高可靠绝缘电流互感器研究

王增文，林 峰，黄楚秋，莫华明，沈程炼，侯光涛

（桂林电力电容器有限责任公司，广西 桂林 541004）

0 引言

“双碳目标”能源结构的转变，更需要电网公司全面实施电网节能管理，优化电网结构，推广节能导线和变压器、互感器，强化节能调度，提高电网节能水平[1]。高压互感器作为电网节能不可或缺的关键设备之一，用于高压及以上的电力系统中，为电气测量仪器仪表和控制装置、电能计量、继电保护等设备传递信息，担负着“提供电压信号、通讯信号”和“提供电流信号”作用[2]。本研究仅对CT 进行探讨，CT 在电网中起计量和保护作用，得到了大量的应用，但CT 在运行中，由于设计、工艺制造、一维护等因素，使绝缘可靠性降低，经常会发生爆炸事故，不但会影响电网安全运行，还会波及损坏周围的电力设备，为此，研发高可靠的绝缘CT 是势在必行的趋势，全面对CT 的高可靠性、高绝缘、预防手段，展开研究和探索。

1 电流互感器绝缘性能的设计研究

高压CT 在输变电中属于高电压、大电流设备。CT 的一次绕组与高压导线相串联，处于高电位，而二次绕组与测量仪表等相连接，为了测量的安全性，二次绕组一端常是接地的，所以在一次绕组与二次绕组之间有很高的电位差，CT 的绝缘还要承受各种操作及大气过电压的作用。CT 的主绝缘结构性能直接影响其运行的安全性，绝缘性能好坏的主要衡量指标为起始局部放电电压，绝缘利用系数及绝缘耐受能力。

1.1 绝缘可靠性研究及设计

（1）采用电容型绝缘结构研究

CT 的一次绕组为“U”字型结构，器身固定在箱底，主绝缘为电容型油纸绝缘结构，用高压电缆纸包绕在一次绕组上，其间设有若干电容屏，电场分布均匀，绝缘利用率高，内屏接高电位，外屏可靠接地。

CT 的一次导体与外包绝缘的断面形成的是圆柱电容器，绝缘介质中半径为r处的径向电场强度与两电屏间电压U的关系可用表示，导体内电屏表面场强最大，外电屏表面的场强最小。通过在较厚的绝缘层中设置中间电屏，每个电屏及中间绝缘构成一个电容器，将内电屏与一次导体作电气联结，外电屏接地构成一组串联电容器，串联电容器各电屏表面的场强差别会缩小，这样电容屏就可控制轴向及径向电场，使电场分布均匀，就能减小局部放电水平。

但是选择太多的电容屏数量，会增加加工难度和成本增加，如何选择电容屏数量，是保障绝缘可靠性设计关键技术之一。

通过研究发现，选择电容屏时主要考虑：在长期工作电压下，绝缘中不发生任何破坏性损伤；在工频及冲击试验电压下，绝缘中不发生贯穿击穿或滑闪。

（2）采用多个端电屏均压措施和加强绝缘结构的关键技术研究

由于主电屏电场的不均匀性主要集中在主电屏的边缘处，为了改善主电屏边缘处的电场集中，常在相邻的主电屏间，分别插入几个端电屏，这样主电屏的数量就可大大减少，主电屏边缘处的场强集中现象，就可被端电屏缓和。

电容型绝缘电屏端部的局部放电起始电压与绝缘厚度d存在以下关系：UY=Ad0.5，在绝缘总厚度不变的条件下，如果插入多个端电屏，减少屏间绝缘厚度，局部放电起始电压将得到提高。如何选择绝缘层数量及主电屏和端电屏端部加强绝缘结构，也是保障绝缘可靠性设计关键技术之一。

相邻屏间绝缘为1/2 叠方式三层，每层均在极板前120 mm 处掉头，主电屏和端电屏的端部位置采用加强绝缘设计，第一层在260 + 60 × 2 = 380 mm 范围内用3/4 叠方式；第二层在120 mm 范围内用3/4叠，之后转换为1/2 叠；第三层用1/2 叠方式。加强绝缘厚度为：0.13 ×（2 × 1 + 4 × 2）÷ 0.98≈1.33 mm。

（3）合理的电屏数量及尺寸结构设计

①电屏数量确定

电容型结构按各层最大场强相等、绝缘厚度也相等来设计，对有尖锐边缘的电屏，在工频1min 试验电压下，一般d为包括端屏在内的各电屏间的绝缘厚度，取0.8 mm，Ut为230 kV，则：E= 12 × 0.8-0.58kV/mm =13.7 kV/mm，，但为了提高CT 绝缘水平，加大绝缘裕度，试验验证发现取n=30 为好，即每5 个屏为一组（1个主电屏和4 个端电屏），共6 个主屏，24 个端电屏。

