季昆玉，劉 洋，李伯男，李 熙，黃磊峰，陳 挺

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

電流互感器是電力系統(tǒng)中不可或缺的一部分，而以絕緣油為絕緣散熱介質(zhì)的倒置式油浸電流互感器由于其結(jié)構(gòu)簡單、電氣性能好等優(yōu)點(diǎn)，得以在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用[1-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近5年來，江蘇電網(wǎng)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(yán)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(xiàn)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(shè)備，給電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、可靠性帶來巨大威脅[9-11]。

互感器故障研究領(lǐng)域中，有不少學(xué)者對于互感器內(nèi)部絕緣油溫升故障以及內(nèi)部壓力故障的形成過程及原因進(jìn)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(chǎn)生絕緣缺陷[10-12]；電流互感器二次繞組位于頭部罩殼內(nèi)，重心較高，導(dǎo)致互感器抗震性能差[13-16]；互感器內(nèi)部油量少，嚴(yán)重滲漏或多次取油易造成低油位或內(nèi)部負(fù)壓等結(jié)構(gòu)上的缺陷等[17-19]。通過調(diào)研現(xiàn)階段互感器故障研究成果，發(fā)現(xiàn)對于正常與異常工況下倒置式油浸電流互感器內(nèi)部溫度場變化規(guī)律，以及內(nèi)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(nèi)部壓力變化特性對狀態(tài)異常和內(nèi)部故障的預(yù)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(shè)計(jì)搭建電流互感器試驗(yàn)平臺進(jìn)行了溫度場變化特性試驗(yàn)驗(yàn)證以及內(nèi)部壓力變化特性的試驗(yàn)探究。同時(shí)，設(shè)計(jì)搭建了內(nèi)部壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了壓力故障的監(jiān)測和預(yù)警。對于掌握電流互感器內(nèi)部溫度場變化分布規(guī)律、內(nèi)部壓力變化特性以及指導(dǎo)相關(guān)充油設(shè)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(yàn)研究中，選用的是SolidWorks建模軟件和ANSYS仿真軟件進(jìn)行三維倒置式油浸電流互感器模型的建立和內(nèi)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(biāo)系原點(diǎn)為模型底部中心點(diǎn)，y軸與模型中軸線重合等條件進(jìn)行建模。

倒置式油浸電流互感器內(nèi)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(yùn)行時(shí)整個(gè)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?；ジ衅鲀?nèi)部的熱源把產(chǎn)生的熱量傳遞給絕緣油，由于絕緣油內(nèi)部各個(gè)局部地方的溫度不均勻，會造成對流運(yùn)動，這樣可以更快地達(dá)到整體的熱平衡狀態(tài)。

倒置式油浸電流互感器正常運(yùn)行時(shí)的熱量主要來源于內(nèi)部的電阻損耗和介質(zhì)損耗。長時(shí)間運(yùn)行時(shí)互感器內(nèi)部的局部溫度會明顯高于外部溫度，當(dāng)高于某個(gè)溫度時(shí)甚至?xí)劤蓢?yán)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(gè)裝置的上方，主絕緣的內(nèi)部，主要由鋼硅片和銅繞組構(gòu)成。二次電流標(biāo)準(zhǔn)值為1 A或5 A。以5 A產(chǎn)品為例，一般LVB-220產(chǎn)品有6個(gè)繞組，其中4個(gè)保護(hù)繞組5P30，一個(gè)測量繞組0.5，一個(gè)計(jì)量繞組0.2 S，各個(gè)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(dǎo)體：倒置式油浸電流互感器一次導(dǎo)體一般由1根鋁桿和鋁管并聯(lián)，電阻較小。實(shí)測導(dǎo)電管電阻值為8.7 μΩ，導(dǎo)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(chǎn)品，導(dǎo)電管與導(dǎo)電桿串聯(lián)時(shí)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(zhì)損耗：對于倒置式電流互感器的整體介質(zhì)損耗可以通過高壓試驗(yàn)的方式獲得，因此可以根據(jù)介質(zhì)損耗有功功率的公式P=U2ωCtanδ計(jì)算，實(shí)測介質(zhì)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(shù)比絕緣紙的介電常數(shù)要大得多，而等效電容又與介電常數(shù)成正比，所以油紙絕緣介質(zhì)損耗的有功功率可以簡化成由絕緣紙產(chǎn)生的，其總功率為

