輸電電纜取電CT輸出性能的影響因素分析

李 平

(廣西鑫源電力勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣西欽州，535000)

1 引言

隨著我國(guó)城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各地用電量每年不斷遞增。新建的智能電網(wǎng)為考慮未來(lái)5至10年的用電增長(zhǎng)需求，輸電線路中使用的電纜通流能力都留有一定裕量，而且10kV及以上的高壓電纜都具有滿足相應(yīng)安全要求厚度的絕緣層。因此輸電網(wǎng)中大多數(shù)高壓電纜的外徑都大于50mm。此類(lèi)電纜其在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的取電CT一般選用內(nèi)徑120mm或者160mm的圓環(huán)形開(kāi)合式CT。

此類(lèi)型CT其單個(gè)個(gè)體尺寸較大，也相對(duì)較重。批量生產(chǎn)時(shí)，其小電流模式下的取電性能極為不穩(wěn)定。曾出現(xiàn)多起同批次CT(量大于100)，入廠驗(yàn)收不良率達(dá)40%以上。與供應(yīng)商間來(lái)回處理、運(yùn)輸不合格品，浪費(fèi)人力、物力和時(shí)間成本。若對(duì)小電流模式下CT的輸出性能進(jìn)行優(yōu)化，將進(jìn)一步降低電纜在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的啟動(dòng)電流并提高設(shè)備供電的可靠性。

2 CT取電的原理簡(jiǎn)述

CT感應(yīng)取電的主要工作原理與變壓器的工作原理相同，即應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)穿過(guò)環(huán)形鐵芯的原邊電流交流變化時(shí)，CT的二次繞組(用作取電CT的輸出端)將產(chǎn)生感應(yīng)電壓。由于取電用的CT原副邊匝數(shù)比為1：n(n通常取幾十或上百匝)，而輸電線路電纜的最大電流可達(dá)上千安培。因此，CT的輸出端不能開(kāi)路，否則將產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，并造成鐵芯飽和而影響其壽命。當(dāng)CT輸出端接負(fù)載時(shí)，負(fù)載上將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)匝數(shù)比的感應(yīng)電流。

由文獻(xiàn)[1] 可知，采用在CT的輸出端加整流橋和旁路開(kāi)關(guān)進(jìn)行保護(hù)的電路方式進(jìn)行取能，將不會(huì)出現(xiàn)鐵芯在原邊大電流情況下飽和以及輸出過(guò)電壓的問(wèn)題。因此，下文不再闡述取電CT工作在電纜大電流的情況，主要在電纜小電流輸電模式下進(jìn)行討論。

3 取電CT的制作方法

由文獻(xiàn)[2] 可知，圓環(huán)形CT的最優(yōu)輸出功率Pmax可由以下表達(dá)式計(jì)算：

(1)

式中，I為原邊電流，f為原邊電流的變化頻率，s為磁芯截面積，μ為磁芯磁導(dǎo)率，ln為有效磁路長(zhǎng)度。

由公式(1)可知，當(dāng)其它變量固定時(shí)，CT的輸出功率與磁芯胚體的有效截面積成正比，與磁路長(zhǎng)度成反比。磁路長(zhǎng)度與磁芯的內(nèi)外徑相關(guān)，而磁芯最小內(nèi)徑由電纜的外徑?jīng)Q定。增大磁芯截面積也可以提高CT的輸出功率，然而截面積太大會(huì)增加制作成本和CT的重量，不利于后續(xù)加工、運(yùn)輸以及塔上安裝。還可以通過(guò)提高磁導(dǎo)率來(lái)增大CT的輸出性能，CT的磁導(dǎo)率通常與磁芯胚體的材料相關(guān)。

輸電線路電纜通常使用于戶外桿塔引下、埋地、電纜溝、戶內(nèi)等場(chǎng)景，其在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的取電CT也必須能用在戶外等場(chǎng)景，應(yīng)具有防水、防腐蝕、耐污等性能。

為了方便安裝和綜合成本考慮，大尺寸CT的磁芯一般選用圓環(huán)形胚體，材料為硅鋼。制作方法如下：

1)根據(jù)設(shè)備的功率需求確定胚體的最小截面積；

2)根據(jù)電纜的外徑確定胚體的內(nèi)外徑尺寸和外殼模具的尺寸；

3)根據(jù)電纜的負(fù)荷情況選定繞線匝數(shù)和線徑；

4)繞線完成后將鐵芯胚體放置在相應(yīng)模具內(nèi)，引出輸出線纜，然后澆注紅色環(huán)氧樹(shù)脂膠；

5)最后將灌好膠的CT從中間切成兩個(gè)半圓環(huán)并對(duì)切割面進(jìn)行打磨。交付CT成品時(shí)采用抱箍鎖緊方式連同抱箍一起發(fā)貨。

