750 kV GIS用環(huán)氧澆注式保護(hù)級(jí)電流互感器關(guān)鍵技術(shù)

龔立群，郎福成，佟貴新

(1．沈陽(yáng)世意電器制造有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110027;2．遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006;3．國(guó)家大容量第一計(jì)量站，遼寧 撫順 113112)

隨著電力系統(tǒng)向超高壓、特高壓、大容量方向的發(fā)展［1－6］，電力系統(tǒng)對(duì)其設(shè)備安全可靠運(yùn)行的要求日益提高，GIS以其運(yùn)行安全可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)［7－8］，不僅在高壓、超高壓領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，而且在特高壓領(lǐng)域也被使用［9－14］。GIS用TA是組成GIS的重要部件之一，而環(huán)氧樹(shù)脂真空澆注式［15－17］GIS用TA與普通捆扎式TA相比，以其優(yōu)異的機(jī)械、防水、防潮性能倍受用戶青睞。但隨著電壓等級(jí)的不斷提高，產(chǎn)品的制造難度加大，產(chǎn)品電氣性能的穩(wěn)定性難以得到可靠保證，針對(duì)這一問(wèn)題，以常用的750 kV GIS用環(huán)氧澆注式保護(hù)級(jí)(5P級(jí))TA為例，試驗(yàn)分析了影響其伏安特性曲線的主要因素，并提出有效解決方法。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)及伏安曲線的試驗(yàn)方法

為某公司配套生產(chǎn)的750 kV GIS用保護(hù)級(jí)(5P級(jí))環(huán)氧澆注式TA，其型號(hào)為L(zhǎng)RZB6－800，變比為2 000－4 000/1 A，準(zhǔn)確級(jí)為5P20，負(fù)荷為30 VA，內(nèi)徑≥1 050 mm，外徑≤1 195 mm。

1.1 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)

該產(chǎn)品鐵心材料選用硅鋼片材料，根據(jù)產(chǎn)品的參數(shù)要求及式 (1)初步計(jì)算出鐵心的尺寸。

式中:Ac為鐵心截面，cm2;K2Z為考慮繞組內(nèi)阻抗的系數(shù)，通常取K2Z=1.1～1.5;I2n為額定二次電流，A;Z2n為額定二次負(fù)荷，Ω;f為額定頻率，Hz;N2n為額定二次匝數(shù);Bn為初選的額定磁密，T。

再根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行修正，最終確定產(chǎn)品的成品尺寸為Φ 1 050/Φ 1 195－60 mm，產(chǎn)品如圖1所示。

圖1 750 kV環(huán)氧澆注式GIS用5P級(jí)TA

1.2 試驗(yàn)電路與方法

TA伏安特性是指TA一次側(cè)開(kāi)路，二次側(cè)勵(lì)磁電流與所加電壓的關(guān)系曲線，實(shí)際上就是鐵心的磁化曲線 (即勵(lì)磁特性)，試驗(yàn)接線如圖2所示。

圖2 伏安曲線接線

試驗(yàn)時(shí)，一次側(cè)開(kāi)路，從TA本體二次側(cè)施加電壓，預(yù)先選取幾個(gè)電流點(diǎn)，逐點(diǎn)讀取相應(yīng)電壓值。當(dāng)電壓稍微增加一點(diǎn)而電流增大很多時(shí)，說(shuō)明鐵心已接近飽和，應(yīng)緩慢升壓或停止試驗(yàn)。試驗(yàn)后，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出伏安特性曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果

澆注成品例行試驗(yàn)時(shí)，18臺(tái)產(chǎn)品中有11臺(tái)產(chǎn)品伏安曲線比半成品測(cè)試值降低20%以上，有5臺(tái)產(chǎn)品的伏安曲線降低超過(guò)50%，其中2臺(tái)產(chǎn)品的伏安曲線如圖3所示。其余7臺(tái)產(chǎn)品在幾天后的復(fù)試中發(fā)現(xiàn)，伏安曲線均有大幅降低。如果把伏安曲線有大幅度降低的產(chǎn)品投入運(yùn)行，將會(huì)給GIS的安全運(yùn)行帶來(lái)極大的隱患。

