倒置式油浸電流互感器內部溫度場分布及內部壓力影響特性研究

季昆玉，劉 洋，李伯男，李 熙，黃磊峰，陳 挺

(1. 國網江蘇省電力有限公司泰州供電分公司，江蘇 泰州 225300；2. 國網江蘇省電力公司電力科學研究院，南京 211103；3. 重慶大學 輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點試驗室，重慶 400044)

電流互感器是電力系統中不可或缺的一部分，而以絕緣油為絕緣散熱介質的倒置式油浸電流互感器由于其結構簡單、電氣性能好等優(yōu)點，得以在電力系統中廣泛應用[1-4]。據統計，近5年來，江蘇電網220 kV及以上電壓等級電流互感器共發(fā)生8起故障，39起嚴重及危急缺陷，而故障率最高的部位為倒置式油浸電流互感器頭部[5-8]。在油浸式電流互感器所引發(fā)的事故中普遍伴有爆炸現象，而這種事故的危害不僅降低了輸送電量，更會損壞變電站其他鄰近設備，給電網運行的安全性、可靠性帶來巨大威脅[9-11]。

互感器故障研究領域中，有不少學者對于互感器內部絕緣油溫升故障以及內部壓力故障的形成過程及原因進行了較為深入的研究。比如通過分析油浸式電流互感器頭部絕緣，得出由于其頭部絕緣采用手工包扎方式，對包扎工藝要求較高，易產生絕緣缺陷[10-12]；電流互感器二次繞組位于頭部罩殼內，重心較高，導致互感器抗震性能差[13-16]；互感器內部油量少，嚴重滲漏或多次取油易造成低油位或內部負壓等結構上的缺陷等[17-19]。通過調研現階段互感器故障研究成果，發(fā)現對于正常與異常工況下倒置式油浸電流互感器內部溫度場變化規(guī)律，以及內部壓力變化特性鮮有討論，而研究電流互感器溫度場變化規(guī)律和內部壓力變化特性對狀態(tài)異常和內部故障的預警具有重要意義[20-21]。

筆者通過ANSYS仿真平臺，模擬研究了倒置式油浸電流互感器溫度場變化分布影響特性，并通過設計搭建電流互感器試驗平臺進行了溫度場變化特性試驗驗證以及內部壓力變化特性的試驗探究。同時，設計搭建了內部壓力在線監(jiān)測系統，實現了壓力故障的監(jiān)測和預警。對于掌握電流互感器內部溫度場變化分布規(guī)律、內部壓力變化特性以及指導相關充油設備的故障檢修診斷具有重要意義。

1 倒置式油浸電流互感器溫度場分布

1.1 倒置式油浸電流互感器模型建立

倒置式油浸電流互感器溫度場仿真試驗研究中，選用的是SolidWorks建模軟件和ANSYS仿真軟件進行三維倒置式油浸電流互感器模型的建立和內部溫度場的分析。模型以重力加速度的反方向定義y軸方向，x-z平面為水平面，坐標系原點為模型底部中心點，y軸與模型中軸線重合等條件進行建模。

倒置式油浸電流互感器內部主要有：絕緣紙、絕緣油、一次繞組、二次繞組及鐵芯等組成，正常運行時整個器身置于絕緣油中，絕緣油不僅作為絕緣材料，還會起到冷卻和散熱的作用。互感器內部的熱源把產生的熱量傳遞給絕緣油，由于絕緣油內部各個局部地方的溫度不均勻，會造成對流運動，這樣可以更快地達到整體的熱平衡狀態(tài)。

倒置式油浸電流互感器正常運行時的熱量主要來源于內部的電阻損耗和介質損耗。長時間運行時互感器內部的局部溫度會明顯高于外部溫度，當高于某個溫度時甚至會釀成嚴重事故，熱源組成如圖1所示。

圖1 熱源組成Fig. 1 Composition of heat source

二次繞組：倒置式油浸電流互感器的二次繞組在整個裝置的上方，主絕緣的內部，主要由鋼硅片和銅繞組構成。二次電流標準值為1 A或5 A。以5 A產品為例，一般LVB-220產品有6個繞組，其中4個保護繞組5P30，一個測量繞組0.5，一個計量繞組0.2 S，各個繞組電阻值如下：5P30阻值為0.85 Ω，0.5與0.2 S阻值為0.52 Ω，總阻值為4.44 Ω，其總功率為

P=I2R=111 W。

(1)

