环境温度变化对SF6电流互感器运行性能的影响研究

金辉，吴浩，李志勇，王鑫，赵鹏

（1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心，云南昆明 650000；2.华北电力大学环境科学与工程系，河北保定 071000）

电流互感器是电力系统中联络一次和二次系统的重要元件[1]。SF6电流互感器具有优异的灭弧和绝缘性能，其更易运输且具有更好的电磁性能、电气性能、机械性能和热性能，已逐渐取代传统的油浸式互感器[2-4]。

如图1所示为SF6电流互感器的结构示意图。从图中可以看出，互感器内部主要由导电管、绕组、引线屏蔽管和支持绝缘筒组成，外部主要由壳体、法兰、支座和瓷套等构成[5]。研究表明[6-8]，这种电流互感器多采用分布稍不均匀的同轴圆柱电场，适用于SF6的击穿特性，因而具有更稳定、可靠的性能。

近年来SF6电磁互感器出现了多起瓷爆事故[9-11]，如2010年12月13日银川东750 kV变电站电流互感器的爆炸事故。通过对这些事故进行分析，相关研究人员提出了环境温度急剧变化是瓷爆主要诱因的结论[12]。首先，SF6气体中的微水含量和环境温度有着紧密联系；其次，在互感器运行过程中，温度分布极不均匀，内部存在较大的温差，出现了水分迁移，从而导致互感器内壁产生局部凝露造成互感器故障[13-15]。

图1 SF6电流互感器结构Fig.1 Structure of the SF6 current transformer

基于上述分析，本文深入研究了环境温度变化对电流互感器性能的影响。并从仿真和实测2个角度展开研究，使用有限元分析软件构建电流互感器模型，并分析在不同环境温度下互感器内部的温度场；再使用110 kV SF6电流互感器测试了在不带电荷、带电荷时环境温度对互感器的影响，并重点研究了环境温度急剧降低时对互感器的影响。

1 SF6互感器内部温度场仿真测试

SF6电流互感器的导杆通常要流过数百安培以上的电流，线圈需要流过几安培的电流，线圈和导杆构成了SF6电流互感器的主要热源[16]。本文考虑到导杆流过的电流要远大于线圈流过的电流，因此忽略线圈的影响和铁芯的损耗。同时，金属屏蔽罩的厚度薄、导热系数高也为建模带来了困难。为了简化模型，本文使用三维模型且以110 kV电流互感器的尺寸作为其他元件尺寸的参考值。建模时具体选用铜制导杆、铁制法兰和铝制壳体、引线管，模拟800 A电流通过导杆时电流互感器的热场。

使用有限元分析软件COMSOL multiphysics[17-18]建立电流互感器的物理模型后，采用四面体单元对其进行网格划分[19-20]。综合考虑准确性和计算效率后，使用较大尺寸的单元划分环境空间，而使用较小尺寸的单元划分引线管、壳体和盆式绝缘子。模型整体划分结构，如图2所示。

图2 仿真模型及其网格划分Fig.2 Simulation model and its meshing

考虑到电流互感器内部环境是封闭的，故在设置边界条件时将内部设置为连续边界，通过设置不同的外界环境边界温度来模拟电流互感器内部温度场。如图3所示为本文分别设置20、0、-10℃时，电流互感器和SF6气体区域温度分布情况。

图3 不同外界环境下的电流互感器内部温度场Fig.3 Internal temperature field of the current transformer in different external environments

从图3可以看出，无论环境温度为多少，电流互感器内部均可产生近35℃的温度差，而SF6气体区域能保持在6～8℃的温度差。同时随着外界温度的降低，电流互感器各部位的温度也在降低，但能保持温度差值不变。分析可知，正是由于电流互感器内部温度分布的不均匀，才导致内部高温区域向低温区域迁移，使低温区域的微水迅速增加，最终由于局部放电产生的能量冲击套瓷，导致套瓷爆裂。下文将分别分析电流互感器未带电荷和带大电荷时环境温度对SF6气体微水含量的影响，以及急剧降温时对电流互感器的影响。

2 环境温度对电流互感器的影响

为了进一步研究环境温度对SF6电流互感器的影响，本文使用人工气候室，测试了不同电流和温度下的电流互感器的微水。实验装置如图4所示，由高电流发生器和额定电流为800 A的110 kV SF6电流互感器等设备构成。为了更方便地配备不同含水量的气体，本文使用氮气代替SF6气体，下面使用该装置分别测试不带电荷和带大电荷时环境温度对电流互感器的影响。

图4 测试装置Fig.4 Test device

2.1 未带电荷时的影响

电流互感器未带负荷时，导杆和线圈均不发热，装置内部温度与环境温度一致。由于电流互感器中的绝缘材料和内表面的吸水能力受温度影响，因此SF6气体中的微水含量也会产生一定的变化。本文验证了未通电情况下，电流互感器中的绝缘材料和内表面的吸水、脱吸水问题，其实验结果如表1所示。

表1 环境温度变化时SF6中微水含量变化Tab.1 Changes of the micro-water content in the SF6 when ambient temperature changes

从表1中可以看出，环境温度下降时，SF6中微水含量下降；而当环境温度上升时，SF6中微水含量上升。因此，随着环境温度逐渐上升，电流互感器中的绝缘材料和内表面的吸水能力逐渐降低，整个过程如图5所示。

