环氧树脂浸纸式高可靠性低碳环保型电流互感器的应用研究

国网武汉供电公司 方昭 张威 周翔 李杜 刘海琼 醴陵华鑫电瓷科技股份有限公司 杨雪峰

1 引言

近年来，电流互感器发展迅猛。传统高压电流互感器主要包括油浸式和SF6气体互感器。SF6气体电流互感器由于其故障率及碳排放较高，市场占有率低于油浸式电流互感器。现如今，油浸式电流互感器凭借着良好的机、电、热性能等被广泛地应用于各级电业输变电系统中。但油浸式电流互感器在挂网运行使用中，也存在一些缺点，如油浸式互感器碳排放量虽然较SF6式互感器低，但仍有待进一步降低。因此，采用碳排放量为零，爆炸风险非常低的环氧树脂浸纸式电流互感器替代传统的电流互感器，开展高压互感器环氧树脂浸纸关键技术的研究，对于避免电流互感器发生故障爆炸具有重大的意义和实用价值。

2 环氧树脂浸纸式电流互感器的基本介绍

高压电流互感器是电网运行的重要设备之一，它能够将高压线路中的高电压、大电流转化为低电压、小电流，使得二次控制装置与高电压相隔离，实现电网线路的保护、测量以及计量等的作用，其二次测电流通常为1A 或者5A，使得二次控制侧用的仪器仪表等标准化、小型化。

电流互感器的基本工作原理为法拉第电磁感应原理。正常情况下，其二次电流与一次电流应成正比，且其相位差接近于零。根据磁动势平衡方程，在忽略铁心中的励磁电流的理想情况下，其基本计算公式为：

式中：I1、I2分别为电流互感器的额定一次电流以及二次电流，单位为A；N1、N2分别为其额定一次匝数以及二次匝数[1]。

环氧树脂浸纸式电流互感器的主要部件为：一次绕组、二次线圈、CT筒、干式穿墙套管、支架以及二次接线盒等。其中，一次绕组采用导电率优异的铜导电杆，二次线圈由圆铜线、铁心以及绝缘薄膜等组成。CT筒用于装载二次线圈并起到支撑保护二次绕组的作用。干式穿墙套管的内部绝缘介质为环氧树脂浸纸，利用先进成熟的真空浇注技术，保证浇铸过程中无气泡等，使得介质均匀分布，具有良好的电、磁性能。外绝缘采用抗震性能优异的复合绝缘子。支架根据现场实际工况可选择使用普通碳钢或者防腐等级高的不锈钢等，且高度及安装固定方式均可根据电场布置图定制化设计。二次接线盒采用防腐的铝合金材料，内部使用标准化的接线端子，根据用户的实际需求定制化选型。

3 环氧树脂浸纸互感器电场仿真性能的研究

环氧树脂浸纸互感器主绝缘部分相当于一个电容器，由若干的小电极组成。利用计算机软件Elecnet 对其进行电场仿真计算。其步骤为：建立几何模型、材料属性设定、指定边界条件和激励源等，在工频电压下，电流互感器内部电场属于似稳场，可以用静电场来模拟。由于CT 筒及复合外套下法兰与末屏均为低电位，复合外套上法兰与一次接线端子相连，为高电位，所以在设定仿真计算边界条件时，边界L1对应一次接线端子的边界。互感器主要技术参数如表1所示。利用计算机软件经过计算仿真得出分析结果，主绝缘电位分布图如图1所示。

表1 互感器主要技术参数表

图1 主绝缘电位分布图

由图1可以看出，对于环氧树脂浸纸互感器，其主绝缘最大场强出现在电容屏端部，其最大值为8.62kV/mm，满足绝缘性能要求。

4 环氧树脂浸纸互感器机械性能的研究

4.1 外绝缘材料的选用研究

高压互感器外绝缘主要采用瓷或者复合绝缘子等材料。高强瓷质绝缘子具有很多优点，如良好的电气性能、机械性能、热性能等。但是，瓷质绝缘子的重量大，抗震性能差，一旦发生爆炸现象破坏力较大。复合绝缘外套较瓷质绝缘外套在防止变电设备爆炸方面具有先天性优势，主要为机械强度更高、分散性好、重量轻、防止连断事故等。因此，采用柔韧性非常好的复合绝缘外套替代瓷质绝缘外套，对于避免变电设备的瓷质绝缘外套故障爆炸具有重大意义和实用价值。

