電壓互感器的絕緣結(jié)構(gòu)、老化因素及應(yīng)對措施

■ 吳忠供電局變電檢修工區(qū) 吉濤

在互感器設(shè)計中，絕緣部分一般采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，即采用檢驗統(tǒng)計的方法確定互感器絕緣的壽命。近年來，互感器絕緣設(shè)計方法中出現(xiàn)了現(xiàn)代的設(shè)計方法，如有限元分析法、可靠性設(shè)計技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，并且借助計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使用大型專業(yè)分析優(yōu)化軟件進(jìn)行分析設(shè)計，采用現(xiàn)代設(shè)計方法得到的方案比利用傳統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計出的方案更加經(jīng)濟(jì)合理。由于現(xiàn)代設(shè)計方法還處于發(fā)展之中，現(xiàn)代設(shè)計方法的具體內(nèi)容難以確定，但目前己有多種比較成熟的方法，概括起來有:優(yōu)化設(shè)計、有限元分析、可靠性分析、造型設(shè)計、價值工程、設(shè)計專家系統(tǒng)；計算機(jī)輔助設(shè)計等。而且這些方法交叉運用，可以構(gòu)成多種具有獨特應(yīng)用對象的方法，如可靠性優(yōu)化設(shè)計等。

一、電壓互感器的絕緣結(jié)構(gòu)

電壓互感器按絕緣介質(zhì)分有干式、澆注式、油浸式和氣體式四類，電壓互感器的絕緣結(jié)構(gòu)按照電壓等級的不同、使用環(huán)境的不同采取不同的方式。通常專供測量用的低電壓互感器是干式，高壓或超高壓密封式氣體絕緣(如六氟化硫)互感器也是干式。澆注式適用于35kV及以下的電壓互感器，35kV以上的產(chǎn)品均為油浸式。其中，環(huán)氧樹脂澆注式互感器與傳統(tǒng)的油浸式、充氣式互感器相比，具有無油、無氣、無外殼、終身免維護(hù)、絕緣性能好等優(yōu)點，是目前世界上普遍使用的一種互感器。

l.干式絕緣結(jié)構(gòu)

干式絕緣結(jié)構(gòu)制造簡單、成本低廉，但絕緣強(qiáng)度不高，所以采用這種結(jié)構(gòu)的電壓一般不超過380V。導(dǎo)線采用QZ型漆包圓銅線，絕緣結(jié)構(gòu)所用的絕緣材料主要有：絕緣紙、玻璃絲布帶、酚醛塑料等。線圈與鐵心之間采用膠木或塑料骨架絕緣，層間絕緣以及一次與二次線圈之間的主絕緣，一般采用黃蠟綢或聚脂薄膜。儀用電壓互感器環(huán)形鐵心與線圈之間的絕緣，一般采用絕緣紙板，再繞一兩層玻璃絲帶、黃蠟綢或聚脂膜帶。干式結(jié)構(gòu)簡單，但體積較大，只適用于低壓戶內(nèi)裝置，或者10kv及以下的儀用電壓互感器。

2.澆注式絕緣結(jié)構(gòu)

所謂澆注式絕緣是指由樹脂、填料、顏料及固化劑等按一定比例混合后，澆注到裝有互感器的一、二次繞組及其他零部件的模具內(nèi)，經(jīng)固化成型所形成的固體絕緣。固化成型的混合膠既固定了各相關(guān)零部件，又是互感器的主絕緣。澆注絕緣具有絕緣性能好、機(jī)械強(qiáng)度高、防潮、防火等優(yōu)點。樹脂混合膠在室溫或高溫下，具有較好的流動性，可以填充小的間隙，容易澆注成比較復(fù)雜的形狀，樹脂混合膠還具有很強(qiáng)的粘合作用，能把金屬和許多絕緣材料牢固地粘接在一起，是比較理想的互感器絕緣成型材料，目前廣泛應(yīng)用于35kV及以下電壓等級的戶內(nèi)互感器。

目前我國互感器上普遍使用的樹脂有環(huán)氧樹脂和不飽和樹脂兩種。不飽和樹脂價格便宜，可常溫固化，澆注工藝簡單，但是其電氣和機(jī)械強(qiáng)度低，耐熱性較差；此外，不飽和樹脂的飽和蒸汽壓高，混合膠不宜真空脫氣，澆注時也不宜抽真空，澆注體內(nèi)有氣泡；不飽和樹脂的固化收縮率大，混合膠固化時容易開裂。因此不飽和樹脂只適用于低電壓的產(chǎn)品。環(huán)氧樹脂的固化收縮率小，飽和蒸汽壓低，適于在高溫、高真空下澆注，使混合膠的流動性更好，可以最大限度地脫氣，從而得到性能理想的澆注體。

