近年來，SF6電流互感器出現(xiàn)多起瓷套爆裂等絕緣故障，筆者推斷SF6電流互感器在環(huán)境變化時內(nèi)部產(chǎn)生局部凝露，可能導(dǎo)致SF6電流互感器瓷套爆裂。為此，筆者就環(huán)境溫度變化對SF6電流互感器內(nèi)部微水含量的影響開展了大量的仿真實驗工作。

1 實驗?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建

在人工氣候室，對不同溫度、電流下SF6電流互感器內(nèi)部的微水量進行了測試，實驗裝置由110kV SF6電流互感器(額定電流為800A，如圖1所示)、高電流發(fā)生器、露點儀等設(shè)備構(gòu)成。

考慮到電流互感器內(nèi)微水的吸附、脫吸附、凝露與蒸發(fā)等物理特性與設(shè)備填充氣體介質(zhì)無關(guān)，故用較高微水量的壓縮空氣和較低微水量的純凈N2替代SF6氣體進行研究，空氣和N2的微水量如表1所示，該方法比較方便配備不同含水量的氣體。

圖1 實驗裝置圖

表1 空氣和N2的微水量

2 環(huán)境溫度變化對電流互感器內(nèi)部SF6氣體濕度的影響

2.1 電流互感器未帶電流負(fù)荷實驗

電流互感器未通電流時，其內(nèi)部沒有熱源，整體的溫度與環(huán)境溫度一致。由于環(huán)境溫度的變化影響到微水在電流互感器內(nèi)表面及絕緣材料中的吸附，故電流互感器內(nèi)部的SF6微水含量會隨著環(huán)境溫度的變化而變化，因此，筆者首先就環(huán)境溫度對微水在電流互感器內(nèi)表面及絕緣材料中的吸附、脫吸附問題進行了驗證。

在實驗室分別在電流互感器未帶負(fù)荷時充入壓縮空氣和高純N2，兩種氣體體積比為1:1，壓力為0.4MPa，改變環(huán)境溫度，測量不同環(huán)境溫度下電流互感器的微水值，測量結(jié)果如圖2所示。

圖2 未帶負(fù)荷時電流互感器內(nèi)微水量與環(huán)境溫度的關(guān)系

從結(jié)果中可以看出，環(huán)境溫度下降時，電流互感器內(nèi)微水值也會下降。這是由于水蒸氣在電流互感器內(nèi)表面和絕緣材料中的吸附和脫吸附與環(huán)境溫度有關(guān)，在一定溫度下吸附和脫吸附處于一種平衡狀態(tài)。

當(dāng)環(huán)境溫度上升時，原來吸附于電流互感器內(nèi)表面和絕緣材料中水分會釋放到電流互感器內(nèi)部氣體中，從而導(dǎo)致氣體中的微水量（亦即測量到的微水量）上升，反之環(huán)境溫度下降則氣體中的微水量下降。整個過程如圖3所示。

圖3 電流互感器內(nèi)微水轉(zhuǎn)移示意圖

每次測量微水都會導(dǎo)致電流互感器內(nèi)氣體略微減少，為嚴(yán)格驗證上述過程的存在，故設(shè)計溫度回升實驗，即測量后將環(huán)境溫度回升到原來的溫度，觀測微水值的變化。結(jié)果如表2所示：

表2 溫度回升實驗數(shù)據(jù)表

溫度回升實驗表明，在環(huán)境溫度降低后再恢復(fù)到原來溫度時，其氣體的微水量變化很小。這說明電流互感器內(nèi)部是密封性完好的環(huán)境，由于實驗造成的測量誤差可以忽略不計。

上述實驗結(jié)果表明在電流互感器內(nèi)部確實存在容器內(nèi)壁和絕緣材料中的微水和氣體中微水的平衡，該平衡受環(huán)境溫度的影響，且該平衡是可逆的。

