不同管路布設(shè)條件下油浸式電流互感器補(bǔ)油策略

鄒 沉，趙 輝，路成東，方書涵，楊 艷，呂青媛，洪 葉，楊啟帆

(國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050)

0 引言

現(xiàn)階段，電力系統(tǒng)廣泛使用油浸式電流互感器轉(zhuǎn)換交流電路的高低值，以實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量與繼電保護(hù)。因此，該互感器需進(jìn)行周期性的油樣檢測(cè)，以確定設(shè)備是否能夠安全使用[1]。由于取油樣次數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致互感器油位降低，造成互感器無法繼續(xù)正常運(yùn)行，因此需及時(shí)對(duì)互感器進(jìn)行補(bǔ)油。以往，互感器在補(bǔ)油時(shí)需停電作業(yè)，由維護(hù)人員人工補(bǔ)油。這一過程會(huì)造成浪費(fèi)人力與物力資源的現(xiàn)象[2-4]。因此，及時(shí)優(yōu)化補(bǔ)油技術(shù)能夠有效提升補(bǔ)油效率[5]。

有較多學(xué)者對(duì)補(bǔ)油技術(shù)進(jìn)行了研究。董玉坤等[6]研究了基于壓力傳感器的變壓器油位檢測(cè)和帶電補(bǔ)油裝置。但該裝置在補(bǔ)油過程中存在互感器補(bǔ)油壓力值偏高現(xiàn)象。姜振楠等[7]研究了大型履帶起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)閉式液壓集中式補(bǔ)油系統(tǒng)。但該系統(tǒng)在補(bǔ)油時(shí)放油閥閥芯位移程度較大，補(bǔ)油效果并不理想。

為了解決上述補(bǔ)油技術(shù)存在的問題、提高補(bǔ)油效果，本文基于油浸式電流互感器基本原理，構(gòu)建不同管路布設(shè)條件下的互感器補(bǔ)油試驗(yàn)裝置，并依據(jù)互感器加速老化理論，進(jìn)行不同管路布設(shè)條件下的互感器老化試驗(yàn)。以此為基礎(chǔ)，本文研究了真空無氣泡補(bǔ)油技術(shù)，設(shè)計(jì)了真空無氣泡式互感器補(bǔ)油機(jī)，實(shí)現(xiàn)了互感器補(bǔ)油技術(shù)的優(yōu)化。

1 油浸式電流互感器補(bǔ)油技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 油浸式電流互感器基本原理

本文采用羅格夫斯基線圈測(cè)量油浸式電流互感器電流的方法，主要依據(jù)電磁感應(yīng)定律與安培環(huán)路定理測(cè)量。即：任意1個(gè)可根據(jù)時(shí)間發(fā)生改變的電流，隨時(shí)可以制造磁場(chǎng)；該磁場(chǎng)同樣隨時(shí)間變化，且能夠使磁場(chǎng)周邊線圈制造出電壓信號(hào)；該電壓信號(hào)與電流變化率為正比關(guān)系；調(diào)整需測(cè)量電流信號(hào)，即可將其轉(zhuǎn)換為小電流信號(hào)。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)分析2個(gè)不同管路布設(shè)條件下的互感器(current transformer，CT)。2個(gè)互感器應(yīng)用場(chǎng)景相同，但管路布設(shè)情況不同，分別為互感器1(CT1)與互感器2(CT2)。2個(gè)互感器均可以在每個(gè)單元0.5～1.75倍額定負(fù)載系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)24 h負(fù)載循環(huán)。

采用OMICRON的油浸式電流互感器分析儀對(duì)2個(gè)69 kV的油浸CT進(jìn)行試驗(yàn)，分析不同管路布設(shè)條件下的互感器情況。試驗(yàn)互感器參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)互感器參數(shù)

