一種金屬波紋式儲(chǔ)油柜油溫油位曲線繪制方法

滿凱凱

(國(guó)網(wǎng)濱州供電公司，山東 濱州 256600)

0 引言

金屬波紋式儲(chǔ)油柜具有無(wú)呼吸器、免維護(hù)、無(wú)卡澀、壽命長(zhǎng)以及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在各電壓等級(jí)的變壓器、電抗器以及其他油浸式電力設(shè)備中。金屬波紋式儲(chǔ)油柜結(jié)構(gòu)上采用不銹鋼波紋芯體作為容積補(bǔ)充單元，在完全隔離空氣的情況下，通過(guò)油管路與油箱連通。當(dāng)變壓器內(nèi)部油溫發(fā)生變化時(shí)，波紋芯體膨脹或者收縮，從而實(shí)現(xiàn)絕緣油的體積補(bǔ)償。當(dāng)初始注油油位過(guò)高時(shí)，芯體長(zhǎng)時(shí)間在高油位處運(yùn)行，容易造成永久性變形，甚至產(chǎn)生漏點(diǎn)。當(dāng)初始注油油位過(guò)低時(shí)，隨著環(huán)境溫度降低，儲(chǔ)油柜會(huì)發(fā)油位過(guò)低異常信號(hào)。鑒于此，本文以濱州地區(qū)某變電站#1主變儲(chǔ)油柜BP1型為研究對(duì)象，結(jié)合變壓器運(yùn)行中的油的平均溫升，推算出了初始注油油位，并確定變壓器油溫油位H-T的函數(shù)關(guān)系。利用Matlab軟件準(zhǔn)確繪制變壓器油溫油位線，能正確指導(dǎo)運(yùn)行檢修人員合理地補(bǔ)充變壓器油，保證變壓器不出現(xiàn)儲(chǔ)油柜內(nèi)部油過(guò)多或者過(guò)少等異常情況。

1 油溫油位的函數(shù)關(guān)系

1.1 內(nèi)油式金屬波紋式儲(chǔ)油柜結(jié)構(gòu)

某220 kV變電站#1主變生產(chǎn)廠為特變電工，型號(hào)為SFSZ11-24000/220，油號(hào)為I-30C變壓器油，油重51 t，生產(chǎn)廠為克拉瑪依。儲(chǔ)油柜型號(hào)為BP1a-N-Ib，總?cè)莘e為5121 L。

BP1型內(nèi)油式金屬波紋式儲(chǔ)油柜主要由波紋芯體、輸油管路、注放油管、排氣管、油位指示、散熱窗等組成。

1.2 推導(dǎo)油溫油位的函數(shù)關(guān)系

已知條件：儲(chǔ)油柜總?cè)莘eV儲(chǔ)=512 L，變壓器總油重M油=51 t，變壓器油熱膨脹系數(shù)α=0.7×10-3。設(shè)T0=20 ℃，儲(chǔ)油柜注油高度為H0，此時(shí)變壓器油密度為ρ20=895 kg/m3，則注入儲(chǔ)油柜內(nèi)的變壓器油體積為：

V20=V儲(chǔ)/100×H0

(1)

此時(shí)油箱中變壓器油體積為：

V油箱=M油/ρ20=51×106/895

(2)

因此T0=20 ℃時(shí)，變壓器油總體積為：

V總1=V0+V油箱

(3)

當(dāng)變壓器油溫度為T時(shí)，Δt=T-20 ℃，變壓器油總體積為V總2，儲(chǔ)油柜油位為H，儲(chǔ)油柜內(nèi)油體積為V。根據(jù)變壓器油膨脹公式有[1]：

V總2=V總1×(1+αΔt)

(4)

V=H×(5121/100)

(5)

V總2=V+V油箱

(6)

將式(3)、式(4)、式(6)整理得式(7)：

H=0.0007×T×H0+0.986×H0+0.777647×T-15.57

(7)

由式(7)可知，在初始注油油位H0確定情況下，變壓器儲(chǔ)油柜油位H與油溫T成一次線性關(guān)系。

2 初始注油油位的確定

根據(jù)文獻(xiàn)[2]所述，利用變壓器油平均溫度確定儲(chǔ)油柜初始注油油位，能有效地避免因不正確的油位指示所導(dǎo)致夏季油位過(guò)高引起壓力釋放閥動(dòng)作、冬天油位過(guò)低出現(xiàn)報(bào)警等故障發(fā)生[2]。

