張春豐，劉 霞，敖 明

（1.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130021；2.國(guó)網(wǎng)白山供電公司，吉林 白山 134302）

油浸式電流互感器具有散熱快、傳導(dǎo)均勻的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其填充介質(zhì)絕緣油有很好的易修復(fù)和可恢復(fù)性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝易掌握，制造經(jīng)驗(yàn)豐富，價(jià)格與其他形式絕緣的互感器相比較低，報(bào)廢后，可對(duì)其絕緣油和報(bào)廢部件進(jìn)行回收再利用，不浪費(fèi)資源，不污染環(huán)境，因此油浸式電流互感器在高壓和超高壓電力系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有的油浸式電流互感器，當(dāng)環(huán)境溫度變低時(shí)油的體積變小，在沒有外力作用的密閉空間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生微負(fù)壓，從而影響電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。為了保證在低溫環(huán)境下運(yùn)行的互感器內(nèi)部不產(chǎn)生微負(fù)壓，采用在膨脹器外部加一個(gè)能滿足互感器內(nèi)部在最低環(huán)境溫下不產(chǎn)生負(fù)壓，在最高環(huán)境溫度下，壓力不超過設(shè)備設(shè)計(jì)最大值的外力，通過理論計(jì)算給出了這個(gè)外力的大小及添加方式。

1 年度環(huán)境溫差問題

由于油浸式電流互感器填充介質(zhì)絕緣油體積隨溫度變化，當(dāng)溫度變化較大時(shí)就會(huì)對(duì)互感器帶來一定的沖擊。當(dāng)環(huán)境溫度升高，油溫升高時(shí)，絕緣油的體積會(huì)變大，膨脹器會(huì)被伸長(zhǎng)，迫使互感器內(nèi)部正壓增大，會(huì)出現(xiàn)密封不嚴(yán)溢油的可能；當(dāng)環(huán)境溫度降低，油溫降低時(shí)，絕緣油的體積會(huì)變小，膨脹器會(huì)被迫收縮，若膨脹器自然收縮不及時(shí)，互感器內(nèi)部就有產(chǎn)生負(fù)壓的可能，負(fù)壓時(shí)互感器密封不嚴(yán)就會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣、進(jìn)水受潮，產(chǎn)生嚴(yán)重的絕緣事故。為了避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，通過模擬和計(jì)算對(duì)油浸式電流互感器的膨脹器進(jìn)行改造。

2 微正壓設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)原理

解決油浸式電流互感器在低溫下容易產(chǎn)生負(fù)壓的有效方法，是使互感器內(nèi)部始終處于微正壓狀態(tài)，即互感器內(nèi)部承受的壓力應(yīng)在0.005～0.05 MPa。從而提出了微正壓油浸式電流互感器的設(shè)計(jì)方案，其原理是無論設(shè)備運(yùn)行溫度如何改變，總有一個(gè)外力作用于膨脹器上，使互感器內(nèi)部始終處于擠壓狀態(tài)；其方法是在膨脹器的頂端與金屬罩之間加設(shè)一個(gè)彈簧，該彈簧的彈力和壓縮量可由互感器的具體參數(shù)計(jì)算出。微正壓油浸式電流互感器膨脹器的設(shè)計(jì)見圖1。

2.2 計(jì)算方法

已知某互感器所用膨脹器的額定行程為L(zhǎng)e，其等效截面積為Sx，補(bǔ)償?shù)淖畲笕莘e為Vb，其內(nèi)部能承受的最大壓強(qiáng)為pmax。

壓力F 計(jì)算公式為：

可計(jì)算出互感器的膨脹器上端所能承受的最大壓力Fmax＝10pmaxSx，互感器的膨脹器上端加裝的彈簧彈力不得大于Fmax。

圖1 微正壓油浸式電流互感器膨脹器設(shè)計(jì)構(gòu)型

彈簧彈力Ft計(jì)算公式為：

式中：K為彈簧常數(shù)，L為彈簧壓縮的行程。

由此可知，彈簧彈力與加裝彈簧的彈性常數(shù)和彈簧的壓縮行程有關(guān)。其中彈簧常數(shù)公式為：

式中：G為線材的剛性模數(shù)（如琴鋼絲G＝8 000，不銹鋼絲G＝7 300）；d為線材直徑；Do為彈簧外徑，Dm為彈簧中徑，Dm＝Do－d；N為彈簧總?cè)?shù)；Nc為彈簧有效圈數(shù)，Nc＝N－2。

彈簧的壓縮行程應(yīng)大于Le，只有這樣才能保證始終有一個(gè)恰當(dāng)?shù)耐饬ψ饔迷谂蛎浧魃隙?，從而使互感器?nèi)部始終處于一個(gè)微正壓狀態(tài)。

