提高電流互感器動熱穩(wěn)定性能的措施

郭勝，郝桃武

(大連北方互感器集團湖南大北互互感器有限公司，湖南 常德415000)

0 引言

近年來，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴大，電力系統(tǒng)中的短路電流水平不斷增大[1]，系統(tǒng)承受短路電流的能力有限已經(jīng)成為電力系統(tǒng)規(guī)劃與運行面臨的重要問題。為了限制系統(tǒng)短路電流目前各電力系統(tǒng)已采取許多行之有效的方法[2－5]，但系統(tǒng)整體的短路電流還是呈逐年上升趨勢。所以對串聯(lián)的電流互感器承受短路電流的能力(動熱穩(wěn)定性能)也提出了更高的要求。

為了適應(yīng)系統(tǒng)動熱穩(wěn)定的要求，國內(nèi)一般采用如下兩種解決方案:1)選用額定一次電流比系統(tǒng)額定電流大很多的電流互感器，雖動熱穩(wěn)定得以滿足，但測量精度下降較多，而且給測量及繼電保護帶來很大的困難[6]。2)采用初始導(dǎo)磁率很高而飽和磁密較低的鐵磁材料(如坡莫合金、非晶合金、超微晶合金)作為計量繞組的鐵心，通過降低安匝數(shù)的方法來提高動熱穩(wěn)定性能。但為了滿足精度要求，需增大鐵心截面積。產(chǎn)品體積增大，相應(yīng)制造成本也將成倍增加，且安匝數(shù)也不能無限制地降低。目前，國內(nèi)現(xiàn)有鐵磁材料的電流互感器安匝數(shù)降到200安匝以下時，計量精度將降低且能滿足的二次容量變小。

為了設(shè)計制造小變比高動熱穩(wěn)定的電流互感器，首先需對動熱穩(wěn)定時電流互感器的熱效應(yīng)及電磁力(也稱為電動力)進行分析計算，以便進行電流互感器的電磁結(jié)構(gòu)和絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 電流互感器熱穩(wěn)定狀態(tài)下的熱效應(yīng)

在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，短路電流通過電流互感器會使互感器內(nèi)部溫度急劇升高，如果互感器熱穩(wěn)定性能不好，往往會出現(xiàn)樹脂開裂的現(xiàn)象，有時可能發(fā)生爆炸[7]。電流互感器在熱穩(wěn)定電流下的發(fā)熱溫升與穩(wěn)定運行狀態(tài)下的發(fā)熱過程是完全不一樣的。施加熱穩(wěn)定電流時間短，電流互感器外絕緣材料導(dǎo)熱性能差，故在設(shè)計計算時可假定在熱穩(wěn)定過程中導(dǎo)體不散熱，全部熱量都用來加熱導(dǎo)體，同時假定導(dǎo)體材料的電阻系數(shù)ρ和比熱C保持不變，可由式(1)算出導(dǎo)體允許的短路電流密度[8]。

式中，ρ為導(dǎo)體的電阻系數(shù)，為導(dǎo)體的截面積，mm2；L1為導(dǎo)體長度，m；γ為導(dǎo)體的比重，g/cm3；C為導(dǎo)體的比熱，J/(g·℃)；G為導(dǎo)體質(zhì)量，g；θ為導(dǎo)體的溫升增量，℃；t為時間，s；I為電流，A；Ka為附加損耗系數(shù)。

令Jk＝I/S1為短路電流密度，則:

現(xiàn)以電流比600/5、級次5P20/0·5/0·2S、容量20/20/20VA、熱電流31·5 kA/4 s、動穩(wěn)定電流80 kA的電流互感器為例，計算允許的短路電流密度。

假設(shè)電流互感器正常運行狀態(tài)下的穩(wěn)定溫度為50℃，繞組用銅導(dǎo)線制成，經(jīng)查得銅導(dǎo)體各個物理常數(shù)為:C＝0·395 J/(g·℃)；γ＝8·89 g/cm3；ρ＝0·019 9(Ω·mm2)/m。

銅導(dǎo)體最高允許的短時發(fā)熱溫度為250℃，則θ＝250－50＝200℃；取附加損耗系數(shù)Ka＝1·2，短路持續(xù)時間t＝4 s，則根據(jù)式(2)得:

若短路持續(xù)時間為1 s，則:

2 電流互感器動穩(wěn)定狀態(tài)下的電磁力計算

系統(tǒng)短路時，與系統(tǒng)串聯(lián)的電流互感器將流過短路沖擊電流，該電流將使電流互感器導(dǎo)體承受很大的電磁力作用，可由式(3)算出[8]:

式中，F(xiàn)為電磁力，N；Idyn為互感器的動穩(wěn)定電流(峰值)，A；N1為一次繞組匝數(shù)；K0為回路系數(shù)，與導(dǎo)體幾何尺寸、形狀有關(guān)的。