图5 电流互感器内微水转移过程Fig.5 Micro water transfer process in the current transformer

上述测试结果表明，外部环境的温度决定了SF6电流互感器内部微水的转移和平衡，且微水的转移过程是可逆了。重复实验结果表明，上述现象与现实一致。

2.2 带大电荷时的影响

在电流互感器运行时，导杆会流过数百安培的电流。由第一部分的仿真结果可知，电流互感器内部将产生较大的温度差，导致高温区域的微水释放到SF6气体中，并流通到低温区域，使得低温区域的微水含量增加。本文测试了不同环境温度、不同电荷条件下的电流互感器内部的微水含量，结果如表2所示。

表2 不同温度、不同电荷下的微水含量Tab.2 Content of micro-water under different temperature and different charges

从表2可以看出，随着电流负荷的增加，不同温度下微水含量均在逐渐增加；在同一电流负荷下，随着温度增加，微水含量也在急剧增多。

分析上述结果可知，电流互感器通过大电流时，将在其内部产生温度场。正是由于电流互感器内部温度分布的不均匀，导致不同区域的材料内壁吸附水分的能力也不均匀。温度高的区域，材料内吸附水分量减少，并向SF6气体中扩散。而在温度低的区域，材料内吸附水分量增加，具体过程如图6所示。

图6 电流互感器存在温度差时微水转移过程Fig.6 Transfer process of the micro-water when the temperature difference occurs to the current transformer occurs

从图6的转移过程可知，当电流互感器内部存在温度差时，发生微水转移，可能导致温度低的区域微水增大达到饱和蒸汽压所对应的临界值。选取-5℃环境温度进行测试，将通过导杆的电流设置为800 A，测量不同时刻的微水值结果。如图7所示，其中初始状态为0.1 MPa、20℃时微水含量303 ppmV。

图7 -5℃时相对湿度和微水值的变化曲线Fig.7 Curve of the relative humidity and micro-water value at-5℃

从图中可以看出，-5℃时微水值由303 ppmV（0.1 MPa、20℃）增加到604 ppmV（0.5 MPa、-5℃），相对湿度也达到了68%。根据相关研究可知，当电流互感器内部的相对湿度达到70%时，可能发生凝露现象，并导致闪络电压降低。

2.3 急剧降温时的影响

本部分主要测试分析环境温度急剧降低对互感器性能的影响。设置环境温度为20℃持续通过800 A的电流；然后突然降低环境温度至-10℃，并在降温开始后每隔20 min测量一次互感器内部的相对湿度和微水值。在降温1 h后，每隔1 h测量一次互感器内部的相对湿度和微水值，实验结果如图8所示。

图8 急剧降温时相对湿度和微水值的变化曲线Fig.8 Changes of relative humidity and micro water values when the temperature is drastically reduced

在降温过程中，本文使用红外测温仪测量和记录了电流互感器各部位的温度，具体结果如表3所示。

从表3和图8可以看出，降温前的40 min内互感器内部的相对湿度和微水值均在急剧下降。而在后40 min内微水值几乎不变，而相对湿度在急剧增加，最后稳定在70%～80%。因此很可能产生凝露现象。

表3 急剧降温时互感器各部位温度变化Tab.3 Changes of the temperature of each part of the transformer when the temperature is drastically reduced

3 应对措施

由上文的研究结果可知，SF6电流互感器可能由于内部温度分布不均和环境温度的急剧降低，导致混感器内部出现局部凝露的问题，从而造成互感器故障。为了保障互感器的安全稳定运行，降低凝露造成电力事故的概率，提出了相应的应对措施。

首先，需要更加严格地控制微水标准值。国标规定的运行时微水值不超过1 000 ppmV，但本文的测试结果表明在该标准下因微水迁移的存在，仍可能出现局部凝露。因此，需要在组装电流互感器前进行充分的干燥处理，并在填充SF6气体前，充分抽空内部空气；

其次，可以在电流互感器内壁涂橡胶等防水材料，通过利用橡胶的憎水性，避免互感器内部由水分凝结造成的事故；

最后可以在温度较低的区域装设加热装置，通过在电流互感器的底部连接加热装置，在环境温度急剧降低时，有效减小内部的温度差，减弱水分的迁移程度，使水分分布更加均匀。从而减少环境温度急剧降低时产生局部凝露的可能性。

4 结语

SF6电流互感器在电气性能和电磁性能上均具有显著的优点。但当环境温度急剧变化时，使得水分在互感器内部迁移，可能导致微水凝露等问题，从而造成互感器故障。本文从仿真和实测2个角度研究了环境温度对互感器性能的影响，先使用有限元分析软件构建电流互感器模型，并分析在不同环境温度下互感器内部的温度场；然后使用110 kV SF6电流互感器测试了在不带电荷、带电荷时环境温度对互感器的影响，并重点研究了环境温度急剧降低时对互感器的影响。实验结果表明，SF6电流互感器可能由于内部温度分布不均和环境温度的急剧降低，导致混感器内部出现局部凝露的问题，从而造成互感器故障。为了保障互感器的安全稳定运行，降低凝露造成的电力事故的概率，提出了相应的应对措施，如更加严格地控制微水标准值、在电流互感器内壁涂橡胶等防水材料以及在温度较低的区域装设加热装置等。

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