高可靠絕緣電流互感器研究

王增文，林 峰，黃楚秋，莫華明，沈程煉，侯光濤

（桂林電力電容器有限責任公司，廣西 桂林 541004）

0 引言

“雙碳目標”能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，更需要電網(wǎng)公司全面實施電網(wǎng)節(jié)能管理，優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，推廣節(jié)能導線和變壓器、互感器，強化節(jié)能調(diào)度，提高電網(wǎng)節(jié)能水平[1]。高壓互感器作為電網(wǎng)節(jié)能不可或缺的關(guān)鍵設備之一，用于高壓及以上的電力系統(tǒng)中，為電氣測量儀器儀表和控制裝置、電能計量、繼電保護等設備傳遞信息，擔負著“提供電壓信號、通訊信號”和“提供電流信號”作用[2]。本研究僅對CT 進行探討，CT 在電網(wǎng)中起計量和保護作用，得到了大量的應用，但CT 在運行中，由于設計、工藝制造、一維護等因素，使絕緣可靠性降低，經(jīng)常會發(fā)生爆炸事故，不但會影響電網(wǎng)安全運行，還會波及損壞周圍的電力設備，為此，研發(fā)高可靠的絕緣CT 是勢在必行的趨勢，全面對CT 的高可靠性、高絕緣、預防手段，展開研究和探索。

1 電流互感器絕緣性能的設計研究

高壓CT 在輸變電中屬于高電壓、大電流設備。CT 的一次繞組與高壓導線相串聯(lián)，處于高電位，而二次繞組與測量儀表等相連接，為了測量的安全性，二次繞組一端常是接地的，所以在一次繞組與二次繞組之間有很高的電位差，CT 的絕緣還要承受各種操作及大氣過電壓的作用。CT 的主絕緣結(jié)構(gòu)性能直接影響其運行的安全性，絕緣性能好壞的主要衡量指標為起始局部放電電壓，絕緣利用系數(shù)及絕緣耐受能力。

1.1 絕緣可靠性研究及設計

（1）采用電容型絕緣結(jié)構(gòu)研究

CT 的一次繞組為“U”字型結(jié)構(gòu)，器身固定在箱底，主絕緣為電容型油紙絕緣結(jié)構(gòu)，用高壓電纜紙包繞在一次繞組上，其間設有若干電容屏，電場分布均勻，絕緣利用率高，內(nèi)屏接高電位，外屏可靠接地。

CT 的一次導體與外包絕緣的斷面形成的是圓柱電容器，絕緣介質(zhì)中半徑為r處的徑向電場強度與兩電屏間電壓U的關(guān)系可用表示，導體內(nèi)電屏表面場強最大，外電屏表面的場強最小。通過在較厚的絕緣層中設置中間電屏，每個電屏及中間絕緣構(gòu)成一個電容器，將內(nèi)電屏與一次導體作電氣聯(lián)結(jié)，外電屏接地構(gòu)成一組串聯(lián)電容器，串聯(lián)電容器各電屏表面的場強差別會縮小，這樣電容屏就可控制軸向及徑向電場，使電場分布均勻，就能減小局部放電水平。

但是選擇太多的電容屏數(shù)量，會增加加工難度和成本增加，如何選擇電容屏數(shù)量，是保障絕緣可靠性設計關(guān)鍵技術(shù)之一。

通過研究發(fā)現(xiàn)，選擇電容屏時主要考慮：在長期工作電壓下，絕緣中不發(fā)生任何破壞性損傷；在工頻及沖擊試驗電壓下，絕緣中不發(fā)生貫穿擊穿或滑閃。

（2）采用多個端電屏均壓措施和加強絕緣結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)研究

由于主電屏電場的不均勻性主要集中在主電屏的邊緣處，為了改善主電屏邊緣處的電場集中，常在相鄰的主電屏間，分別插入幾個端電屏，這樣主電屏的數(shù)量就可大大減少，主電屏邊緣處的場強集中現(xiàn)象，就可被端電屏緩和。

