環氧樹脂浸紙式高可靠性低碳環保型電流互感器的應用研究

國網武漢供電公司 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，電流互感器發展迅猛。傳統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用于各級電業輸變電系統中。但油浸式電流互感器在掛網運行使用中，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，爆炸風險非常低的環氧樹脂浸紙式電流互感器替代傳統的電流互感器，開展高壓互感器環氧樹脂浸紙關鍵技術的研究，對于避免電流互感器發生故障爆炸具有重大的意義和實用價值。

2 環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運行的重要設備之一，它能夠將高壓線路中的高電壓、大電流轉化為低電壓、小電流，使得二次控制裝置與高電壓相隔離，實現電網線路的保護、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原理。正常情況下，其二次電流與一次電流應成正比，且其相位差接近于零。根據磁動勢平衡方程，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以及二次匝數[1]。

環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，一次繞組采用導電率優異的銅導電桿，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。干式穿墻套管的內部絕緣介質為環氧樹脂浸紙，利用先進成熟的真空澆注技術，保證澆鑄過程中無氣泡等，使得介質均勻分布，具有良好的電、磁性能。外絕緣采用抗震性能優異的復合絕緣子。支架根據現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電場布置圖定制化設計。二次接線盒采用防腐的鋁合金材料，內部使用標準化的接線端子，根據用戶的實際需求定制化選型。

3 環氧樹脂浸紙互感器電場仿真性能的研究

環氧樹脂浸紙互感器主絕緣部分相當于一個電容器，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、材料屬性設定、指定邊界條件和激勵源等，在工頻電壓下，電流互感器內部電場屬于似穩場，可以用靜電場來模擬。由于CT 筒及復合外套下法蘭與末屏均為低電位，復合外套上法蘭與一次接線端子相連，為高電位，所以在設定仿真計算邊界條件時，邊界L1對應一次接線端子的邊界。互感器主要技術參數如表1所示。利用計算機軟件經過計算仿真得出分析結果，主絕緣電位分布圖如圖1所示。

表1 互感器主要技術參數表

圖1 主絕緣電位分布圖

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

4 環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合絕緣子等材料。高強瓷質絕緣子具有很多優點，如良好的電氣性能、機械性能、熱性能等。但是，瓷質絕緣子的重量大，抗震性能差，一旦發生爆炸現象破壞力較大。復合絕緣外套較瓷質絕緣外套在防止變電設備爆炸方面具有先天性優勢，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合絕緣外套替代瓷質絕緣外套，對于避免變電設備的瓷質絕緣外套故障爆炸具有重大意義和實用價值。

復合絕緣子的研究一直是變電設備外絕緣很重要的一部分。我國在復合絕緣材料新技術的設計與制作方面取得了顯著進步，技術日趨成熟。例如，高溫硫化硅復合材料已在國內變電站的組合電器（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（72.5～126kV）等電氣設備中使用。

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

根據目前現場的運行情況可以發現，采用復合絕緣外套的油浸式套管、互感器、絕緣支柱等變電設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 復合絕緣子型環氧樹脂浸紙式互感器機械性能分析

環氧樹脂浸紙式互感器，采用復合絕緣子作為外絕緣，其抗震水平大大提高，根據試驗數據顯示，此類互感器可以滿足水平加速度0.4g 的高抗震要求，其內部支撐的高強度玻璃鋼筒有效提高了復合產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，可承受內部壓力強，防爆性好，本文旨在對環氧樹脂浸紙互感器的機械性能進行三維建模模擬分析，以確定環氧樹脂浸紙互感器最佳結構尺寸，優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：預處理，求解以及后處理。在應用Solidworks 仿真時，通常包含4 個步驟。

一是建立數學模型。

二是建立有限元模型。

三是求解有限元模型。

四是結果分析。

互感器在運行時需要串聯在線路中，P1側進電流，P2側出電流。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構，可以根據現場調節鋼支架的高度，實現靈活安裝，且受力穩定。

經過分析，對環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合絕緣子上，即復合絕緣子外套為整個產品的薄弱點。對復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合緣子內的玻璃鋼筒進行加力，用Solidworks Simulation 軟件進行靜力學仿真計算，復合絕緣外套受力分析結果如圖2所示。

圖2 復合絕緣外套受力分析結果

通過該分析結果可以看出，受力應力最大區域在玻璃鋼桶底部，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，該設計完全符合標準，關于機械強度的規定。

5 環氧樹脂浸紙技術應用到高壓互感器上的相關試驗項目方法

環氧樹脂浸紙技術應用到高壓互感器時，為了保證產品的電氣、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的試驗大綱。同傳統油浸式互感器一樣，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 結語

傳統油浸式電流互感器的絕緣介質為絕緣油浸紙結構，在出現故障時，容易發生起火爆炸現象，后果嚴重。如果采用以環氧樹脂浸紙為絕緣介質的電流互感器，無油、無氣，可靠性高，可以極大地降低火災和爆炸的風險。因此，本文對環氧樹脂浸紙互感器進行絕緣性能、機械性能以及相關試驗項目的研究，旨在分析研究環氧樹脂浸紙用于互感器上的各種性能，保證其滿足技術參數的要求，提高其運行安全可靠性能。本文研發的環保型電流互感器，產品內不含溫室效應氣體，推廣應用項目技術成果可以改善我國電流互感器的現狀，提高安全性能，為精益化管理提供基礎。