高海拔、环氧树脂浇注电流互感器绝缘性的优化设计

1、2010年04月第46卷第4期# High Voltage Apparatus技术讨论高海拔.环氧树脂浇注电流互感器绝缘性的优化 李果I,张宇I,李勃1,董涛I,朱永义2(1 昆明理工大学机电工程学院，云南昆明650093； 2.云南开关厂，云南昆明675000)摘要：针对云南开关厂生产的40.5 kV等级高原型电流互感器在做出厂试验时会发生闪络放电的悄况，根据离电压绝缘的相关 理论，分析了环氧树脂浇注电流互感器在高海拔悄况下的绝缘性能。研究了影响该互感器绝缘性的各种因素并提出采取堆大 外绝缘的爬电距离以及同时减少其比电容的优化设计。关键词：奇海拔；绝缘子；闪络电压；比电容；爬电；优化中图分类

2、号：TM452文献标志码：A文章编号:1001-1609(2010)04-0057-04The Optimization of the Current Transformer with High-altitude and Casting Resin InsulatedLI Guo*, ZHANG Yu1, LI Bo1, DONG Tao*, ZHU Yong-yi2(1 .Faculty of Mechanical And Electrical Engineering. Kunming University of Science and Technology t Kunming 650093

3、, China;2.Yunnan Switchgear Factory» Kunming 675000, China)Abstract: According to the relevant theory of high-voltage insulation, this paper analys the performance of the insulation of epoxy resin cast current transformer in the case of high -altitude.According to a flashover of the 40.5 kV lev

4、els plateau type current transformers in the pilot plant, the paper analyze of the impact of the transformer insulation of various factors, and to propose the optimal design of increasing the external insulation creepage distance and at the same time reducing its capacitanceKey words: high-altitude;

5、 insulator; flashover voltage: capacitance; creepage; optimization2010年04月第46卷第4期# 2010年04月第46卷第4期61 收稿日期：2()09-07-21;修回日期：2010-01-02基金项目：云南塔科技创新睜省计划项目“云南开关厂高低压开关设备设计制遥协同一体化示范工程"(2008AA012)。 作者简介：李果(1982-),另.在读硕士，主要研丸方向：先进制進技术°0引言电流互感器是一次系统和二次系统之间的重 要联络元件，被广泛应用于继电保护、系统分析和 系统监测中。随着我国电力事业的蓬勃

6、发展，髙参 数、高可靠性、高性能的电流互感器在输配电设备 中起到了重要作用，所以必须对电流互感器的绝缘 性设计提出严格的要求，尤其在高原环境中，还要考 虑大气压、污秽以及覆冰等对其绝缘性的综合影响。笔者以云南开关厂生产的40.5 kV等级环氧树 脂浇注高原型电流互感器为研究对象，对其出厂试 验会发生闪络放电情况进行了分析。采取了增大外 绝缘的爬电距离以及同时减小其比电容的优化设 计，实现了既提高外绝缘的放电电压，符合了安全 标准要求，又达到了较好的经济效果和简单的制作 工艺，符合了工厂生产的实际要求。1问题的产生高压设备的试验电压是设计其绝缘的主要依 据。以云南开关厂生产的40.5 kV等级的

7、电流互感 器为研究对象，电流互感器在正常工作状态时将承 受工频电压40.5/g kV叫而在出厂试验状态下 将会承受一分钟工频耐受电压95 kV的试验，在型 式试验时还将承受峰值电压185 kV的雷电冲击耐 受电压试验。在浇注模做好并浇注出产品进行出厂一分钟 工频耐压试验时发现，耐压试验升压至72 kV能听 见放电的响声，继续升压至76 kV左右时一次出线 板到二次绕组外表面可以看到明显的放电弧光，电 弧光几乎延伸到另一极，试验失败。后来使用山东 和广东等地外购来的结构基本相同的同类产品做 相同试验，发现仍然有同类问题存在。2电流互感器绝缘性能分析高压电器绝缘分为内绝缘和外绝缘，电流互感 器也不

8、例外。环氧树脂浇注式电流互感器的内绝缘 由一、二次绕组间的环氧树脂层承受，其外绝缘由 环氧树脂表面和表面周围的空气承受。2.1内绝缘环氧树脂在均匀电场中的工频耐压绝缘强度 Eo可达到20 kV/mm以上，但一二次绕组间的电场 不可能绝对均匀，绝缘强度远小于20 kV/mmo通常 按氏=810 kV/mm计算。两电极间间隙绝缘的距离 是由持续作用的电压决定的，因此互感器的内绝缘 电压是以工频电压来计算的。外施电压和也间 的关见式（1）,根据式（1）来分析互感器内绝缘的绝 缘距离。U4 +（1）式（1）中4为电极间距离/为不均匀系数。互感器的内绝绦可分几个部位进行分析，见图10次绕细图1码流互感器