據(jù)式(3)分析得:1)當(dāng)一次繞組結(jié)構(gòu)和尺寸相同時，電磁力大小與一次繞組匝數(shù)N1的平方成正比。2)當(dāng)一次繞組匝數(shù)確定時，電磁力大小則取決于一次導(dǎo)體的尺寸及結(jié)構(gòu)形式。

現(xiàn)結(jié)合國內(nèi)互感器廠家所采用的幾種一次繞組結(jié)構(gòu)進行電磁力分析，簡要分析其優(yōu)劣性。以上文中電流互感器參數(shù)為例，采用三種不同結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，分別計算一次導(dǎo)體所受電磁力。

2.1 支柱式電流互感器

支柱式電流互感器變比及繞組數(shù)靈活，是品種最多、應(yīng)用最廣泛的中壓電流互感器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 支柱式電流互感器結(jié)構(gòu)圖

一次導(dǎo)體大體為長方形，視左右兩段垂直方向為有限長平行導(dǎo)體，電流方向反向，認為右邊垂直方向的導(dǎo)體處在左邊垂直方向?qū)w產(chǎn)生的磁場里，由左手定則判斷出其受力方向向右的電磁力作用，所受電磁力Fa計算式為:

式中，A、B分別為一次繞組等效長、寬。

圖1(a)中N1＝1匝，Idyn＝80 kA，A1＝250 m，B1＝145 mm，得F1a＝111 4N。圖1(b)中按1 200安匝設(shè)計，N1＝2匝，Idyn＝80 kA，A2＝235 m，B2＝103 mm，得F2a＝4 445 N。

另右側(cè)垂直導(dǎo)體處在上下兩平行導(dǎo)體的磁場里，則同時受到該磁場的電磁力，方向向右，電磁力Fb的計算式為:

式中，r為一次繞組 截 面半徑，圖1中r＝12·5 mm。

計算得F1b＝1 520 N，F(xiàn)2b＝5 284 N。圖1(a)導(dǎo)體總電磁力F1＝F1a＋2F1b＝4 154 N，圖1(b)導(dǎo)體總電磁力F2＝F2a＋2F2b＝15 013 N。

理想的圓環(huán)形一次導(dǎo)體結(jié)構(gòu)承受的電磁力是最小的，受力也是最均勻的[9]，但從澆注式電流互感器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析此種方案很難實現(xiàn)。尤其是多個二次繞組的產(chǎn)品，若采用圓環(huán)形一次導(dǎo)體結(jié)構(gòu)工藝特別復(fù)雜，產(chǎn)品體積也將成倍增加。

2.2 穿墻式電流互感器

穿墻式電流互感器進線與出線導(dǎo)體在同一平面上，如圖2所示。因一次電流同向，所以不管一次匝數(shù)是單匝還是多匝，其滿足動熱穩(wěn)定的能力都要優(yōu)于支柱式電流互感器。

圖2 穿墻式電流互感器結(jié)構(gòu)

當(dāng)穿墻式電流互感器一次導(dǎo)體為單根直導(dǎo)體且只有一匝時，在通過動穩(wěn)定電流時，將不存在一次導(dǎo)體相互間的電磁力作用，電磁力只存在于一次導(dǎo)體與二次線圈之間。假設(shè)二次線圈均勻繞制，其漏磁將分布均勻，當(dāng)一次導(dǎo)體居中布置，作用在一次導(dǎo)體上各方向的電磁力相互抵消，一次導(dǎo)體將不受電磁力作用，故單匝式穿墻式電流互感器理論上可以滿足很大的動熱穩(wěn)定。但當(dāng)額定一次電流較小時，產(chǎn)品體積將增大，且其精度和容量也可能會降低。當(dāng)精度和容量達不到要求時，此時一次導(dǎo)體需設(shè)計成多匝式。

當(dāng)穿墻式電流互感器一次導(dǎo)體為多匝時(以兩匝為例)，一次導(dǎo)體設(shè)計尺寸同圖1(b)，即A3＝A2，B3＝B2。但因穿墻式結(jié)構(gòu)上半部份回流導(dǎo)體始終比下半部份穿過二次線圈的導(dǎo)體少一匝。則圖3所示一次導(dǎo)體總電磁力

2.3 穿心式電流互感器

穿心式電流互感器自身沒有一次導(dǎo)體，但有一次絕緣，安裝時可直接套裝在電纜或母線上，結(jié)構(gòu)如圖3所示。若采用電纜或其他類似圓形導(dǎo)體做一次導(dǎo)體并居中布置時，其所受電磁力將同穿墻式電流互感器一次導(dǎo)體為單根直導(dǎo)體時的電磁力分布情況相同，即一次導(dǎo)體不受電磁力作用。產(chǎn)品自身沒有一次導(dǎo)體，若后期系統(tǒng)負荷增大、短路電流增加時，只需相應(yīng)增加外裝一次導(dǎo)體截面積便可，無需更換配套電流互感器。但同樣也因安匝數(shù)限制，無法滿足較小的額定一次電流(≤200 A)的高精度和大容量的要求。

