雷 宏，郭品俠，劉芮杉，翟羽羽

(陜西省電力設(shè)計院，陜西 西安 710054)

1 概述

電子式電流互感器需要通過光纖將傳感信號從高壓側(cè)引到低壓側(cè)。光纖本身具有很好的絕緣性能，但由于存在高壓爬電問題，光纖不能直接下引，需要包埋在絕緣子中。絕緣子做為絕緣支撐器件，有陶瓷和硅橡膠兩種。絕緣子在結(jié)構(gòu)上分別由棒芯、護套、傘群和金具組成，光纖從空心棒芯中穿過，完成從高壓側(cè)到低壓側(cè)的信號傳輸?？招陌粜静捎煤畏N填充材料和工藝方能滿足電氣性能要求是一個很重要的問題。以下分別就陶瓷和硅橡膠兩種絕緣子實現(xiàn)光纖包埋技術(shù)進行論述，提出在技術(shù)實現(xiàn)上已經(jīng)沒有障礙。

2 硅橡膠復(fù)合絕緣子包埋光纖技術(shù)

目前國內(nèi)電子式電流互感器采用的絕緣子大都為硅橡膠復(fù)合絕緣子，光纖穿過絕緣子的空心棒芯，抽取真空后兩端再用軟硅橡膠材料進行密封，或采用預(yù)制好的光纖絕緣子。由于棒芯采用玻璃纖維和浸漬樹脂材料，與硅橡膠材料具有良好的親和性，在做好界面填充處理的條件下，能夠很好地防止密封材料的開裂，保證電氣設(shè)備的絕緣性能。獨立電子式電流互感器采用此種方式對光纖進行包埋，電壓等級最高已達500kV電壓等級。

硅橡膠復(fù)合絕緣子具有很好的強度及撓度，安裝運輸及使用方便可靠，應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)得到行業(yè)內(nèi)的廣泛認可。經(jīng)過近十年的驗證，硅橡膠復(fù)合絕緣子包埋光纖技術(shù)比較成熟可靠。

3 陶瓷絕緣子包埋光纖技術(shù)

3.1 國內(nèi)情況

在陶瓷絕緣子中埋設(shè)光纖的技術(shù)，國內(nèi)研究文獻較少，僅在110kV電壓等級有廠家采用與硅橡膠復(fù)合絕緣子相同包埋技術(shù)進行光纖包埋。即在陶瓷絕緣子的棒芯中間預(yù)留通孔，光纖穿過通孔，抽取真空后兩端再用軟硅橡膠材料進行密封，按此種方式生產(chǎn)的產(chǎn)品應(yīng)用在變電站中的較少，運行時間較短，至今未有絕緣子損壞的報道，因而部分廠家認為可以應(yīng)用在更高電壓等級中。但缺乏較為有力的實驗證據(jù)以證明該種方式的正確性。

此外國內(nèi)也有采用充填SF6氣體型式的電子式電流互感器，以解決光纜下引的問題，在技術(shù)發(fā)展的當前，實現(xiàn)無油化，采用環(huán)保氣體、質(zhì)量輕型、簡便運行維護的干式設(shè)備，應(yīng)該是技術(shù)發(fā)展的方向，因而該種型式的電子式電流互感器未能在工程實踐中廣泛采用。

國內(nèi)絕緣子包埋光纖填充材料通常為硅橡膠或聚氨酯，其熱膨脹系數(shù)分別為5.9～7.9×10－4/℃和1.8×10－4/℃，電力陶瓷為3.5～4.7×10－6/℃，熱膨脹系數(shù)相差近兩個數(shù)量級，因此在陶瓷絕緣子中灌封材料不能采用硅橡膠及聚氨酯等有機材料，否則在溫度變化條件下將出現(xiàn)裂隙、破損，嚴重影響絕緣子的機械強度。

