金輝，吳浩，李志勇，王鑫，趙鵬

（1.中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司檢修試驗中心，云南昆明 650000；2.華北電力大學環(huán)境科學與工程系，河北保定 071000）

電流互感器是電力系統(tǒng)中聯(lián)絡一次和二次系統(tǒng)的重要元件[1]。SF6電流互感器具有優(yōu)異的滅弧和絕緣性能，其更易運輸且具有更好的電磁性能、電氣性能、機械性能和熱性能，已逐漸取代傳統(tǒng)的油浸式互感器[2-4]。

如圖1所示為SF6電流互感器的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看出，互感器內(nèi)部主要由導電管、繞組、引線屏蔽管和支持絕緣筒組成，外部主要由殼體、法蘭、支座和瓷套等構(gòu)成[5]。研究表明[6-8]，這種電流互感器多采用分布稍不均勻的同軸圓柱電場，適用于SF6的擊穿特性，因而具有更穩(wěn)定、可靠的性能。

近年來SF6電磁互感器出現(xiàn)了多起瓷爆事故[9-11]，如2010年12月13日銀川東750 kV變電站電流互感器的爆炸事故。通過對這些事故進行分析，相關(guān)研究人員提出了環(huán)境溫度急劇變化是瓷爆主要誘因的結(jié)論[12]。首先，SF6氣體中的微水含量和環(huán)境溫度有著緊密聯(lián)系；其次，在互感器運行過程中，溫度分布極不均勻，內(nèi)部存在較大的溫差，出現(xiàn)了水分遷移，從而導致互感器內(nèi)壁產(chǎn)生局部凝露造成互感器故障[13-15]。

圖1 SF6電流互感器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the SF6 current transformer

基于上述分析，本文深入研究了環(huán)境溫度變化對電流互感器性能的影響。并從仿真和實測2個角度展開研究，使用有限元分析軟件構(gòu)建電流互感器模型，并分析在不同環(huán)境溫度下互感器內(nèi)部的溫度場；再使用110 kV SF6電流互感器測試了在不帶電荷、帶電荷時環(huán)境溫度對互感器的影響，并重點研究了環(huán)境溫度急劇降低時對互感器的影響。

1 SF6互感器內(nèi)部溫度場仿真測試

SF6電流互感器的導桿通常要流過數(shù)百安培以上的電流，線圈需要流過幾安培的電流，線圈和導桿構(gòu)成了SF6電流互感器的主要熱源[16]。本文考慮到導桿流過的電流要遠大于線圈流過的電流，因此忽略線圈的影響和鐵芯的損耗。同時，金屬屏蔽罩的厚度薄、導熱系數(shù)高也為建模帶來了困難。為了簡化模型，本文使用三維模型且以110 kV電流互感器的尺寸作為其他元件尺寸的參考值。建模時具體選用銅制導桿、鐵制法蘭和鋁制殼體、引線管，模擬800 A電流通過導桿時電流互感器的熱場。

使用有限元分析軟件COMSOL multiphysics[17-18]建立電流互感器的物理模型后，采用四面體單元對其進行網(wǎng)格劃分[19-20]。綜合考慮準確性和計算效率后，使用較大尺寸的單元劃分環(huán)境空間，而使用較小尺寸的單元劃分引線管、殼體和盆式絕緣子。模型整體劃分結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 仿真模型及其網(wǎng)格劃分Fig.2 Simulation model and its meshing

考慮到電流互感器內(nèi)部環(huán)境是封閉的，故在設置邊界條件時將內(nèi)部設置為連續(xù)邊界，通過設置不同的外界環(huán)境邊界溫度來模擬電流互感器內(nèi)部溫度場。如圖3所示為本文分別設置20、0、-10℃時，電流互感器和SF6氣體區(qū)域溫度分布情況。

圖3 不同外界環(huán)境下的電流互感器內(nèi)部溫度場Fig.3 Internal temperature field of the current transformer in different external environments