伏安曲線測(cè)試是在相同的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，并與同時(shí)生產(chǎn)的其它型號(hào)的5P級(jí)TA在相同設(shè)備及環(huán)境下測(cè)試，曲線并沒(méi)有發(fā)生大幅度降低。因此，可以判斷并不是由于環(huán)境和設(shè)備的因素。為了進(jìn)一步分析原因，取相同高度的110 kV GIS用5P級(jí)TA進(jìn)行對(duì)比分析。

a． 繞組包扎工藝

圖3 TA伏安曲線

兩種電壓等級(jí)5P級(jí)TA的鐵心材料均采用冷扎硅鋼片卷制，由于GIS所用TA本身不承擔(dān)主絕緣，對(duì)于110 kV與750 kV GIS用TA的絕緣是相同的，因此，兩種TA繞組的絕緣包扎采用相同工藝，包扎工藝如圖4所示。

圖4 繞組的包扎工藝

b． 環(huán)氧澆注工藝

環(huán)氧澆注TA的混合料配比及澆注工藝經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐及調(diào)整已取得非常好的效果，樹(shù)脂混合料的工藝性好且固化后具有良好的機(jī)械性能與電氣性能，澆注成品的電器性能穩(wěn)定，工藝流程如圖5所示。產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)將環(huán)氧樹(shù)脂層預(yù)留一定厚度(該厚度是通過(guò)多年實(shí)踐驗(yàn)證)，從5臺(tái)伏安曲線變化大的繞組中抽取2臺(tái)產(chǎn)品，這2臺(tái)產(chǎn)品樹(shù)脂表面光滑、平整，無(wú)開(kāi)裂，將其環(huán)氧樹(shù)脂層剝掉，樹(shù)脂層的厚度均勻，無(wú)氣孔等異?，F(xiàn)象。

c． 產(chǎn)品尺寸及結(jié)構(gòu)

圖5 TA環(huán)氧澆注工藝

對(duì)去掉樹(shù)脂的2個(gè)繞組復(fù)試伏安曲線，伏安曲線均有大幅提高，但并未恢復(fù)到原半成品時(shí)的測(cè)試值。由試驗(yàn)結(jié)果可以得出，伏安曲線降低的主要原因是鐵心受內(nèi)應(yīng)力所致。而同樣方式制作的110～550 kV GIS用TA伏安曲線沒(méi)有這么大的變化，為方便分析，選取110 kV高度為60 mm的GIS用5P級(jí)TA與750 kV GIS用5P級(jí)TA進(jìn)行對(duì)比 (如表1所示)。

表1 尺寸對(duì)比

由表1可見(jiàn)，110 kV GIS的直徑小，鐵心截面積與產(chǎn)品中徑比相對(duì)大，鐵心的機(jī)械強(qiáng)度高、不宜變形，而750 kV GIS自身機(jī)械強(qiáng)度低、易變形，在受到相同力的作用時(shí)前者所受的影響要遠(yuǎn)小于后者。因此，提高750 kV GIS用保護(hù)級(jí) (5P級(jí))TA鐵心機(jī)械強(qiáng)度、減小受力是解決其澆注后伏安曲線性能穩(wěn)定的關(guān)鍵。

3 不同包扎結(jié)構(gòu)的TA環(huán)氧澆注前后伏安曲線的變化

GIS用環(huán)氧澆注式TA繞組通常采用加墊緩沖的方式消除或減小環(huán)氧樹(shù)脂固化收縮時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)鐵心的影響。針對(duì)750 kV GIS用 (保護(hù)級(jí))5P級(jí)的TA鐵心直徑大、截面小的特點(diǎn)，采取以下不同的包扎結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行分析。

3.1 緩沖層在導(dǎo)線層內(nèi)部

該方法是先包鐵心絕緣，再在其外部用絕緣緩沖帶包扎，包扎后再進(jìn)行繞組的繞制及絕緣包扎(包扎結(jié)構(gòu)如圖6所示)。按照該方法制作2臺(tái)產(chǎn)品，澆注前、后伏安曲線的測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，緩沖層在線層內(nèi)部的產(chǎn)品，在澆注成品后曲線有大幅度的降低，伏安特性曲線降低超過(guò)20%。

