消除环境温度对油浸式电流互感器影响的微正压设计.pdf

2 0 1 4年 8月 第 4 2卷 第 4 期 ( 总第 2 3 3期 ) Aug 2 01 4 Vo 1 4 2 No 4 ( Se r No 23 3) 消除环境 温度对 油浸式 电流互感 器影响 的微 正压设计 M i c r o Po s i t i v e Pr e s s u r e De s i gn f or El i mi na t i n g Ambi e n t Te mp e r a t u r e I nf l u e nc e o n Oi l I m me r s e d CT 张春 丰 ， 刘 ( 1 IN网吉林省电力有限公 司电力科 学研 究院， 长春 霞 ， 敖 明 l 3 0 0 2 1 ； 2 国 网白 山供 电公 司， 吉林 白山 1 3 4 3 0 2 ) 摘要 ： 针 对油浸式 电流 互感器在环境温 度变化时 ， 密 闭空间 内部会 产生微 负压 ， 影 响 电器设 备安全运 行问题 ， 通 过对其结构组成分析 ， 提 出了微正压油浸式 电流互感 器的设计方案 ， 给出 了理论计 算方法及具体实施 方案 ， 同时对 全年温差较大地 区的油浸式 电流互感器进行 了这项技术的设计举例 。 关键词 ： 油 浸式 电流互感器 ； 膨胀器 ； 微正压 ； 环境 温度 ； 优化设计 中图分类号 ： TM4 2 5 文献标志码 ： B 文章编 号 ： 1 0 0 9 5 3 0 6 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 0 2 0 0 2 油浸式电流互感器具有散热快 、 传导均匀的优 点 ， 同时其 填 充介 质 绝 缘 油有 很 好 的 易修 复和 可恢 复性 ， 结 构简 单 ， 工艺 易掌 握 ， 制 造 经验 丰富 ， 价格 与 其他 形 式绝缘 的互感 器相 比较低 ， 报废后 ， 可 对其 绝 缘 油和 报废 部件 进行 回收 再利 用 ， 不浪 费资 源 ， 不 污 染 环境 ， 因此 油 浸式 电流 互感 器在 高 压 和 超高 压 电 力 系统 中被 广泛 应用 。 现 有 的油浸 式 电流互感 器 ， 当 环 境 温度 变 低 时油 的体 积 变小 ， 在 没 有 外 力作 用 的 密 闭 空 间 内会产 生 微 负 压 ， 从 而影 响 电气 设备 的安 全 运行 。为 了保 证在 低温 环境 下运 行 的互感 器 内部 不 产 生微 负 压 ， 采 用在 膨 胀 器 外部 加 一 个 能满 足 互 感 器 内 部在 最低 环 境 温 下不 产 生 负 压 ， 在 最 高环 境 温度下 ， 压 力不 超过设 备 设计 最大 值 的外 力 ， 通 过理 论 计算 给 出 了这 个外 力 的大 小及 添加方 式 。 1 年度环境温差 问题 由于 油浸式 电流互感 器 填充介 质 绝缘 油体 积 随 温度 变 化 ， 当温 度 变 化较 大 时 就 会对 互 感 器 带来 一 定 的冲击 。当环境 温度 升高 ， 油温 升 高时 ， 绝缘 油 的 体 积会 变 大 ， 膨 胀器 会被 伸 长 ， 迫 使互 感器 内部 正压 增 大 ， 会 出 现 密 封 不 严 溢 油 的 可 能 ； 当 环 境 温 度 降 低 ， 油 温 降 低 时 ， 绝 缘 油 的体 积会 变 小 ， 膨 胀 器会 被 迫收缩 ， 若 膨胀 器 自然 收缩 不及 时 ， 互 感器 内部 就有 产生 负 压 的可 能 ， 负 压 时互 感 器 密 封不 严 就 会 导致 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 0 6 2 7 作者简介 ： 张春 丰( 1 9 8 3 ) ， 男， 工程师， 从事 电力用油监督 工作 。 20 进气 、 进水受潮 ， 产生严重的绝缘事故。为了避免上 述 现象 的发 生 ， 通 过模 拟 和计 算 对 油 浸 式 电 流互 感 器 的膨 胀器 进行 改造 。 2 微 正压设计 方案 2 1 设计 原理 解 决 油浸式 电流互感 器 在低 温下 容易 产生 负压 的有效 方法 ， 是 使互 感器 内部 始终 处 于微正 压状 态 ， 即互 感 器 内部 承受 的压 力应 在 0 0 0 5 0 0 5 MP a 。 从 而 提 出 了微 正 压 油浸 式 电 流互 感 器 的设 计 方 案 ， 其原 理 是无 论 设备 运 行 温 度 如何 改 变 ， 总 有 一 个外 力作 用 于膨 胀 器 上 ， 使 互感 器 内部 始终 处 于 挤 压状 态 ； 其 方 法 是在 膨 胀 器 的顶 端 与 金 属罩 之 间 加设 一 个 弹簧 ， 该 弹簧 的弹 力 和压 缩 量 可 由互 感 器 的具体 参数计 算 出 。微正 压油 浸式 电流互感 器膨 胀 器 的设 计见 图 1 。 2 2 计 算方 法 已知某 互感 器 所 用膨 胀 器 的额 定行 程 为 L ， 其 等效 截 面 积 为 S ， 补偿 的最 大 容积 为 ， 其 内部 能 承受 的最 大压 强 为 声 。 