②各电容屏的半径及长度的确定

电容屏的尺寸与CT 的结构有关，为了起到良好的屏蔽作用，接地电容屏要伸出油箱0.1 L 左右，电容屏的端部离顶部金属件（0.15～0.2）L，即：ln=lb+0.2 L，l0=lb+ 1.6 L，式中lb为油箱中电容屏的长度。为了充分利用绝缘厚度，尽量取各层中的径向场强相等，通过调整各层电容屏的长度满足r0l0≈rn ln，从而确定相邻电容屏间的台阶长度：λx= 1/2（lx- 1 -lx）。

通过反复的计算和调整，研制CT 产品的电容屏尺寸计算结果见图1 和表1。

图1 电容屏尺寸图

根据以上研究和确定，采用合理的电容屏数量及规格生产的CT，并通过第三方试验验证，CT 局部放电小于3-4pC，达到国际先进水平。

1.2 动热稳定性研究

CT 一次绕组流过系统短路电流时，一次导体周围会产生很强的电磁场，载流导体各部件在磁场中会受到电磁力的作用；另外，导体产生的热量会使CT温度升高，影响CT 的外包绝缘性能。动热稳定试验是CT 型式试验项目[3-4]，要保证CT 安全稳定运行，必须对其深入分析研究，CT 试品通过试验检验。

（1）动稳定性研究

CT 流过短路电流产生的电磁力大小，除与电流直接有关外，还与CT 一次绕组的布置、绕组导线截面形状、电流的种类，以及绕组周围的介质有关。动稳定性设计的关键是先计算电磁力大小，然后根据受力情况采取相应保护措施。研制的CT 一次导体的结构，可按平行、垂直和圆环3 种形状计算。

①引出端子与一次绕组软连接的电磁力。

②U 型一次绕组电磁力计算。

为简化计算，将U 型一次绕组分为半圆环部分和平行直线（实际有倾斜角度）部分分别计算再相加。

③提高CT 一次绕组结构机械强度的同时，保证其能承受电磁力的作用。

a.引出端子与一次绕组之间采用软连接，可以有效缓解电磁力对引出端子的力，通过改进制造工艺、专用工装，高可靠焊接的软连接，通过水平方向4 kN、垂直方向4 kN 的机械强度试验验证，解决了不发生渗漏的问题，满足设计要求。

b.一次导体匝间采用高压电缆纸和皱纹纸，以及高压电缆纸和皱纹纸交替布置的结构，利用皱纹纸的弹性，缓解电磁力的作用，从而承受更高电磁力。

c.一次绕组用无玮带和杂木固定，保证一次绕组稳固，不受电磁力损坏或移动。

d.绕包好的一次绕组下端固定在铁架上，保证运输、运行和动热稳定试验时稳固。

（2）热稳定性研究

CT 是大电流设备，其热稳定性设计的关键技术之一，是如何选择合适的电流密度，保证CT 绝缘能承受电流的热作用而不出现损伤或碳化现象。

①一次绕组热稳定性设计。

一次导体为1/2 铝管，外包绝缘选用A 级绝缘材料的高压电缆纸和皱纹纸，最高允许短时发热温度为200 ℃，国标GB 20840.1 规定绕组平均温升为60 ℃，利用热能计算导体的允许短时电流密度：

由于产品为油浸式，热量会散发掉一部分，设计控制电流密度不超过120 A/mm2可保证产品的热稳定性能满足使用要求。如果热电流持续时间为t秒，则可用换算。

②二次绕组热稳定性设计。

二次绕组选用180 级聚酯亚胺漆包圆铜线绕制，导线截面主要考虑额定短时热电流的影响和误差的要求。如果按短时电流确定导线截面，先计算出二次最大电流I2max，再根据计算。

二次绕组出现的最大电流有两种情况，一种是按变比换算的电流，另一种是铁心高度饱和时的最大二次感应电流。

CT 产品二次绕组的电流密度设计如下：

短时电流密度：

测量绕组：

2 电流互感器防爆结构的设计研究

2.1 主屏铝箔不打孔结构研究

目前，大部分CT 主屏铝箔均采用打孔结构，其优点在于可减少浸渍时间，降低成本，缺点在于多一道打孔工艺，耗时耗力、效率低，打孔有毛边，场强不均匀，影响局部放电，打孔铝屑残留在器身绝缘内，特别是存在运行时被击穿的隐患。为了减少击穿的风险，提高绝缘水平，通过研究发现，调整真空浸渍参数，采用不打孔铝箔结构，经过大量的试验验证，CT试品的电容、介质损耗、局放等关键参数，均合格，达到国标GB/T 20840.1-2010、GB/T 20840.2-2014 的要求[3-4]。