1.3 油浸式電流互感器加速老化理論

是依據(jù)試驗(yàn)溫度(30 ℃或50 ℃)將儀表變壓器劃分為2組，油浸式CT同樣依照該標(biāo)準(zhǔn)劃分為2組進(jìn)行試驗(yàn)，且互感器溫升絕緣系統(tǒng)為(55 ℃或65 ℃)。由于試驗(yàn)構(gòu)建的互感器是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度(平均為a=30 ℃)設(shè)計(jì)的，因此需考慮溫升絕緣系統(tǒng)出現(xiàn)的溫度最大情況。設(shè)加速老化因子為FA、Θhf為繞組熱點(diǎn)參照溫度、ΘH為繞組最高溫度。依據(jù)該設(shè)定，通過式(1)計(jì)算加速老化因子：

(1)

式中：FA為加速老化因子；Θhf為繞組熱點(diǎn)參照溫度；ΘH為繞組最高溫度；λ為老化速率常數(shù)，通常情況下取值為15 000。

由于傳統(tǒng)補(bǔ)油方法會(huì)使互感器線圈內(nèi)部出現(xiàn)空氣，導(dǎo)致互感器不能以真空方式運(yùn)行[8]。這會(huì)使得互感器補(bǔ)油后出現(xiàn)氣泡，最終加速互感器老化。因此，本文提出互感器的真空無氣泡補(bǔ)油技術(shù)優(yōu)化方法，以改善互感器的加速老化故障。

1.4 真空無氣泡補(bǔ)油技術(shù)優(yōu)化

1.4.1 互感器補(bǔ)油機(jī)基本結(jié)構(gòu)組成

選取單片機(jī)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)具備自動(dòng)抽真空功能的補(bǔ)油互感器，同時(shí)使該互感器具備油壓超壓保護(hù)、補(bǔ)油速度調(diào)整、自動(dòng)保持系統(tǒng)真空度、實(shí)時(shí)旁路濾油等功能，以實(shí)現(xiàn)真空無氣泡補(bǔ)油。

1.4.2 補(bǔ)油裝置功能優(yōu)化

①依據(jù)互感器的樣式、投運(yùn)時(shí)間、高度以及當(dāng)下環(huán)境溫度和取油樣口狀態(tài)設(shè)定補(bǔ)油速率，將補(bǔ)油速率設(shè)定為4檔，分別為0.5 L/min、1.0 L/min、1.5 L/min、2.0 L/min。其中，0.5 L/min的速率可應(yīng)用于環(huán)境溫度低于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度(30 ℃)時(shí)、取油樣口較窄、油品黏性過強(qiáng)、油浸式電流互感器等情況。因?yàn)?.5 L/min的速率不僅能夠保障帶電補(bǔ)油安全性，還能夠保證儲(chǔ)油箱底部物質(zhì)不會(huì)被沖擊，所以更適合在該速率下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)帶電補(bǔ)油。2.0 L/min的速率可應(yīng)用于取油樣口較寬、新式互感器等情況。因?yàn)樵撍俾恃a(bǔ)油速度較高，能夠有效節(jié)約補(bǔ)油時(shí)間[9]。

②設(shè)計(jì)無級(jí)變速循環(huán)排氣結(jié)構(gòu)。采用單片機(jī)實(shí)時(shí)操控循環(huán)速率與壓力。

③構(gòu)建專有放油功能。為防止補(bǔ)油過程中造成二次環(huán)境污染，通過功能設(shè)計(jì)排空裝置內(nèi)全部剩余油品。

④構(gòu)建自動(dòng)抽真空功能，使互感器能夠?qū)崟r(shí)在線完成真空無氣泡補(bǔ)油。

⑤配置專用的透明過渡接頭，使補(bǔ)油過程能夠直觀查看，同時(shí)配備較多型號(hào)的放油閥接頭。

⑥設(shè)計(jì)油壓超壓保護(hù)功能。若提前設(shè)定好的壓力值低于油壓，則停止補(bǔ)油工作，以防止油壓過高對(duì)互感器造成影響，保障設(shè)備安全運(yùn)行。同時(shí)，還可以根據(jù)實(shí)際補(bǔ)油需求設(shè)定補(bǔ)油壓力，以滿足多種工作需求。

