电子式电流互感器光纤包埋技术探讨

雷 宏，郭品侠，刘芮杉，翟羽羽

(陕西省电力设计院，陕西 西安 710054)

1 概述

电子式电流互感器需要通过光纤将传感信号从高压侧引到低压侧。光纤本身具有很好的绝缘性能，但由于存在高压爬电问题，光纤不能直接下引，需要包埋在绝缘子中。绝缘子做为绝缘支撑器件，有陶瓷和硅橡胶两种。绝缘子在结构上分别由棒芯、护套、伞群和金具组成，光纤从空心棒芯中穿过，完成从高压侧到低压侧的信号传输。空心棒芯采用何种填充材料和工艺方能满足电气性能要求是一个很重要的问题。以下分别就陶瓷和硅橡胶两种绝缘子实现光纤包埋技术进行论述，提出在技术实现上已经没有障碍。

2 硅橡胶复合绝缘子包埋光纤技术

目前国内电子式电流互感器采用的绝缘子大都为硅橡胶复合绝缘子，光纤穿过绝缘子的空心棒芯，抽取真空后两端再用软硅橡胶材料进行密封，或采用预制好的光纤绝缘子。由于棒芯采用玻璃纤维和浸渍树脂材料，与硅橡胶材料具有良好的亲和性，在做好界面填充处理的条件下，能够很好地防止密封材料的开裂，保证电气设备的绝缘性能。独立电子式电流互感器采用此种方式对光纤进行包埋，电压等级最高已达500kV电压等级。

硅橡胶复合绝缘子具有很好的强度及挠度，安装运输及使用方便可靠，应用越来越广泛，已经得到行业内的广泛认可。经过近十年的验证，硅橡胶复合绝缘子包埋光纤技术比较成熟可靠。

3 陶瓷绝缘子包埋光纤技术

3.1 国内情况

在陶瓷绝缘子中埋设光纤的技术，国内研究文献较少，仅在110kV电压等级有厂家采用与硅橡胶复合绝缘子相同包埋技术进行光纤包埋。即在陶瓷绝缘子的棒芯中间预留通孔，光纤穿过通孔，抽取真空后两端再用软硅橡胶材料进行密封，按此种方式生产的产品应用在变电站中的较少，运行时间较短，至今未有绝缘子损坏的报道，因而部分厂家认为可以应用在更高电压等级中。但缺乏较为有力的实验证据以证明该种方式的正确性。

此外国内也有采用充填SF6气体型式的电子式电流互感器，以解决光缆下引的问题，在技术发展的当前，实现无油化，采用环保气体、质量轻型、简便运行维护的干式设备，应该是技术发展的方向，因而该种型式的电子式电流互感器未能在工程实践中广泛采用。

国内绝缘子包埋光纤填充材料通常为硅橡胶或聚氨酯，其热膨胀系数分别为5.9～7.9×10－4/℃和1.8×10－4/℃，电力陶瓷为3.5～4.7×10－6/℃，热膨胀系数相差近两个数量级，因此在陶瓷绝缘子中灌封材料不能采用硅橡胶及聚氨酯等有机材料，否则在温度变化条件下将出现裂隙、破损，严重影响绝缘子的机械强度。

从电气理论可知，在电场的作用下，两种绝缘介质的界面上会发生一种极化效应，在两介点常数不同的绝缘物质的界面出现极化电荷，会使界面的介损增大，介损增大的地方就会产生局部发热，长时间存在和发展就会引起绝缘的热击穿而损坏。此外，在界面处，容易因填充不密实而存在气隙，电场强度与介电常数成反比，空气的介电常数比陶瓷小几倍，当长时间的热胀冷缩再叠加风力及机械操作引起的机械变形时，将会导致绝缘子中陶瓷与硅橡胶之间出现微小裂纹及气隙，导致该部位电场强度过大，从而产生局部放电，加速有机材料的老化，最终导致绝缘子绝缘失效。

3.2 国外情况

陶瓷绝缘子包埋光纤国外有过研究，有专门的实验及专利技术，日本碍子株式会社(NGK INSULATORS,LTD)在电力陶瓷技术领域处于全球领先地位，20世纪80年代末专门对此进行了深入的研究，解决了光纤在陶瓷绝缘子中的包埋技术，并申请了专利，该专利主要解决热膨胀系数匹配问题。

绝缘子体为陶瓷材料，内开通孔，光纤从陶瓷内部通孔内下引，并在通孔内部或端部密封。其选择不同的密封材料进行灌封，如硅橡胶、环氧树脂、聚氨酯及各类陶瓷等，并进行了大量的实验，试验项目见表1。

表1 陶瓷光纤绝缘子实验项目

实验结果见表2，其中o表示满足要求，x表示不满足要求。用有机材料填充密封，由于热胀系数相差太大，在热冲击试验、耐热试验以及热循环试验中导致绝缘子损坏，性能不能满足要求，需选择性能匹配热胀系数合适的陶瓷进行密封，热胀系数不匹配的陶瓷也不能满足要求。

表2 有机材料密封绝缘子实验结果

陶瓷密封浇注工艺十分复杂，需要将密封陶瓷感应加热融化，其加热温度很高，光纤内芯为石英材料，涂覆层为聚氨酯等有机材料，在高温下会烧蚀挥发，大大降低光纤的强度及可靠性，在浇注过程中由于高低温变化，会在光纤内部残留较大的内应力，也会降低光纤的可靠性及传输特性。该专利通过相关的技术解决了这一问题。

国内陶瓷绝缘子包埋光纤填充材料采用硅橡胶或聚氨酯的方案通过表2已经被验证存在问题，由于其试验项目仅为短期试验，未考核机械损伤，如果考核长期高压绝缘，有可能会出现严重的局放及耐压问题，因而要在高电压等级中采用，存在极大的安全隐患和风险。

4 技术应用的前景

电子式互感器具有体积小、重量轻的特点，近年来，国家电网公司在电子式互感器的电磁兼容性能、温度性能、抗震性能等方面开展了卓有成效的研究和试验，使得电子式互感器的性能得到了大幅度的提升，为其进一步的应用创造了条件。电子式互感器可以与隔离开关、断路器等一次设备集成，实现减小电气设备安装尺寸，减少变电站占地面积的目的。随着陶瓷绝缘子包埋光纤技术的解决，为电子式电流互感器与隔离开关共柱集成提供了技术上的支撑。

5 结语

由于陶瓷包埋光纤技术工艺十分复杂，对绝缘子绝缘性能及机械性能影响很大，对光纤的可靠性及传输特性影响也较大，尽管国外有相关的技术解决了上述问题，但国内还缺乏深入研究，甚至连科研机构的研究资料都很少。为此有必要开展该项技术的研究，为新一代智能变电站采用更优更好的方案提供技术支撑。

[1]GB/T8411．3－2009，陶瓷和玻璃绝缘材料[S]．