9、内部结构示意图2.1.1 铁心窗口内铁心窗口是一个圆柱面，只要在制作时尽量将 包扎和捆扎材料理顺，其表面电场就会均匀。一次 绕组的截面为矩形，包扎后有一定圆角，如图1所 示。可以通过包扎工艺处理，将一次绕组在铁心窗 口内部分包扎成圆柱形。因此，可以近似把铁心窗 口内的一次、二次绕组间看成同轴圆柱面电极（见 图2,不均匀结构第4种），为稍不均匀电场。按经验 rsas25 mm%JS!s20 mm,因此p=（r+d）/r=1.8,不均匀系 数/约为1.80。根据式（1）,得Ud=Egf , d=U呦Eq将 o=4O.5 kV, E°=810 kV/mm 代入，计算得 铁心窗口内绝缘距离d

10、,=95x1.80/（8-10）=17.1- 21.4 mm2.1.2二次绕组铁心端面与一次绕组间二次绕组铁心端面是一个大平面，一次绕组的 截面为矩形可以近似为一个较小平面，见图1。因 此，可以近似看成铁心端面和一绕组间形成圆柱面儿何待til係数I234678O0球面村训图2不同电极结构的不均匀系数与平行平面间的电场（见图2,不均匀结构第7种）, 为稍不均匀电场。按圆角r5 mm、d®=20 mm,因此 p=（r+d）/r=5,不均匀系数/约为】.70°根据式（1）,得尸民炮/*,呦Eq将 o=40.5 kV, Eo=8lO kV/mm 代入，计算得二 次绕组铁心端面和一次

11、绕组截面间的绝缘距离 95x1.70/（8-10）=16.1-20.2 mm综上所述，在按照国家标准进行实际设计生产 过程中，内绝缘距离都远大于上面所分析的理论值 弘和爲,所以可以满足内绝缘要求。2.2外绝缘电流互感器外绝缘是由空气和环氧树脂表面 来共同承受。从标准规定来讲有3方面要求：空气 净距、爬电距离和外绝缘子厚度。2.2.1空气净竝国家标准规定，40.5 kV等级开关电器的空气 净距为300 mm,电力行业标准及南方电网公司要 求为330 mmo而电流互感器设计时通常都会大于 330 mm,笔者所研究的电流互感器的空气净距为 570 mm,见图3远大于330 mm的要求值。因此可 以满

12、足试验和使用要求。图3电液互感器的空代净距2.2.2 爬电$巨离爬电距离即固体绝缘表面绝缘距离，也就是漏 电流经互感器表面从高压侧流到低压侧通过的最 短路径。而爬电距离的要求与污秽等级有关， GB 1208-2006（电流互感器规定见表1。表1污秽尊级与爬电比距的关系污秽等级0IninIV煨小爬电比距1215202531计算爬电距离时，用最高工作电压（额定电压） 乘以相应污秽等级的最小爬电比距值即为该电流 互感器的最小爬电距离。云南大部分地区属于高海拔、高污秽地区，属 于IV污秽等级。电流互感器的一次绕组出线板对地 的最小爬电距离=31x40.5=1 255.5 mmo笔者是通过做岀伞群后，实

13、现了在570 mm的 距离上做出大于等于1 255.5 mm的爬电距离。经测 量.电流互感器的一次绕组出线板对地的爬电距离 已经超过了 1 300 nun,所以一次绕组对地的绝缘强 度也已经足够。2.2.3外绝缘子厚度电流互感器一次、二次绕组的位置均靠上，一 次、二次绕组外表都浇注了 20 mm厚的树脂层，足 以承受95 kV的高压。2.3 小结通过对电流互感器的各部分绝缘性能分析，以 及一分钟工频试验时的试验现象和局部放电饋的 测量，总结出发生闪络放电的原因为：1）虽然一次对地、一次对二次绕组的内外绝缘 厚度均已足够，电流互感器一次、二次绕组靠上，一 次、二次绕组外表有20 mm厚的树脂层，

14、足以承受 95kV高压，但树脂外表面到一次出线板表面爬电 距离较近，分布在树脂层和这一段爬电距离上的电 压不均衡，所出现的闪络放电现象属于极不均匀电 场中的放电现象，此时电力线相对于绝缘件表面有 很强的垂直分重。树脂虽然承受住了电压，但这一 段爬电距离承受不住分道的电压，因此在表面产生 闪络放电。2）云南属于高悔拔地区，出厂试验在真实的高 原环境中进行，必须考虑到高海拔情况对外绝缘的 放电电压的影响。3外绝缘性能分析及改进环氧树脂固化物电学性能：介电强度Eo 20-30 kV/mm介电常数£34介质损耗曲诒小于0.0043.1原设计外绝缘性能分析为了进一步分析介电性能和几何尺寸对沿面