為確保實驗的準(zhǔn)確性，利用低微水量的高純N2進行重復(fù)性實驗，結(jié)果現(xiàn)實與上述現(xiàn)象一致。

2.2 帶大電流負(fù)荷實驗

2.2.1 電流負(fù)荷對微水值的影響

在電流互感器內(nèi)充入較低微水量的純凈N2，首先測量氣體的微水含量，并按照國標(biāo)折算到0.1MPa，20℃的標(biāo)準(zhǔn)條件下，設(shè)定不同的環(huán)境溫度，并分別給一次導(dǎo)桿持續(xù)通過400A、600A和800A的電流，每個不同電流階段均保持3h左右，測量電流互感器內(nèi)氣體中的微水含量，微水含量與電流負(fù)荷的關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同電流負(fù)荷與微水量的關(guān)系圖

實驗結(jié)果表明，在通過大電流負(fù)荷后，所測得的氣體中微水含量急劇增大，且電流負(fù)荷越大，微水增加越多。

2.2.2 單個環(huán)境溫度下穩(wěn)態(tài)實驗

進行實驗時，選取環(huán)境溫度為5℃和-5℃時進行研究。設(shè)定環(huán)境溫度為5℃，將較低微水量的純凈N2注入電流互感器內(nèi)，在國標(biāo)條件（0.1MPa，20℃）微水值為303 ppmv。然后在一次導(dǎo)桿上通過800A電流，保持環(huán)境溫度長時間不變，測量不同時間下的微水含量，結(jié)果如圖5所示。

圖5 環(huán)境溫度為5℃時微水值和相對濕度的變化曲線

從上圖可以看出，在國標(biāo)條件下微水值為303ppmv的氣體，環(huán)境溫度為5℃，通過持續(xù)運行800A電流后，微水值增大到1417ppmv，同時相對濕度達到14.5%*5=72.5%。這是由于電流互感器內(nèi)壓強為0.5MPa，而測量工具露點儀的測量氣體壓強為0.1MPa，所以實際電流互感器內(nèi)的相對濕度是測量值的5倍。在運行13.5h后，微水量增加較少，接近穩(wěn)定。

設(shè)定環(huán)境溫度為-5℃，重復(fù)上一實驗的操作。測量得到在國標(biāo)條件下的微水值為347 ppmv，加設(shè)大電流負(fù)荷后得到微水結(jié)果如圖6所示。

圖6 環(huán)境溫度為-5℃時微水值和相對濕度的變化曲線

環(huán)境溫度為-5℃時，長時間持續(xù)運行大電流負(fù)荷導(dǎo)致微水由未帶負(fù)荷時的347ppmv（0.1MPa，20℃）增加至604 ppmv（0.5MPa，-5℃），相對濕度增大至68%。

以上兩個實驗結(jié)果顯示，長時間持續(xù)大電流運行最終導(dǎo)致相對濕度最終能達到70%左右甚至更高。據(jù)有關(guān)研究結(jié)果，在相對濕度達到70%后，電力設(shè)備瓷件表面就有凝露的可能性，從而導(dǎo)致沿面閃絡(luò)電壓降低。

另外，上述兩實驗開始時微水值分別為303 ppmv（0.1MPa，20℃）和347 ppmv（0.1MPa，20℃），若增加至500ppmv左右，得到的相對濕度會更大，凝露以及由此導(dǎo)致絕緣性能下降的可能性會更大。

2.2.3 帶負(fù)荷時急劇降溫實驗

設(shè)定環(huán)境溫度為20℃，保持電流互感器持續(xù)通過800A電流負(fù)荷，保持一定時間直至微水值基本穩(wěn)定，而后控制人工氣候室溫度突然下降至零下，測量在降溫過程中電流互感器內(nèi)的微水值和相對濕度。

加電流前，國標(biāo)條件下微水值為314ppmv，環(huán)境溫度由20℃急劇降至-10℃。降溫開始后15min內(nèi)連續(xù)測量微水值和相對濕度，降溫1h后每隔一小時測一組數(shù)據(jù)。測得微水值和相對濕度隨時間的變化如圖7所示。

圖7 急劇降溫時微水值與相對濕度隨時間變化曲線圖（314ppmv）

從上述結(jié)果中可以看出，在降溫開始的前30min內(nèi)，微水值與相對濕度均在急劇下降，而在30min后，微水值變化很小，幾乎保持不變，而相對濕度開始逐漸增大，在3.5h后逐漸穩(wěn)定。穩(wěn)定后的相對濕度約為70%至80%間。