2.3 膨脹器容積選擇

膨脹器是由多個(gè)膨脹節(jié)串聯(lián)而成，膨脹器容積的大小與膨脹節(jié)的個(gè)數(shù)相關(guān)。理想的膨脹器應(yīng)滿足絕緣油體積隨溫度的變化，且所用膨脹節(jié)數(shù)最少，達(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)的目的。膨脹器容積VP計(jì)算公式為：

式中：me為設(shè)備內(nèi)變壓器油的額定質(zhì)量；β為為絕緣油的熱膨脹系數(shù)，β＝0.000 7／℃；ρ為變壓器油的密度；tmax為設(shè)備運(yùn)行變壓器油的最高溫度；tmin為設(shè)備使用地點(diǎn)的最低環(huán)境溫度。

3 設(shè)計(jì)研發(fā)舉例

設(shè)tmin＝－40℃，tmax＝40℃，油浸式互感器的溫升為0℃，220kV 倒置式電流互感器內(nèi)變壓器油的額定質(zhì)量me＝70kg，ρ＝0.88kg／L。所使用的膨脹器型號(hào)為PBD－330，其單個(gè)膨脹節(jié)額定容積為0.5L，行程為L(zhǎng)＝9mm，Sx＝556cm2，此互感器內(nèi)部承受的最大壓力為0.05MPa，為了滿足在環(huán)境溫差較大時(shí)不產(chǎn)生微負(fù)壓，將在膨脹器上端加裝一個(gè)彈簧，這個(gè)彈簧的彈力可使互感器內(nèi)部承受的最小壓力為0.005 MPa，滿足這些條件的互感器應(yīng)符合以下要求。

由公式（4）計(jì)算出此互感器內(nèi)變壓器油體積變化的最大容積為4.45L。

為保證該設(shè)備在當(dāng)?shù)厥褂脮r(shí)一直處于微正壓狀態(tài)，所選配套膨脹器的額定容積一定要大于4.45L。

若要滿足上述條件，選擇該型號(hào)膨脹器的節(jié)數(shù)至少為10節(jié)，其Le＝90mm。

為了滿足互感器始終處于微正壓狀態(tài)，膨脹器上端所加彈簧的壓縮行程應(yīng)大于90mm，假設(shè)膨脹器在最小膨脹行程為0mm 時(shí)，彈簧的壓縮行程為50mm，膨脹器在最大膨脹行程90mm 時(shí)，彈簧的壓縮行程為140mm。

由公式（1）可計(jì)算得出，膨脹器上端所能承受的最大壓力Fmax為2 724.4N，最小壓力Fmin為272.4 N，即彈簧在壓縮行程為50 mm 時(shí)，其彈力應(yīng)大于272.4N，彈簧在壓縮行程為140時(shí)，其彈力應(yīng)小于2 724.4N。

假設(shè)此互感器的膨脹器上端所加的彈簧選不銹鋼絲的材質(zhì)，其線徑為8 mm（G＝7300）；此膨脹器的有效截面積為556cm2，所以膨脹器的有效半徑為133mm，由于彈簧位于在膨脹器的上端，其彈簧的外徑一定要小于膨脹節(jié)的外徑266 mm，假設(shè)加工一個(gè)外徑Do為110mm 的彈簧，其中徑Dm可由公式Dm＝Do－d 計(jì)算得出，即Dm為102mm。

再由公式（2）和公式（3）可分別計(jì)算出當(dāng)Fmax＝2 724.4N 時(shí)，彈簧的N 應(yīng)大于3.8 圈，當(dāng)Fmin＝272.4N 時(shí)，彈簧的N 應(yīng)小于8.3圈。

為了保證在環(huán)境溫度－40～＋40℃范圍內(nèi)此互感器始終處于微正壓狀態(tài)，即互感器的內(nèi)部壓力在0.005～0.05 MPa，在膨脹器上端所加的彈簧應(yīng)是d＝8 mm 的不銹鋼絲壓縮彈簧，D0＝110 mm，Dm＝102mm，N為3.8～8.3圈。

4 結(jié)束語

為解決油浸式電流互感器在低溫環(huán)境下運(yùn)行內(nèi)部產(chǎn)生微負(fù)壓?jiǎn)栴}，結(jié)合實(shí)際，通過嚴(yán)格的理論計(jì)算，給出了微正壓油浸式電流互感器的設(shè)計(jì)方案、具體實(shí)施方式及外加彈簧具體尺寸的計(jì)算方法，為解決此類問題提供了具體思路和方法。