⑦設(shè)計(jì)旁路油過濾循環(huán)功能。保障互感器具備較高的絕緣能力。

1.4.3 油浸式電流互感器真空無氣泡補(bǔ)油工作過程

①連接準(zhǔn)備工作。補(bǔ)油機(jī)與互感器的連接原理如圖1所示。

圖1 補(bǔ)油機(jī)與互感器的連接原理圖Fig.1 Schematic diagram of connection between oil feeder and transformer

由圖1可知，將互感器與專用過渡接頭進(jìn)行連接，通過透明軟管將油桶中過濾后的油輸送到便攜式CT補(bǔ)油機(jī)中，做好連接準(zhǔn)備工作。

②抽真空工作。通過自動(dòng)的形式，將補(bǔ)油機(jī)裝置的內(nèi)部油箱以及各種管路與回路進(jìn)行抽真空。其中，補(bǔ)油機(jī)連接裝置包括外部連接管路以及專用過渡接頭等。若真空值達(dá)到預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，則停止抽真空工作。若真空泵結(jié)束工作后真空值迅速下降，需立即對(duì)裝置進(jìn)行斷電處理，查看連接接頭是否出現(xiàn)泄漏，在排查結(jié)束后再?zèng)Q定是否繼續(xù)抽真空。

③儲(chǔ)油工作。當(dāng)真空值達(dá)到需求值后，首先，啟動(dòng)儲(chǔ)油功能，開始儲(chǔ)油；然后，向補(bǔ)油機(jī)油箱中注入油桶中的可用油品。若在儲(chǔ)油時(shí)，真空值未高于預(yù)設(shè)值，則自動(dòng)開始抽真空作業(yè)；若真空值達(dá)到設(shè)定值，則繼續(xù)儲(chǔ)油，并停止抽真空作業(yè)[10]。

④排氣泡循環(huán)作業(yè)。開啟互感器放油閥，利用該過渡接頭上的液位視窗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。若液位視窗能夠查看到油品，則關(guān)閉放油閥。同時(shí)，通過互感器中本體油的流動(dòng)向接頭位置排放管路內(nèi)的殘存空氣。

排氣泡循環(huán)作業(yè)需排空過渡接頭、連接管內(nèi)的油品中氣泡。重復(fù)排除操作，直到設(shè)備內(nèi)油品不存在氣泡。

在循環(huán)排氣泡過程中，若油箱下浮子所預(yù)設(shè)的位置高于油位，則補(bǔ)油器自動(dòng)儲(chǔ)存油品；若真空值未高于預(yù)設(shè)值，則補(bǔ)油器再次抽真空。

⑤補(bǔ)油作業(yè)。當(dāng)以上步驟完成后，補(bǔ)油器可進(jìn)行真空無氣泡補(bǔ)油。采用專用過渡接頭的導(dǎo)桿，打開放油閥，開始向互感器補(bǔ)油。當(dāng)油位達(dá)到預(yù)設(shè)條件后，可結(jié)束補(bǔ)油，關(guān)閉放油閥[11]。

在補(bǔ)油過程中，需保障外部油桶內(nèi)具備適量的合格油品。當(dāng)裝置油箱內(nèi)油量不足時(shí)，補(bǔ)油機(jī)會(huì)結(jié)束補(bǔ)油并將自動(dòng)轉(zhuǎn)換為儲(chǔ)油狀態(tài)，直至油箱儲(chǔ)油量無法增加后再繼續(xù)進(jìn)行下一步補(bǔ)油作業(yè)。

⑥排空作業(yè)。當(dāng)互感器完成補(bǔ)油，需排空各管路與回路中的油品，以便后續(xù)拆除工作。將補(bǔ)油機(jī)裝置中的側(cè)補(bǔ)油管連接到回油口，并將回油管連接到排空口中，通過裝置排空功能向油箱中排放管路內(nèi)的油品。當(dāng)真空值不高于預(yù)設(shè)值時(shí)，真空泵會(huì)自動(dòng)執(zhí)行抽真空作業(yè)。在油品排空時(shí)，拆掉過渡接頭與連接管[12]。

