0  引言

電流互感器一次繞組接入電網一次系統，二次繞組分別與計量裝置、測量儀表和繼電保護、自動裝置等相互聯接。將電網高電壓、大電流的一次側信息傳遞到低電壓、小電流的二次側，是電網正常運行、監視、計量、保護、控制等不可缺少的主要設備之一，在電力系統各個電壓等級中應用十分廣泛。它既是一次設備，也是二次設備，其主絕緣性能與電力系統的運行直接相關。電流互感器一旦發生主絕緣故障，將嚴重影響電力系統的安全運行，并可能帶來巨大的經濟損失。

本文針對一起500kV SF6電流互感器主絕緣故障，結合該電流互感器解體情況及其絕緣結構特點，建立了用于其主絕緣故障分析的三維有限元電場仿真計算模型，通過仿真計算量化了其內部盆式絕緣子帶氣孔情況下的電場分布，明確了氣孔缺陷是引起本例SF6電流互感器主絕緣故障的主要原因，并復現了故障過程，最后提出了應對措施和建議。

1  故障分析

該SF6電流互感器于2009年投運，最近一次預試檢修時間為2015年X月X日，試驗結果無異常，2016年X月X日發生故障。

2016年X月X日，對故障SF6電流互感器進行了返廠解體：首先將二次出線部分解開，依次分離外絕緣套、高壓屏蔽筒，中間分壓屏、二次引線管和限位橡膠，情況如下圖所示。

表1  5052開關CT B相SF6氣體分析

  SF6電流互感器解體情況

從故障解體情況可以看到，SF6電流互感器底座接地螺栓處有明顯放電痕跡，二次屏蔽罩接地線熔斷，二次繞組引出線電纜保護層存在過熱灼傷痕跡，二次繞組引線管頂部有電弧灼傷痕跡。

進一步對軀殼吊開解體，發現軀殼內存在大量粉狀生成物；盆式絕緣子在P1側炸裂，盆體破損嚴重，存在大量炭黑及灼燒痕跡；氣室內壁有明顯的被炸裂產生的盆體碎片劃傷的痕跡；P1側的二次屏蔽罩、氣室內壁、蓋板內壁均有電弧灼傷痕跡，如下圖所示。

（a）P1側蓋板    （b）盆式絕緣子

 SF6電流互感器軀殼解體情況

打開二次屏蔽罩，發現二次繞組完好，罩內無放電痕跡，如下圖所示。 

 二次繞組解體情況

對盆式絕緣子碎片斷面進行切割分析，發現盆式絕緣子內部存在有多個氣孔，如下圖所示。 

  盆式絕緣子剖面情況

從以上解體情況可以看出，該SF6電流互感器主絕緣被嚴重破壞：高壓電極對二次屏蔽罩之間沿盆式絕緣子形成貫穿性放電，放電對盆式絕緣子形成嚴重破壞，已無法通過碎片拼接物理復原找到故障的起始點；放電電弧對P1側的二次屏蔽罩、氣室內壁、蓋板內壁造成電弧灼傷；二次繞組完好，罩內無放電痕跡；二次屏蔽罩接地線及二次引線管有大電流通過的痕跡。

根據上述現象，初步分析其故障原因為盆式絕緣子內部存在多個氣孔，氣孔引起局部放電，長時間局部放電導致氣孔周圍絕緣介質碳化，使盆式絕緣子的有效絕緣距離相對減少，絕緣強度隨之下降，直至盆式絕緣子無法承受正常運行電壓而發生炸裂，導致主絕緣失效。起始短路電流沿二次屏蔽罩的接地線入地，引起接地線熔斷，導致二次屏蔽罩因無接地線而懸浮，此時，二次引線管上端部與二次屏蔽罩之間的電場強度值急劇上升，兩者之間的SF6氣隙被擊穿，后續短路電流沿二次引線管入地。

為量化分析該SF6電流互感器故障發生的原因，復現故障過程，并找到對應解決措施，本文從SF6電流互感器的絕緣結構、運行工況、電場仿真等方面開展了研究。

2  500 kV SF6電流互感器絕緣結構分析

該500 kV SF6電流互感器為倒立、臥式，軀殼為水平放置的圓柱體，二次繞組置于屏蔽罩內，一次導體穿過軀殼及二次繞組屏蔽罩的幾何中心，二次繞組屏蔽罩借助于盆式絕緣子（環氧樹脂澆注體）固定在套管安裝法蘭面上，二次繞組的引出線及屏蔽罩的接地線通過引線管引至底座的二次接線盤。其結構如下圖所示。