一次導體：倒置式油浸電流互感器一次導體一般由1根鋁桿和鋁管并聯，電阻較小。實測導電管電阻值為8.7 μΩ，導電桿電阻值為12 μΩ。對220 kV電壓等級的電流互感器，一般為2×1 250 A產品，導電管與導電桿串聯時一次通過1 250 A電流，可以求出其總功率分別為

P1=I2R1=13.59 W，

(2)

P2=I2R2=18.75 W。

(3)

介質損耗：對于倒置式電流互感器的整體介質損耗可以通過高壓試驗的方式獲得，因此可以根據介質損耗有功功率的公式P=U2ωCtanδ計算，實測介質損耗為0.2%，電容為810 pF。由于倒置式油浸電流互感器是少油裝置，且絕緣油的介電常數比絕緣紙的介電常數要大得多，而等效電容又與介電常數成正比，所以油紙絕緣介質損耗的有功功率可以簡化成由絕緣紙產生的，其總功率為

P=U2ωCtanδ=30.78 W。

(4)

互感器內部絕緣油在循環(huán)過程中，由于在各個固體材料中間存在油道，各個熱源產生的熱量通過油道流向互感器的其他部位，使油溫升高。由于絕緣油密度隨溫度變化，熱油上升，冷油下沉。

以LVB-220W3倒置式油浸電流互感器為例，采用SolidWorks進行物理模型搭建?？紤]到模型結構的復雜程度，對部分結構做如下的簡化：

1)由于電流互感器內部二次導線的電流一般為5 A或者1 A，同時因為二次導線電阻極小，故產生的有功功率很小，可以忽略不計，所以可以將二次繞組、鐵芯看作一個整體，這樣很大程度上簡化了模型。

2)由于主要研究互感器內部溫度場規(guī)律，所以可以將外殼及其配件等不影響互感器內部溫度變化的結構進行簡化忽略。

簡化后的模型主要包括：固體部分(一次導體、油浸絕緣紙、二次繞組)，以及互感器內部絕緣油。即幾何模型為球形區(qū)域+棒形區(qū)域內部絕緣油及上述固體部分組成的三維流固耦合模型，如圖2所示。正常運行時絕緣油不僅可以進行熱傳導把熱源的熱量傳到互感器的各個部分，還可以進行熱對流加快溫度場的平衡。

圖2 SolidWorks 建立的模型Fig. 2 Current transformer model established by SolidWorks

1.2 仿真設置

倒置式油浸電流互感器模型設置部分，因為其倒置式結構不易于流體的循環(huán)，所以絕緣油的流動速度較慢，通常不會產生湍流，只存在層流情況，所以在ANSYS設置絕緣油黏性模型中選擇層流模型。

倒置式油浸電流互感器材料設置部分溫度場仿真涉及的材料主要分為兩大類，一類為流體材料，另一類為固體材料。其中流體材料為絕緣油，固體材料包括鋁、硅鋼和絕緣紙。由于ANSYS軟件本身材料庫中沒有此次仿真所需相關材料，所以需要添加相關的物理屬性。材料的基本特性包括密度、比熱容以及導熱系數，具體參數如表1所示。

表1 固體材料特性

由于絕緣油是流體，還應包括熱膨脹系數和黏度系數，查詢相關資料可知膨脹系數可以近似設為0.000 7，而黏度系數具體大小則隨著溫度變化而有較大的改變，為確保仿真結果的準確性，可在材料特性中設置為與溫度相關的函數。參考文獻[22]，可知絕緣油各項屬性與溫度關系如公式(5)～(8)所示。

ρ=-0.580 9T+893.14，

(5)

C=4.273 6T+1 761.5，

(6)

K=-0.000 08T+0.133，

(7)

μ=0.069 6e-0.08T，

(8)

式中：ρ為密度，kg/m3；C為比熱容，J/(kg·K)；K為導熱系數，W/(m·K)；μ為黏度，kg/(m·s)；T為溫度，K。

由上文介紹可知倒置式油浸電流互感器的內部熱源主要有3部分：一次導體、二次繞組、固體絕緣介質損耗。此次仿真具體參考LVB-220型號電流互感器的正常運行狀況，一次導線與一次導管并聯，當互感器一次接線端分別通入5 000，4 000，3 000，2 000，1 000 A電流時，計算此時各部分的功率，并將其輸入至模型中進行計算，具體如表2所示。