電容型絕緣電屏端部的局部放電起始電壓與絕緣厚度d存在以下關(guān)系：UY=Ad0.5，在絕緣總厚度不變的條件下，如果插入多個端電屏，減少屏間絕緣厚度，局部放電起始電壓將得到提高。如何選擇絕緣層數(shù)量及主電屏和端電屏端部加強絕緣結(jié)構(gòu)，也是保障絕緣可靠性設計關(guān)鍵技術(shù)之一。

相鄰屏間絕緣為1/2 疊方式三層，每層均在極板前120 mm 處掉頭，主電屏和端電屏的端部位置采用加強絕緣設計，第一層在260 + 60 × 2 = 380 mm 范圍內(nèi)用3/4 疊方式；第二層在120 mm 范圍內(nèi)用3/4疊，之后轉(zhuǎn)換為1/2 疊；第三層用1/2 疊方式。加強絕緣厚度為：0.13 ×（2 × 1 + 4 × 2）÷ 0.98≈1.33 mm。

（3）合理的電屏數(shù)量及尺寸結(jié)構(gòu)設計

①電屏數(shù)量確定

電容型結(jié)構(gòu)按各層最大場強相等、絕緣厚度也相等來設計，對有尖銳邊緣的電屏，在工頻1min 試驗電壓下，一般d為包括端屏在內(nèi)的各電屏間的絕緣厚度，取0.8 mm，Ut為230 kV，則：E= 12 × 0.8-0.58kV/mm =13.7 kV/mm，，但為了提高CT 絕緣水平，加大絕緣裕度，試驗驗證發(fā)現(xiàn)取n=30 為好，即每5 個屏為一組（1個主電屏和4 個端電屏），共6 個主屏，24 個端電屏。

②各電容屏的半徑及長度的確定

電容屏的尺寸與CT 的結(jié)構(gòu)有關(guān)，為了起到良好的屏蔽作用，接地電容屏要伸出油箱0.1 L 左右，電容屏的端部離頂部金屬件（0.15～0.2）L，即：ln=lb+0.2 L，l0=lb+ 1.6 L，式中l(wèi)b為油箱中電容屏的長度。為了充分利用絕緣厚度，盡量取各層中的徑向場強相等，通過調(diào)整各層電容屏的長度滿足r0l0≈rn ln，從而確定相鄰電容屏間的臺階長度：λx= 1/2（lx- 1 -lx）。

通過反復的計算和調(diào)整，研制CT 產(chǎn)品的電容屏尺寸計算結(jié)果見圖1 和表1。

圖1 電容屏尺寸圖

根據(jù)以上研究和確定，采用合理的電容屏數(shù)量及規(guī)格生產(chǎn)的CT，并通過第三方試驗驗證，CT 局部放電小于3-4pC，達到國際先進水平。

1.2 動熱穩(wěn)定性研究

CT 一次繞組流過系統(tǒng)短路電流時，一次導體周圍會產(chǎn)生很強的電磁場，載流導體各部件在磁場中會受到電磁力的作用；另外，導體產(chǎn)生的熱量會使CT溫度升高，影響CT 的外包絕緣性能。動熱穩(wěn)定試驗是CT 型式試驗項目[3-4]，要保證CT 安全穩(wěn)定運行，必須對其深入分析研究，CT 試品通過試驗檢驗。

（1）動穩(wěn)定性研究

CT 流過短路電流產(chǎn)生的電磁力大小，除與電流直接有關(guān)外，還與CT 一次繞組的布置、繞組導線截面形狀、電流的種類，以及繞組周圍的介質(zhì)有關(guān)。動穩(wěn)定性設計的關(guān)鍵是先計算電磁力大小，然后根據(jù)受力情況采取相應保護措施。研制的CT 一次導體的結(jié)構(gòu)，可按平行、垂直和圓環(huán)3 種形狀計算。

