消除环境温度对油浸式电流互感器影响的微正压设计

张春丰，刘 霞，敖 明

（1.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130021；2.国网白山供电公司，吉林 白山 134302）

油浸式电流互感器具有散热快、传导均匀的优点，同时其填充介质绝缘油有很好的易修复和可恢复性，结构简单，工艺易掌握，制造经验丰富，价格与其他形式绝缘的互感器相比较低，报废后，可对其绝缘油和报废部件进行回收再利用，不浪费资源，不污染环境，因此油浸式电流互感器在高压和超高压电力系统中被广泛应用。现有的油浸式电流互感器，当环境温度变低时油的体积变小，在没有外力作用的密闭空间内会产生微负压，从而影响电气设备的安全运行。为了保证在低温环境下运行的互感器内部不产生微负压，采用在膨胀器外部加一个能满足互感器内部在最低环境温下不产生负压，在最高环境温度下，压力不超过设备设计最大值的外力，通过理论计算给出了这个外力的大小及添加方式。

1 年度环境温差问题

由于油浸式电流互感器填充介质绝缘油体积随温度变化，当温度变化较大时就会对互感器带来一定的冲击。当环境温度升高，油温升高时，绝缘油的体积会变大，膨胀器会被伸长，迫使互感器内部正压增大，会出现密封不严溢油的可能；当环境温度降低，油温降低时，绝缘油的体积会变小，膨胀器会被迫收缩，若膨胀器自然收缩不及时，互感器内部就有产生负压的可能，负压时互感器密封不严就会导致进气、进水受潮，产生严重的绝缘事故。为了避免上述现象的发生，通过模拟和计算对油浸式电流互感器的膨胀器进行改造。

2 微正压设计方案

2.1 设计原理

解决油浸式电流互感器在低温下容易产生负压的有效方法，是使互感器内部始终处于微正压状态，即互感器内部承受的压力应在0.005～0.05 MPa。从而提出了微正压油浸式电流互感器的设计方案，其原理是无论设备运行温度如何改变，总有一个外力作用于膨胀器上，使互感器内部始终处于挤压状态；其方法是在膨胀器的顶端与金属罩之间加设一个弹簧，该弹簧的弹力和压缩量可由互感器的具体参数计算出。微正压油浸式电流互感器膨胀器的设计见图1。

2.2 计算方法

已知某互感器所用膨胀器的额定行程为Le，其等效截面积为Sx，补偿的最大容积为Vb，其内部能承受的最大压强为pmax。

压力F 计算公式为：

可计算出互感器的膨胀器上端所能承受的最大压力Fmax＝10pmaxSx，互感器的膨胀器上端加装的弹簧弹力不得大于Fmax。

图1 微正压油浸式电流互感器膨胀器设计构型

弹簧弹力Ft计算公式为：

式中：K为弹簧常数，L为弹簧压缩的行程。

由此可知，弹簧弹力与加装弹簧的弹性常数和弹簧的压缩行程有关。其中弹簧常数公式为：

式中：G为线材的刚性模数（如琴钢丝G＝8 000，不锈钢丝G＝7 300）；d为线材直径；Do为弹簧外径，Dm为弹簧中径，Dm＝Do－d；N为弹簧总圈数；Nc为弹簧有效圈数，Nc＝N－2。

弹簧的压缩行程应大于Le，只有这样才能保证始终有一个恰当的外力作用在膨胀器上端，从而使互感器内部始终处于一个微正压状态。

2.3 膨胀器容积选择

膨胀器是由多个膨胀节串联而成，膨胀器容积的大小与膨胀节的个数相关。理想的膨胀器应满足绝缘油体积随温度的变化，且所用膨胀节数最少，达到既安全又经济的目的。膨胀器容积VP计算公式为：

式中：me为设备内变压器油的额定质量；β为为绝缘油的热膨胀系数，β＝0.000 7／℃；ρ为变压器油的密度；tmax为设备运行变压器油的最高温度；tmin为设备使用地点的最低环境温度。

3 设计研发举例

设tmin＝－40℃，tmax＝40℃，油浸式互感器的温升为0℃，220kV 倒置式电流互感器内变压器油的额定质量me＝70kg，ρ＝0.88kg／L。所使用的膨胀器型号为PBD－330，其单个膨胀节额定容积为0.5L，行程为L＝9mm，Sx＝556cm2，此互感器内部承受的最大压力为0.05MPa，为了满足在环境温差较大时不产生微负压，将在膨胀器上端加装一个弹簧，这个弹簧的弹力可使互感器内部承受的最小压力为0.005 MPa，满足这些条件的互感器应符合以下要求。

由公式（4）计算出此互感器内变压器油体积变化的最大容积为4.45L。

为保证该设备在当地使用时一直处于微正压状态，所选配套膨胀器的额定容积一定要大于4.45L。

若要满足上述条件，选择该型号膨胀器的节数至少为10节，其Le＝90mm。

为了满足互感器始终处于微正压状态，膨胀器上端所加弹簧的压缩行程应大于90mm，假设膨胀器在最小膨胀行程为0mm 时，弹簧的压缩行程为50mm，膨胀器在最大膨胀行程90mm 时，弹簧的压缩行程为140mm。

由公式（1）可计算得出，膨胀器上端所能承受的最大压力Fmax为2 724.4N，最小压力Fmin为272.4 N，即弹簧在压缩行程为50 mm 时，其弹力应大于272.4N，弹簧在压缩行程为140时，其弹力应小于2 724.4N。

假设此互感器的膨胀器上端所加的弹簧选不锈钢丝的材质，其线径为8 mm（G＝7300）；此膨胀器的有效截面积为556cm2，所以膨胀器的有效半径为133mm，由于弹簧位于在膨胀器的上端，其弹簧的外径一定要小于膨胀节的外径266 mm，假设加工一个外径Do为110mm 的弹簧，其中径Dm可由公式Dm＝Do－d 计算得出，即Dm为102mm。

再由公式（2）和公式（3）可分别计算出当Fmax＝2 724.4N 时，弹簧的N 应大于3.8 圈，当Fmin＝272.4N 时，弹簧的N 应小于8.3圈。

为了保证在环境温度－40～＋40℃范围内此互感器始终处于微正压状态，即互感器的内部压力在0.005～0.05 MPa，在膨胀器上端所加的弹簧应是d＝8 mm 的不锈钢丝压缩弹簧，D0＝110 mm，Dm＝102mm，N为3.8～8.3圈。

4 结束语

为解决油浸式电流互感器在低温环境下运行内部产生微负压问题，结合实际，通过严格的理论计算，给出了微正压油浸式电流互感器的设计方案、具体实施方式及外加弹簧具体尺寸的计算方法，为解决此类问题提供了具体思路和方法。