澆注式絕緣有半澆注和全澆注兩種:半澆注式是線圈單獨澆注，然后再裝上鐵心；全澆注式是線圈和鐵心裝好后一起澆注。環(huán)氧樹脂全澆注電壓互感器具有以下特點：(l)實現(xiàn)了無油化，保護(hù)了環(huán)境；(2)實現(xiàn)了免維護(hù)，節(jié)約了大量的人力物力及停電時間；(3)其制造材料均為不燃或耐燃自熄物質(zhì)，阻燃、防爆。

線圈對鐵心和地的絕緣都由樹脂承擔(dān)，澆注時要求不夾入氣泡或?qū)щ婋s質(zhì)。線圈層間絕緣采用電纜紙或復(fù)合絕緣紙。一次與二次線圈間的主要絕緣采用環(huán)氧樹脂筒、酚醛紙筒或經(jīng)過真空壓力浸漆的電纜紙筒。塑料澆注式結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)方便，適用于3～10kV的戶內(nèi)裝置。

環(huán)氧樹脂是一種早就廣泛應(yīng)用的化工原料，它不僅是一種難燃、阻燃的材料，且具有優(yōu)越的電氣性能，后來逐漸為電工制造業(yè)所采用。澆注式電壓互感器結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)簡單，隨著戶外用樹脂的發(fā)展，亦將逐漸在35kV以上戶外產(chǎn)品上采用。澆注式電壓互感器按澆注形式分為半澆注式和全澆注式。其中，一次繞組和各低壓繞組，以及一次繞組出線端的兩個套管均澆注成一個整體，然后再裝配鐵心的是一種常用的半澆注式結(jié)構(gòu)，優(yōu)點是澆注體比較簡單，容易制造，缺點是結(jié)構(gòu)不夠緊湊，鐵心外露會產(chǎn)生銹蝕，需要定期維護(hù);繞組和鐵心均澆注成一體的叫全澆注式，其特點是結(jié)構(gòu)緊湊，幾乎不需維護(hù)，但是澆注體比較復(fù)雜，鐵心緩沖層設(shè)置比較麻煩。

澆注互感器外絕緣根據(jù)戶內(nèi)、戶外兩種結(jié)構(gòu)形式有所不同。戶內(nèi)互感器用混合膠將一次繞組引線澆注成套管，以保證引線端子到底座或外露鐵心的絕緣距離，澆注套管一般是圓錐體、圓柱體或方柱體，有時也根據(jù)需要設(shè)有傘裙。戶外互感器的外絕緣有許多傘裙，以增加沿面爬電距離。有時還設(shè)計為大小傘裙，以提高其防污和抗凝露閃絡(luò)能力。戶外澆注互感器的膠料與戶內(nèi)澆注互感器的膠料有所不同，其所用環(huán)氧樹脂、填料、固化劑均應(yīng)滿足戶外運行條件。

3.油浸式絕緣結(jié)構(gòu)

在我國互感器中，目前油浸式電壓互感器占很大比重，其結(jié)構(gòu)形式普遍用于35kV及以上各等級電壓互感器。較低電壓等級的戶內(nèi)產(chǎn)品也有采用這種結(jié)構(gòu)的。油浸式電壓互感器可分為單級式和串級式兩種，單級式用于220kV及以下各電壓等級，串級式用于66kV及以上電壓等級。

油浸式電壓互感器的絕緣可分為:在油中的內(nèi)部絕緣和在空氣中的外部絕緣。主絕緣為一次繞組及高壓引線對鐵心或接地部分和對其他繞組的絕緣。串級式電壓互感器的鐵心與鐵心之間及鐵心與地之間的絕緣也視為主絕緣?？v絕緣為繞組的線匝間、層間、線段間的絕緣。

4.氣體絕緣結(jié)構(gòu)