①引出端子與一次繞組軟連接的電磁力。

②U 型一次繞組電磁力計算。

為簡化計算，將U 型一次繞組分為半圓環(huán)部分和平行直線（實際有傾斜角度）部分分別計算再相加。

③提高CT 一次繞組結(jié)構(gòu)機械強度的同時，保證其能承受電磁力的作用。

a.引出端子與一次繞組之間采用軟連接，可以有效緩解電磁力對引出端子的力，通過改進制造工藝、專用工裝，高可靠焊接的軟連接，通過水平方向4 kN、垂直方向4 kN 的機械強度試驗驗證，解決了不發(fā)生滲漏的問題，滿足設計要求。

b.一次導體匝間采用高壓電纜紙和皺紋紙，以及高壓電纜紙和皺紋紙交替布置的結(jié)構(gòu)，利用皺紋紙的彈性，緩解電磁力的作用，從而承受更高電磁力。

c.一次繞組用無瑋帶和雜木固定，保證一次繞組穩(wěn)固，不受電磁力損壞或移動。

d.繞包好的一次繞組下端固定在鐵架上，保證運輸、運行和動熱穩(wěn)定試驗時穩(wěn)固。

（2）熱穩(wěn)定性研究

CT 是大電流設備，其熱穩(wěn)定性設計的關(guān)鍵技術(shù)之一，是如何選擇合適的電流密度，保證CT 絕緣能承受電流的熱作用而不出現(xiàn)損傷或碳化現(xiàn)象。

①一次繞組熱穩(wěn)定性設計。

一次導體為1/2 鋁管，外包絕緣選用A 級絕緣材料的高壓電纜紙和皺紋紙，最高允許短時發(fā)熱溫度為200 ℃，國標GB 20840.1 規(guī)定繞組平均溫升為60 ℃，利用熱能計算導體的允許短時電流密度：

由于產(chǎn)品為油浸式，熱量會散發(fā)掉一部分，設計控制電流密度不超過120 A/mm2可保證產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性能滿足使用要求。如果熱電流持續(xù)時間為t秒，則可用換算。

②二次繞組熱穩(wěn)定性設計。

二次繞組選用180 級聚酯亞胺漆包圓銅線繞制，導線截面主要考慮額定短時熱電流的影響和誤差的要求。如果按短時電流確定導線截面，先計算出二次最大電流I2max，再根據(jù)計算。

二次繞組出現(xiàn)的最大電流有兩種情況，一種是按變比換算的電流，另一種是鐵心高度飽和時的最大二次感應電流。

CT 產(chǎn)品二次繞組的電流密度設計如下：

短時電流密度：

測量繞組：

2 電流互感器防爆結(jié)構(gòu)的設計研究

2.1 主屏鋁箔不打孔結(jié)構(gòu)研究

目前，大部分CT 主屏鋁箔均采用打孔結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點在于可減少浸漬時間，降低成本，缺點在于多一道打孔工藝，耗時耗力、效率低，打孔有毛邊，場強不均勻，影響局部放電，打孔鋁屑殘留在器身絕緣內(nèi)，特別是存在運行時被擊穿的隱患。為了減少擊穿的風險，提高絕緣水平，通過研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)整真空浸漬參數(shù)，采用不打孔鋁箔結(jié)構(gòu)，經(jīng)過大量的試驗驗證，CT試品的電容、介質(zhì)損耗、局放等關(guān)鍵參數(shù)，均合格，達到國標GB/T 20840.1-2010、GB/T 20840.2-2014 的要求[3-4]。

2.2 復合套管結(jié)構(gòu)研究

在35 kV ～1000 kV 電力系統(tǒng)中，絕大部分的CT 的套管，通常采用電瓷材料，其具有價格低，制造方便等優(yōu)點，但其瓷套重量重、法蘭膠裝耐氣候性差、瓷套管根部斷裂現(xiàn)象，而且瓷套管的絕緣體表面存在連續(xù)水膜，容易造成外絕緣閃絡等缺點，特別是CT產(chǎn)品內(nèi)部發(fā)生擊穿，絕緣失效，內(nèi)壓瞬間過大的極端情況下，會產(chǎn)生爆炸，瓷套材料屬脆性材料，爆炸后的“飛瓷”碎片會殃及周邊的電氣設備和人員安全。

