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      主變壓器油流繼電器指針頻繁抖動的原因分析

      2022-11-10 04:13:30馬磊蔣超偉邵永浩萬文華王海峰蔡漪濛
      寧夏電力 2022年4期
      關(guān)鍵詞:油流油溫冷卻器

      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。

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