不同管路布設條件下油浸式電流互感器補油策略

鄒 沉，趙 輝，路成東，方書涵，楊 艷，呂青媛，洪 葉，楊啟帆

(國網湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050)

0 引言

現階段，電力系統廣泛使用油浸式電流互感器轉換交流電路的高低值，以實現電流測量與繼電保護。因此，該互感器需進行周期性的油樣檢測，以確定設備是否能夠安全使用[1]。由于取油樣次數的增加會導致互感器油位降低，造成互感器無法繼續正常運行，因此需及時對互感器進行補油。以往，互感器在補油時需停電作業，由維護人員人工補油。這一過程會造成浪費人力與物力資源的現象[2-4]。因此，及時優化補油技術能夠有效提升補油效率[5]。

有較多學者對補油技術進行了研究。董玉坤等[6]研究了基于壓力傳感器的變壓器油位檢測和帶電補油裝置。但該裝置在補油過程中存在互感器補油壓力值偏高現象。姜振楠等[7]研究了大型履帶起重機起升機構閉式液壓集中式補油系統。但該系統在補油時放油閥閥芯位移程度較大，補油效果并不理想。

為了解決上述補油技術存在的問題、提高補油效果，本文基于油浸式電流互感器基本原理，構建不同管路布設條件下的互感器補油試驗裝置，并依據互感器加速老化理論，進行不同管路布設條件下的互感器老化試驗。以此為基礎，本文研究了真空無氣泡補油技術，設計了真空無氣泡式互感器補油機，實現了互感器補油技術的優化。

1 油浸式電流互感器補油技術優化設計

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量油浸式電流互感器電流的方法，主要依據電磁感應定律與安培環路定理測量。即：任意1個可根據時間發生改變的電流，隨時可以制造磁場；該磁場同樣隨時間變化，且能夠使磁場周邊線圈制造出電壓信號；該電壓信號與電流變化率為正比關系；調整需測量電流信號，即可將其轉換為小電流信號。

1.2 試驗裝置

試驗分析2個不同管路布設條件下的互感器(current transformer，CT)。2個互感器應用場景相同，但管路布設情況不同，分別為互感器1(CT1)與互感器2(CT2)。2個互感器均可以在每個單元0.5～1.75倍額定負載系統中實現24 h負載循環。

采用OMICRON的油浸式電流互感器分析儀對2個69 kV的油浸CT進行試驗，分析不同管路布設條件下的互感器情況。試驗互感器參數如表1所示。

表1 試驗互感器參數

1.3 油浸式電流互感器加速老化理論

是依據試驗溫度(30 ℃或50 ℃)將儀表變壓器劃分為2組，油浸式CT同樣依照該標準劃分為2組進行試驗，且互感器溫升絕緣系統為(55 ℃或65 ℃)。由于試驗構建的互感器是依據標準環境溫度(平均為a=30 ℃)設計的，因此需考慮溫升絕緣系統出現的溫度最大情況。設加速老化因子為FA、Θhf為繞組熱點參照溫度、ΘH為繞組最高溫度。依據該設定，通過式(1)計算加速老化因子：

(1)

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

由于傳統補油方法會使互感器線圈內部出現空氣，導致互感器不能以真空方式運行[8]。這會使得互感器補油后出現氣泡，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油技術優化方法，以改善互感器的加速老化故障。

1.4 真空無氣泡補油技術優化

1.4.1 互感器補油機基本結構組成

選取單片機控制技術，設計具備自動抽真空功能的補油互感器，同時使該互感器具備油壓超壓保護、補油速度調整、自動保持系統真空度、實時旁路濾油等功能，以實現真空無氣泡補油。

1.4.2 補油裝置功能優化

①依據互感器的樣式、投運時間、高度以及當下環境溫度和取油樣口狀態設定補油速率，將補油速率設定為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的速率可應用于環境溫度低于標準環境溫度(30 ℃)時、取油樣口較窄、油品黏性過強、油浸式電流互感器等情況。因為0.5 L/min的速率不僅能夠保障帶電補油安全性，還能夠保證儲油箱底部物質不會被沖擊，所以更適合在該速率下進行現場帶電補油。2.0 L/min的速率可應用于取油樣口較寬、新式互感器等情況。因為該速率補油速度較高，能夠有效節約補油時間[9]。

②設計無級變速循環排氣結構。采用單片機實時操控循環速率與壓力。

③構建專有放油功能。為防止補油過程中造成二次環境污染，通過功能設計排空裝置內全部剩余油品。

④構建自動抽真空功能，使互感器能夠實時在線完成真空無氣泡補油。

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

⑥設計油壓超壓保護功能。若提前設定好的壓力值低于油壓，則停止補油工作，以防止油壓過高對互感器造成影響，保障設備安全運行。同時，還可以根據實際補油需求設定補油壓力，以滿足多種工作需求。

⑦設計旁路油過濾循環功能。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油工作過程

①連接準備工作。補油機與互感器的連接原理如圖1所示。

圖1 補油機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補油機中，做好連接準備工作。

②抽真空工作。通過自動的形式，將補油機裝置的內部油箱以及各種管路與回路進行抽真空。其中，補油機連接裝置包括外部連接管路以及專用過渡接頭等。若真空值達到預設標準，則停止抽真空工作。若真空泵結束工作后真空值迅速下降，需立即對裝置進行斷電處理，查看連接接頭是否出現泄漏，在排查結束后再決定是否繼續抽真空。

