双浮子瓦斯继电器的CFD仿真分析

双浮子瓦斯继电器的CFD仿真分析

王东1郝丽萍1邝丽1兰昊2

（1贵州电网有限责任公司六盘水供电局贵州省六盘水市553000；

2昆明理工大学冶金与能源工程学院云南省昆明市650093）

摘要：为研究分析变压器油流在瓦斯继电器内部的流动过程，本文利用CFD软件，对重瓦斯保护动作过程中瓦斯继电器内部流场进行了模拟仿真，获得了瓦斯继电器内部的流场分布情况。结果表明：CFD对瓦斯继电器的内部油流模拟是可行的，能使瓦斯继电器内部的复杂油流变得可视化；同时，挡板中间圆孔面积的大小设计对于重瓦斯保护动作的灵敏性具有重要意义。

关键词：瓦斯继电器；数值模拟；流场

1引言

变压器瓦斯继电器安装在变压器本体与储油柜之间，是变压器的主要保护原件之一。瓦斯继电器设备结构简单，维护检修方便，对变压器匝间和层间短路、铁心故障、套管内部故障、绕组内部断线绝缘劣化和油面下降均能灵敏动作。因此，瓦斯继电器在电力系统得到了广泛的应用。瓦斯继电器经过长期运行后，可能存在触点接触不良、干弹簧管破裂、继电器弹簧松弛、漏油等缺陷，使气体继电器的保护功能不可靠[1]。气体继电器校验规程规定，变压器气体继电器应当定期校验，但目前校验台受电机的功率限制及控制技术限制，还不能实现模拟变压器受外部短路电流冲击下，在极限时间内使试验油流速度快速增加到真实油流速度的状态，使校验条件与真实事故状态条件存在差异，因此使得校验台上的试验结论失去科学性。CFD数值模拟手段广泛地运用于航天、建筑等工业领域，为瓦斯电器内部油流分析开辟了全新的视角。

2双浮子气体继电器结构及工作原理

2.1双浮子瓦斯继电器结构介绍

双浮子气体继电器由德国EMB公司生产，如图1所示为双浮子瓦斯继电器实物结构图。

图1BF型双浮子瓦斯继电器

2.2双浮子瓦斯继电器的工作原理

正常运行时，瓦斯继电器内部充满变压器油，两个浮子均处于悬浮状态。德国EMB公司生产双浮子瓦斯继电器共有以下3种功能[2]。

（a）轻瓦斯动作

变压器内部发生轻微故障时，油会裂解成少量的气体，这些多烃类气体随油流流动集中到瓦斯继电器的内腔中，使瓦斯继电器上腔逐渐充满气体，上腔气体压力升高便会迫使继电器内的油位下降，于是上浮子便会随油位一起下降，直至报警油位后，轻瓦斯动作发信。

（b）重瓦斯动作

当变压器内部发生严重故障时，油流会裂解成大量多烃类气体，油流产生强烈的冲击波至瓦斯继电器中，油流冲击挡板并带动下浮子运动后闭合跳闸回路接点，重瓦斯保护动作，跳开主变三侧断路器。

（c）低油温动作

当主变发生油流严重泄漏的时候，瓦斯继电器的上浮子会随着油流下降而发出报警信号。若瓦斯继电器内油位一直下降，使下浮子随着油位继续降低至重瓦斯保护动作出口。

3数值模拟

3.1建模与边界条件

本文以主变压器BF型瓦斯继电器作为研究对象，对变压器严重故障时油流在瓦斯继电器内部的流动进行数值模拟。瓦斯继电器的计算模型如图2所示。

计算域采用非结构三角形网格进行离散，并在继电器上下浮子附近及一些不规则的区域采用非结构化网格且进行加密。模型中包含四个边界：in、out、wall、inner，其中inner指的就是挡板。进口边界in定义为速度入口velocity-inlet；因强迫油循环的变压器推荐整定值为1.1m/s—1.5m/s[3]，本文模拟将油流整定到1.5m/s。对动量方程和连续方程采用有限体积法进行离散，离散方程的求解过程为：动量方程、湍动能、耗散方程采用二阶迎风格式以提高精度；压力-速度耦合选用SIMPLE算法；入口流速为加速度进口、湍流强度和水力直径作为入口边界条件；采用自由出流为出口边界条件；其余的边壁设为壁面边界条件。

如图3展现了油流在BF型瓦斯继电器内部的流动全貌图，即速度流场图。不同的颜色对应了油流速度的大小。从速度分布云图来看，当变压器内部出现较强的油流冲击波时，油流进入瓦斯继电器内部，首先对挡板进行冲击,造成油流速度下降，然后绕过挡板和下浮球继续往油枕方向流动。

可以清晰地观察到，上下浮子中间隔板将流场分隔为两个区域，上浮球周围的流场比较均匀，周围的流场受油流冲击的扰动较小，可推断当油流中不含气体参杂流动时，即便油流速度较大也不易造成上浮子轻瓦斯保护的动作发信。

油流冲击波对下浮子的影响较大。挡板中间有一圆孔，当油流冲击挡板时因流道的急聚收缩而导致油流加速“喷射”（红色区域），加速的油流冲击下浮子的上表面，使下浮子周围的流场较为紊乱，形成了巨大的紊流区域，高速油流对下浮子产生顺时针的力矩作用。同时，油流冲击挡板，挡板继续带动下浮子沿顺时针方向旋转后使报警触点

闭合，此时重瓦斯保护动作出口，完成主变三侧断路器的跳闸。因此，从速度云图分析认为挡板圆孔出口处高速喷射的油流和挡板动作的合力作用使得下浮球重瓦斯保护触点闭合。另外，挡板中间圆孔面积的大小设计，必然会造成圆孔出口处油流喷射速度不同，从而对下浮子产生的力矩大小也不一样，因此挡板圆孔大小的设计对于瓦斯继电器的灵敏动作也具有重要意义。

4.结论

（1）本文对BF型瓦斯继电器内部油流过程进行了模拟，仿真结果很直观地展现了油流在瓦斯继电器内部的流动过程，使复杂的瓦斯继电器的内部油流过程变得可视化。仿真结果表明用CFD模拟变压器瓦斯继电器内部的油流流动情况是可行的。

（2）模拟结果分析表明，通过挡板圆孔的高速油流和挡板转动的共同作用完成了BF型瓦斯继电器的重瓦斯保护触点闭合。挡板中间圆孔面积的大小设计对于瓦斯继电器重瓦斯保护的灵敏动作具有重要意义。

参考文献

[1]赵燕坤，郭绍伟，邬彦威.瓦斯继电器校验必要性及方法讨论[J].华北电力术,2014,（05）:22-24.

[2]李璐,陈正鸣,邝石等.气体继电器误动分析及处理[J].高压电器,2009,06:145-147.

[3]檀英辉,姚文军，李佩军等.500kV变压器瓦斯保护误动分析及整改[J].高压电器,2012,48（3）:117-122.