圖3 穿心式電流互感器結(jié)構(gòu)

3 綜合分析

提高電流互感器的熱穩(wěn)定性關(guān)鍵在于降低一次導(dǎo)體熱穩(wěn)定下的電流密度，增加一次導(dǎo)體單匝截面積。結(jié)合行業(yè)經(jīng)驗，在沒有其他有效措施的情況下，當(dāng)短路時間為1 s時，一次導(dǎo)體的熱穩(wěn)定電流密度須控制在120 A/mm2以下；當(dāng)短路時間為4 s時，一次導(dǎo)體的熱穩(wěn)定電流密度控制在60 A/mm2以下為宜。另因一次導(dǎo)體很難一體成形，存在連接點，目前國內(nèi)大部分廠家采用焊接的方式使一次導(dǎo)體各部位有序相連。所以焊接可靠性和焊接方式對提高動熱穩(wěn)定尤為重要，一般需保證焊接的截面積達到一次導(dǎo)體單匝截面積的1·3～1·5倍以上。

電磁力大小和分布是影響動穩(wěn)定性能的關(guān)鍵性因素。從上文可知，當(dāng)其他參數(shù)相同時，穿心式電流互感器滿足動穩(wěn)定電流的能力優(yōu)于穿墻式電流互感器，更加優(yōu)于支柱式電流互感器。對同種結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，一次導(dǎo)體匝數(shù)越少對提高動穩(wěn)定電流越有利。

如何根據(jù)系統(tǒng)要求選用合理的額定一次電流[10－11]、級次、負荷[12]和動熱穩(wěn)定值[13－15]成為了各設(shè)計院和開關(guān)柜廠家系統(tǒng)設(shè)計的難點。對互感器制造廠家，如何有效地最大限度地提高電流互感器動熱穩(wěn)定成為設(shè)計中待解決的難題。

4 提高電流互感器動熱穩(wěn)定的措施

1)優(yōu)化現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)形式，使電磁力分布趨于均勻。若因結(jié)構(gòu)限制無法達到完全均勻，可根據(jù)電磁力分布情況適當(dāng)增加局部緩沖和混合樹脂外絕緣厚度，增加其抗電磁力沖擊的能力。另電流互感器外形設(shè)計盡量與一、二次繞組組裝后的器身相近，且樹脂絕緣層應(yīng)薄厚均勻(15～20 mm)。這樣不僅能保證良好的散熱性，又能抗電磁力沖擊。

2)目前多匝式電流互感器一次導(dǎo)體多采用多股等寬的銅帶疊加大圈包小圈的平繞方式，導(dǎo)體截面如圖4(a)所示，因總體結(jié)構(gòu)松散，抗彎慣矩的能力較低。若采用一體式的一次導(dǎo)體立繞方式繞制，導(dǎo)體截面如圖4(b)所示，同截面積的一次導(dǎo)體其抗彎慣矩將明顯增加，極大提高產(chǎn)品的動穩(wěn)定性，但工藝比較復(fù)雜，且一次匝數(shù)越多操作難度越大。

圖4 一次導(dǎo)體截面圖

3)材料改進，選用高導(dǎo)電性[16]且具有高抗彎慣矩的材料作為一次導(dǎo)體，且一次導(dǎo)體緩沖層采用抗高溫高彈性的EPMD半導(dǎo)電膨脹膠帶，減小電磁力對樹脂包封層的沖擊。目前國內(nèi)大部分澆注用的環(huán)氧混合樹脂在固化后比較脆，缺少韌性。在溫度急劇變化或受較大局部電磁力作用時容易開裂，可在混合樹脂中加入適當(dāng)?shù)脑鲰g劑，改善澆注體的韌性，提高機械強度和耐溫差性能。

5 應(yīng)用實例分析

某公司2020年12月試制了型號LZZBJ9－10Q、600/5的澆注式電流互感器，該互感器短路時間為4 s時，一次導(dǎo)體額定電流密度為69 A/mm2，采用圖1(b)的結(jié)構(gòu)形式。考慮到批量生產(chǎn)適應(yīng)性及工藝簡便性，此試驗互感器一次繞組采用原始的平繞方式，未采用能提高抗彎慣矩的立繞形式，采用抗高溫高彈性的EPMD半導(dǎo)電膨脹膠帶作為一次繞組的主緩沖材料，澆注體樹脂絕緣層厚度約為16 mm。該試驗互感器通過了熱穩(wěn)定電流31·5 kA、熱穩(wěn)定時間4 s、動穩(wěn)定電流80 kA的性能試驗。

應(yīng)用實例表明，采用傳統(tǒng)外形，應(yīng)用現(xiàn)有的工藝條件及材料進行結(jié)構(gòu)改進，是可以設(shè)計研制出小電流比高動熱穩(wěn)定性能的電流互感器的。隨著各項材料性能的改善及工藝的完善，動熱穩(wěn)定有望得到進一步提高。