15、 放电的影响，可将介质用电容和电阻来等值表示， 从而将互感器外表面简化为链型等值回路，见图4。 由于电容的分流作用，互感器外表面各处电流不 等，越靠近一次绕组出线板电流越大，单位距离上 的压降也越大，所以互感器表面的电压分布很不均 匀。根据离电压绝缘理论，介质表面单位面积 （1 cm?）对导杆的电容（比电容）为：Co= （2）47Tx9xlO,xr2ln2-rt式（2）中，Co为比电容，F/cn?；为介质的相对介电 强度;/为介质圆柱的外半径，cm；为介质圆柱的 内半径,cm。把 £=4 ,2=12.8 cm, ri=10.8 c m 带入式（2）,得G 4x3.14x9xl0nxl

16、2.8xlnl.l85 = 1，629xl（r，当峰值电压升至76 kV时，电流互感器外表面 放电原因为根据高压绝缘理论，光滑介质表面的放 电电压U可表示为（峰值）(3)式（3）中，U为放电电压,kV；u为外施电压（峰值）,kV；半 为电压变化速度，取最大值，kV/“ ；对于正 at弦交流电压，此值等于3U,3是角频率;K为系数， 负极性电压下为33x10",正极性为39x10“；/为爬电 距离，cm将 心53 cm,u=76 kV=39xlO,5,C0=1.629x 10-BT/cm2 带入式（3）,得花M 3弩1叫（衫妙U呼）2-.品曲2 kV V2x3.14x50x76此电压为

17、标准状态下的放电电压，高海拔情况下影响放电电压的主要因素有：气象因素；污秽影 响;绝缘子表面是否覆冰。气象因素分为高海拔地区的大气压与湿度的 影响，根据实验湿度对闪络电压的影响极微，所以 气象因素主要表现为髙海拔地区大气压的彫响；污 秽影响在做一分钟工频耐压试验时是可以忽略的； 绝缘子表面在做出厂试验时是于燥的，没有覆冰， 云南大部分地区在冬季也很少有覆冰。所以文中以 大气压作为主因索来考虑海拔对闪络电压的影响。 根据式(4)来修正册1-备(4)式(4)中，为标准状态下电压，kV；/V为海拔特征 指数，平均值为0.57(交流)，应为工程留有裕度，通 常取0.6；为海拔，云南大部分地区平均海拔以

18、 2 000m 计。将=83.432 kV,/=2 000 m,/V=06 带入式 贰5.36x0.6=83.432x11 -岳-=72.085 kV此理论值三试验结论相近(考虑到试验以及计 算中取值的精度问题)，可以支持和说明试验结果° 在72 kV左右能听见明显放电响声，因为已经达到了放电电压72.085 kVo3.2外绝缘性能改进根据高电压绝缘理论，改善沿面电压分布，提 高放电起始电压的方法有：减小比电容G；增大爬 电距离厶；减小表面电阻率几。如果采取增大整体绝缘厚度来减小比电容，或 靠增加伞群来增加爬电距离的方法来提高放电电 压，虽然能满足绝缘性能，但伞群过多，使浇注模的 制

19、作难度和开模的难度均加大；增大整体绝缘厚度 使得体积变大，形响装配及增大成本，不适应生产 实际要求。经过多次的改进试验及测量分析，采用 在一次出线板一侧加帕沿的方法，帽沿延伸出来后 外半径增大15 mm,见图5。进行遮挡后，一次端头 到二次绕组外部的爬电距离相应增加了约100 mm, 同时也相应地减小了比电容，一分钟工频耐受电压 试验时，当电压升至95 kV不再放电，且工频电压 可以增加到106kV左右，也不会出现明显放电现 象，耐压值再升高至112 kV左右，则再次出现闪络 放电现象。改进后的比电容：改进后的比电容分为两个部 分来考虑。一是帽沿部分，二是除帽沿外的其他部 分。按原来情况考虑，

20、改进后的比电容是两个部分图5改善后的放电路径电容的串联。 根据式(2),帽沿部分比电容为3 4x3.14x9x 10盒 14.3xln 1.3莎"88“1 旷琳肿 串联后的总电容C%为CqxC) 1.629x10 l3xO.882xlO'15 oF/rm2根据式(3),改进后一分钟工频耐受电压试验 时，当电压升至95 kV,放电电压(为V莎不F 二 jpg。kVV2x3J 4x50x95"63再根据气压公式(4)来修正，即536x0.6i/,f=129.89x=112.23 kV所以，工频电压升至95 kV就不会出现放电， 因为此时电压小于低放电压112.23 kV

