彈簧總圈數(shù)；Nc為彈簧有效圈數(shù)，Nc＝N－2。

彈簧的壓縮行程應大于Le，只有這樣才能保證始終有一個恰當?shù)耐饬ψ饔迷谂蛎浧魃隙?，從而使互感器內部始終處于一個微正壓狀態(tài)。

2.3 膨脹器容積選擇

膨脹器是由多個膨脹節(jié)串聯(lián)而成，膨脹器容積的大小與膨脹節(jié)的個數(shù)相關。理想的膨脹器應滿足絕緣油體積隨溫度的變化，且所用膨脹節(jié)數(shù)最少，達到既安全又經濟的目的。膨脹器容積VP計算公式為：

式中：me為設備內變壓器油的額定質量；β為為絕緣油的熱膨脹系數(shù)，β＝0.000 7／℃；ρ為變壓器油的密度；tmax為設備運行變壓器油的最高溫度；tmin為設備使用地點的最低環(huán)境溫度。

3 設計研發(fā)舉例

設tmin＝－40℃，tmax＝40℃，油浸式互感器的溫升為0℃，220kV 倒置式電流互感器內變壓器油的額定質量me＝70kg，ρ＝0.88kg／L。所使用的膨脹器型號為PBD－330，其單個膨脹節(jié)額定容積為0.5L，行程為L＝9mm，Sx＝556cm2，此互感器內部承受的最大壓力為0.05MPa，為了滿足在環(huán)境溫差較大時不產生微負壓，將在膨脹器上端加裝一個彈簧，這個彈簧的彈力可使互感器內部承受的最小壓力為0.005 MPa，滿足這些條件的互感器應符合以下要求。

由公式（4）計算出此互感器內變壓器油體積變化的最大容積為4.45L。

為保證該設備在當?shù)厥褂脮r一直處于微正壓狀態(tài)，所選配套膨脹器的額定容積一定要大于4.45L。

若要滿足上述條件，選擇該型號膨脹器的節(jié)數(shù)至少為10節(jié)，其Le＝90mm。

為了滿足互感器始終處于微正壓狀態(tài)，膨脹器上端所加彈簧的壓縮行程應大于90mm，假設膨脹器在最小膨脹行程為0mm 時，彈簧的壓縮行程為50mm，膨脹器在最大膨脹行程90mm 時，彈簧的壓縮行程為140mm。

由公式（1）可計算得出，膨脹器上端所能承受的最大壓力Fmax為2 724.4N，最小壓力Fmin為272.4 N，即彈簧在壓縮行程為50 mm 時，其彈力應大于272.4N，彈簧在壓縮行程為140時，其彈力應小于2 724.4N。

假設此互感器的膨脹器上端所加的彈簧選不銹鋼絲的材質，其線徑為8 mm（G＝7300）；此膨脹器的有效截面積為556cm2，所以膨脹器的有效半徑為133mm，由于彈簧位于在膨脹器的上端，其彈簧的外徑一定要小于膨脹節(jié)的外徑266 mm，假設加工一個外徑Do為110mm 的彈簧，其中徑Dm可由公式Dm＝Do－d 計算得出，即Dm為102mm。

再由公式（2）和公式（3）可分別計算出當Fmax＝2 724.4N 時，彈簧的N 應大于3.8 圈，當Fmin＝272.4N 時，彈簧的N 應小于8.3圈。

為了保證在環(huán)境溫度－40～＋40℃范圍內此互感器始終處于微正壓狀態(tài)，即互感器的內部壓力在0.005～0.05 MPa，在膨脹器上端所加的彈簧應是d＝8 mm 的不銹鋼絲壓縮彈簧，D0＝110 mm，Dm＝102mm，N為3.8～8.3圈。

4 結束語

為解決油浸式電流互感器在低溫環(huán)境下運行內部產生微負壓問題，結合實際，通過嚴格的理論計算，給出了微正壓油浸式電流互感器的設計方案、具體實施方式及外加彈簧具體尺寸的計算方法，為解決此類問題提供了具體思路和方法。