從電氣理論可知，在電場的作用下，兩種絕緣介質(zhì)的界面上會發(fā)生一種極化效應(yīng)，在兩介點常數(shù)不同的絕緣物質(zhì)的界面出現(xiàn)極化電荷，會使界面的介損增大，介損增大的地方就會產(chǎn)生局部發(fā)熱，長時間存在和發(fā)展就會引起絕緣的熱擊穿而損壞。此外，在界面處，容易因填充不密實而存在氣隙，電場強度與介電常數(shù)成反比，空氣的介電常數(shù)比陶瓷小幾倍，當長時間的熱脹冷縮再疊加風力及機械操作引起的機械變形時，將會導(dǎo)致絕緣子中陶瓷與硅橡膠之間出現(xiàn)微小裂紋及氣隙，導(dǎo)致該部位電場強度過大，從而產(chǎn)生局部放電，加速有機材料的老化，最終導(dǎo)致絕緣子絕緣失效。

3.2 國外情況

陶瓷絕緣子包埋光纖國外有過研究，有專門的實驗及專利技術(shù)，日本礙子株式會社(NGK INSULATORS,LTD)在電力陶瓷技術(shù)領(lǐng)域處于全球領(lǐng)先地位，20世紀80年代末專門對此進行了深入的研究，解決了光纖在陶瓷絕緣子中的包埋技術(shù)，并申請了專利，該專利主要解決熱膨脹系數(shù)匹配問題。

絕緣子體為陶瓷材料，內(nèi)開通孔，光纖從陶瓷內(nèi)部通孔內(nèi)下引，并在通孔內(nèi)部或端部密封。其選擇不同的密封材料進行灌封，如硅橡膠、環(huán)氧樹脂、聚氨酯及各類陶瓷等，并進行了大量的實驗，試驗項目見表1。

表1 陶瓷光纖絕緣子實驗項目

實驗結(jié)果見表2，其中o表示滿足要求，x表示不滿足要求。用有機材料填充密封，由于熱脹系數(shù)相差太大，在熱沖擊試驗、耐熱試驗以及熱循環(huán)試驗中導(dǎo)致絕緣子損壞，性能不能滿足要求，需選擇性能匹配熱脹系數(shù)合適的陶瓷進行密封，熱脹系數(shù)不匹配的陶瓷也不能滿足要求。

表2 有機材料密封絕緣子實驗結(jié)果

陶瓷密封澆注工藝十分復(fù)雜，需要將密封陶瓷感應(yīng)加熱融化，其加熱溫度很高，光纖內(nèi)芯為石英材料，涂覆層為聚氨酯等有機材料，在高溫下會燒蝕揮發(fā)，大大降低光纖的強度及可靠性，在澆注過程中由于高低溫變化，會在光纖內(nèi)部殘留較大的內(nèi)應(yīng)力，也會降低光纖的可靠性及傳輸特性。該專利通過相關(guān)的技術(shù)解決了這一問題。

國內(nèi)陶瓷絕緣子包埋光纖填充材料采用硅橡膠或聚氨酯的方案通過表2已經(jīng)被驗證存在問題，由于其試驗項目僅為短期試驗，未考核機械損傷，如果考核長期高壓絕緣，有可能會出現(xiàn)嚴重的局放及耐壓問題，因而要在高電壓等級中采用，存在極大的安全隱患和風險。

4 技術(shù)應(yīng)用的前景

電子式互感器具有體積小、重量輕的特點，近年來，國家電網(wǎng)公司在電子式互感器的電磁兼容性能、溫度性能、抗震性能等方面開展了卓有成效的研究和試驗，使得電子式互感器的性能得到了大幅度的提升，為其進一步的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。電子式互感器可以與隔離開關(guān)、斷路器等一次設(shè)備集成，實現(xiàn)減小電氣設(shè)備安裝尺寸，減少變電站占地面積的目的。隨著陶瓷絕緣子包埋光纖技術(shù)的解決，為電子式電流互感器與隔離開關(guān)共柱集成提供了技術(shù)上的支撐。

5 結(jié)語

由于陶瓷包埋光纖技術(shù)工藝十分復(fù)雜，對絕緣子絕緣性能及機械性能影響很大，對光纖的可靠性及傳輸特性影響也較大，盡管國外有相關(guān)的技術(shù)解決了上述問題，但國內(nèi)還缺乏深入研究，甚至連科研機構(gòu)的研究資料都很少。為此有必要開展該項技術(shù)的研究，為新一代智能變電站采用更優(yōu)更好的方案提供技術(shù)支撐。

[1]GB/T8411．3－2009，陶瓷和玻璃絕緣材料[S]．