國網(wǎng)武漢供電公司 方昭 張威 周翔 李杜 劉海瓊 醴陵華鑫電瓷科技股份有限公司 楊雪峰

1 引言

近年來，電流互感器發(fā)展迅猛。傳統(tǒng)高壓電流互感器主要包括油浸式和SF6氣體互感器。SF6氣體電流互感器由于其故障率及碳排放較高，市場占有率低于油浸式電流互感器。現(xiàn)如今，油浸式電流互感器憑借著良好的機、電、熱性能等被廣泛地應(yīng)用于各級電業(yè)輸變電系統(tǒng)中。但油浸式電流互感器在掛網(wǎng)運行使用中，也存在一些缺點，如油浸式互感器碳排放量雖然較SF6式互感器低，但仍有待進一步降低。因此，采用碳排放量為零，爆炸風(fēng)險非常低的環(huán)氧樹脂浸紙式電流互感器替代傳統(tǒng)的電流互感器，開展高壓互感器環(huán)氧樹脂浸紙關(guān)鍵技術(shù)的研究，對于避免電流互感器發(fā)生故障爆炸具有重大的意義和實用價值。

2 環(huán)氧樹脂浸紙式電流互感器的基本介紹

高壓電流互感器是電網(wǎng)運行的重要設(shè)備之一，它能夠?qū)⒏邏壕€路中的高電壓、大電流轉(zhuǎn)化為低電壓、小電流，使得二次控制裝置與高電壓相隔離，實現(xiàn)電網(wǎng)線路的保護、測量以及計量等的作用，其二次測電流通常為1A 或者5A，使得二次控制側(cè)用的儀器儀表等標準化、小型化。

電流互感器的基本工作原理為法拉第電磁感應(yīng)原理。正常情況下，其二次電流與一次電流應(yīng)成正比，且其相位差接近于零。根據(jù)磁動勢平衡方程，在忽略鐵心中的勵磁電流的理想情況下，其基本計算公式為：

式中：I1、I2分別為電流互感器的額定一次電流以及二次電流，單位為A；N1、N2分別為其額定一次匝數(shù)以及二次匝數(shù)[1]。

環(huán)氧樹脂浸紙式電流互感器的主要部件為：一次繞組、二次線圈、CT筒、干式穿墻套管、支架以及二次接線盒等。其中，一次繞組采用導(dǎo)電率優(yōu)異的銅導(dǎo)電桿，二次線圈由圓銅線、鐵心以及絕緣薄膜等組成。CT筒用于裝載二次線圈并起到支撐保護二次繞組的作用。干式穿墻套管的內(nèi)部絕緣介質(zhì)為環(huán)氧樹脂浸紙，利用先進成熟的真空澆注技術(shù)，保證澆鑄過程中無氣泡等，使得介質(zhì)均勻分布，具有良好的電、磁性能。外絕緣采用抗震性能優(yōu)異的復(fù)合絕緣子。支架根據(jù)現(xiàn)場實際工況可選擇使用普通碳鋼或者防腐等級高的不銹鋼等，且高度及安裝固定方式均可根據(jù)電場布置圖定制化設(shè)計。二次接線盒采用防腐的鋁合金材料，內(nèi)部使用標準化的接線端子，根據(jù)用戶的實際需求定制化選型。

3 環(huán)氧樹脂浸紙互感器電場仿真性能的研究

環(huán)氧樹脂浸紙互感器主絕緣部分相當(dāng)于一個電容器，由若干的小電極組成。利用計算機軟件Elecnet 對其進行電場仿真計算。其步驟為：建立幾何模型、材料屬性設(shè)定、指定邊界條件和激勵源等，在工頻電壓下，電流互感器內(nèi)部電場屬于似穩(wěn)場，可以用靜電場來模擬。由于CT 筒及復(fù)合外套下法蘭與末屏均為低電位，復(fù)合外套上法蘭與一次接線端子相連，為高電位，所以在設(shè)定仿真計算邊界條件時，邊界L1對應(yīng)一次接線端子的邊界?；ジ衅髦饕夹g(shù)參數(shù)如表1所示。利用計算機軟件經(jīng)過計算仿真得出分析結(jié)果，主絕緣電位分布圖如圖1所示。

表1 互感器主要技術(shù)參數(shù)表

圖1 主絕緣電位分布圖

由圖1可以看出，對于環(huán)氧樹脂浸紙互感器，其主絕緣最大場強出現(xiàn)在電容屏端部，其最大值為8.62kV/mm，滿足絕緣性能要求。

4 環(huán)氧樹脂浸紙互感器機械性能的研究

4.1 外絕緣材料的選用研究

高壓互感器外絕緣主要采用瓷或者復(fù)合絕緣子等材料。高強瓷質(zhì)絕緣子具有很多優(yōu)點，如良好的電氣性能、機械性能、熱性能等。但是，瓷質(zhì)絕緣子的重量大，抗震性能差，一旦發(fā)生爆炸現(xiàn)象破壞力較大。復(fù)合絕緣外套較瓷質(zhì)絕緣外套在防止變電設(shè)備爆炸方面具有先天性優(yōu)勢，主要為機械強度更高、分散性好、重量輕、防止連斷事故等。因此，采用柔韌性非常好的復(fù)合絕緣外套替代瓷質(zhì)絕緣外套，對于避免變電設(shè)備的瓷質(zhì)絕緣外套故障爆炸具有重大意義和實用價值。

