提高电流互感器动热稳定性能的措施

郭胜，郝桃武

(大连北方互感器集团湖南大北互互感器有限公司，湖南 常德415000)

0 引言

近年来，随着电力系统规模的扩大，电力系统中的短路电流水平不断增大[1]，系统承受短路电流的能力有限已经成为电力系统规划与运行面临的重要问题。为了限制系统短路电流目前各电力系统已采取许多行之有效的方法[2－5]，但系统整体的短路电流还是呈逐年上升趋势。所以对串联的电流互感器承受短路电流的能力(动热稳定性能)也提出了更高的要求。

为了适应系统动热稳定的要求，国内一般采用如下两种解决方案:1)选用额定一次电流比系统额定电流大很多的电流互感器，虽动热稳定得以满足，但测量精度下降较多，而且给测量及继电保护带来很大的困难[6]。2)采用初始导磁率很高而饱和磁密较低的铁磁材料(如坡莫合金、非晶合金、超微晶合金)作为计量绕组的铁心，通过降低安匝数的方法来提高动热稳定性能。但为了满足精度要求，需增大铁心截面积。产品体积增大，相应制造成本也将成倍增加，且安匝数也不能无限制地降低。目前，国内现有铁磁材料的电流互感器安匝数降到200安匝以下时，计量精度将降低且能满足的二次容量变小。

为了设计制造小变比高动热稳定的电流互感器，首先需对动热稳定时电流互感器的热效应及电磁力(也称为电动力)进行分析计算，以便进行电流互感器的电磁结构和绝缘结构设计。

1 电流互感器热稳定状态下的热效应

在系统发生短路故障时，短路电流通过电流互感器会使互感器内部温度急剧升高，如果互感器热稳定性能不好，往往会出现树脂开裂的现象，有时可能发生爆炸[7]。电流互感器在热稳定电流下的发热温升与稳定运行状态下的发热过程是完全不一样的。施加热稳定电流时间短，电流互感器外绝缘材料导热性能差，故在设计计算时可假定在热稳定过程中导体不散热，全部热量都用来加热导体，同时假定导体材料的电阻系数ρ和比热C保持不变，可由式(1)算出导体允许的短路电流密度[8]。

式中，ρ为导体的电阻系数，为导体的截面积，mm2；L1为导体长度，m；γ为导体的比重，g/cm3；C为导体的比热，J/(g·℃)；G为导体质量，g；θ为导体的温升增量，℃；t为时间，s；I为电流，A；Ka为附加损耗系数。

令Jk＝I/S1为短路电流密度，则:

现以电流比600/5、级次5P20/0·5/0·2S、容量20/20/20VA、热电流31·5 kA/4 s、动稳定电流80 kA的电流互感器为例，计算允许的短路电流密度。

假设电流互感器正常运行状态下的稳定温度为50℃，绕组用铜导线制成，经查得铜导体各个物理常数为:C＝0·395 J/(g·℃)；γ＝8·89 g/cm3；ρ＝0·019 9(Ω·mm2)/m。

铜导体最高允许的短时发热温度为250℃，则θ＝250－50＝200℃；取附加损耗系数Ka＝1·2，短路持续时间t＝4 s，则根据式(2)得:

若短路持续时间为1 s，则:

2 电流互感器动稳定状态下的电磁力计算

系统短路时，与系统串联的电流互感器将流过短路冲击电流，该电流将使电流互感器导体承受很大的电磁力作用，可由式(3)算出[8]:

式中，F为电磁力，N；Idyn为互感器的动稳定电流(峰值)，A；N1为一次绕组匝数；K0为回路系数，与导体几何尺寸、形状有关的。

据式(3)分析得:1)当一次绕组结构和尺寸相同时，电磁力大小与一次绕组匝数N1的平方成正比。2)当一次绕组匝数确定时，电磁力大小则取决于一次导体的尺寸及结构形式。

现结合国内互感器厂家所采用的几种一次绕组结构进行电磁力分析，简要分析其优劣性。以上文中电流互感器参数为例，采用三种不同结构进行设计，分别计算一次导体所受电磁力。

2.1 支柱式电流互感器

支柱式电流互感器变比及绕组数灵活，是品种最多、应用最广泛的中压电流互感器，结构如图1所示。

图1 支柱式电流互感器结构图

一次导体大体为长方形，视左右两段垂直方向为有限长平行导体，电流方向反向，认为右边垂直方向的导体处在左边垂直方向导体产生的磁场里，由左手定则判断出其受力方向向右的电磁力作用，所受电磁力Fa计算式为:

式中，A、B分别为一次绕组等效长、宽。

图1(a)中N1＝1匝，Idyn＝80 kA，A1＝250 m，B1＝145 mm，得F1a＝111 4N。图1(b)中按1 200安匝设计，N1＝2匝，Idyn＝80 kA，A2＝235 m，B2＝103 mm，得F2a＝4 445 N。

另右侧垂直导体处在上下两平行导体的磁场里，则同时受到该磁场的电磁力，方向向右，电磁力Fb的计算式为:

式中，r为一次绕组 截 面半径，图1中r＝12·5 mm。

计算得F1b＝1 520 N，F2b＝5 284 N。图1(a)导体总电磁力F1＝F1a＋2F1b＝4 154 N，图1(b)导体总电磁力F2＝F2a＋2F2b＝15 013 N。

理想的圆环形一次导体结构承受的电磁力是最小的，受力也是最均匀的[9]，但从浇注式电流互感器产品结构分析此种方案很难实现。尤其是多个二次绕组的产品，若采用圆环形一次导体结构工艺特别复杂，产品体积也将成倍增加。