SF6氣體無色、無味，具有較高的電氣強(qiáng)度，優(yōu)良的滅弧性能，良好的冷卻特性，不可燃，滅弧能力強(qiáng)，是一種極好的絕緣物質(zhì)。將它用于電氣設(shè)備可免除火災(zāi)的威脅，縮小設(shè)備尺寸，提高系統(tǒng)運行的可靠性。SF6金屬封閉式組合電器(GIS)的出現(xiàn)，縮小了戶外變電所的占地面積，提高了運行的安全可靠性。一般SF6氣體絕緣互感器用在GIS設(shè)備的配套設(shè)備中，互感器裝到GIS上以后，充滿SF6氣體，有著良好的絕緣性能。

SF6電壓互感器采用單相雙柱式鐵心，器身結(jié)構(gòu)與油浸單級式電壓互感器相似，包括繞組端部絕緣、高壓引線絕緣、一次繞組與鐵軛、外殼等其他接地金屬件之間的絕緣。若是三臺單相電壓互感器裝在一個外殼內(nèi)，還包括相間絕緣。層間絕緣采用有緯巨制粘帶和聚酷薄膜，一次繞組截面采用矩形或分級寶塔形。引線絕緣根據(jù)互感器是配套式還是獨立式有所不同，目前國內(nèi)制造廠采用高壓引線與其它附件的SF6間隙來保證其絕緣強(qiáng)度。

采用SF6氣體的互感器誤差穩(wěn)定，目前只生產(chǎn)接地型，單項式用于分相全封閉組合電器。三相由三臺單相互感器構(gòu)成，用于三相共箱全封閉組合電器。另外還有獨立式單相SF6氣體絕緣互感器用于一般開敞式變電站。

二、造成絕緣老化的因素

電氣設(shè)備的絕緣在長期運行過程中會發(fā)生一系列如固體介質(zhì)軟化或熔解等形態(tài)變化、低分子化合物及增塑劑的揮發(fā)等的物理變化和如氧化、電解、電離、生成新物質(zhì)等的化學(xué)變化，致使其電氣、機(jī)械及其他性能逐漸劣化如電導(dǎo)和介質(zhì)損耗增大、變脆、開裂等，這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為絕緣的老化。絕緣老化最終導(dǎo)致絕緣失效，電力設(shè)備不能繼續(xù)運行。所示絕緣材料的壽命與老化時間的關(guān)系見圖1。

促使絕緣老化的原因很多，主要有熱、電和機(jī)械力的作用，此外還有水分(潮氣)、氧化、各種射線、微生物等因素的作用。絕緣老化的速度與絕緣結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝、運行環(huán)境、所受電壓、負(fù)荷情況等有密切關(guān)系。

l.熱老化

電氣設(shè)備絕緣在運行過程中因周圍環(huán)境溫度過高，或因電氣設(shè)備本身發(fā)熱而導(dǎo)致絕緣溫度升高。1930年v.m.montsinger首次提出了絕緣壽命與溫度之間的經(jīng)驗關(guān)系即10℃規(guī)則，認(rèn)為溫度每升高10℃則絕緣壽命約減半。但實際上，不同絕緣的老化速度應(yīng)該不同，因此10℃規(guī)則不能簡單地應(yīng)用于所有的絕緣系統(tǒng)。1948年Dakin提出的新觀點認(rèn)為熱老化實為有聚合鏈分裂等作用的氧化效應(yīng)，本質(zhì)為一種化學(xué)反應(yīng)過程，因此應(yīng)當(dāng)遵循化學(xué)反應(yīng)速率方程：

Lnl =lnα+b/t

其中，α、b 分別是由特定老化反應(yīng)所決定的常數(shù)，l為絕緣壽命，t為絕對溫度。該方程的提出，為高溫加速老化試驗及試驗結(jié)果的外推提供了理論依據(jù)，彌補(bǔ)了Montsinger 10℃規(guī)則難以區(qū)分不同條件下老化的差異的缺點。

在高溫作用下，絕緣的機(jī)械強(qiáng)度下降，結(jié)構(gòu)變形，因氧化、聚合而導(dǎo)致材料喪失彈性，或者造成耐放電性能降低；因材料裂解而造成絕緣擊穿，電老化壽命縮短，因為溫度增高時，放電起始電壓降低，放電強(qiáng)度增加，放電產(chǎn)生的化學(xué)腐蝕增加，熱的不穩(wěn)定性也能在更低的電壓與頻率下發(fā)生。戶外電氣設(shè)備會因熱脹冷縮而使密封破壞，水分侵入絕緣；或因瓷絕緣件與金屬件的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度劇烈變化時，瓷絕緣件破裂。但是有試驗數(shù)據(jù)表明，不能用室溫下所得材料耐放電性的試驗結(jié)果來預(yù)測高溫下的性能。