21、 (考虑到试验和计算取值精度)。3.3局部放电的测论证由于改善前工频耐压升至72 kV就会放电，因 此局部放电测试时预加电压暂未升至要求值78 kV, 降低预加电压测试，当测试电压为28 kV,测得局部 放电量为50100 pC,远大于标准要求的不大于 20 PCO改善后，测试电压为78 kV时，测得局部放 电就为518pC,符合标准要求，试验成功，达到了 绝缘安全的要求。4结语在对高原型电流互感器的绝缘性能优化过程 中，既要考虑到满足耐压试验要求，又要考虑到实 际体积大小对于装配的影响及经济效益，没有采取 增加整体绝缘厚度的办法，只是在电场强度最强的 一次绕组出线板侧增加帽沿的办法，达到了比

22、较好 的效果。笔者通过对离海拔、环氧树脂浇注电流互 感器的绝缘性的研究，为此类电流互感器绝缘性能 的优化提供了理论依据，也为在高海拔地区解决这 一类问题提供了参考。随着有限元法的成熟，以后可以运用有限元法 (下转第64页) # Apr. 2010High Voltage ApparatusVol.46 No.4表6倍安变3号主变2号低抗332开关CTA相各项试验数据比较aUL溶解气体组分2008-02-28一次平衡值2008-02-28二次平衡反算值2008-02-29 复取试歿数据氢气(HJ14.3114.5914.24甲烷(CH2.382.412.45乙烷(CjH)0.460.470.50

23、乙烯(CJL)1.191.211.21乙焕(C2HJ1.5000一氧化碳(CO)452.5547J.31562.92二個化破(CO2)325.13330.27334.432)在应用二次平衡脱气反算法时，振荡脱气的 步骤中，正确读取一次平衡脱气脱出气体体积至关 重要,从反算公式中可看出，一次平衡脱气的气体体 积人在二次平衡值正确的前提下对数据的准确性 起着决定性作用。5结语电力企业的高速发展，设备的不断増加，新设 备、新技术的不断应用，状态检修的大面积推广，减 少对设备的检修次数势在必行。油化验，正是担负决 定是否开展检修的最重要依据之一，试验数据的准 确可靠，对于判断设备的状态尤为重要。应用该

24、二 次平衡脱气反算法可验证试验数据的正确性，可减 少取样次数、滅少工作时间，对充油设备、特别对少 油量的倒置式互感器、套管，可减少停电时间，延长 检修周期更具重要意义。'参考文献:| DL/T 596-1996.电力设备预防性试峻规程.(2J孙鑿明.电刀用油(UXM.西安：电力热工研究所,19%.(3JCB/TI7623-199&绝缘油中溶解气体组分含fit的气相色谱测定法SJ. # Apr. 2010High Voltage ApparatusVol.46 No.4 # Apr. 2010High Voltage ApparatusVol.46 No.4(上接第60页)对此类

25、电磁场问题进行更精确的分析。口前流行的 大型有限元分析软件ANSYS非常适合快速地、有 效地分析此类与电磁场相关的问题。参考文献：1) 朱徳恒严璋.高电压绝缘M 北京：清华大学岀版社990(2 尹克宁变压務设计原理M 北京：中国电力出版社.2003. GB 1208-2006 电流互感 SS).4 BG/T 5582J993高压电力设备外绝缘污秽等级S)(5) 孙才新舒立春，蒋兴良等.髙海拔、污秽、履冰环境下超高压 线路绝缘子交直洗放电待性及闪络电压枝正研究J 中国电机 工程学报.2002.22(11)： 115-120.6(张窥军赵文悝那捕零真空中固体绝缘沿面闪络现線的研究 进展卩.高压电技

26、术.2007.33(7): 822-825.(7蒋兴良张志劲胡楚林零.高海拔，不问伞形结构的750 kV 合戚絶缘子短样交流污秽闪络特性及其比较卩中圉电机工程 学报,2005,25(12):159-163.8高#t,孙广生，产萍等.形响戎空中绝缘体沿面闪络待性因索研 究综述J福压电器.2005,41:456-460(91车文俊.电力设各外绝缘的爬电距离卩供用电.2004.21：24 28.(10杜伯学高宇.离海拔与磁场环境下环氧树脂的绝缘破坏J高 电压技术.2006,32(10):5-711J壬福刚曾兵構良全.務圧互感器局部放电原因分析小髙压电25.2008.4(1):73-75.12 MER

27、EURE H Innulmor Pollution Performance at High aRi'mdc J. MajorTrends.IEEETrans on EWRDJ989,1461-1468.3 SAITO YMJCHJZUNO N.ANAMI S.et al.Surface Flashover on Alumina RF Windows for Highpower Use J. IEEE Trans on Elcctr Insul J993,28:566-573114 BLAISE G,I£ GRESSUS C. Charging and Flashover Induced by S