2.1 確定油的平均溫升

當(dāng)變壓器未投運(yùn)時(shí)，變壓器油的溫度等于環(huán)境溫度。變壓器投運(yùn)后，可根據(jù)頂層油面對(duì)空氣的溫升，計(jì)算油對(duì)空氣的平均溫升，計(jì)算公式如下：

τ平均=(τ1-τ)/1.2

(8)

式(8)中：τ平均——油對(duì)空氣的平均溫升。

τ——溫升修正值。實(shí)際計(jì)算中由油箱發(fā)熱中心和散熱中心比值決定，一般取值5 K。

τ1——頂層油面對(duì)空氣的平均溫升，等于變壓器油面溫控器的溫度值減去環(huán)境溫度。

為了保證數(shù)據(jù)連續(xù)性，統(tǒng)計(jì)#1主變一周內(nèi)頂層油面溫度與環(huán)境溫度變化，見(jiàn)表1。根據(jù)變壓器投運(yùn)后頂層油的平均溫升，確定油對(duì)空氣的平均溫升。

表1 一周內(nèi)頂層油溫與環(huán)境溫度的變化統(tǒng)計(jì)表

由表1計(jì)算可得τ1=19.36 K，代入式(8)可得油對(duì)空氣的平均溫升：τ平均=(19.36-5)/1.2=11.96 K。

2.2 推算初始注油油位H0

當(dāng)儲(chǔ)油柜油位達(dá)到上極限值90%時(shí)，發(fā)油位高信號(hào)，達(dá)到下極限值0時(shí)，發(fā)油位低信號(hào)。因此初始注油量應(yīng)能保證在濱州地區(qū)溫度最高和最低時(shí)，儲(chǔ)油柜不發(fā)油位高或者低報(bào)警信號(hào)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，濱州地區(qū)環(huán)境最高溫度為39 ℃(此時(shí)油溫為39 ℃+11.96 ℃=50.96 ℃)，最低溫度為-15 ℃(此時(shí)油溫為-15 ℃+11.96 ℃=-3.04 ℃)，因此儲(chǔ)油柜油位H滿足以下表達(dá)式：

(9)

將式(9)代入式(7)，可得初始注油油位18.23%

因此在工程計(jì)算中，取H0最高和最低值之和的平均值，作為初始注油油位，即：

H0=(18.23%+64.54%)/2=41.38%

3 利用Matlab繪制油溫油位H-T曲線

根據(jù)確定的20 ℃下初始注油油位得到H/T一次函數(shù)關(guān)系式：

H=0.8×T+25

(10)

根據(jù)H/T函數(shù)關(guān)系表達(dá)式，利用Matlab軟件中plot函數(shù)繪圖H-T曲線，步驟如下：

(1)打開(kāi)Matlab2012a軟件，在命令窗口Command Window輸入繪圖程序：

T=0:10:100;

H=0.8*T+25;

plot(T,H)

(2)在Figure1窗口中點(diǎn)擊“show plot tools and dock figure”顯示窗口繪圖工具圖標(biāo)，打開(kāi)圖片編輯窗口。

(3)在窗口底部“屬性編輯器—數(shù)軸”設(shè)置網(wǎng)格Grid選中X、Y。在X軸參數(shù)中設(shè)置X Label為“油溫T/C”，Y軸參數(shù)中設(shè)置Y Label為“油位H/%”。所繪制的H-T曲線，如圖1所示。

圖1 H0=41.38%下油溫油位曲線

根據(jù)式(10)，可得油溫油位H-T數(shù)據(jù)表[3]，見(jiàn)表2。

表2 H0=41.38%油溫油位數(shù)據(jù)表(環(huán)境溫度20 ℃)

由表2可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到最低溫度-15 ℃，儲(chǔ)油柜油位在17%～25%之間，處于下限油位報(bào)警值之上，不會(huì)發(fā)油位低信號(hào)。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到最高溫度39 ℃，儲(chǔ)油柜油位為65%左右，位于上限油位報(bào)警值之下，也不會(huì)發(fā)油位高信號(hào)。

因此，當(dāng)環(huán)境溫度20 ℃時(shí)，儲(chǔ)油柜油位注至41.38%時(shí)，儲(chǔ)油柜油位在高、低溫環(huán)境下滿足主變安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

4 總結(jié)

本文以BP1型金屬波紋式膨脹儲(chǔ)油柜為研究對(duì)象，通過(guò)油的平均溫升推算出了初始注油油位，避免因初始注油量的不合適，造成儲(chǔ)油柜信號(hào)異常、芯體變形等，保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。最后利用Matlab軟件繪制了油溫油位曲線。