2.電老化

電氣設(shè)備絕緣在運行過程中會受到電場的作用。絕緣所承受的電場強(qiáng)度對其壽命有非常大的影響，原因是，一方面場強(qiáng)增加，放電次數(shù)增加;另一方面加快了從局部放電到擊穿的過程。絕緣在電場應(yīng)力作用下的老化行為，尚無定量化描述的理論公式。一般，電老化壽命與場強(qiáng)不是線性關(guān)系，而是反冪關(guān)系。在雷電過電壓和操作過電壓的作用下，絕緣中可能發(fā)生局部損壞。以后再承受過電壓作用時，損壞處逐漸擴(kuò)大，最終導(dǎo)致完全擊穿。

電老化是所有的高壓電氣設(shè)備不可避免的一種老化形式，用于高壓電氣設(shè)備的絕緣在制造過程中內(nèi)部或多或少會存在一些微觀尺度甚至宏觀尺度的氣隙缺陷。當(dāng)外電場達(dá)到氣隙的起始放電電壓時，就會發(fā)生局部放電，破壞絕緣的結(jié)構(gòu)，逐步降低它的絕緣性能。常用的單應(yīng)力電老化模型有反冪及指數(shù)模型分別為

L=K

L=αexp(-bE)

式中，E 為電場強(qiáng)度；k，n，α，b為實驗確定的常數(shù)。

電老化的機(jī)理十分復(fù)雜，如電場的均勻程度與電壓的頻率均會對電老化的速度造成影響，當(dāng)固體絕緣介質(zhì)處在均勻電場中時，其擊穿電壓往往較高;而在不均勻的電場中，其擊穿電壓往往較低。同一種絕緣介質(zhì)在不同的電壓頻率下，放電次數(shù)隨頻率成比例增加，因此，除頻率非常高引起熱擊穿外，一般絕緣的電老化壽命與頻率成反比。此外，不同材料的壽命一場強(qiáng)曲線是交錯的。

不少研究者認(rèn)為，當(dāng)外施電壓低于絕緣的局部放電起始放電電壓時，材料就不會發(fā)生由電場所引起的老化。在溫度確定的條件下，絕緣材料的壽命曲線趨向一電場閩值式，當(dāng)絕緣承受的外加電場低于或接近該電場闡值時，其壽命將趨于無窮。對于上述聞值電場的存在，也有持不同觀點的人認(rèn)為，絕緣介質(zhì)在外施電場作用下的老化是一個連續(xù)的過程，不存在任何明顯影響老化進(jìn)程的電場闡值。一些學(xué)者通過對氣穴中空氣從亞電暈到強(qiáng)烈電暈過渡過程中非線性電導(dǎo)率的理論計算和實測數(shù)據(jù)表明，低電壓下的微小亞電暈電流將引起氣穴中氣體和氣穴表面溫度的升高。隨電壓的提高，亞電暈放電形式向強(qiáng)烈電暈放電形式轉(zhuǎn)化，放電源的溫度將不斷上升，說明絕緣介質(zhì)在外施電場作用下的老化是一個連續(xù)的過程，不存在任何明顯影響老化進(jìn)程的電場闡值。該觀點如被更多的實驗證實，將因其物理過程清晰，測量方法明確，可能具有更大的說服力。

3.機(jī)械力老化

在機(jī)械負(fù)荷、自重、振動、撞擊和短路電流電動力的作用下，絕緣會破壞，機(jī)械強(qiáng)度下降。另外材料內(nèi)部存在拉伸應(yīng)力時，它的耐放電性能下降。但壓縮應(yīng)力對它的耐放電性能影響不大。由于材料在制造和應(yīng)用過程中常存在殘余拉伸應(yīng)力，因此它對材料老化壽命的影響極為重要。

4.濕度老化

環(huán)境的相對濕度對絕緣材料耐受表面放電的性能有影響。如果絕緣承受表面放電，環(huán)境的相對濕度對材料的耐放電性有顯著影響。由于在高相對濕度下，放電的結(jié)果在材料表面會生成一層半導(dǎo)電層，使放電產(chǎn)生自衰。因此，在表面放電情況下，一定相對濕度范圍內(nèi)，絕緣材料的電老化壽命隨相對濕度的增高而增長;但在較高的相對濕度下，壽命隨相對濕度的增高而縮短。如果水分侵入絕緣內(nèi)部，將會造成介質(zhì)電損耗增加或擊穿電壓下降。對于某些絕緣材料，例如聚乙烯，由于水分的存在，在很低的電場強(qiáng)度下也會發(fā)生樹枝現(xiàn)象。

