環境溫度變化對SF6電流互感器運行性能的影響研究

金輝，吳浩，李志勇，王鑫，趙鵬

（1.中國南方電網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.華北電力大學環境科學與工程系，河北保定 071000）

電流互感器是電力系統中聯絡一次和二次系統的重要元件[1]。SF6電流互感器具有優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，已逐漸取代傳統的油浸式互感器[2-4]。

如圖1所示為SF6電流互感器的結構示意圖。從圖中可以看出，互感器內部主要由導電管、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，因而具有更穩定、可靠的性能。

近年來SF6電磁互感器出現了多起瓷爆事故[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，相關研究人員提出了環境溫度急劇變化是瓷爆主要誘因的結論[12]。首先，SF6氣體中的微水含量和環境溫度有著緊密聯系；其次，在互感器運行過程中，溫度分布極不均勻，內部存在較大的溫差，出現了水分遷移，從而導致互感器內壁產生局部凝露造成互感器故障[13-15]。

圖1 SF6電流互感器結構Fig.1 Structure of the SF6 current transformer

基于上述分析，本文深入研究了環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建電流互感器模型，并分析在不同環境溫度下互感器內部的溫度場；再使用110 kV SF6電流互感器測試了在不帶電荷、帶電荷時環境溫度對互感器的影響，并重點研究了環境溫度急劇降低時對互感器的影響。

1 SF6互感器內部溫度場仿真測試

SF6電流互感器的導桿通常要流過數百安培以上的電流，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。模型整體劃分結構，如圖2所示。

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

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

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

從圖3可以看出，無論環境溫度為多少，電流互感器內部均可產生近35℃的溫度差，而SF6氣體區域能保持在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部溫度分布的不均勻，才導致內部高溫區域向低溫區域遷移，使低溫區域的微水迅速增加，最終由于局部放電產生的能量沖擊套瓷，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 環境溫度對電流互感器的影響

為了進一步研究環境溫度對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，由高電流發生器和額定電流為800 A的110 kV SF6電流互感器等設備構成。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，導桿和線圈均不發熱，裝置內部溫度與環境溫度一致。由于電流互感器中的絕緣材料和內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表面的吸水、脫吸水問題，其實驗結果如表1所示。

表1 環境溫度變化時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，環境溫度下降時，SF6中微水含量下降；而當環境溫度上升時，SF6中微水含量上升。因此，隨著環境溫度逐漸上升，電流互感器中的絕緣材料和內表面的吸水能力逐漸降低，整個過程如圖5所示。

圖5 電流互感器內微水轉移過程Fig.5 Micro water transfer process in the current transformer

上述測試結果表明，外部環境的溫度決定了SF6電流互感器內部微水的轉移和平衡，且微水的轉移過程是可逆了。重復實驗結果表明，上述現象與現實一致。

2.2 帶大電荷時的影響

在電流互感器運行時，導桿會流過數百安培的電流。由第一部分的仿真結果可知，電流互感器內部將產生較大的溫度差，導致高溫區域的微水釋放到SF6氣體中，并流通到低溫區域，使得低溫區域的微水含量增加。本文測試了不同環境溫度、不同電荷條件下的電流互感器內部的微水含量，結果如表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。

分析上述結果可知，電流互感器通過大電流時，將在其內部產生溫度場。正是由于電流互感器內部溫度分布的不均勻，導致不同區域的材料內壁吸附水分的能力也不均勻。溫度高的區域，材料內吸附水分量減少，并向SF6氣體中擴散。而在溫度低的區域，材料內吸附水分量增加，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的轉移過程可知，當電流互感器內部存在溫度差時，發生微水轉移，可能導致溫度低的區域微水增大達到飽和蒸汽壓所對應的臨界值。選取-5℃環境溫度進行測試，將通過導桿的電流設置為800 A，測量不同時刻的微水值結果。如圖7所示，其中初始狀態為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%。根據相關研究可知，當電流互感器內部的相對濕度達到70%時，可能發生凝露現象，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境溫度急劇降低對互感器性能的影響。設置環境溫度為20℃持續通過800 A的電流；然后突然降低環境溫度至-10℃，并在降溫開始后每隔20 min測量一次互感器內部的相對濕度和微水值。在降溫1 h后，每隔1 h測量一次互感器內部的相對濕度和微水值，實驗結果如圖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，具體結果如表3所示。

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

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

由上文的研究結果可知，SF6電流互感器可能由于內部溫度分布不均和環境溫度的急劇降低，導致混感器內部出現局部凝露的問題，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。國標規定的運行時微水值不超過1 000 ppmV，但本文的測試結果表明在該標準下因微水遷移的存在，仍可能出現局部凝露。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，充分抽空內部空氣；

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

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

4 結語

SF6電流互感器在電氣性能和電磁性能上均具有顯著的優點。但當環境溫度急劇變化時，使得水分在互感器內部遷移，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個角度研究了環境溫度對互感器性能的影響，先使用有限元分析軟件構建電流互感器模型，并分析在不同環境溫度下互感器內部的溫度場；然后使用110 kV SF6電流互感器測試了在不帶電荷、帶電荷時環境溫度對互感器的影響，并重點研究了環境溫度急劇降低時對互感器的影響。實驗結果表明，SF6電流互感器可能由于內部溫度分布不均和環境溫度的急劇降低，導致混感器內部出現局部凝露的問題，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、在電流互感器內壁涂橡膠等防水材料以及在溫度較低的區域裝設加熱裝置等。

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