⑦放油作業(yè)。在補(bǔ)油機(jī)裝置內(nèi)仍然存放一定殘余量的油品，將其排空。在補(bǔ)油口上連接儲(chǔ)油管，通過裝置放油功能，排空油箱內(nèi)殘余油品，完成放油。

⑧設(shè)定補(bǔ)油狀態(tài)下的油速與油壓。設(shè)油壓范圍為0.1～0.45 MPa，通常狀態(tài)下設(shè)定0.45 MPa。同時(shí)，設(shè)定油速為0.5 L/min。該油速能夠保障帶電補(bǔ)油的安全性。

2 試驗(yàn)分析

2.1 負(fù)載老化故障分析

當(dāng)油浸式電流互感器出現(xiàn)負(fù)載老化故障時(shí)，容易造成絕緣老化，從而產(chǎn)生漏油現(xiàn)象。為此，以某地區(qū)110 kV供電公司某變電站不停電在線補(bǔ)油工作為研究對(duì)象，量化分析2種互感器在額定負(fù)載循環(huán)下的加速老化因子變化以及溫度變化，得到如圖2所示的2種互感器的老化因子及溫度變化曲線。根據(jù)圖2可知，隨著額定負(fù)載循環(huán)的增加，2種管路布設(shè)條件下互感器的加速老化因子與溫度也隨之上升。當(dāng)額定負(fù)載循環(huán)達(dá)到20 000次時(shí)，CT1的加速老化因子遠(yuǎn)高于CT2。由此可知，CT2的老化速度明顯低于CT1,而CT1的溫度也始終高于CT2。因此，CT2的使用壽命要高于CT1，更加抗老化。

圖2 2種互感器的老化因子及溫度變化Fig.2 Aging factors and temperature changes of two kinds of transformers

2.2 電流互感器補(bǔ)油效果分析

通過仿真形式，驗(yàn)證本文方法效果。在仿真模擬軟件中對(duì)2個(gè)油浸式電流互感器進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)時(shí)，分別持續(xù)進(jìn)行0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h抽真空，分析補(bǔ)油技術(shù)優(yōu)化后的抽真空性能。優(yōu)化后效果對(duì)比如表2所示。

表2 優(yōu)化后效果對(duì)比

由表2可知，應(yīng)用本文方法對(duì)補(bǔ)油技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，試驗(yàn)的2個(gè)互感器在補(bǔ)油之前均進(jìn)行相同時(shí)間的抽真空操作，在抽氣前氫濃度均遠(yuǎn)高于抽氣后氫濃度。CT1在抽氣前的氫濃度為165×10-6，抽氣0.5 h后的氫濃度為110×10-6，抽氣2.5 h后的氫濃度為64×10-6。CT2在抽氣前的氫濃度為157×10-6，抽氣0.5 h后的氫濃度為61×10-6，抽氣2.5 h后的氫濃度為45×10-6。試驗(yàn)結(jié)果不僅表明CT2的抽空效果要略好于CT1，還說明本文優(yōu)化方法能夠充分實(shí)現(xiàn)抽真空操作，從而有效排空補(bǔ)油過程中的氣泡。

為驗(yàn)證本文優(yōu)化方法的補(bǔ)油優(yōu)化能力，以孔邊距為變量，分析2個(gè)互感器在不同孔邊距下的壓力值變化情況。壓力值變化曲線如圖3所示。

圖3 壓力值變化曲線Fig.3 Pressure change curves

根據(jù)圖3可知，孔邊距越大，產(chǎn)生的壓力值越高。其中，CT1的壓力值要略高于CT2，應(yīng)用本文方法后，2個(gè)互感器壓力值均未超過0.1 MPa。由此可知，應(yīng)用本文技術(shù)可將傳感器的補(bǔ)油壓力控制在0.1 MPa以內(nèi)。