5.化學(xué)老化

絕緣材料在水分、酸、臭氧、氮的氧化物等的作用下，物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能會改變，以致降低電氣和機(jī)械性能。例如變壓器油在空氣中會因氧化產(chǎn)生有機(jī)酸，使介質(zhì)損耗增加:同時還會形成固體沉淀物，堵塞油道，影響對流散熱，使絕緣的溫度上升而使絕緣性能下降。

6.其他老化因素

絕在戶外使用的絕緣材料受日光直接照射，在紫外線作用下也會發(fā)生老化。在核反應(yīng)堆、X射線裝置中用的絕緣材料受到輻射作用，均會發(fā)生老化。此外，在溫?zé)釒У貐^(qū)絕緣材料還會受到各種微生物的損害，即所謂微生物老化。

絕緣材料在實際應(yīng)用中往往同時受到多種老化因素的共同作用，其效應(yīng)并不是各種單一因素老化效應(yīng)的簡單疊加。它們之間還存在著相互作用，所以老化機(jī)理很復(fù)雜。

三、電壓互感器絕緣結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢

電壓互感器的原理比較簡單，不同用戶依據(jù)電壓互感器使用的場合、用途、產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度對電壓互感器提出不同的使用壽命要求，由于不同壽命的產(chǎn)品成本、價格有著很大的差異，電壓互感器的絕緣設(shè)計壽命將按照用戶預(yù)期使用的壽命來設(shè)計，將徹底改變舊有產(chǎn)品使用越久越合算的觀念。

將機(jī)械設(shè)計中應(yīng)力一強(qiáng)度干涉理論將引入電氣絕緣可靠性技術(shù)中來，這項技術(shù)的發(fā)展使電器產(chǎn)品的絕緣使用壽命可以隨著用戶對不同場合、用途的電壓互感器使用壽命提出差異化要求成為現(xiàn)實。

電壓互感器的絕緣壽命薄弱環(huán)節(jié)，即一次線圈直角部分的尖端電極造成的電位線畸變引起電場集中問題?？梢酝ㄟ^增大薄弱區(qū)域的絕緣來解決這個問題，但增大絕緣要與成本增加綜合考慮;也可以考慮采取屏蔽的方式，改進(jìn)線圈的設(shè)計降低電場、溫度場應(yīng)力的方式來進(jìn)行優(yōu)化，如增大線圈線徑、增加線圈直徑增大散熱和對線圈直角部分倒圓角、對一次線圈增加銅制均壓環(huán)的方式解決電場畸變的問題等。降低溫度的方式和增加銅制均壓環(huán)的方式都需要增加銅金屬的成本，經(jīng)濟(jì)上不劃算，因此選擇比較經(jīng)濟(jì)的對一次線圈直角部分進(jìn)行倒圓角，將尖端電極和造成電場集中的電極變的圓滑，改善電場分布的方式進(jìn)行優(yōu)化。

[1]楊啟平,薛五德,藍(lán)之達(dá).變壓器絕緣老化的診斷與壽命評估[J].變壓器,2004,(02).

[2]王萬華.變壓器絕緣老化診斷中應(yīng)注意的問題[J].高電壓技術(shù),1995,(03).

[3]蔣雄偉,賈志東,謝恒.絕緣材料老化壽命模型的研究進(jìn)展[J].高電壓技術(shù),2000,(03).

[4]廖瑞金,解兵,楊麗君,等.油紙絕緣電-熱聯(lián)合老化壽命模型的比較與分析[J].電工技術(shù)學(xué)報,2006,(02).

[5]尚勇,錢政,楊敏中,嚴(yán)璋.高電壓設(shè)備絕緣老化及狀態(tài)維修的實現(xiàn)[J].高電壓技術(shù),1999,(03).

[6]蔣雄偉,賈志東,謝恒.絕緣材料老化壽命模型的研究進(jìn)展[J].高電壓技術(shù),2000,(03).

[7]翁利民,陳靈欣,靳劍峰.配電網(wǎng)電壓互感器鐵磁諧振的特點與抑制[J].繼電器,2004,(20).

[8]邢惜波.淺談串級式電壓互感器介質(zhì)損耗因數(shù)測試[J].西部探礦工程,2004,(10).