P=U2ωCtanδ=30.78 W。

(4)

互感器內(nèi)部絕緣油在循環(huán)過程中，由于在各個(gè)固體材料中間存在油道，各個(gè)熱源產(chǎn)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(jìn)行物理模型搭建。考慮到模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，對部分結(jié)構(gòu)做如下的簡化：

1)由于電流互感器內(nèi)部二次導(dǎo)線的電流一般為5 A或者1 A，同時(shí)因?yàn)槎螌?dǎo)線電阻極小，故產(chǎn)生的有功功率很小，可以忽略不計(jì)，所以可以將二次繞組、鐵芯看作一個(gè)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(nèi)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(nèi)部溫度變化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化忽略。

簡化后的模型主要包括：固體部分(一次導(dǎo)體、油浸絕緣紙、二次繞組)，以及互感器內(nèi)部絕緣油。即幾何模型為球形區(qū)域+棒形區(qū)域內(nèi)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(yùn)行時(shí)絕緣油不僅可以進(jìn)行熱傳導(dǎo)把熱源的熱量傳到互感器的各個(gè)部分，還可以進(jìn)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(shè)置

倒置式油浸電流互感器模型設(shè)置部分，因?yàn)槠涞怪檬浇Y(jié)構(gòu)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(chǎn)生湍流，只存在層流情況，所以在ANSYS設(shè)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(shè)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(guān)材料，所以需要添加相關(guān)的物理屬性。材料的基本特性包括密度、比熱容以及導(dǎo)熱系數(shù)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 固體材料特性

由于絕緣油是流體，還應(yīng)包括熱膨脹系數(shù)和黏度系數(shù)，查詢相關(guān)資料可知膨脹系數(shù)可以近似設(shè)為0.000 7，而黏度系數(shù)具體大小則隨著溫度變化而有較大的改變，為確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，可在材料特性中設(shè)置為與溫度相關(guān)的函數(shù)。參考文獻(xiàn)[22]，可知絕緣油各項(xiàng)屬性與溫度關(guān)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(dǎo)熱系數(shù)，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(nèi)部熱源主要有3部分：一次導(dǎo)體、二次繞組、固體絕緣介質(zhì)損耗。此次仿真具體參考LVB-220型號電流互感器的正常運(yùn)行狀況，一次導(dǎo)線與一次導(dǎo)管并聯(lián)，當(dāng)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(shí)，計(jì)算此時(shí)各部分的功率，并將其輸入至模型中進(jìn)行計(jì)算，具體如表2所示。

表2 熱源的體積功率

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

1.3 仿真研究設(shè)計(jì)

仿真條件設(shè)定好之后，開始進(jìn)行仿真研究設(shè)計(jì)，主要研究兩個(gè)因素對于溫度場的影響。

1)研究環(huán)境溫度對于互感器內(nèi)部溫度場的影響，設(shè)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(shí)，電流互感器分別通入一次電流1 000，2 000，3 000，4 000，5 000A進(jìn)行仿真而得到的一次電流對于內(nèi)部溫度場的影響。

2 倒置式油浸電流互感器內(nèi)部溫度場仿真

2.1 環(huán)境溫度對于電流互感器內(nèi)部溫度場分布的影響

經(jīng)過迭代計(jì)算，當(dāng)殘差已經(jīng)降低到收斂判斷標(biāo)準(zhǔn)以下，可以認(rèn)為結(jié)果已經(jīng)收斂，此時(shí)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(nèi)部溫度場分別進(jìn)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(shí)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(jié)論：

1)在不同溫度下，互感器內(nèi)部二次繞組均為溫度明顯最高的部位，同時(shí)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(jié)構(gòu)介質(zhì)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(jié)構(gòu)的原因?qū)е陆^緣油流動困難，上部與下部的絕緣油無法進(jìn)行有效的熱對流。

為了進(jìn)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(biāo)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(dǎo)管中心線高度，如圖6所示。圖中可以看出在互感器的內(nèi)部上端y軸方向上溫度數(shù)值關(guān)于原點(diǎn)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(dǎo)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(nèi)，絕緣油溫度與y軸原點(diǎn)(一次導(dǎo)管中心)的距離基本呈線性相關(guān)。

