一种金属波纹式储油柜油温油位曲线绘制方法

满凯凯

(国网滨州供电公司，山东 滨州 256600)

0 引言

金属波纹式储油柜具有无呼吸器、免维护、无卡涩、寿命长以及适应性强等优点，广泛应用在各电压等级的变压器、电抗器以及其他油浸式电力设备中。金属波纹式储油柜结构上采用不锈钢波纹芯体作为容积补充单元，在完全隔离空气的情况下，通过油管路与油箱连通。当变压器内部油温发生变化时，波纹芯体膨胀或者收缩，从而实现绝缘油的体积补偿。当初始注油油位过高时，芯体长时间在高油位处运行，容易造成永久性变形，甚至产生漏点。当初始注油油位过低时，随着环境温度降低，储油柜会发油位过低异常信号。鉴于此，本文以滨州地区某变电站#1主变储油柜BP1型为研究对象，结合变压器运行中的油的平均温升，推算出了初始注油油位，并确定变压器油温油位H-T的函数关系。利用Matlab软件准确绘制变压器油温油位线，能正确指导运行检修人员合理地补充变压器油，保证变压器不出现储油柜内部油过多或者过少等异常情况。

1 油温油位的函数关系

1.1 内油式金属波纹式储油柜结构

某220 kV变电站#1主变生产厂为特变电工，型号为SFSZ11-24000/220，油号为I-30C变压器油，油重51 t，生产厂为克拉玛依。储油柜型号为BP1a-N-Ib，总容积为5121 L。

BP1型内油式金属波纹式储油柜主要由波纹芯体、输油管路、注放油管、排气管、油位指示、散热窗等组成。

1.2 推导油温油位的函数关系

已知条件：储油柜总容积V储=512 L，变压器总油重M油=51 t，变压器油热膨胀系数α=0.7×10-3。设T0=20 ℃，储油柜注油高度为H0，此时变压器油密度为ρ20=895 kg/m3，则注入储油柜内的变压器油体积为：

V20=V储/100×H0

(1)

此时油箱中变压器油体积为：

V油箱=M油/ρ20=51×106/895

(2)

因此T0=20 ℃时，变压器油总体积为：

V总1=V0+V油箱

(3)

当变压器油温度为T时，Δt=T-20 ℃，变压器油总体积为V总2，储油柜油位为H，储油柜内油体积为V。根据变压器油膨胀公式有[1]：

V总2=V总1×(1+αΔt)

(4)

V=H×(5121/100)

(5)

V总2=V+V油箱

(6)

将式(3)、式(4)、式(6)整理得式(7)：

H=0.0007×T×H0+0.986×H0+0.777647×T-15.57

(7)

由式(7)可知，在初始注油油位H0确定情况下，变压器储油柜油位H与油温T成一次线性关系。

2 初始注油油位的确定

根据文献[2]所述，利用变压器油平均温度确定储油柜初始注油油位，能有效地避免因不正确的油位指示所导致夏季油位过高引起压力释放阀动作、冬天油位过低出现报警等故障发生[2]。

2.1 确定油的平均温升

当变压器未投运时，变压器油的温度等于环境温度。变压器投运后，可根据顶层油面对空气的温升，计算油对空气的平均温升，计算公式如下：

τ平均=(τ1-τ)/1.2

(8)

式(8)中：τ平均——油对空气的平均温升。

τ——温升修正值。实际计算中由油箱发热中心和散热中心比值决定，一般取值5 K。

τ1——顶层油面对空气的平均温升，等于变压器油面温控器的温度值减去环境温度。

为了保证数据连续性，统计#1主变一周内顶层油面温度与环境温度变化，见表1。根据变压器投运后顶层油的平均温升，确定油对空气的平均温升。

表1 一周内顶层油温与环境温度的变化统计表

由表1计算可得τ1=19.36 K，代入式(8)可得油对空气的平均温升：τ平均=(19.36-5)/1.2=11.96 K。

2.2 推算初始注油油位H0

当储油柜油位达到上极限值90%时，发油位高信号，达到下极限值0时，发油位低信号。因此初始注油量应能保证在滨州地区温度最高和最低时，储油柜不发油位高或者低报警信号。据统计，滨州地区环境最高温度为39 ℃(此时油温为39 ℃+11.96 ℃=50.96 ℃)，最低温度为-15 ℃(此时油温为-15 ℃+11.96 ℃=-3.04 ℃)，因此储油柜油位H满足以下表达式：

(9)

将式(9)代入式(7)，可得初始注油油位18.23%

因此在工程计算中，取H0最高和最低值之和的平均值，作为初始注油油位，即：

H0=(18.23%+64.54%)/2=41.38%

3 利用Matlab绘制油温油位H-T曲线

根据确定的20 ℃下初始注油油位得到H/T一次函数关系式：

H=0.8×T+25

(10)

根据H/T函数关系表达式，利用Matlab软件中plot函数绘图H-T曲线，步骤如下：

(1)打开Matlab2012a软件，在命令窗口Command Window输入绘图程序：

T=0:10:100;

H=0.8*T+25;

plot(T,H)

(2)在Figure1窗口中点击“show plot tools and dock figure”显示窗口绘图工具图标，打开图片编辑窗口。

(3)在窗口底部“属性编辑器—数轴”设置网格Grid选中X、Y。在X轴参数中设置X Label为“油温T/C”，Y轴参数中设置Y Label为“油位H/%”。所绘制的H-T曲线，如图1所示。

图1 H0=41.38%下油温油位曲线

根据式(10)，可得油温油位H-T数据表[3]，见表2。

表2 H0=41.38%油温油位数据表(环境温度20 ℃)

由表2可以看出，当环境温度达到最低温度-15 ℃，储油柜油位在17%～25%之间，处于下限油位报警值之上，不会发油位低信号。当环境温度达到最高温度39 ℃，储油柜油位为65%左右，位于上限油位报警值之下，也不会发油位高信号。

因此，当环境温度20 ℃时，储油柜油位注至41.38%时，储油柜油位在高、低温环境下满足主变安全稳定运行的要求。

4 总结

本文以BP1型金属波纹式膨胀储油柜为研究对象，通过油的平均温升推算出了初始注油油位，避免因初始注油量的不合适，造成储油柜信号异常、芯体变形等，保证设备安全稳定运行。最后利用Matlab软件绘制了油温油位曲线。