為克服CT 產(chǎn)生“飛瓷”現(xiàn)象，聯(lián)合套管廠家研發(fā)高機械強度復合絕緣材料的套管，使用在CT 上，是關(guān)鍵手段之一。通過對CT 高機械強度復合絕緣套管的研究，發(fā)現(xiàn)套管既不能無限制的提高機械強度，又要考慮產(chǎn)品的重量不能太重，材料成本不能太高，復合套管的制造不能太困難；同時抗彎試驗與抗震試驗是相矛盾的，復合套管直徑加大，壁加厚，其抗彎性能會提高，但產(chǎn)品重量也會加重，對抗震試驗不利。因此，綜合考慮抗彎及抗震性能，對產(chǎn)品的復合套管進行全新的研制，復合套管本體、法蘭的設計，及復合套管本體與法蘭配合等參數(shù)配置為關(guān)鍵技術(shù)。

復合絕緣套管的尺寸與瓷套管的的有很大不同，分壓器需重新設計，分壓器的各參數(shù)設計、內(nèi)外絕緣配合設計、油補償設計等，都是關(guān)鍵難題。

首先，對復合絕緣套管進行設計研究，通過抗震計算，確定設計方案可行后，再對分壓器進行重新設計。其次，優(yōu)化復合絕緣套管的設計，在保證復合套管爬電距離和干弧距離的前提下，盡量滿足機械強度要求及通過抗地震試驗。套管的機械強度與抗彎模量、法蘭強度及膠裝比有關(guān)，必須綜合考慮套管的內(nèi)徑、外徑、法蘭高度及厚度的尺寸及相關(guān)的參數(shù)配合，同時還需兼顧性價比要求。

通過與生產(chǎn)廠家合作，進行多次計算、反復協(xié)商，確定了最優(yōu)方案。研制的復合套管可防紫外線、抗老化、抗低溫、防風砂，外表面絕緣性能較強，重量輕，法蘭膠裝耐氣候性能較好，防爆、防震、抗沖擊能力較強，而且方便安裝及運輸。

3 CT 預防措施現(xiàn)場取油試驗研究，取油閥的研制

電網(wǎng)工程電氣設備交接或定期檢查時，需要對CT 的內(nèi)絕緣油取樣試驗，以及時發(fā)現(xiàn)設備潛在的絕緣缺陷，保證設備安全運行，根據(jù)試驗結(jié)果采取相應措施。而現(xiàn)在CT 取油閥取油口在油箱上端，高于油箱底面，不能取到最低端的絕緣油，造成測量結(jié)果與實際使用存在偏差，且現(xiàn)有的取油閥在取油時流油速度難以控制，容易造成浪費或者對環(huán)境造成污染。

通過研究，采用裝有彈簧、堵頭、油塞的管體與油箱底部連通，設計了一種互感器取油閥，將取油閥安裝于油箱底面，方便的取到油箱底部的油，使實驗結(jié)果更加真實，且通過頂開堵頭即可取油，可以有效控制油流量和油流速，有效防止取油的飛濺浪費，對環(huán)境的污染。

4 結(jié)語

電流互感器是輸變電工程必不可少的關(guān)鍵電力裝備之一，CT 是我公司是首次研發(fā)，其高可靠性絕緣設計和現(xiàn)場防護絕緣擊穿是關(guān)鍵技術(shù)之一。

（1）通過采用電容型絕緣、多個端電屏均壓和加強絕緣結(jié)構(gòu)的設計，選擇優(yōu)化的電屏數(shù)量及尺寸，使CT 局部放電小于4pC，達到國際先進水平。

（2）通過采用主屏鋁箔不打孔結(jié)構(gòu)，CT 減少了內(nèi)部擊穿的風險，同時加強真空浸漬工藝，產(chǎn)品滿足國標要求。

（3）通過采用復合套管，CT 有效地防止了“飛瓷”現(xiàn)象，還可防紫外線、防風砂，絕緣性強，重量輕，防爆、防震、抗沖擊能力較強。

（4）通過采用互感器取油閥，CT 方便的取到油箱底部的油，真實檢測到CT 的運行質(zhì)量，預防“事故”的發(fā)生。

通過對CT 電容型高可靠絕緣結(jié)構(gòu)、鋁箔不打孔結(jié)構(gòu)、防爆式復合套管、快速取油閥等研究，并通過第三方試驗驗證，介損小于0.21%，局部放電小于4pC，產(chǎn)品通過了中國機械聯(lián)合會組織的鑒定，達到國際先進水平，可廣泛應用于變電站中。