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(nèi)部溫度場分布的影響

由上文分析可知，互感器內(nèi)部溫度最高的地方位于二次繞組附近，將一次導(dǎo)體分別通入電流1 000，2 000，3 000，4 000，5 000 A進(jìn)行仿真而得到的內(nèi)部最高溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)一步制作為曲線圖以觀察規(guī)律。如圖7所示，互感器內(nèi)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(xiàn)為線性相關(guān)，而當(dāng)環(huán)境溫度上升到40 ℃后，曲線斜率開始下降，可推斷內(nèi)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(dǎo)體通入電流的增加，互感器內(nèi)部溫度也隨之上升，并且變化幅度越來越大。

圖7 互感器內(nèi)部最高溫度與環(huán)境溫度關(guān)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(nèi)部最高溫度與通入電流值以及環(huán)境溫度值的變化關(guān)系進(jìn)行擬合，得到互感器內(nèi)部最高溫度與通入一次電流大小及環(huán)境溫度的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型為

Ttop=0.937 6×TE+0.001×I+46.790 3，

(9)

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

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

表3 仿真與計(jì)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(dǎo)體通入電流的增大而減小，并且誤差值均在2%以內(nèi)，可以認(rèn)為此擬合的二次函數(shù)表達(dá)式能夠預(yù)估出實(shí)際運(yùn)行中在不同環(huán)境溫度下電流互感器通入不同電流時(shí)內(nèi)部最高溫度值，并且在環(huán)境溫度35 ℃以下情況時(shí)，預(yù)測的結(jié)果更加準(zhǔn)確，誤差在1%以下。

3 倒置式油浸電流互感器內(nèi)部溫度場試驗(yàn)

3.1 倒置式油浸電流互感器試驗(yàn)平臺搭建

為了檢驗(yàn)仿真平臺得到的倒置式油浸電流互感器內(nèi)部溫度場分布規(guī)律的有效性，搭建了基于真實(shí)LVB-220W3電流互感器的試驗(yàn)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(jìn)行檢測試驗(yàn)，并將試驗(yàn)得到的電流互感器內(nèi)部溫度場的分布情況與仿真結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。

圖8 倒置式油浸電流互感器熱電偶設(shè)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(yàn)結(jié)果

將溫升試驗(yàn)得到數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，如圖9所示。可以看出一次導(dǎo)體附近、鐵心罩殼內(nèi)側(cè)的溫度普遍較高，內(nèi)部溫度最高達(dá)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(yuǎn)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(yàn)數(shù)據(jù)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(nèi)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(jié)果對比可知：試驗(yàn)中所得內(nèi)部最高溫度為64.3 ℃，仿真中最高溫度為64.85 ℃。以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)情況計(jì)算，仿真誤差為0.8%；同時(shí)根據(jù)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(jié)果分析可知試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性，也證明了仿真設(shè)置的準(zhǔn)確性，以及仿真結(jié)果擬合得到的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型能夠適用于實(shí)際工程中對互感器內(nèi)部最高溫度的預(yù)估，因此可以得到較為準(zhǔn)確的倒置式油浸電流互感器內(nèi)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(tǒng)設(shè)計(jì)

為研究互感器內(nèi)部壓力變化影響特性，設(shè)計(jì)了基于MD-TPR互感器的壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)，用于對互感器的油壓進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，并能將壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)通過通信遠(yuǎn)傳至后臺綜合監(jiān)測單元進(jìn)行顯示和存儲，同時(shí)根據(jù)需要設(shè)置報(bào)警限值，對超出報(bào)警限值時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示，系統(tǒng)如圖10所示。

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

4.2 互感器內(nèi)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(shù)據(jù)

圖12 壓力、溫度時(shí)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(jié) 語

1)建立了倒置式油浸電流互感器內(nèi)部溫度場仿真模型，通過仿真圖像可知，互感器內(nèi)部溫度最高的位置為二次繞組，同時(shí)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(shí)LVB-220W3電流互感器的試驗(yàn)平臺，并在電流互感器內(nèi)部指定位置埋設(shè)PT100熱電偶，如鐵心罩殼內(nèi)側(cè)、二次引線管、膨脹器及過渡件等處，通過進(jìn)行對標(biāo)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)仿真與試驗(yàn)的最高溫度誤差小于1%，且溫度場分布一致，驗(yàn)證了溫度場仿真模型的有效性和準(zhǔn)確性。