主變壓器油流繼電器指針頻繁抖動的原因分析

馬磊，蔣超偉，邵永浩，萬文華，王海峰，蔡漪濛

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司超高壓公司，寧夏 銀川 750011）

0 引言

油流繼電器是變壓器強油風(fēng)冷系統(tǒng)內(nèi)監(jiān)視油流情況的裝置，能反映油流循環(huán)是否良好，油泵是否轉(zhuǎn)向正確，閥門啟閉是否正常，管道有無阻塞等情況[1]。變壓器油泵工作時，冷卻器聯(lián)管內(nèi)產(chǎn)生油流，油流量達到整定流量時，油流動板旋轉(zhuǎn)，同步帶動指針轉(zhuǎn)動，信號節(jié)點接通，發(fā)出正常工作信號。當(dāng)油流量比返回流量低時，油對擋板的力減弱，油流擋板在復(fù)歸扭簧力的作用下返回，指針同步旋轉(zhuǎn)，故障信號節(jié)點接通，通知運維人員及時檢查，防止變壓器油流循環(huán)不良無法及時散熱，損壞變壓器[2]。油流繼電器抖動會造成擋板軸承磨損故障，除導(dǎo)致其本身損壞之外，頻繁抖動磨損會落下金屬粉塵，金屬粉塵落入油中并進入變壓器主體，對變壓器的絕緣性能造成影響。另外，長期抖動增加擋板斷裂的可能性。擋板斷裂進入變壓器內(nèi)部極易造成變壓器內(nèi)部放電故障，嚴(yán)重威脅變壓器安全運行。根據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)每年有超過1 000例油流繼電器故障情況，且大部分故障為油流繼電器指針頻繁抖動。本文主要以流體力學(xué)理論及對油流繼電器擋板結(jié)構(gòu)的分析，研究油流繼電器指針頻繁抖動原因。

1 故障油流繼電器簡介

某750 kV主變壓器為單相強油循環(huán)風(fēng)冷變壓器，容量為2 100 MVA，安裝有8組冷卻器，正常運行投入4組，每組冷卻器有3臺功率1.8 kW，風(fēng)量20 000 m3/h風(fēng)機。油流繼電器采用QUALITROL-092型油流繼電器，聯(lián)管標(biāo)稱直徑100 mm。該主變壓器于2010年投運，油流繼電器同步投入運行，期間油流繼電器運行正常，未發(fā)生抖動及其他缺陷。2010年—2020年間結(jié)合4次檢查及試驗，油流繼電器工況均良好。自2020年11月末開始頻繁抖動，主要抖動時間段為23：00—8：00，此時間段內(nèi)變壓器負(fù)荷極低，接近空載運行，2021年3月以后抖動情況消失。

QUALITROL-092型油流繼電器由電磁耦合表盤和法蘭件組成，主要零件包括動板、轉(zhuǎn)軸、復(fù)位彈簧、指示表針等。油流帶動擋板轉(zhuǎn)動通過轉(zhuǎn)軸在表針上顯示，當(dāng)油流停止時由復(fù)位彈簧將動板復(fù)位。該油流繼電器表殼，轉(zhuǎn)軸與表針之間采用磁力連接，可以安裝在2″到8″內(nèi)徑的管道上，結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 QUALITROL-092型油流繼電器結(jié)構(gòu)

2 油流繼電器抖動原因分析

2.1 油溫對抖動的影響

采用高速攝像機安裝于抖動油流繼電器旁，對該油流繼電器抖動次數(shù)進行持續(xù)監(jiān)視。以2 h為一統(tǒng)計時段，選取該時段內(nèi)抖動最頻繁3 min作為數(shù)據(jù)樣本，并記錄對應(yīng)時刻的變壓器上層油溫（見表1）。根據(jù)表1，油流繼電器抖動次數(shù)與主變壓器油溫呈直接對應(yīng)關(guān)系，油溫在0℃附近，油流繼電器開始出現(xiàn)抖動情況。油溫較0℃越低，則抖動情況越嚴(yán)重，統(tǒng)計最大抖動次數(shù)油溫為-12℃，3 min內(nèi)抖動144次。油溫高于0℃以后，抖動情況基本消失。

表1 故障油流繼電器3 min內(nèi)抖動統(tǒng)計

變壓器油是典型的牛頓流體，動力粘度僅與溫度有關(guān)，根據(jù)牛頓粘性定律公式[5]：

式中：μ為動力粘度；ρ為液體密度；τ為運動粘度。

動力粘度與運動粘度成比例關(guān)系[6]，油溫在40℃時變壓器油運動粘度為13 mm2/s，油溫在-10℃時變壓器油運動粘度為200 mm2/s，圓管流量雷諾數(shù)公式[7]為