3.2 緩沖層在導(dǎo)線層外部

緩沖層包扎在導(dǎo)線層外部的結(jié)構(gòu)如圖8所示，按照該方法制作2臺(tái)產(chǎn)品，其伏安曲線測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖8 緩沖層在導(dǎo)線層外部

圖9 緩沖層在導(dǎo)線層外部的伏安曲線

由圖9可以看出，緩沖層在導(dǎo)線層外部的產(chǎn)品，在澆注成品后伏安曲線降低超過(guò)20%。

3.3 鐵心加紙墊圈、角環(huán)

將鐵心用絕緣紙板做的角環(huán)與端圈包好，再包匝絕緣及繞制導(dǎo)線，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。

取半成品伏安曲線數(shù)據(jù)相近的2臺(tái)鐵心，在包紙墊圈、角環(huán)后，1臺(tái)按緩沖在線層內(nèi)，另1臺(tái)緩沖在線層外繞制繞組作對(duì)比，澆注成品后伏安曲線如圖11所示。

圖10 包扎紙墊圈、角環(huán)的繞組包扎結(jié)構(gòu)

圖11 鐵心包扎紙墊圈、角環(huán)的伏安曲線

由圖11可以看出，2臺(tái)繞組澆注成品后伏安曲線有一定程度的降低，但改善幅度不大，未達(dá)到預(yù)期效果。

3.4 鐵心加裝金屬護(hù)盒

將包好絕緣的鐵心裝入用非導(dǎo)磁金屬材料制作的仿鐵心形狀 (端蓋為絕緣材料制成)的盒子里，包扎過(guò)程相同，如圖12所示。

圖12 有金屬護(hù)盒的繞組包扎結(jié)構(gòu)

取數(shù)據(jù)相接近的2臺(tái)鐵心，分別采取圖12中(a)和 (b)的方式進(jìn)行繞組制作，繞組包扎完后，產(chǎn)品按澆注工藝進(jìn)行環(huán)氧樹(shù)脂真空澆注，測(cè)試結(jié)果如圖13所示。

圖13 鐵心加紙墊圈、角環(huán)的伏安曲線

由圖13可以看出，加裝金屬護(hù)盒的鐵心，無(wú)論采取緩沖層在繞線層內(nèi)還是緩沖層在繞線層外所制成的產(chǎn)品，其澆注成品后的伏安曲線基本沒(méi)有變化。將該產(chǎn)品放15日后，復(fù)試其伏安曲線，伏安曲線與先前半成品所測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。

將余下的所有鐵心均采取加裝非導(dǎo)磁性金屬護(hù)盒的方法制作繞組，繞組再按澆注工藝澆注后所得的澆注式TA繞組，其成品伏安曲線與繞組半成品時(shí)測(cè)試的數(shù)據(jù)基本一致，無(wú)論放置多長(zhǎng)時(shí)間，其伏安曲線基本無(wú)變化，解決了750 kV GIS用環(huán)氧澆注式保護(hù)級(jí) (5P級(jí))TA的伏安曲線降低的問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

750 kV及以上GIS用環(huán)氧澆注式保護(hù)級(jí) (5P級(jí))TA變比大、負(fù)荷小。為滿足產(chǎn)品的性能參數(shù)，鐵心的截面選取都比較小，但對(duì)于750 kV及以上電壓等級(jí)所用的TA直徑都很大 (1 000 mm左右)，造成鐵心自身強(qiáng)度降低，受外界應(yīng)力影響大，使其性能發(fā)生很大的變化。對(duì)于GIS用環(huán)氧澆注式保護(hù)級(jí)TA等鐵心強(qiáng)度低的產(chǎn)品，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮增加鐵心強(qiáng)度，采用給鐵心加裝非導(dǎo)磁金屬護(hù)盒是非常有效的方法。

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