表2 熱源的體積功率

外邊界面設為wall，其邊界溫度設定為與環(huán)境溫度一致，仿真中可通過調節(jié)環(huán)境溫度來研究其對于互感器內部溫度場的影響；邊界條件中的相對壓強設為0 Pa，設置重力加速度為9.8 m/s2，方向指向y軸的負方向。

1.3 仿真研究設計

仿真條件設定好之后，開始進行仿真研究設計，主要研究兩個因素對于溫度場的影響。

1)研究環(huán)境溫度對于互感器內部溫度場的影響，設置倒置式油浸電流互感器在一次接線端通入4 000 A且環(huán)境溫度分別為10～50 ℃條件下，穩(wěn)態(tài)溫度分布研究。

2)研究環(huán)境溫度不變時，電流互感器分別通入一次電流1 000，2 000，3 000，4 000，5 000A進行仿真而得到的一次電流對于內部溫度場的影響。

2 倒置式油浸電流互感器內部溫度場仿真

2.1 環(huán)境溫度對于電流互感器內部溫度場分布的影響

經過迭代計算，當殘差已經降低到收斂判斷標準以下，可以認為結果已經收斂，此時可以得到穩(wěn)態(tài)溫度場分布。對一次接線端分別通入1 000，2 000，3 000，4 000，5 000 A電流情況下的互感器內部溫度場分別進行仿真，如圖3～5為倒置式油浸電流互感器在一次接線端通入4 000 A且環(huán)境溫度分別為14 ℃，30 ℃和50 ℃時的穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖及x-y截面溫度分布圖。

圖3 14 ℃溫度場分布Fig. 3 14 ℃ temperature field distribution

圖4 30 ℃溫度場分布Fig. 4 30 ℃ Temperature field distribution

圖5 50 ℃溫度場分布Fig. 5 50 ℃ temperature field distribution

由圖3～5可以得出如下結論：

1)在不同溫度下，互感器內部二次繞組均為溫度明顯最高的部位，同時在仿真中可以看出二次繞組與絕緣紙之間部分的絕緣油溫度較高，這是由于二次繞組的體積功率較大而比熱容最小，所以溫度升高得更快。

2)電流互感器下部的絕緣油溫度基本和外界溫度保持一致，這是由于在互感器的下部熱源僅為絕緣結構介質損耗，發(fā)熱功率較小，絕緣油溫度不能夠迅速升高，并且倒置式結構的原因導致絕緣油流動困難，上部與下部的絕緣油無法進行有效的熱對流。

為了進一步了解倒置式油浸電流互感器的溫度場分布情況，專門分析了y坐標軸上溫度分布的規(guī)律，為方便分析將水平面(x-z平面)移至一次導管中心線高度，如圖6所示。圖中可以看出在互感器的內部上端y軸方向上溫度數值關于原點基本呈對稱分布，溫度最高的區(qū)域正好位于二次繞組附近，而一次導管與二次繞組絕緣紙之間屬于絕緣油溫度最高的區(qū)域，在這一區(qū)域內，絕緣油溫度與y軸原點(一次導管中心)的距離基本呈線性相關。

圖6 環(huán)境溫度14 ℃ y軸溫度分布曲線Fig. 6 Ambient temperature 14 ℃ y-axis temperature distribution curve

2.2 一次電流對于電流互感器內部溫度場分布的影響

由上文分析可知，互感器內部溫度最高的地方位于二次繞組附近，將一次導體分別通入電流1 000，2 000，3 000，4 000，5 000 A進行仿真而得到的內部最高溫度數據，進一步制作為曲線圖以觀察規(guī)律。如圖7所示，互感器內部最高溫度隨著環(huán)境溫度上升而上升。環(huán)境溫度由10 ℃上升至40 ℃階段，溫度變化率基本維持不變，表現為線性相關，而當環(huán)境溫度上升到40 ℃后，曲線斜率開始下降，可推斷內部最高溫度變化開始趨于平緩。在不同環(huán)境溫度的情況下，隨著一次導體通入電流的增加，互感器內部溫度也隨之上升，并且變化幅度越來越大。

圖7 互感器內部最高溫度與環(huán)境溫度關系曲線Fig. 7 Relationship between the maximum internal temperature of the transformer and the ambient temperature

使用Matlab軟件對互感器內部最高溫度與通入電流值以及環(huán)境溫度值的變化關系進行擬合，得到互感器內部最高溫度與通入一次電流大小及環(huán)境溫度的關聯關系模型為

Ttop=0.937 6×TE+0.001×I+46.790 3，

(9)