從圖3可以看出，無論環(huán)境溫度為多少，電流互感器內(nèi)部均可產(chǎn)生近35℃的溫度差，而SF6氣體區(qū)域能保持在6～8℃的溫度差。同時隨著外界溫度的降低，電流互感器各部位的溫度也在降低，但能保持溫度差值不變。分析可知，正是由于電流互感器內(nèi)部溫度分布的不均勻，才導致內(nèi)部高溫區(qū)域向低溫區(qū)域遷移，使低溫區(qū)域的微水迅速增加，最終由于局部放電產(chǎn)生的能量沖擊套瓷，導致套瓷爆裂。下文將分別分析電流互感器未帶電荷和帶大電荷時環(huán)境溫度對SF6氣體微水含量的影響，以及急劇降溫時對電流互感器的影響。

2 環(huán)境溫度對電流互感器的影響

為了進一步研究環(huán)境溫度對SF6電流互感器的影響，本文使用人工氣候室，測試了不同電流和溫度下的電流互感器的微水。實驗裝置如圖4所示，由高電流發(fā)生器和額定電流為800 A的110 kV SF6電流互感器等設備構(gòu)成。為了更方便地配備不同含水量的氣體，本文使用氮氣代替SF6氣體，下面使用該裝置分別測試不帶電荷和帶大電荷時環(huán)境溫度對電流互感器的影響。

圖4 測試裝置Fig.4 Test device

2.1 未帶電荷時的影響

電流互感器未帶負荷時，導桿和線圈均不發(fā)熱，裝置內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度一致。由于電流互感器中的絕緣材料和內(nèi)表面的吸水能力受溫度影響，因此SF6氣體中的微水含量也會產(chǎn)生一定的變化。本文驗證了未通電情況下，電流互感器中的絕緣材料和內(nèi)表面的吸水、脫吸水問題，其實驗結(jié)果如表1所示。

表1 環(huán)境溫度變化時SF6中微水含量變化Tab.1 Changes of the micro-water content in the SF6 when ambient temperature changes

從表1中可以看出，環(huán)境溫度下降時，SF6中微水含量下降；而當環(huán)境溫度上升時，SF6中微水含量上升。因此，隨著環(huán)境溫度逐漸上升，電流互感器中的絕緣材料和內(nèi)表面的吸水能力逐漸降低，整個過程如圖5所示。

圖5 電流互感器內(nèi)微水轉(zhuǎn)移過程Fig.5 Micro water transfer process in the current transformer

上述測試結(jié)果表明，外部環(huán)境的溫度決定了SF6電流互感器內(nèi)部微水的轉(zhuǎn)移和平衡，且微水的轉(zhuǎn)移過程是可逆了。重復實驗結(jié)果表明，上述現(xiàn)象與現(xiàn)實一致。

2.2 帶大電荷時的影響

在電流互感器運行時，導桿會流過數(shù)百安培的電流。由第一部分的仿真結(jié)果可知，電流互感器內(nèi)部將產(chǎn)生較大的溫度差，導致高溫區(qū)域的微水釋放到SF6氣體中，并流通到低溫區(qū)域，使得低溫區(qū)域的微水含量增加。本文測試了不同環(huán)境溫度、不同電荷條件下的電流互感器內(nèi)部的微水含量，結(jié)果如表2所示。

表2 不同溫度、不同電荷下的微水含量Tab.2 Content of micro-water under different temperature and different charges

從表2可以看出，隨著電流負荷的增加，不同溫度下微水含量均在逐漸增加；在同一電流負荷下，隨著溫度增加，微水含量也在急劇增多。

分析上述結(jié)果可知，電流互感器通過大電流時，將在其內(nèi)部產(chǎn)生溫度場。正是由于電流互感器內(nèi)部溫度分布的不均勻，導致不同區(qū)域的材料內(nèi)壁吸附水分的能力也不均勻。溫度高的區(qū)域，材料內(nèi)吸附水分量減少，并向SF6氣體中擴散。而在溫度低的區(qū)域，材料內(nèi)吸附水分量增加，具體過程如圖6所示。

圖6 電流互感器存在溫度差時微水轉(zhuǎn)移過程Fig.6 Transfer process of the micro-water when the temperature difference occurs to the current transformer occurs

從圖6的轉(zhuǎn)移過程可知，當電流互感器內(nèi)部存在溫度差時，發(fā)生微水轉(zhuǎn)移，可能導致溫度低的區(qū)域微水增大達到飽和蒸汽壓所對應的臨界值。選取-5℃環(huán)境溫度進行測試，將通過導桿的電流設置為800 A，測量不同時刻的微水值結(jié)果。如圖7所示，其中初始狀態(tài)為0.1 MPa、20℃時微水含量303 ppmV。

