马磊，蒋超伟，邵永浩，万文华，王海峰，蔡漪濛

（国网宁夏电力有限公司超高压公司，宁夏 银川 750011）

0 引言

油流继电器是变压器强油风冷系统内监视油流情况的装置，能反映油流循环是否良好，油泵是否转向正确，阀门启闭是否正常，管道有无阻塞等情况[1]。变压器油泵工作时，冷却器联管内产生油流，油流量达到整定流量时，油流动板旋转，同步带动指针转动，信号节点接通，发出正常工作信号。当油流量比返回流量低时，油对挡板的力减弱，油流挡板在复归扭簧力的作用下返回，指针同步旋转，故障信号节点接通，通知运维人员及时检查，防止变压器油流循环不良无法及时散热，损坏变压器[2]。油流继电器抖动会造成挡板轴承磨损故障，除导致其本身损坏之外，频繁抖动磨损会落下金属粉尘，金属粉尘落入油中并进入变压器主体，对变压器的绝缘性能造成影响。另外，长期抖动增加挡板断裂的可能性。挡板断裂进入变压器内部极易造成变压器内部放电故障，严重威胁变压器安全运行。根据统计，国内每年有超过1 000例油流继电器故障情况，且大部分故障为油流继电器指针频繁抖动。本文主要以流体力学理论及对油流继电器挡板结构的分析，研究油流继电器指针频繁抖动原因。

1 故障油流继电器简介

某750 kV主变压器为单相强油循环风冷变压器，容量为2 100 MVA，安装有8组冷却器，正常运行投入4组，每组冷却器有3台功率1.8 kW，风量20 000 m³/h风机。油流继电器采用QUALITROL-092型油流继电器，联管标称直径100 mm。该主变压器于2010年投运，油流继电器同步投入运行，期间油流继电器运行正常，未发生抖动及其他缺陷。2010年—2020年间结合4次检查及试验，油流继电器工况均良好。自2020年11月末开始频繁抖动，主要抖动时间段为23：00—8：00，此时间段内变压器负荷极低，接近空载运行，2021年3月以后抖动情况消失。

QUALITROL-092型油流继电器由电磁耦合表盘和法兰件组成，主要零件包括动板、转轴、复位弹簧、指示表针等。油流带动挡板转动通过转轴在表针上显示，当油流停止时由复位弹簧将动板复位。该油流继电器表壳，转轴与表针之间采用磁力连接，可以安装在2″到8″内径的管道上，结构见图1。

图1 QUALITROL-092型油流继电器结构

2 油流继电器抖动原因分析

2.1 油温对抖动的影响

采用高速摄像机安装于抖动油流继电器旁，对该油流继电器抖动次数进行持续监视。以2 h为一统计时段，选取该时段内抖动最频繁3 min作为数据样本，并记录对应时刻的变压器上层油温（见表1）。根据表1，油流继电器抖动次数与主变压器油温呈直接对应关系，油温在0℃附近，油流继电器开始出现抖动情况。油温较0℃越低，则抖动情况越严重，统计最大抖动次数油温为-12℃，3 min内抖动144次。油温高于0℃以后，抖动情况基本消失。

表1 故障油流继电器3 min内抖动统计

变压器油是典型的牛顿流体，动力粘度仅与温度有关，根据牛顿粘性定律公式[5]：

式中：μ为动力粘度；ρ为液体密度；τ为运动粘度。

动力粘度与运动粘度成比例关系[6]，油温在40℃时变压器油运动粘度为13 mm2/s，油温在-10℃时变压器油运动粘度为200 mm2/s，圆管流量雷诺数公式[7]为

式中：V为液体流速；d为管径。

圆管内沿程摩擦阻力系数为

将粘性定律公式和圆管流量雷诺数公式代入圆管内沿程摩擦阻力系数为

变压器油在油温-10℃时沿程摩擦阻力系数增大为油温40℃时的15.4倍。相同管道条件下，变压器油在油温-10℃时油流沿程能量损失也达到油温40℃时的15.4倍，从而造成油流速度显著下降。根据测算流速约为油温40℃时油流速度的10%。油温降低造成油速的显著下降使得油流继电器挡板承受压力减小，受自身复归力的影响油流挡板无法保持在开启位置[7]。

2.2 油流挡板对抖动的影响

结合主变压器停电对故障油流继电器进行更换，将换下来的继电器进行解体，对油流挡板进行研究分析。QUALITROL-092型油流继电器挡板面积约为4 cm2，文献[7]要求联管标称直径为100 mm的油流继电器返回流量为动作流量的0.75倍，挡板面积不小于10 cm2。根据统计，目前常用其他型号油流继电器挡板面积约为15 cm2。QUALITROL-092型油流继电器挡板面积明显偏小，详见图2、图3。

图2 QUALITROL-092型油流继电器

图3 其他常见油流继电器

油流继电器工作时遵循以下公式：

式中：F1为挡板承受油压力；h为挡板承受压强；S为挡板面积。

式中：F2为弹簧返回弹力；K为弹性系数；X为位移量。

当F1＞F2时挡板顶起，油流继电器指示开启。当F1＜F2时挡板返回，油流继电器判断为油流停止指示关闭。QUALITROL-092型继电器挡板面积仅为4 cm2，其挡板承受压力较小，油温较低时油的粘稠度增高，油流速度减弱，造成压强降低，此时F1值与F2值接近，使得油流继电器指针呈往复摆动状。

3 改进措施

根据上述油温及油流挡板对油流继电器指针频繁抖动的影响的分析，提出三方面改进措施，预防变压器油流继电器指针频繁抖动情况的发生：

1）运行维护时密切关注主变压器油温，根据研究显示油温低于5℃后，油流动力粘度显著增大。变压器运行中应及时通过负载调节、冷却装置投切保证变压器油温不低于5℃，但应注意不允许长时间将强油循环冷却器退出，避免造成变压器绕组散热不良。

2）变压器油流继电器选型应关注油流挡板面积，应结合变压器空载低温运行情况考虑留有一定裕度。

3）加强油流继电器状态检查、性能试验，除根据检修周期开展检修项目外，对于发生油流继电器频繁抖动缺陷的装置应缩短试验周期，及时处理异常缺陷。

4 结论

针对某750 kV主变压器油流继电器指针频繁抖动缺陷，通过分析变压器油在低温下的特性变化及油流继电器油流挡板结构情况，得出油流继电器指针抖动主要有以下两点原因：一是油温低于临界值后油的动力粘度增高，沿程摩擦阻力系数增大，油流沿程能量损失增大，使油流速度减弱造成油流对挡板的压力降低；二是QUALITROL-092型油流继电器挡板面积较小，导致挡板油压力与返回弹力接近。根据研究结果，从运行维护、设备选型及状态检修等三个方面提出了改进措施，保障变电主设备安全稳定运行。应用流体力学牛顿流体理论研究变压器油特性随温度的变化，此方法可应用在变压器内部油流活动分析及变压器冷却器设计等领域。