压力 F计 算公 式 为 ： F = pS ( 1) 可计 算 出互感 器 的膨 胀器 上端 所能 承受 的最 大 压力 F 一l O p S ， 互感 器 的膨胀 器 上端加 装 的弹 2 0 1 4年 8月 第 4 2卷 第 4期 ( 总第 2 3 3期 ) Au g2 01 4 Vo I 4 2 No 4( S e r N0 2 3 3 ) = = 一 ： 一 i I l ； 毒 ) ) ) ) 图 1 微 正 压 油 浸 式 电流 互感 器膨 胀 器 设 计 构 型 簧弹力不得大于 F 。 弹 簧 弹力 F 计 算公 式 为 ： F 一 K L ( 2) 式 中： K 为弹簧常数 ， 为弹簧压缩 的行程 。 由此 可 知 ， 弹 簧 弹力 与加 装 弹 簧 的 弹性 常 数 和 弹簧 的压 缩行 程有 关 。其 中弹 簧常数 公 式为 ： K一( Gd ) ( 8 D N ) ( 3 ) 式 中： G为线材的刚性模数( 如琴钢丝 G一8 0 0 0 ， 不 锈 钢 丝 G一7 3 0 0 ) ； d为 线 材直 径 ； D。 为 弹 簧外 径 ， D 为 弹 簧 中 径 ， D 一D。 一d； N 为 弹簧 总 圈 数 ； N。 为弹簧有效圈数， 一一2 。 弹簧 的压 缩 行程 应 大 于 L ， 只有 这 样才 能 保 证 始终有一个恰 当的外力作用在膨胀器上端 ， 从而使 互 感 器 内部始 终处 于一 个微 正压 状态 。 2 3 膨 胀 器容 积选 择 膨 胀 器 是 由多个 膨 胀 节 串联 而 成 ， 膨 胀 器 容 积 的大小 与 膨胀 节 的个数 相关 。理想 的膨 胀器 应满 足 绝缘油体积随温度的变化， 且所用膨胀节数最少 ， 达 到既安全又经济的 目的。膨胀器容积 计算公式 为 ： VP ( -t ) p ( 4 ) 式 中 ： 为 设 备 内变 压 器 油 的额 定 质 量 ； 为 为 绝 缘油 的热膨胀 系数， 卢 一0 0 0 0 7 C； |D 为变压 器油 的密 度 ； t m a x 为 设备 运 行 变压 器 油 的最 高温 度 ； t ra in 为 设备使用地点的最低环境温度。 3 设计研发举例 设 t 一 4 0 C， t =4 0 C， 油 浸 式 互感 器 的 温升为 0 C， 2 2 0 k V倒置式电流互感器内变压器油 的额定质量 一7 0 k g ， l0 0 8 8 k g L。 所使用的膨 胀 器 型 号 为 P B D 一 3 3 0 ， 其 单 个 膨 胀 节 额 定 容 积 为 0 5 L， 行程为 L一9 mm， S 一5 5 6 c m。 ， 此互感器 内 部承 受 的最大 压力 为 0 0 5 MP a ， 为 了满 足在 环境 温 差较大时不产生微负压 ， 将在膨胀器上端加装一个 弹簧 ， 这个 弹簧的弹力可使互感器 内部承受的最小 压力为 0 0 0 5 MP a ， 满足这些条件 的互感器应符合 以下要求 。 由公式( 4 ) 计算 出此互感器内变压器油体积变 化 的最 大容 积为 4 4 5 L。 为保证该设备在 当地使用时一直处于微正压状 态 ， 所选 配套 膨胀 器 的额定 容 积一定 要 大 于4 4 5 I 。 若要满足上述条件 ， 选择该 型号膨胀器的节数 至 少为 1 0节 ， 其 L 一9 0 mm。 为了满 足互感器始终处于微正压状态， 膨胀器 上端所加弹簧的压缩行程应大于 9 0 mm， 假设膨胀 器 在 最 小 膨胀 行 程 为 0 mm 时 ， 弹簧 的压 缩行 程 为 5 0 mm， 膨 胀 器 在 最 大膨 胀行 程 9 0 mm 时 ， 弹 簧 的 压 缩行 程 为 1 4 0 mm。 由公式 ( 1 ) 可计 算得 出 ， 膨 胀 器上端 所 能承受 的 最大压力 F 为 2 7 2 4 4 N， 最小压力 F 为 2 7 2 4 N， 即弹 簧 在 压 缩 行 程 为 5 0 mm 时 ， 其 弹力 应 大 于 2 7 2 4 N， 弹簧在压缩行程为 1 4 0时 ， 其弹力应小 于 2 7 2 4 4 N 。 假设此互感器的膨胀器上端所加的弹簧选不锈 钢 丝的材质 ， 其线径为 8 mE，( G一7 3 0 0 ) ； 此膨胀器 的有 效 截 面积 为 5 5 6 c m ， 所 以膨 胀 器 的有 效 半 径 为 1 3 3 mm， 由于弹簧位于在膨胀器的上端， 其弹簧 的外 径 一 定 要 小 于膨 胀 节 的外 径 2 6 6 mE， 假 设 加 工 一个 外 径 D。 为 1 1 0 mE 的弹 簧 ， 其 中径 D 可 由 公式 D 一D。 一 计算得出， 即 D 为 1 0 2 mE。 再 由公式( 2 ) 和公式 ( 3 ) 可分别计算 出当 F = 2 7 2 4 4 N 时 ， 弹 簧 的 应 大 于 3 8圈 ， 当 F = 2 7 2 4 N 时 ， 弹簧 的 应 小 于 8 3圈 。 为 了保证在环境温度 一4 0 +4 0 C范 围内此 互 感 器始 终 处 于微 正 压 状 态 ， 即互 感 器 的 内部 压 力 在 0 0 0 5 0 0 5 MP a ， 在 膨 胀 器上 端 所 加 的 弹簧 应