以下按照取電CT的外形尺寸已經(jīng)確定的情況(比如內(nèi)徑為?160mm的成品CT)進(jìn)行分析。

4 取電CT的檢測(cè)方式

取電CT的性能檢測(cè)主要為針對(duì)CT的重量、外形尺寸、繞線匝數(shù)以及取電性能等方面進(jìn)行測(cè)試。

繞線匝數(shù)的測(cè)試方法為：參考圖1接線，將大電流發(fā)生器的輸出線纜從CT中間穿過(guò)(匝數(shù)為1)；將CT的輸出端短路。再把原邊線纜電流(交流)升至I1(如200A)，測(cè)試CT輸出端的短路電流I2，則可算出繞線匝數(shù)：

圖1 取電CT電性能的測(cè)試接線

(2)

CT取電性能的測(cè)試主要測(cè)試其小電流模式下的空載開(kāi)路電壓。具體為：如圖1接線，將電流發(fā)生器的輸出線纜從CT中間穿過(guò)(匝數(shù)為1)；調(diào)節(jié)CT原邊線纜的電流至一個(gè)設(shè)定的小電流值(如10A)，測(cè)試CT輸出端的空載電壓。

根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，CT的空載電壓按如下指標(biāo)劃分：

常溫環(huán)境，相同原邊小電流下：

1) CT切割后的電壓小于切割前的65%，其輸出性能較差；

2) CT切割后的電壓為切割前的65%～70%，其輸出性能一般；

3) CT切割后的電壓為切割前的70%～75%(不含兩端點(diǎn))，其輸出性能良好；

4) CT切割后的電壓大于等于切割前的75%，其輸出性能較優(yōu)。

5 工程問(wèn)題及原因分析

取電CT在實(shí)際工程應(yīng)用中出現(xiàn)過(guò)以下問(wèn)題：

1)部分CT閉合鎖緊后，在原邊小電流下，其空載輸出電壓較低，導(dǎo)致設(shè)備的啟動(dòng)電流超出規(guī)定值。

經(jīng)排查分析原因有兩種：

a)部分CT閉合后其切割面有明顯縫隙(如圖2)，過(guò)大的氣隙降低了鐵芯磁導(dǎo)率；

圖2 切割面縫隙過(guò)大

b)環(huán)形鐵芯胚體先由硅鋼片一層層卷繞，成形后用膠水緊固。若胚體未完全緊固便開(kāi)始繞線和澆注紅色環(huán)氧樹(shù)脂膠，紅膠將浸透硅鋼片層使其分隔開(kāi)。后續(xù)切割CT時(shí)，單層硅鋼片由于硬脆而在切口處斷裂，使切割面存在條形裂縫(如圖3)，從而降低整體磁導(dǎo)率。

圖3 切面有條形裂紋

2)同批次CT在不同時(shí)間段測(cè)試結(jié)果差異較大。

經(jīng)分析為每次拆裝抱箍后，兩半CT不易對(duì)齊使鐵芯胚體稍微錯(cuò)位或者切割面存在細(xì)小粉塵等異物，最終導(dǎo)致CT磁導(dǎo)率降低。

3)相同CT在供應(yīng)商處合格，入廠驗(yàn)收卻不合格。

經(jīng)排查為CT切割后其空載輸出電壓受環(huán)境溫度影響。表1為實(shí)測(cè)3個(gè)不同編號(hào)的CT在不同低溫環(huán)境下，原邊電流為15A時(shí)的空載輸出電壓。測(cè)試結(jié)果表明：溫度越低，CT的輸出電壓越低。由于CT生產(chǎn)廠家位于深圳，而采購(gòu)商位于武漢，在春冬季節(jié)，兩地環(huán)境溫度相差較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩地測(cè)試結(jié)果不一致。