互感器補(bǔ)油技術(shù)優(yōu)化前，2個(gè)互感器的最大閥芯位移處于3.5 mm左右。應(yīng)用本文方法優(yōu)化補(bǔ)油技術(shù)后，當(dāng)補(bǔ)油機(jī)使用時(shí)間逐漸增加，不同吸油量下的2個(gè)互感器放油閥閥芯位移對(duì)比如圖4所示。

圖4 互感器放油閥閥芯位移對(duì)比Fig.4 Comparison of transformer oil drain valve spool displacement

由圖4可知，泵的吸油量越高，則閥芯的位移程度越高。在CT1中，當(dāng)?shù)奈土繛?0 L/min時(shí)，閥芯位移最高為2.3 mm；當(dāng)吸油量達(dá)到60 L/min時(shí)，閥芯位移最高達(dá)到2.5 mm。在CT2中，當(dāng)吸油量為30 L/min時(shí)，閥芯位移最高為1.8 mm。當(dāng)吸油量增加至60 L/min后，雖然閥芯位移上升到2.25 mm，但CT2的閥芯位移仍然略低于CT1。由此可知，CT2的閥芯位移情況較小。試驗(yàn)結(jié)果說明，本文方法在CT2互感器的管路布設(shè)條件下的閥芯位移縮短效果比CT1更好，能夠更有效地保障閥芯的穩(wěn)定。

分析補(bǔ)油技術(shù)優(yōu)化前后，2個(gè)油浸式電流互感器在不同工作頻率下的補(bǔ)油平均輸入流量。補(bǔ)油平均輸入流量對(duì)比如圖5所示。

圖5 平均輸入流量對(duì)比Fig.5 Comparison of average input flow

由圖5可知，當(dāng)工作頻率逐漸上升，補(bǔ)油的平均輸入流量也會(huì)隨之上升。優(yōu)化前，CT1和CT2的補(bǔ)油平均輸入流量相差較小，且始終處于較低水平，即使在工作頻率為50 Hz時(shí)，補(bǔ)油平均輸入流量也未超過40 L/min。優(yōu)化后，在工作頻率為10 Hz情況下，CT1的平均輸入流量為45 L/min，而CT2的平均輸入流量達(dá)到55 L/min，明顯高于CT1的補(bǔ)油情況；而當(dāng)工作頻率達(dá)到50 Hz時(shí)，CT2的補(bǔ)油平均輸入流量達(dá)到190 L/min，CT1的補(bǔ)油平均輸入流量?jī)H達(dá)到130 L/min，說明2個(gè)互感器的輸入量均在40 L/min以上，且CT2的平均輸入流量高于CT1。因此，應(yīng)用本文技術(shù)能夠有效提升補(bǔ)油的平均輸入流量，提高補(bǔ)油工作效率，且CT2的管路布設(shè)條件補(bǔ)油平均輸入流量提升效果更顯著。

3 結(jié)論

本文研究了不同管路布設(shè)條件下油浸式電流互感器補(bǔ)油策略。通過不同管路布設(shè)條件的互感器補(bǔ)油試驗(yàn)分析，明確互感器存在的老化問題，設(shè)計(jì)補(bǔ)油技術(shù)優(yōu)化方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)優(yōu)化后的補(bǔ)油效果。試驗(yàn)證明：采用本文設(shè)計(jì)補(bǔ)油技術(shù)優(yōu)化方法能夠有效實(shí)現(xiàn)抽真空操作，能夠有效排空補(bǔ)油過程中的氣泡、更有效保障閥芯的位移穩(wěn)定、提升補(bǔ)油的平均輸入流量以及補(bǔ)油工作效率；采用CT2管路布設(shè)方式比CT1管路布設(shè)方式補(bǔ)油效果更優(yōu)。在后續(xù)研究階段，可根據(jù)現(xiàn)有互感器補(bǔ)油技術(shù)，設(shè)計(jì)更加全面的補(bǔ)油方法，使該補(bǔ)油技術(shù)能夠應(yīng)用至各個(gè)領(lǐng)域的互感器中。