基于瞬態(tài)油流量測(cè)量的電力變壓器故障油流涌動(dòng)特性

李遠(yuǎn)松，丁津津，李圓智，孫 輝， 張 峰，汪勛婷

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 安徽 合肥 230601)

變壓器在電網(wǎng)中是最重要的設(shè)備之一[1-4]，這類關(guān)鍵設(shè)備的任何故障都將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。瓦斯保護(hù)動(dòng)作作為變壓器的主保護(hù)，其可靠性一直受到廣泛的關(guān)注。變壓器瓦斯保護(hù)故障有多種原因，操作和維護(hù)不當(dāng)都可能導(dǎo)致變壓器瓦斯保護(hù)故障[5]。近年來，外部短路沖擊下瓦斯保護(hù)誤動(dòng)的事故屢次發(fā)生，對(duì)變壓器的運(yùn)行效率構(gòu)成重大的威脅[6-10]。文獻(xiàn)[8]開展外部短路下變壓器的熱場(chǎng)及流場(chǎng)的仿真研究，仿真計(jì)算了在外部短路情況下，繞組的動(dòng)態(tài)電磁力及振動(dòng)位移，一方面變壓器部件的加熱持續(xù)驅(qū)動(dòng)著變壓器的內(nèi)部油流，但短路電流的熱效應(yīng)不足以導(dǎo)致氣體保護(hù)誤動(dòng)；另一方面，繞組振動(dòng)對(duì)油流的影響更強(qiáng)，可能導(dǎo)致氣體保護(hù)誤動(dòng)。文獻(xiàn)[10]通過有限元計(jì)算的方法，利用ANSYS Workbench進(jìn)行了變壓器的油箱電磁力流耦合計(jì)算研究，得到了與文獻(xiàn)[8]相同的結(jié)論。

綜上所述，外部短路下電力變壓器故障油流涌動(dòng)特性研究大多基于多物理場(chǎng)仿真，缺少相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證。因此，為探究外部短路故障時(shí)管道內(nèi)的油流特性，本文在電力變壓器上建立瞬態(tài)油流測(cè)量系統(tǒng)，開展外部短路故障測(cè)試試驗(yàn)，通過試驗(yàn)手段系統(tǒng)的研究了外部短路下電力變壓器故障油流涌動(dòng)特性。

1 區(qū)外故障引發(fā)變壓器油流動(dòng)作分析及事故案例

1.1 區(qū)外故障引發(fā)變壓器油流動(dòng)作分析

重瓦斯保護(hù)動(dòng)作主要是變壓器油流沖擊擋板，擋板克服彈簧的阻力，帶動(dòng)磁鐵向干簧觸點(diǎn)方向移動(dòng)，使觸點(diǎn)閉合，接通跳閘回路。換言之，必須產(chǎn)生一個(gè)力foil大于等于彈簧擋板的阻力fz，而fz又與油流速度voil存在一定的關(guān)系[6,11]，即

(1)

式中v0為無故障情況的油流速度，通常取0；m為沖擊的油質(zhì)量；t為油沖擊作用時(shí)間，若t一定，則：

f′oil=k×v′oil

(2)

式中f′oil、v′oil為重瓦斯保護(hù)整定值；k為動(dòng)作時(shí)受力與油流速度整定的比例系數(shù)。此外，外部短路電流與其所產(chǎn)生的油流速度之間又存在一定的關(guān)系。由于短路電流引起電動(dòng)力，進(jìn)而出現(xiàn)繞組振動(dòng)，并導(dǎo)致油壓的變化。因此，當(dāng)外部短路電流達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，可能引發(fā)內(nèi)部瓦斯保護(hù)誤動(dòng)。

1.2 事故案例

根據(jù)某公司發(fā)布的故障統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，2011～2014年，500 kV變壓器由于外部故障導(dǎo)致的氣體繼電器誤動(dòng)事件多達(dá)8次。在這些事件中，各種變壓器的氣體繼電器的所有閾值均設(shè)置為1.5 m/s。實(shí)際上，所有的外部故障都在故障發(fā)生后的33～75 ms內(nèi)得到了及時(shí)的消除。然而，氣體繼電器的誤動(dòng)仍然發(fā)生，延時(shí)從152 ms到321 ms。此外，所有短路電流峰值均大于14 kA，平均故障持續(xù)時(shí)間為53 ms。顯然，此時(shí)變壓器外部發(fā)生了嚴(yán)重的短路故障，工作人員不得不將氣體繼電器的動(dòng)作時(shí)間延遲至1 s，以避免發(fā)生繼電器誤動(dòng)。但在如此長(zhǎng)的延遲下，當(dāng)內(nèi)部故障發(fā)生時(shí)，氣體繼電器將不再能夠足夠快地動(dòng)作。

文獻(xiàn)[7]定義油流涌動(dòng)能量，其單位為安培的平方(A2)，并得到不同故障點(diǎn)的油流涌動(dòng)能量與重瓦斯持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系，如圖1所示。由圖1可知，除了橫瀝#3變B相外，其他各站變壓器的油流涌動(dòng)能量與瓦斯動(dòng)作持續(xù)時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，但這一評(píng)價(jià)尚無理論依據(jù)。