③儲油工作。當真空值達到需求值后，首先，啟動儲油功能，開始儲油；然后，向補油機油箱中注入油桶中的可用油品。若在儲油時，真空值未高于預設值，則自動開始抽真空作業；若真空值達到設定值，則繼續儲油，并停止抽真空作業[10]。

④排氣泡循環作業。開啟互感器放油閥，利用該過渡接頭上的液位視窗實時監測。若液位視窗能夠查看到油品，則關閉放油閥。同時，通過互感器中本體油的流動向接頭位置排放管路內的殘存空氣。

排氣泡循環作業需排空過渡接頭、連接管內的油品中氣泡。重復排除操作，直到設備內油品不存在氣泡。

在循環排氣泡過程中，若油箱下浮子所預設的位置高于油位，則補油器自動儲存油品；若真空值未高于預設值，則補油器再次抽真空。

⑤補油作業。當以上步驟完成后，補油器可進行真空無氣泡補油。采用專用過渡接頭的導桿，打開放油閥，開始向互感器補油。當油位達到預設條件后，可結束補油，關閉放油閥[11]。

在補油過程中，需保障外部油桶內具備適量的合格油品。當裝置油箱內油量不足時，補油機會結束補油并將自動轉換為儲油狀態，直至油箱儲油量無法增加后再繼續進行下一步補油作業。

⑥排空作業。當互感器完成補油，需排空各管路與回路中的油品，以便后續拆除工作。將補油機裝置中的側補油管連接到回油口，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的油品。當真空值不高于預設值時，真空泵會自動執行抽真空作業。在油品排空時，拆掉過渡接頭與連接管[12]。

⑦放油作業。在補油機裝置內仍然存放一定殘余量的油品，將其排空。在補油口上連接儲油管，通過裝置放油功能，排空油箱內殘余油品，完成放油。

⑧設定補油狀態下的油速與油壓。設油壓范圍為0.1～0.45 MPa，通常狀態下設定0.45 MPa。同時，設定油速為0.5 L/min。該油速能夠保障帶電補油的安全性。

2 試驗分析

2.1 負載老化故障分析

當油浸式電流互感器出現負載老化故障時，容易造成絕緣老化，從而產生漏油現象。為此，以某地區110 kV供電公司某變電站不停電在線補油工作為研究對象，量化分析2種互感器在額定負載循環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。根據圖2可知，隨著額定負載循環的增加，2種管路布設條件下互感器的加速老化因子與溫度也隨之上升。當額定負載循環達到20 000次時，CT1的加速老化因子遠高于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 電流互感器補油效果分析

通過仿真形式，驗證本文方法效果。在仿真模擬軟件中對2個油浸式電流互感器進行試驗。在試驗時，分別持續進行0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h抽真空，分析補油技術優化后的抽真空性能。優化后效果對比如表2所示。

表2 優化后效果對比

由表2可知，應用本文方法對補油技術進行優化后，試驗的2個互感器在補油之前均進行相同時間的抽真空操作，在抽氣前氫濃度均遠高于抽氣后氫濃度。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。試驗結果不僅表明CT2的抽空效果要略好于CT1，還說明本文優化方法能夠充分實現抽真空操作，從而有效排空補油過程中的氣泡。

為驗證本文優化方法的補油優化能力，以孔邊距為變量，分析2個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

根據圖3可知，孔邊距越大，產生的壓力值越高。其中，CT1的壓力值要略高于CT2，應用本文方法后，2個互感器壓力值均未超過0.1 MPa。由此可知，應用本文技術可將傳感器的補油壓力控制在0.1 MPa以內。

互感器補油技術優化前，2個互感器的最大閥芯位移處于3.5 mm左右。應用本文方法優化補油技術后，當補油機使用時間逐漸增加，不同吸油量下的2個互感器放油閥閥芯位移對比如圖4所示。

圖4 互感器放油閥閥芯位移對比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，當的吸油量為30 L/min時，閥芯位移最高為2.3 mm；當吸油量達到60 L/min時，閥芯位移最高達到2.5 mm。在CT2中，當吸油量為30 L/min時，閥芯位移最高為1.8 mm。當吸油量增加至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。試驗結果說明，本文方法在CT2互感器的管路布設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定。

分析補油技術優化前后，2個油浸式電流互感器在不同工作頻率下的補油平均輸入流量。補油平均輸入流量對比如圖5所示。

圖5 平均輸入流量對比Fig.5 Comparison of average input flow

由圖5可知，當工作頻率逐漸上升，補油的平均輸入流量也會隨之上升。優化前，CT1和CT2的補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，補油平均輸入流量也未超過40 L/min。優化后，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的平均輸入流量達到55 L/min，明顯高于CT1的補油情況；而當工作頻率達到50 Hz時，CT2的補油平均輸入流量達到190 L/min，CT1的補油平均輸入流量僅達到130 L/min，說明2個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，應用本文技術能夠有效提升補油的平均輸入流量，提高補油工作效率，且CT2的管路布設條件補油平均輸入流量提升效果更顯著。

3 結論

本文研究了不同管路布設條件下油浸式電流互感器補油策略。通過不同管路布設條件的互感器補油試驗分析，明確互感器存在的老化問題，設計補油技術優化方法，并通過試驗驗證技術優化后的補油效果。試驗證明：采用本文設計補油技術優化方法能夠有效實現抽真空操作，能夠有效排空補油過程中的氣泡、更有效保障閥芯的位移穩定、提升補油的平均輸入流量以及補油工作效率；采用CT2管路布設方式比CT1管路布設方式補油效果更優。在后續研究階段，可根據現有互感器補油技術，設計更加全面的補油方法，使該補油技術能夠應用至各個領域的互感器中。