有資料顯示，相對濕度達到70%就有凝露的可能性。因而，此種情況下很有可能是電流互感器內(nèi)部產(chǎn)生局部凝露。由于環(huán)境溫度下降至-10℃，在降溫過程中，很有可能存在部分區(qū)域的水蒸氣在相對濕度達到70%左右直接在材料內(nèi)表面凝結(jié)為霜或者冰，導(dǎo)致相對濕度不再增長。從而達不到100%。

在上一實驗的基礎(chǔ)上，提高電流互感器所處的環(huán)境溫度，直至升至0℃，同時測量其微水值和相對濕度相應(yīng)的變化情況，得到結(jié)果圖8所示：

圖8 急劇降溫時微水值與相對濕度隨時間變化曲線圖

從曲線圖中可以看出在環(huán)境溫度由-10℃回升至0℃時，在前30min內(nèi)相對濕度會暫時性的急劇增大，甚至達到100%，略微超過100%部分是由于測量放氣導(dǎo)致電流互感器內(nèi)壓強略微小于0.5MPa，這說明微水值逐漸增加。

在30min后，相對濕度開始減小，微水值增加速度減小。這種現(xiàn)象說明在環(huán)境溫度維持在-10℃時，電流互感器內(nèi)部分區(qū)域的微水直接在材料內(nèi)表面凝結(jié)成細小霜或者冰膜，當(dāng)環(huán)境溫度回升時，這些細微的冰膜或者霜層就開始融化，變成水蒸汽或是細微水膜，而此時氣體的溫度還沒有升上去，導(dǎo)致在局部地區(qū)相對濕度暫時性增大，甚至達到100%。

當(dāng)環(huán)境溫度上升并維持在0℃時，隨時間的推移，氣體溫度逐漸升高，電流互感器內(nèi)微水又開始因不同區(qū)域的溫度開始遷移從而達到平衡，使得溫度較低區(qū)域的微水逐漸遷移到溫度較高區(qū)域，從而導(dǎo)致相對濕度開始下降，直至達到環(huán)境溫度為0℃時的平衡。

在重復(fù)性實驗中，亦得到在環(huán)境溫度由-10℃回升至0℃時，相對濕度在升溫的前30min內(nèi)由67%上升至92%。

以上兩種實驗說明在急劇降溫時，特別是環(huán)境溫度降至零度以下時，確實存在局部水分凝結(jié)。由于此時微水凝結(jié)成固體，覆蓋在電流互感器內(nèi)表面上，故對其絕緣不會產(chǎn)生較大影響。但如果環(huán)境溫度再回升時，就會導(dǎo)致部分凝結(jié)的固體開始融化成水蒸汽或是液態(tài)水膜，從而容易引起絕緣事故。

3 結(jié)論

（1）電流互感器內(nèi)存在微水與內(nèi)表面及絕緣材料中吸附微水的平衡，而這種平衡由環(huán)境溫度決定。

（2）在電流互感器帶大電流負(fù)荷運行時，由于在內(nèi)部建立起溫度場，導(dǎo)致其內(nèi)部微水由溫度高區(qū)域向溫度低區(qū)域遷移，從而使得溫度低區(qū)域的微水含量急劇增大。

（3）在國標(biāo)允許的微水含量范圍內(nèi)，在某個環(huán)境溫度下因帶大電流負(fù)荷運行而使得相對濕度達到70%及以上時，存在由于凝露的造成絕緣故障的可能性。

（4）在國標(biāo)允許的微水含量范圍內(nèi)，電流互感器帶大電流負(fù)荷運行時，若環(huán)境溫度急劇下降至零度以下時，則其內(nèi)部相對濕度可達到70%及更高，會產(chǎn)生局部凝霜的現(xiàn)象。當(dāng)環(huán)境溫度回升至零度以上的過程中，其內(nèi)部氣體相對濕度暫時性急劇增加，可達到100%。

（編自《電氣技術(shù)》，標(biāo)題為“環(huán)境溫度變化對SF6電流互感器內(nèi)部凝露影響的研究”，作者為李秀廣、韓四滿 等。）