圖1 油流涌動(dòng)能量與瓦斯動(dòng)作持續(xù)時(shí)間的關(guān)系Figure 1 Relationship between the energy of oil flow and the duration of gas action

2 電力變壓器故障油流動(dòng)作延遲實(shí)驗(yàn)

2.1 外部短路故障測(cè)試系統(tǒng)

變壓器短路故障檢測(cè)系統(tǒng)由電流互感器、開關(guān)柜、試驗(yàn)變壓器、中間變壓器、分壓器、電抗器組成，如圖2所示。在進(jìn)行變壓器低壓側(cè)短路試驗(yàn)時(shí)，試樣變壓器高壓側(cè)接入饋線系統(tǒng)，低壓側(cè)接地，如圖2(a)所示。同樣，中壓側(cè)與中性點(diǎn)接地時(shí)，可進(jìn)行中壓短路試驗(yàn)，如圖2(b)所示。在測(cè)試中，外部短路故障的起始時(shí)間隨機(jī)，持續(xù)時(shí)間設(shè)定為250 ms。短路電流由電抗器控制，并在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)前通過三相短路電流計(jì)算得到。

圖2 外部短路故障測(cè)試系統(tǒng)Figure 2 External short circuit fault test systems

為了研究外部故障期間管道內(nèi)真實(shí)的油流特性，在真實(shí)的40 MV·A/110 kV油浸式電力變壓器上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該變壓器為芯式變壓器。為安裝環(huán)形質(zhì)量流量計(jì)，對(duì)主罐與保守器之間的管道進(jìn)行了改造，并設(shè)置了新的支撐保守器的支架。

樣品變壓器已使用多年以上，出于安全因素，將短路電流的幅值減小，此外，變壓器繞組在試驗(yàn)過程中可能因短路力的作用而損壞，從而導(dǎo)致內(nèi)部電弧故障，因此，每次測(cè)試后需測(cè)量和分析繞組的電抗變化，以評(píng)估繞組的狀態(tài)。

2.2 油流量測(cè)量系統(tǒng)

如圖3所示，搭建了瞬態(tài)油流量測(cè)量系統(tǒng)，主要由環(huán)形質(zhì)量流量計(jì)、數(shù)據(jù)采集模塊和計(jì)算機(jī)組成。

圖3 油流量測(cè)量系統(tǒng)Figure 3 Oil flow measurement system

試驗(yàn)中采用環(huán)形質(zhì)量流量計(jì)，安裝在主油箱和油枕之間，測(cè)量管路內(nèi)瞬態(tài)油流速。測(cè)試采用Adcantech USB-4716數(shù)據(jù)采集模塊，采集之前，使用信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。采樣頻率20 kHz，有16路模擬輸入通道。此外，為盡量減少外部干擾源，試驗(yàn)中選擇雙芯金屬屏蔽線作為通信線路。為了實(shí)時(shí)記錄和處理大量數(shù)據(jù)，瞬態(tài)油流量測(cè)量軟件在運(yùn)行64位Window 7的工作站上運(yùn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 低壓側(cè)短路故障測(cè)試

記錄了外部低壓短路故障測(cè)試下的瞬態(tài)油流特性，如圖4所示。其中，黑色曲線為電流信號(hào)，目的是給出了參考時(shí)間，紅色曲線為測(cè)量的油流速率。油流持續(xù)時(shí)間為t4～t3，油流動(dòng)作延遲時(shí)間為t3-t1,給定的參考短路電流信號(hào)持續(xù)時(shí)間為t2-t1，即250 ms。

圖4 油流特性短路試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Figure 4 Oil flow surge characteristics under short circuit fault tests

故障電流大小分別設(shè)置為1、 1.05、1.10、1.15、 1.20、1.25、1.30倍的短路電流。低壓側(cè)短路故障測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 高低壓短路測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of high and low voltage short circuit

在這7次試驗(yàn)中，瞬態(tài)測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)到由外部短路引起的明顯的油涌。特別是在前1.20倍短路電流條件下，油流動(dòng)作延遲345 ms，其瞬態(tài)最大速率已經(jīng)達(dá)到2.78 m/s，這大大超過了瓦斯保護(hù)的閾值。此外，后續(xù)開展相同條件的測(cè)試，每次測(cè)試結(jié)果均不完全相同，存在一定誤差，即在相同的輸入條件下，測(cè)試的油流動(dòng)作特性仍是有所差異的。

3.2 中壓側(cè)短路故障試驗(yàn)

在中壓側(cè)短路故障測(cè)試下的瞬態(tài)油流特性如表2所示。在1倍短路電流故障試驗(yàn)中，沒有出現(xiàn)油涌；在1.3倍短路電流的情況下，油流浪涌峰值達(dá)到0.97 m/s，持續(xù)時(shí)間為179 ms?？傊?dāng)電力變壓器遭受外部短路故障，巨大的電磁力引起變壓器繞組變形和振動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)加速度作用于金屬和周圍液體之間的界面，進(jìn)一步迫使油通過管道。即使短路故障已被清除，但油流也可能出現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)數(shù)百毫秒的長(zhǎng)時(shí)間延遲。