 

  臥式結構的500 kV SF6電流互感器

為改善臥式軀殼與套管三通部位的電場分布，采用高壓屏蔽筒將高電位往下延伸。在高壓屏蔽筒與二次引線管之間增加中間分壓屏進一步改善電場的分布[1]。

3  500 kV SF6 電流互感器電場仿真計算

3.1  計算模型

依據500 kV SF6 電流互感器的實際結構及尺寸，運用有限元仿真軟件ElecNet，建立了SF6 電流互感器的三維電場仿真計算模型，如下圖所示。

  500 kV SF6 電流互感器電場仿真計算模型

模型各部分主要尺寸如下：套管高度4 420 mm，一次載流導體直徑120 mm，氣室水平圓柱體內徑1 080 mm，氣室垂直圓柱體內徑780 mm，二次屏蔽罩水平圓柱體外徑730 mm，二次屏蔽罩水平圓柱體內徑420 mm，二次引線管外徑119 mm，中間分壓屏外徑300 mm，高壓屏蔽筒外徑448 mm，套管內徑600 mm，電極各部位倒角均按設計圖紙進行相應倒角。

各種介質的相對介電常數如表2所示。

表2 各介質的相對介電常數

為了更精確和真實地計算盆式絕緣子的電場分布，對盆式絕緣子金屬嵌件螺母進行了精細建模，內嵌件倒角r =10 mm，詳細外型尺寸如下圖所示。

 金屬嵌件螺母外型尺寸

帶金屬嵌件螺母的盆式絕緣子模型如下圖所示。

  帶金屬嵌件螺母的盆式絕緣子模型

3.2  考慮的工況

根據故障發展過程的推測，本文對以下三種工況的電場分布進行了仿真分析。

1） 正常工況下的電場分析。此時盆式絕緣子無缺陷，正常運行在系統最高電壓550 kV。

2） 盆式絕緣子內部存在氣孔時的電場分析。基于盆式絕緣子斷面檢查發現氣孔缺陷，在靠近沉頭螺絲端部的高場強區域設置一個20 mm長，φ=1 mm的氣孔，氣孔沿著盆式絕緣子內部分布，重點分析氣孔中電場的分布情況。

3） 二次屏蔽罩接地線失效后的電場分析。正常電流互感器運行時，二次引線管和二次屏蔽罩均為地電位，因此，該部位場強極低，不會在這個部位發生擊穿。但從解體檢查的痕跡來看，二次繞組引線管頂部有電弧灼傷痕跡，因此推斷二次屏蔽罩的接地線熔斷失效后引起電位抬升，進而導致二次引線管和二次屏蔽罩之間場強急劇增加，通過仿真定量計算二次屏蔽罩接地線失效后該部位的場強。

3.3  仿真結果

3.3.1  正常工況下的電場計算結果

電流互感器運行在系統最高電壓550 kV下，對氣室、一次載流導體、高壓屏蔽筒加載

 

的峰值電壓，對二次屏蔽罩、二次引線管加載0 kV電壓，中間分壓屏設置為懸浮電極，選用時諧電場求解器進行求解。

為保證盆式絕緣子及金屬嵌件螺母表面場強分布的準確性，對盆式絕緣子進行細化的網格剖分，最大網格剖分尺寸為2 mm。

正常運行時，盆式絕緣子凸面、凹面的電位和電場分布的仿真結果如下圖所示。 

（a）凸面電位分布圖  

（b）凸面電場分布圖

（c）凹面電位分布圖

（d）凹面電場分布圖

  盆式絕緣子凸、凹面電位、電場分布

盆式絕緣子表面電場分布不均勻，最大場強出現在凸面的頸部，最大值約為2.34 kV/mm；凹面場強較低，最大場強出現在靠近二次屏蔽罩部位，最大值約為1.65 kV/mm；