2.2 穿墙式电流互感器

穿墙式电流互感器进线与出线导体在同一平面上，如图2所示。因一次电流同向，所以不管一次匝数是单匝还是多匝，其满足动热稳定的能力都要优于支柱式电流互感器。

图2 穿墙式电流互感器结构

当穿墙式电流互感器一次导体为单根直导体且只有一匝时，在通过动稳定电流时，将不存在一次导体相互间的电磁力作用，电磁力只存在于一次导体与二次线圈之间。假设二次线圈均匀绕制，其漏磁将分布均匀，当一次导体居中布置，作用在一次导体上各方向的电磁力相互抵消，一次导体将不受电磁力作用，故单匝式穿墙式电流互感器理论上可以满足很大的动热稳定。但当额定一次电流较小时，产品体积将增大，且其精度和容量也可能会降低。当精度和容量达不到要求时，此时一次导体需设计成多匝式。

当穿墙式电流互感器一次导体为多匝时(以两匝为例)，一次导体设计尺寸同图1(b)，即A3＝A2，B3＝B2。但因穿墙式结构上半部份回流导体始终比下半部份穿过二次线圈的导体少一匝。则图3所示一次导体总电磁力

2.3 穿心式电流互感器

穿心式电流互感器自身没有一次导体，但有一次绝缘，安装时可直接套装在电缆或母线上，结构如图3所示。若采用电缆或其他类似圆形导体做一次导体并居中布置时，其所受电磁力将同穿墙式电流互感器一次导体为单根直导体时的电磁力分布情况相同，即一次导体不受电磁力作用。产品自身没有一次导体，若后期系统负荷增大、短路电流增加时，只需相应增加外装一次导体截面积便可，无需更换配套电流互感器。但同样也因安匝数限制，无法满足较小的额定一次电流(≤200 A)的高精度和大容量的要求。

图3 穿心式电流互感器结构

3 综合分析

提高电流互感器的热稳定性关键在于降低一次导体热稳定下的电流密度，增加一次导体单匝截面积。结合行业经验，在没有其他有效措施的情况下，当短路时间为1 s时，一次导体的热稳定电流密度须控制在120 A/mm2以下；当短路时间为4 s时，一次导体的热稳定电流密度控制在60 A/mm2以下为宜。另因一次导体很难一体成形，存在连接点，目前国内大部分厂家采用焊接的方式使一次导体各部位有序相连。所以焊接可靠性和焊接方式对提高动热稳定尤为重要，一般需保证焊接的截面积达到一次导体单匝截面积的1·3～1·5倍以上。

电磁力大小和分布是影响动稳定性能的关键性因素。从上文可知，当其他参数相同时，穿心式电流互感器满足动稳定电流的能力优于穿墙式电流互感器，更加优于支柱式电流互感器。对同种结构产品，一次导体匝数越少对提高动稳定电流越有利。

如何根据系统要求选用合理的额定一次电流[10－11]、级次、负荷[12]和动热稳定值[13－15]成为了各设计院和开关柜厂家系统设计的难点。对互感器制造厂家，如何有效地最大限度地提高电流互感器动热稳定成为设计中待解决的难题。

4 提高电流互感器动热稳定的措施

1)优化现有的结构形式，使电磁力分布趋于均匀。若因结构限制无法达到完全均匀，可根据电磁力分布情况适当增加局部缓冲和混合树脂外绝缘厚度，增加其抗电磁力冲击的能力。另电流互感器外形设计尽量与一、二次绕组组装后的器身相近，且树脂绝缘层应薄厚均匀(15～20 mm)。这样不仅能保证良好的散热性，又能抗电磁力冲击。

2)目前多匝式电流互感器一次导体多采用多股等宽的铜带叠加大圈包小圈的平绕方式，导体截面如图4(a)所示，因总体结构松散，抗弯惯矩的能力较低。若采用一体式的一次导体立绕方式绕制，导体截面如图4(b)所示，同截面积的一次导体其抗弯惯矩将明显增加，极大提高产品的动稳定性，但工艺比较复杂，且一次匝数越多操作难度越大。

图4 一次导体截面图

3)材料改进，选用高导电性[16]且具有高抗弯惯矩的材料作为一次导体，且一次导体缓冲层采用抗高温高弹性的EPMD半导电膨胀胶带，减小电磁力对树脂包封层的冲击。目前国内大部分浇注用的环氧混合树脂在固化后比较脆，缺少韧性。在温度急剧变化或受较大局部电磁力作用时容易开裂，可在混合树脂中加入适当的增韧剂，改善浇注体的韧性，提高机械强度和耐温差性能。

5 应用实例分析

某公司2020年12月试制了型号LZZBJ9－10Q、600/5的浇注式电流互感器，该互感器短路时间为4 s时，一次导体额定电流密度为69 A/mm2，采用图1(b)的结构形式。考虑到批量生产适应性及工艺简便性，此试验互感器一次绕组采用原始的平绕方式，未采用能提高抗弯惯矩的立绕形式，采用抗高温高弹性的EPMD半导电膨胀胶带作为一次绕组的主缓冲材料，浇注体树脂绝缘层厚度约为16 mm。该试验互感器通过了热稳定电流31·5 kA、热稳定时间4 s、动稳定电流80 kA的性能试验。

应用实例表明，采用传统外形，应用现有的工艺条件及材料进行结构改进，是可以设计研制出小电流比高动热稳定性能的电流互感器的。随着各项材料性能的改善及工艺的完善，动热稳定有望得到进一步提高。