復(fù)合絕緣子的研究一直是變電設(shè)備外絕緣很重要的一部分。我國在復(fù)合絕緣材料新技術(shù)的設(shè)計與制作方面取得了顯著進步，技術(shù)日趨成熟。例如，高溫硫化硅復(fù)合材料已在國內(nèi)變電站的組合電器（72.5～1100kV）、罐式斷路器（72.5～800kV）、避雷器（66～500kV）、SF6 電流互感器（72.5～550kV）、隔離開關(guān)（72.5～126kV）等電氣設(shè)備中使用。

國內(nèi)試點中采用的復(fù)合絕緣外套的變電設(shè)備總體可劃分為三類：一是電網(wǎng)主設(shè)備的套管，如油浸式變壓器復(fù)合套管；二是變電設(shè)備本體的一部分，如復(fù)合倒立式電流互感器；三是變電站內(nèi)復(fù)合絕緣支柱。

根據(jù)目前現(xiàn)場的運行情況可以發(fā)現(xiàn)，采用復(fù)合絕緣外套的油浸式套管、互感器、絕緣支柱等變電設(shè)備在實際運行中雖然存在諸多問題，如抗老化能力不足、與油的相容性不佳、傘裙變形、表面憎水性下降、長期耐電腐蝕能力差等。

4.2 復(fù)合絕緣子型環(huán)氧樹脂浸紙式互感器機械性能分析

環(huán)氧樹脂浸紙式互感器，采用復(fù)合絕緣子作為外絕緣，其抗震水平大大提高，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)顯示，此類互感器可以滿足水平加速度0.4g 的高抗震要求，其內(nèi)部支撐的高強度玻璃鋼筒有效提高了復(fù)合產(chǎn)品運行的安全可靠性。

同時，硅橡膠外套具有很強的機械性能，不易破碎，抗彎性好，可承受內(nèi)部壓力強，防爆性好，本文旨在對環(huán)氧樹脂浸紙互感器的機械性能進行三維建模模擬分析，以確定環(huán)氧樹脂浸紙互感器最佳結(jié)構(gòu)尺寸，優(yōu)化互感器的機械性能，進而提升互感器的安全可靠性。

利用有限元法分析方法，對其進行受力分析時，通常有三個基本步驟，即：預(yù)處理，求解以及后處理。在應(yīng)用Solidworks 仿真時，通常包含4 個步驟。

一是建立數(shù)學(xué)模型。

二是建立有限元模型。

三是求解有限元模型。

四是結(jié)果分析。

互感器在運行時需要串聯(lián)在線路中，P1側(cè)進電流，P2側(cè)出電流。其一次接線端子通過螺栓、一次接線連接金具與線路相連接。其底部為鋼支架式結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)現(xiàn)場調(diào)節(jié)鋼支架的高度，實現(xiàn)靈活安裝，且受力穩(wěn)定。

經(jīng)過分析，對環(huán)氧樹脂浸紙電流互感器進行模型簡化，其壓力主要承接到復(fù)合絕緣子上，即復(fù)合絕緣子外套為整個產(chǎn)品的薄弱點。對復(fù)合絕緣外套進行受力分析，進行特征消隱，受力分析采取對其復(fù)合緣子內(nèi)的玻璃鋼筒進行加力，用Solidworks Simulation 軟件進行靜力學(xué)仿真計算，復(fù)合絕緣外套受力分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 復(fù)合絕緣外套受力分析結(jié)果

通過該分析結(jié)果可以看出，受力應(yīng)力最大區(qū)域在玻璃鋼桶底部，最大值為20.5MPa，遠遠小于玻璃鋼桶的屈服強度（最小值為85MPa）。由此可見，該設(shè)計完全符合標準，關(guān)于機械強度的規(guī)定。

5 環(huán)氧樹脂浸紙技術(shù)應(yīng)用到高壓互感器上的相關(guān)試驗項目方法

環(huán)氧樹脂浸紙技術(shù)應(yīng)用到高壓互感器時，為了保證產(chǎn)品的電氣、機械、熱等各方面的性能指標，必須進行有效的試驗進行驗證，驗證中需要制定相應(yīng)的試驗大綱。同傳統(tǒng)油浸式互感器一樣，需要進行全部的型式試驗項目。依照國家標準以及產(chǎn)品的自身特性編寫電流互感器型式試驗大綱如表2所示。

表2 電流互感器型式試驗大綱

6 結(jié)語

傳統(tǒng)油浸式電流互感器的絕緣介質(zhì)為絕緣油浸紙結(jié)構(gòu)，在出現(xiàn)故障時，容易發(fā)生起火爆炸現(xiàn)象，后果嚴重。如果采用以環(huán)氧樹脂浸紙為絕緣介質(zhì)的電流互感器，無油、無氣，可靠性高，可以極大地降低火災(zāi)和爆炸的風(fēng)險。因此，本文對環(huán)氧樹脂浸紙互感器進行絕緣性能、機械性能以及相關(guān)試驗項目的研究，旨在分析研究環(huán)氧樹脂浸紙用于互感器上的各種性能，保證其滿足技術(shù)參數(shù)的要求，提高其運行安全可靠性能。本文研發(fā)的環(huán)保型電流互感器，產(chǎn)品內(nèi)不含溫室效應(yīng)氣體，推廣應(yīng)用項目技術(shù)成果可以改善我國電流互感器的現(xiàn)狀，提高安全性能，為精益化管理提供基礎(chǔ)。