式中：V為液體流速；d為管徑。

圓管內(nèi)沿程摩擦阻力系數(shù)為

將粘性定律公式和圓管流量雷諾數(shù)公式代入圓管內(nèi)沿程摩擦阻力系數(shù)為

變壓器油在油溫-10℃時沿程摩擦阻力系數(shù)增大為油溫40℃時的15.4倍。相同管道條件下，變壓器油在油溫-10℃時油流沿程能量損失也達到油溫40℃時的15.4倍，從而造成油流速度顯著下降。根據(jù)測算流速約為油溫40℃時油流速度的10%。油溫降低造成油速的顯著下降使得油流繼電器擋板承受壓力減小，受自身復(fù)歸力的影響油流擋板無法保持在開啟位置[7]。

2.2 油流擋板對抖動的影響

結(jié)合主變壓器停電對故障油流繼電器進行更換，將換下來的繼電器進行解體，對油流擋板進行研究分析。QUALITROL-092型油流繼電器擋板面積約為4 cm2，文獻[7]要求聯(lián)管標(biāo)稱直徑為100 mm的油流繼電器返回流量為動作流量的0.75倍，擋板面積不小于10 cm2。根據(jù)統(tǒng)計，目前常用其他型號油流繼電器擋板面積約為15 cm2。QUALITROL-092型油流繼電器擋板面積明顯偏小，詳見圖2、圖3。

圖2 QUALITROL-092型油流繼電器

圖3 其他常見油流繼電器

油流繼電器工作時遵循以下公式：

式中：F1為擋板承受油壓力；h為擋板承受壓強；S為擋板面積。

式中：F2為彈簧返回彈力；K為彈性系數(shù)；X為位移量。

當(dāng)F1＞F2時擋板頂起，油流繼電器指示開啟。當(dāng)F1＜F2時擋板返回，油流繼電器判斷為油流停止指示關(guān)閉。QUALITROL-092型繼電器擋板面積僅為4 cm2，其擋板承受壓力較小，油溫較低時油的粘稠度增高，油流速度減弱，造成壓強降低，此時F1值與F2值接近，使得油流繼電器指針呈往復(fù)擺動狀。

3 改進措施

根據(jù)上述油溫及油流擋板對油流繼電器指針頻繁抖動的影響的分析，提出三方面改進措施，預(yù)防變壓器油流繼電器指針頻繁抖動情況的發(fā)生：

1）運行維護時密切關(guān)注主變壓器油溫，根據(jù)研究顯示油溫低于5℃后，油流動力粘度顯著增大。變壓器運行中應(yīng)及時通過負(fù)載調(diào)節(jié)、冷卻裝置投切保證變壓器油溫不低于5℃，但應(yīng)注意不允許長時間將強油循環(huán)冷卻器退出，避免造成變壓器繞組散熱不良。

2）變壓器油流繼電器選型應(yīng)關(guān)注油流擋板面積，應(yīng)結(jié)合變壓器空載低溫運行情況考慮留有一定裕度。

3）加強油流繼電器狀態(tài)檢查、性能試驗，除根據(jù)檢修周期開展檢修項目外，對于發(fā)生油流繼電器頻繁抖動缺陷的裝置應(yīng)縮短試驗周期，及時處理異常缺陷。

4 結(jié)論

針對某750 kV主變壓器油流繼電器指針頻繁抖動缺陷，通過分析變壓器油在低溫下的特性變化及油流繼電器油流擋板結(jié)構(gòu)情況，得出油流繼電器指針抖動主要有以下兩點原因：一是油溫低于臨界值后油的動力粘度增高，沿程摩擦阻力系數(shù)增大，油流沿程能量損失增大，使油流速度減弱造成油流對擋板的壓力降低；二是QUALITROL-092型油流繼電器擋板面積較小，導(dǎo)致?lián)醢逵蛪毫εc返回彈力接近。根據(jù)研究結(jié)果，從運行維護、設(shè)備選型及狀態(tài)檢修等三個方面提出了改進措施，保障變電主設(shè)備安全穩(wěn)定運行。應(yīng)用流體力學(xué)牛頓流體理論研究變壓器油特性隨溫度的變化，此方法可應(yīng)用在變壓器內(nèi)部油流活動分析及變壓器冷卻器設(shè)計等領(lǐng)域。