表2 高中壓短路測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of high andmedium voltage short circuit

3.3 外部短路故障導(dǎo)致的油流動(dòng)作延遲分布

對(duì)14次測(cè)試油流動(dòng)作延遲結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖5所示。從測(cè)試結(jié)果看，短路測(cè)試中所有油流持續(xù)時(shí)間均在232 ms以上，最大延時(shí)為468 ms。這種延時(shí)現(xiàn)象主要是由于絕緣油的液體慣性，在外部短路故障情況下，阻止了主罐內(nèi)部流場(chǎng)的變化，阻礙了通過管道的浪涌。實(shí)際上，文獻(xiàn)[7]報(bào)道氣體繼電器故障滯后于外部故障時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)百毫秒，這與本文研究的油流的延時(shí)現(xiàn)象相符。

圖5 油流動(dòng)作延遲分布Figure 5 Oil flow action delay distribution

由圖5可知，油流的延遲時(shí)間與故障電流大小無直接關(guān)聯(lián)，在232～468 ms之間呈現(xiàn)無序的分布狀態(tài)。

3.4 外部短路故障導(dǎo)致的油流速度特性

當(dāng)電力變壓器受到外部短路故障的影響時(shí)，巨大的電磁力使變壓器繞組變形、振動(dòng)，在金屬與周圍液體的界面上產(chǎn)生結(jié)構(gòu)加速度。由此可以得出結(jié)論，繞組振動(dòng)幅值和變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)是影響罐內(nèi)流場(chǎng)變化的主要因素。從圖6的油流速率結(jié)果可以看出，短路電流越大，在大多數(shù)情況下，油流產(chǎn)生的效果越顯著，這也與文2.1節(jié)分析結(jié)果相似。

圖6 油流速率Figure 6 Oil flow action speed

進(jìn)一步，可依據(jù)本文的研究結(jié)果，對(duì)瓦斯保護(hù)的故障進(jìn)行分析：傳統(tǒng)的氣體繼電器是通過檢測(cè)油流涌浪來運(yùn)行的，一旦油流沖擊的速度超過閾值，繼電器就會(huì)動(dòng)作。然而，根據(jù)我們的研究，變壓器外部短路故障也將造成重大的和連續(xù)的油流通過管道。值得關(guān)注的是，在短路試驗(yàn)中，最大流速已經(jīng)大于2 m/s。顯然，如果變壓器內(nèi)部故障和外部故障具有相同的故障特征，傳統(tǒng)氣體繼電器則可能誤動(dòng)，將會(huì)給電力系統(tǒng)帶來巨大的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

3.5 外部短路故障導(dǎo)致的油流動(dòng)作的機(jī)理分析

變壓器外部短路故障時(shí)，其繞組內(nèi)產(chǎn)生的短路電流為

(3)

式中Ig為故障電流。距故障源線r處的磁感應(yīng)根據(jù)安培定律為

(4)

進(jìn)一步，長(zhǎng)度為dL的銅線的電磁力為

(5)

通過dF的展開項(xiàng)可以發(fā)現(xiàn)，外部短路故障時(shí)的電動(dòng)力可分為衰減的直流分量、基頻分量和第二諧波分量。這種能量會(huì)使附近的油移動(dòng)，同時(shí)會(huì)使油壓波動(dòng)。運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)附近油層的運(yùn)動(dòng)，使附近油層的壓力發(fā)生變化。即振動(dòng)和油壓振蕩以波的形式傳播開來。

總而言之，由短路電動(dòng)力引起的繞組振動(dòng)可以導(dǎo)致油壓的變化，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)生外部故障時(shí)產(chǎn)生油流的涌動(dòng)。但由于油壓以波的形式傳播需要一定的時(shí)間，因此在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了油流的延遲現(xiàn)象。

4 結(jié)語

本文為探究外部短路故障時(shí)管道內(nèi)的油流特性，在電力變壓器上建立了瞬態(tài)油流測(cè)量系統(tǒng)，開展了外部短路故障測(cè)試試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，短路電流引起的變壓器繞組變形和振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致油流涌過管道。由于液體慣性，本文試驗(yàn)所測(cè)得的油流動(dòng)作出現(xiàn)的時(shí)間延遲長(zhǎng)可達(dá)數(shù)百毫秒。實(shí)際運(yùn)行中的瓦斯保護(hù)誤動(dòng)時(shí)間滯后于外部故障的時(shí)間也長(zhǎng)達(dá)數(shù)百毫秒，這與油流動(dòng)作的延時(shí)現(xiàn)象相符。試驗(yàn)還表明，故障的嚴(yán)重程度和位置都會(huì)對(duì)油流涌浪產(chǎn)生影響。本文給出的油流動(dòng)作延遲結(jié)果可以為進(jìn)一步研究油流沖擊和瓦斯保護(hù)誤動(dòng)的機(jī)理提供重要參考。