式中：Ttop為互感器內部最高溫度值，℃；TE為環(huán)境溫度值，℃；I為一次導體并聯通入電流值，A。

為了驗證該式的準確性，仿真5組不同的一次導體通入電流值和不同的環(huán)境溫度值，進行誤差比較，具體誤差如表3所示。

表3 仿真與計算誤差

從表3可以看出，誤差值隨溫度升高而增大，隨一次導體通入電流的增大而減小，并且誤差值均在2%以內，可以認為此擬合的二次函數表達式能夠預估出實際運行中在不同環(huán)境溫度下電流互感器通入不同電流時內部最高溫度值，并且在環(huán)境溫度35 ℃以下情況時，預測的結果更加準確，誤差在1%以下。

3 倒置式油浸電流互感器內部溫度場試驗

3.1 倒置式油浸電流互感器試驗平臺搭建

為了檢驗仿真平臺得到的倒置式油浸電流互感器內部溫度場分布規(guī)律的有效性，搭建了基于真實LVB-220W3電流互感器的試驗平臺，如圖8所示。選擇PT100型熱電偶傳感器對電流互感器的溫升過程進行檢測試驗，并將試驗得到的電流互感器內部溫度場的分布情況與仿真結果進行對比驗證。

圖8 倒置式油浸電流互感器熱電偶設置分布圖Fig. 8 Distribution map of thermocouple for oil immersed current transformer

3.2 倒置式電流互感器溫度場試驗結果

將溫升試驗得到數據繪制成曲線圖，如圖9所示?？梢钥闯鲆淮螌w附近、鐵心罩殼內側的溫度普遍較高，內部溫度最高達到64.3 ℃；如1#、2#、3#及4#熱電偶位置處，頭部主絕緣周邊溫度較高；如12#、13#、10#及5#熱電偶位置處，溫度在30 ℃左右；而遠離頭部熱源的熱電偶，由于底部溫度上升不明顯，普遍溫度上升不超過10 ℃。

圖9 溫升測試過程中各熱電偶溫度曲線Fig. 9 Temperature curve of each thermocouple during temperature rise test

從試驗數據及曲線可以得到環(huán)境溫度為14 ℃下的倒置式油浸電流互感器內部的大致溫度分布情況，與仿真中一次接線端通入電流4 000 A和環(huán)境溫度14 ℃得到的結果對比可知：試驗中所得內部最高溫度為64.3 ℃，仿真中最高溫度為64.85 ℃。以試驗數據為標準情況計算，仿真誤差為0.8%；同時根據圖3與圖9溫度場分布對比可知，兩者溫度分布基本一致。

由以上結果分析可知試驗結果驗證了仿真結果的正確性，也證明了仿真設置的準確性，以及仿真結果擬合得到的關聯關系模型能夠適用于實際工程中對互感器內部最高溫度的預估，因此可以得到較為準確的倒置式油浸電流互感器內部溫度場的分布特性。

4 倒置式油浸電流互感器壓力影響特性

4.1 互感器壓力在線監(jiān)測系統設計

為研究互感器內部壓力變化影響特性，設計了基于MD-TPR互感器的壓力在線監(jiān)測系統，用于對互感器的油壓進行實時在線監(jiān)測，并能將壓力監(jiān)測數據通過通信遠傳至后臺綜合監(jiān)測單元進行顯示和存儲，同時根據需要設置報警限值，對超出報警限值時進行報警提示，系統如圖10所示。

圖10 互感器壓力在線監(jiān)測系統示意圖Fig. 10 Transformer pressure online monitoring system diagram

4.2 互感器內部壓力影響特性

圖11 放油閥處的壓力變化曲線Fig. 11 Pressure variation curve at the drain valve

表4 壓力溫度監(jiān)測數據

圖12 壓力、溫度時間變化曲線Fig. 12 Pressure, temperature-time curves

P=45 412+243.36×sin(8.92πT)- 14.47×exp(-2.05T)2，

(10)

5 結 語

1)建立了倒置式油浸電流互感器內部溫度場仿真模型，通過仿真圖像可知，互感器內部溫度最高的位置為二次繞組，同時二次繞組與絕緣紙之間的部分的絕緣油溫度較高。

2)搭建了基于真實LVB-220W3電流互感器的試驗平臺，并在電流互感器內部指定位置埋設PT100熱電偶，如鐵心罩殼內側、二次引線管、膨脹器及過渡件等處，通過進行對標試驗，發(fā)現仿真與試驗的最高溫度誤差小于1%，且溫度場分布一致，驗證了溫度場仿真模型的有效性和準確性。