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(shí)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(shí)驗(yàn)工作。

1 實(shí)驗(yàn)?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(jìn)行了測試，實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)

電流互感器未通電流時(shí)，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(jìn)行了驗(yàn)證。

在實(shí)驗(yàn)室分別在電流互感器未帶負(fù)荷時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(gè)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(yàn)證上述過程的存在，故設(shè)計(jì)溫度回升實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

溫度回升實(shí)驗(yàn)表明，在環(huán)境溫度降低后再恢復(fù)到原來溫度時(shí)，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(shí)驗(yàn)造成的測量誤差可以忽略不計(jì)。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在電流互感器內(nèi)部確實(shí)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(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，利用低微水量的高純N2進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果現(xiàn)實(shí)與上述現(xiàn)象一致。

2.2 帶大電流負(fù)荷實(shí)驗(yàn)

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(gè)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(shí)驗(yàn)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(gè)環(huán)境溫度下穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，選取環(huán)境溫度為5℃和-5℃時(shí)進(jìn)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(shí)間不變，測量不同時(shí)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(shí)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(yùn)行800A電流后，微水值增大到1417ppmv，同時(shí)相對濕度達(dá)到14.5%*5=72.5%。這是由于電流互感器內(nèi)壓強(qiáng)為0.5MPa，而測量工具露點(diǎn)儀的測量氣體壓強(qiáng)為0.1MPa，所以實(shí)際電流互感器內(nèi)的相對濕度是測量值的5倍。在運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(shí)微水值和相對濕度的變化曲線

環(huán)境溫度為-5℃時(shí)，長時(shí)間持續(xù)運(yùn)行大電流負(fù)荷導(dǎo)致微水由未帶負(fù)荷時(shí)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(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，長時(shí)間持續(xù)大電流運(yùn)行最終導(dǎo)致相對濕度最終能達(dá)到70%左右甚至更高。據(jù)有關(guān)研究結(jié)果，在相對濕度達(dá)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(shí)驗(yàn)開始時(shí)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(shí)急劇降溫實(shí)驗(yàn)

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(shí)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(shí)測一組數(shù)據(jù)。測得微水值和相對濕度隨時(shí)間的變化如圖7所示。

圖7 急劇降溫時(shí)微水值與相對濕度隨時(shí)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(dá)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(dá)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(dá)不到100%。

在上一實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)微水值與相對濕度隨時(shí)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(shí)，在前30min內(nèi)相對濕度會暫時(shí)性的急劇增大，甚至達(dá)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(qiáng)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(shí)，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(xì)小霜或者冰膜，當(dāng)環(huán)境溫度回升時(shí)，這些細(xì)微的冰膜或者霜層就開始融化，變成水蒸汽或是細(xì)微水膜，而此時(shí)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(shí)性增大，甚至達(dá)到100%。

當(dāng)環(huán)境溫度上升并維持在0℃時(shí)，隨時(shí)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(dá)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(dá)到環(huán)境溫度為0℃時(shí)的平衡。

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

以上兩種實(shí)驗(yàn)說明在急劇降溫時(shí)，特別是環(huán)境溫度降至零度以下時(shí)，確實(shí)存在局部水分凝結(jié)。由于此時(shí)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(shí)，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(yùn)行時(shí)，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(gè)環(huán)境溫度下因帶大電流負(fù)荷運(yùn)行而使得相對濕度達(dá)到70%及以上時(shí)，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(yùn)行時(shí)，若環(huán)境溫度急劇下降至零度以下時(shí)，則其內(nèi)部相對濕度可達(dá)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(shí)性急劇增加，可達(dá)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。）