盆式絕緣子上下安裝面內置了金屬嵌件螺母，用于法蘭面的聯接，電場分布的仿真結果如下圖所示，上部金屬嵌件螺母端部電場強度最大值約為6.64 kV/mm，下部的金屬嵌件螺母端部電場強度最大值約為4.82 kV/mm。

（a）盆式絕緣子  

（b）沉頭螺母處

  盆式絕緣子上、下部沉頭螺母處的電場分布

按照業內盆式絕緣子的場強設計要求，環氧樹脂內部及嵌件允許的長期工作場強范圍為3.0~5.0 kV/mm[4]，從計算結果看出，下部的金屬嵌件螺母場強在上述場強設計要求范圍內，但上部的金屬嵌件螺母場強高于上述場強設計值要求，由此可見，該電流互感器盆式絕緣子的金屬嵌件設計存在優化空間。

3.3.2  盆式絕緣子內部存在氣孔時的電場計算結果

在靠近沉頭螺絲端部的高場強區域設置一個長20 mm，直徑1 mm的柱狀氣孔，氣孔沿著盆式絕緣子內部垂直分布，氣孔最大網格剖分尺寸為0.5 mm，此工況下電位加載及計算求解過程與3.3.1節相同。此時盆式絕緣子的電場計算結果如下圖所示。

（a）盆式絕緣子

（b）內部氣孔處

 盆式絕緣子內帶氣孔的電場分布云圖

由于交流電場強度與介電系數成反比分布，而氣泡的相對介電常數比盆式絕緣子的小，因此最大場強出現在氣泡表面，約為6.7 kV/mm，大于空氣的擊穿場強3 kV/mm，引起氣泡內長期局部放電，最終將導致盆式絕緣子劣化及擊穿。

3.3.3  二次屏蔽罩接地線失效后的電場計算結果

此工況對軀殼、一次載流導體、高壓屏蔽筒加載 峰值電壓，對二次引線管加載0 kV電壓，二次屏蔽罩、中間分壓屏設置成懸浮電極，選用時諧電場求解器進行求解。

二次引線管端部詳細尺寸如下圖所示。

 二次引線管尺寸

計算結果如下：

二次引線管端部的場強高達66.2 kV/mm，遠遠超過SF6氣體擊穿場強，將導致兩者之間的SF6氣隙擊穿，氣隙擊穿后，短路電流將通過二次引線管入地，與二次引線管有大電流通過的痕跡相符。

（a）二次屏蔽罩  

（b）二次引線管端部

 二次屏蔽罩懸浮時的電場分布云圖

4  結語

采用Infolytica的ElecNet電場有限元仿真軟件，對一起SF6電流互感器主絕緣故障進行了不同工況下的電場仿真分析，結論如下。

1）正常工況下，盆式絕緣子下部的金屬沉頭嵌件場強在場強設計要求范圍內，但上部的沉頭螺絲場強高于場強設計值要求，上部金屬 沉頭螺絲端部電場強度最大值約為6.64 kV/mm，高于業內推薦的環氧樹脂長期允許運行電場強度范圍3.0~5.0 kV/mm，由此可見，該型電流互感器盆式絕緣子的金屬嵌件設計存在優化空間。

2）盆式絕緣子內部存在氣孔時，最大場強出現在氣泡的表面，約為6.7 kV/mm，可能引起氣泡內長期局部放電，導致盆式絕緣子劣化及擊穿，確定氣泡是本次故障發生的主要原因。

3）接地線熔斷導致二次屏蔽罩懸浮，二次引線管端部的場強高達66.2 kV/mm，導致兩者之間的SF6氣隙擊穿，短路電流通過二次引線管入地，與二次引線管有大電流通過的痕跡相符。

為提高500 kV SF6電流互感器的絕緣強度，降低絕緣故障發生率，提出應對措施如下。

1）加強對盆式絕緣子質量的檢查，避免帶缺陷的盆式絕緣子進入電網。

2）改善500 kV SF6電流互感器軀殼內場強的分布：優化金屬結構件的電極形狀，避免尖角；優化盆式絕緣子中的金屬嵌件形狀，降低盆式絕緣子內部及金屬嵌件表面的場強。

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本文摘自《南方電網技術》2017年 11卷 第5期

感謝文章作者分享：

南方電網科學研究院 楊家輝  

來源：海基科技公眾號，版權歸作者所有。