2.2 复合套管结构研究

在35 kV ～1000 kV 电力系统中，绝大部分的CT 的套管，通常采用电瓷材料，其具有价格低，制造方便等优点，但其瓷套重量重、法兰胶装耐气候性差、瓷套管根部断裂现象，而且瓷套管的绝缘体表面存在连续水膜，容易造成外绝缘闪络等缺点，特别是CT产品内部发生击穿，绝缘失效，内压瞬间过大的极端情况下，会产生爆炸，瓷套材料属脆性材料，爆炸后的“飞瓷”碎片会殃及周边的电气设备和人员安全。

为克服CT 产生“飞瓷”现象，联合套管厂家研发高机械强度复合绝缘材料的套管，使用在CT 上，是关键手段之一。通过对CT 高机械强度复合绝缘套管的研究，发现套管既不能无限制的提高机械强度，又要考虑产品的重量不能太重，材料成本不能太高，复合套管的制造不能太困难；同时抗弯试验与抗震试验是相矛盾的，复合套管直径加大，壁加厚，其抗弯性能会提高，但产品重量也会加重，对抗震试验不利。因此，综合考虑抗弯及抗震性能，对产品的复合套管进行全新的研制，复合套管本体、法兰的设计，及复合套管本体与法兰配合等参数配置为关键技术。

复合绝缘套管的尺寸与瓷套管的的有很大不同，分压器需重新设计，分压器的各参数设计、内外绝缘配合设计、油补偿设计等，都是关键难题。

首先，对复合绝缘套管进行设计研究，通过抗震计算，确定设计方案可行后，再对分压器进行重新设计。其次，优化复合绝缘套管的设计，在保证复合套管爬电距离和干弧距离的前提下，尽量满足机械强度要求及通过抗地震试验。套管的机械强度与抗弯模量、法兰强度及胶装比有关，必须综合考虑套管的内径、外径、法兰高度及厚度的尺寸及相关的参数配合，同时还需兼顾性价比要求。

通过与生产厂家合作，进行多次计算、反复协商，确定了最优方案。研制的复合套管可防紫外线、抗老化、抗低温、防风砂，外表面绝缘性能较强，重量轻，法兰胶装耐气候性能较好，防爆、防震、抗冲击能力较强，而且方便安装及运输。

3 CT 预防措施现场取油试验研究，取油阀的研制

电网工程电气设备交接或定期检查时，需要对CT 的内绝缘油取样试验，以及时发现设备潜在的绝缘缺陷，保证设备安全运行，根据试验结果采取相应措施。而现在CT 取油阀取油口在油箱上端，高于油箱底面，不能取到最低端的绝缘油，造成测量结果与实际使用存在偏差，且现有的取油阀在取油时流油速度难以控制，容易造成浪费或者对环境造成污染。

通过研究，采用装有弹簧、堵头、油塞的管体与油箱底部连通，设计了一种互感器取油阀，将取油阀安装于油箱底面，方便的取到油箱底部的油，使实验结果更加真实，且通过顶开堵头即可取油，可以有效控制油流量和油流速，有效防止取油的飞溅浪费，对环境的污染。

4 结语

电流互感器是输变电工程必不可少的关键电力装备之一，CT 是我公司是首次研发，其高可靠性绝缘设计和现场防护绝缘击穿是关键技术之一。

（1）通过采用电容型绝缘、多个端电屏均压和加强绝缘结构的设计，选择优化的电屏数量及尺寸，使CT 局部放电小于4pC，达到国际先进水平。

（2）通过采用主屏铝箔不打孔结构，CT 减少了内部击穿的风险，同时加强真空浸渍工艺，产品满足国标要求。

（3）通过采用复合套管，CT 有效地防止了“飞瓷”现象，还可防紫外线、防风砂，绝缘性强，重量轻，防爆、防震、抗冲击能力较强。

（4）通过采用互感器取油阀，CT 方便的取到油箱底部的油，真实检测到CT 的运行质量，预防“事故”的发生。

通过对CT 电容型高可靠绝缘结构、铝箔不打孔结构、防爆式复合套管、快速取油阀等研究，并通过第三方试验验证，介损小于0.21%，局部放电小于4pC，产品通过了中国机械联合会组织的鉴定，达到国际先进水平，可广泛应用于变电站中。