复合绝缘子的研究一直是变电设备外绝缘很重要的一部分。我国在复合绝缘材料新技术的设计与制作方面取得了显著进步，技术日趋成熟。例如，高温硫化硅复合材料已在国内变电站的组合电器（72.5～1100kV）、罐式断路器（72.5～800kV）、避雷器（66～500kV）、SF6 电流互感器（72.5～550kV）、隔离开关（72.5～126kV）等电气设备中使用。

国内试点中采用的复合绝缘外套的变电设备总体可划分为三类：一是电网主设备的套管，如油浸式变压器复合套管；二是变电设备本体的一部分，如复合倒立式电流互感器；三是变电站内复合绝缘支柱。

根据目前现场的运行情况可以发现，采用复合绝缘外套的油浸式套管、互感器、绝缘支柱等变电设备在实际运行中虽然存在诸多问题，如抗老化能力不足、与油的相容性不佳、伞裙变形、表面憎水性下降、长期耐电腐蚀能力差等。

4.2 复合绝缘子型环氧树脂浸纸式互感器机械性能分析

环氧树脂浸纸式互感器，采用复合绝缘子作为外绝缘，其抗震水平大大提高，根据试验数据显示，此类互感器可以满足水平加速度0.4g 的高抗震要求，其内部支撑的高强度玻璃钢筒有效提高了复合产品运行的安全可靠性。

同时，硅橡胶外套具有很强的机械性能，不易破碎，抗弯性好，可承受内部压力强，防爆性好，本文旨在对环氧树脂浸纸互感器的机械性能进行三维建模模拟分析，以确定环氧树脂浸纸互感器最佳结构尺寸，优化互感器的机械性能，进而提升互感器的安全可靠性。

利用有限元法分析方法，对其进行受力分析时，通常有三个基本步骤，即：预处理，求解以及后处理。在应用Solidworks 仿真时，通常包含4 个步骤。

一是建立数学模型。

二是建立有限元模型。

三是求解有限元模型。

四是结果分析。

互感器在运行时需要串联在线路中，P1侧进电流，P2侧出电流。其一次接线端子通过螺栓、一次接线连接金具与线路相连接。其底部为钢支架式结构，可以根据现场调节钢支架的高度，实现灵活安装，且受力稳定。

经过分析，对环氧树脂浸纸电流互感器进行模型简化，其压力主要承接到复合绝缘子上，即复合绝缘子外套为整个产品的薄弱点。对复合绝缘外套进行受力分析，进行特征消隐，受力分析采取对其复合缘子内的玻璃钢筒进行加力，用Solidworks Simulation 软件进行静力学仿真计算，复合绝缘外套受力分析结果如图2所示。

图2 复合绝缘外套受力分析结果

通过该分析结果可以看出，受力应力最大区域在玻璃钢桶底部，最大值为20.5MPa，远远小于玻璃钢桶的屈服强度（最小值为85MPa）。由此可见，该设计完全符合标准，关于机械强度的规定。

5 环氧树脂浸纸技术应用到高压互感器上的相关试验项目方法

环氧树脂浸纸技术应用到高压互感器时，为了保证产品的电气、机械、热等各方面的性能指标，必须进行有效的试验进行验证，验证中需要制定相应的试验大纲。同传统油浸式互感器一样，需要进行全部的型式试验项目。依照国家标准以及产品的自身特性编写电流互感器型式试验大纲如表2所示。

表2 电流互感器型式试验大纲

6 结语

传统油浸式电流互感器的绝缘介质为绝缘油浸纸结构，在出现故障时，容易发生起火爆炸现象，后果严重。如果采用以环氧树脂浸纸为绝缘介质的电流互感器，无油、无气，可靠性高，可以极大地降低火灾和爆炸的风险。因此，本文对环氧树脂浸纸互感器进行绝缘性能、机械性能以及相关试验项目的研究，旨在分析研究环氧树脂浸纸用于互感器上的各种性能，保证其满足技术参数的要求，提高其运行安全可靠性能。本文研发的环保型电流互感器，产品内不含温室效应气体，推广应用项目技术成果可以改善我国电流互感器的现状，提高安全性能，为精益化管理提供基础。