表1 低溫影響CT的輸出電壓

4)杭州某110kV線路上新安裝的一批電纜在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，連續(xù)出現(xiàn)4套設(shè)備的CT無(wú)法取電。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查：均為電纜外徑較大，CT的內(nèi)徑已處于電纜外徑的臨界狀態(tài)，經(jīng)鋸床切割后會(huì)有1至2mm的材料損耗，使其不再為一個(gè)完整的圓環(huán)形。CT的最小內(nèi)徑小于電纜的外徑(如圖4)。導(dǎo)致CT安裝時(shí)其切面并未閉合，CT磁導(dǎo)率嚴(yán)重降低而無(wú)法取能。

圖4 CT內(nèi)徑稍小于電纜外徑

6 其它因素和改進(jìn)思路

除上述工程應(yīng)用中的問(wèn)題和原因外，影響CT輸出性能的因素還有：

1)鐵芯胚體的材料配比。鐵和硅在胚體中的含量占比會(huì)影響鐵芯的磁導(dǎo)率和銹蝕速率；

2)CT的防水密封工藝。開(kāi)合式安裝的CT應(yīng)用在戶外時(shí)需要密封防水，傳統(tǒng)的防水密封方式為一半CT不動(dòng)，另一半CT的兩端銑凸臺(tái)并安裝密封墊圈。兩半CT閉合時(shí)，密封膠墊與另一半未做處理的CT形成軟硬擠壓達(dá)到密封效果。但是，此方式不易控制膠墊的形變量，當(dāng)膠墊過(guò)厚時(shí)，兩半CT的切割面將會(huì)存在較大的氣隙而影響CT整體磁導(dǎo)率。

3)CT切割面的防銹工藝。硅鋼材料由于含鐵而容易生銹，CT切割面的銹蝕速率將影響其使用壽命。

4)CT的安裝工藝要求。安裝時(shí)兩半CT的胚體切面是否對(duì)齊，切面是否有細(xì)小微粒等也將影響CT的整體磁導(dǎo)率而降低其輸出性能。

綜上所述，提出如下優(yōu)化CT輸出性能的思路：

1)不斷試驗(yàn)和優(yōu)化鐵芯材料的鐵硅配比，在磁導(dǎo)率和銹蝕速率方面選個(gè)最優(yōu)配方；

2)采用較優(yōu)的防水密封工藝和防銹工藝，避免因安裝導(dǎo)致胚體錯(cuò)位和增加氣隙；

3)優(yōu)化胚體的制作工藝和繞線后的澆注工藝，以免在后續(xù)切割時(shí)造成切面有裂縫；

4)優(yōu)化CT的切割工藝和后續(xù)打磨工藝，比如將鋸床切割改為線切割，減小CT的材料損耗和閉合氣隙；

5)進(jìn)一步深入研究CT切割后其輸出性能受低溫影響的原因，分析是否溫度影響胚體的形變或磁導(dǎo)率，以便進(jìn)一步優(yōu)化；

6)規(guī)范安裝工藝要求，并對(duì)安裝人員進(jìn)行安裝指導(dǎo)培訓(xùn)。

7 結(jié)論

CT取電由于其取電技術(shù)成熟和輸出功率較大的優(yōu)勢(shì)，將會(huì)長(zhǎng)期成為智能電網(wǎng)中各在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的主流供電方式。文章對(duì)取電CT的制作、測(cè)試、輸出性能的影響因素和改進(jìn)思路等方面進(jìn)行了相關(guān)論述。針對(duì)圓環(huán)形開(kāi)合式CT，得出以下結(jié)論：

1)當(dāng)取電CT應(yīng)用在其輸出端加整流橋和旁路開(kāi)關(guān)進(jìn)行保護(hù)的電路方式下，CT將不需再考慮原邊大電流情況的過(guò)壓和磁芯飽和問(wèn)題。

2)提高小電流模式下CT的輸出性能將成進(jìn)一步降低設(shè)備最小啟動(dòng)電流的關(guān)鍵。

3)當(dāng)CT的內(nèi)外徑尺寸和繞線匝數(shù)固定不變時(shí)，磁芯的磁導(dǎo)率是影響小電流模式下CT輸出性能的主要原因。若磁芯胚體的材料選定則材料的磁導(dǎo)率亦確定，而開(kāi)合式CT的最終磁導(dǎo)率受其氣隙影響。只有盡量減小CT的閉合氣隙，小電流下CT的輸出性能才能提高。因此優(yōu)化磁芯胚體的切割工藝和打磨工藝變得至關(guān)重要。

4)低環(huán)境溫度會(huì)對(duì)小電流模式下CT的輸出性能產(chǎn)生不利的影響，還需對(duì)溫度與CT的性能關(guān)系進(jìn)行更深入的探究。