圖7 -5℃時相對濕度和微水值的變化曲線Fig.7 Curve of the relative humidity and micro-water value at-5℃

從圖中可以看出，-5℃時微水值由303 ppmV（0.1 MPa、20℃）增加到604 ppmV（0.5 MPa、-5℃），相對濕度也達到了68%。根據(jù)相關(guān)研究可知，當電流互感器內(nèi)部的相對濕度達到70%時，可能發(fā)生凝露現(xiàn)象，并導致閃絡電壓降低。

2.3 急劇降溫時的影響

本部分主要測試分析環(huán)境溫度急劇降低對互感器性能的影響。設置環(huán)境溫度為20℃持續(xù)通過800 A的電流；然后突然降低環(huán)境溫度至-10℃，并在降溫開始后每隔20 min測量一次互感器內(nèi)部的相對濕度和微水值。在降溫1 h后，每隔1 h測量一次互感器內(nèi)部的相對濕度和微水值，實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 急劇降溫時相對濕度和微水值的變化曲線Fig.8 Changes of relative humidity and micro water values when the temperature is drastically reduced

在降溫過程中，本文使用紅外測溫儀測量和記錄了電流互感器各部位的溫度，具體結(jié)果如表3所示。

從表3和圖8可以看出，降溫前的40 min內(nèi)互感器內(nèi)部的相對濕度和微水值均在急劇下降。而在后40 min內(nèi)微水值幾乎不變，而相對濕度在急劇增加，最后穩(wěn)定在70%～80%。因此很可能產(chǎn)生凝露現(xiàn)象。

表3 急劇降溫時互感器各部位溫度變化Tab.3 Changes of the temperature of each part of the transformer when the temperature is drastically reduced

3 應對措施

由上文的研究結(jié)果可知，SF6電流互感器可能由于內(nèi)部溫度分布不均和環(huán)境溫度的急劇降低，導致混感器內(nèi)部出現(xiàn)局部凝露的問題，從而造成互感器故障。為了保障互感器的安全穩(wěn)定運行，降低凝露造成電力事故的概率，提出了相應的應對措施。

首先，需要更加嚴格地控制微水標準值。國標規(guī)定的運行時微水值不超過1 000 ppmV，但本文的測試結(jié)果表明在該標準下因微水遷移的存在，仍可能出現(xiàn)局部凝露。因此，需要在組裝電流互感器前進行充分的干燥處理，并在填充SF6氣體前，充分抽空內(nèi)部空氣；

其次，可以在電流互感器內(nèi)壁涂橡膠等防水材料，通過利用橡膠的憎水性，避免互感器內(nèi)部由水分凝結(jié)造成的事故；

最后可以在溫度較低的區(qū)域裝設加熱裝置，通過在電流互感器的底部連接加熱裝置，在環(huán)境溫度急劇降低時，有效減小內(nèi)部的溫度差，減弱水分的遷移程度，使水分分布更加均勻。從而減少環(huán)境溫度急劇降低時產(chǎn)生局部凝露的可能性。

4 結(jié)語

SF6電流互感器在電氣性能和電磁性能上均具有顯著的優(yōu)點。但當環(huán)境溫度急劇變化時，使得水分在互感器內(nèi)部遷移，可能導致微水凝露等問題，從而造成互感器故障。本文從仿真和實測2個角度研究了環(huán)境溫度對互感器性能的影響，先使用有限元分析軟件構(gòu)建電流互感器模型，并分析在不同環(huán)境溫度下互感器內(nèi)部的溫度場；然后使用110 kV SF6電流互感器測試了在不帶電荷、帶電荷時環(huán)境溫度對互感器的影響，并重點研究了環(huán)境溫度急劇降低時對互感器的影響。實驗結(jié)果表明，SF6電流互感器可能由于內(nèi)部溫度分布不均和環(huán)境溫度的急劇降低，導致混感器內(nèi)部出現(xiàn)局部凝露的問題，從而造成互感器故障。為了保障互感器的安全穩(wěn)定運行，降低凝露造成的電力事故的概率，提出了相應的應對措施，如更加嚴格地控制微水標準值、在電流互感器內(nèi)壁涂橡膠等防水材料以及在溫度較低的區(qū)域裝設加熱裝置等。

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