環境温度急劇變化，會導致SF6電流互感器內部凝露，並引發故障
為了分析環境温度變化對SF6電流互感器內部凝露影響，作者在不同條件下，對SF6電流互感器內部微水及相對濕度進行了研究，實驗結果表明，由於環境温度急劇變化造成設備內部凝露，會導致設備發生絕緣故障。
近年來，SF6電流互感器出現多起瓷套爆裂等絕緣故障，筆者推斷SF6電流互感器在環境變化時內部產生局部凝露，可能導致SF6電流互感器瓷套爆裂。為此，筆者就環境温度變化對SF6電流互感器內部微水含量的影響開展了大量的仿真實驗工作。
1 實驗模型的構建
在人工氣候室，對不同温度、電流下SF6電流互感器內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)、高電流發生器、露點儀等設備構成。
考慮到電流互感器內微水的吸附、脱吸附、凝露與蒸發等物理特性與設備填充氣體介質無關，故用較高微水量的壓縮空氣和較低微水量的純淨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 環境温度變化對電流互感器內部SF6氣體濕度的影響
2.1 電流互感器未帶電流負荷實驗
電流互感器未通電流時，其內部沒有熱源，整體的温度與環境温度一致。由於環境温度的變化影響到微水在電流互感器內表面及絕緣材料中的吸附，故電流互感器內部的SF6微水含量會隨着環境温度的變化而變化，因此，筆者首先就環境温度對微水在電流互感器內表面及絕緣材料中的吸附、脱吸附問題進行了驗證。
在實驗室分別在電流互感器未帶負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，改變環境温度，測量不同環境温度下電流互感器的微水值，測量結果如圖2所示。
圖2 未帶負荷時電流互感器內微水量與環境温度的關係
從結果中可以看出，環境温度下降時，電流互感器內微水值也會下降。這是由於水蒸氣在電流互感器內表面和絕緣材料中的吸附和脱吸附與環境温度有關，在一定温度下吸附和脱吸附處於一種平衡狀態。
當環境温度上升時，原來吸附於電流互感器內表面和絕緣材料中水分會釋放到電流互感器內部氣體中，從而導致氣體中的微水量（亦即測量到的微水量）上升，反之環境温度下降則氣體中的微水量下降。整個過程如圖3所示。
圖3 電流互感器內微水轉移示意圖
每次測量微水都會導致電流互感器內氣體略微減少，為嚴格驗證上述過程的存在，故設計温度回升實驗，即測量後將環境温度回升到原來的温度，觀測微水值的變化。結果如表2所示：
表2 温度回升實驗數據表
温度回升實驗表明，在環境温度降低後再恢復到原來温度時，其氣體的微水量變化很小。這説明電流互感器內部是密封性完好的環境，由於實驗造成的測量誤差可以忽略不計。
上述實驗結果表明在電流互感器內部確實存在容器內壁和絕緣材料中的微水和氣體中微水的平衡，該平衡受環境温度的影響，且該平衡是可逆的。
為確保實驗的準確性，利用低微水量的高純N2進行重複性實驗，結果現實與上述現象一致。
2.2 帶大電流負荷實驗
2.2.1 電流負荷對微水值的影響
在電流互感器內充入較低微水量的純淨N2，首先測量氣體的微水含量，並按照國標折算到0.1MPa，20℃的標準條件下，設定不同的環境温度，並分別給一次導杆持續通過400A、600A和800A的電流，每個不同電流階段均保持3h左右，測量電流互感器內氣體中的微水含量，微水含量與電流負荷的關係如圖4所示。
圖4 不同電流負荷與微水量的關係圖
實驗結果表明，在通過大電流負荷後，所測得的氣體中微水含量急劇增大，且電流負荷越大，微水增加越多。
2.2.2 單個環境温度下穩態實驗
進行實驗時，選取環境温度為5℃和-5℃時進行研究。設定環境温度為5℃，將較低微水量的純淨N2注入電流互感器內，在國標條件（0.1MPa，20℃）微水值為303 ppmv。然後在一次導杆上通過800A電流，保持環境温度長時間不變，測量不同時間下的微水含量，結果如圖5所示。
圖5 環境温度為5℃時微水值和相對濕度的變化曲線
從上圖可以看出，在國標條件下微水值為303ppmv的氣體，環境温度為5℃，通過持續運行800A電流後，微水值增大到1417ppmv，同時相對濕度達到14.5%*5=72.5%。這是由於電流互感器內壓強為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的相對濕度是測量值的5倍。在運行13.5h後，微水量增加較少，接近穩定。
設定環境温度為-5℃，重複上一實驗的操作。測量得到在國標條件下的微水值為347 ppmv，加設大電流負荷後得到微水結果如圖6所示。
圖6 環境温度為-5℃時微水值和相對濕度的變化曲線
環境温度為-5℃時，長時間持續運行大電流負荷導致微水由未帶負荷時的347ppmv（0.1MPa，20℃）增加至604 ppmv（0.5MPa，-5℃），相對濕度增大至68%。
以上兩個實驗結果顯示，長時間持續大電流運行最終導致相對濕度最終能達到70%左右甚至更高。據有關研究結果，在相對濕度達到70%後，電力設備瓷件表面就有凝露的可能性，從而導致沿面閃絡電壓降低。
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，凝露以及由此導致絕緣性能下降的可能性會更大。
2.2.3 帶負荷時急劇降温實驗
設定環境温度為20℃，保持電流互感器持續通過800A電流負荷，保持一定時間直至微水值基本穩定，而後控制人工氣候室温度突然下降至零下，測量在降温過程中電流互感器內的微水值和相對濕度。
加電流前，國標條件下微水值為314ppmv，環境温度由20℃急劇降至-10℃。降温開始後15min內連續測量微水值和相對濕度，降温1h後每隔一小時測一組數據。測得微水值和相對濕度隨時間的變化如圖7所示。
圖7 急劇降温時微水值與相對濕度隨時間變化曲線圖（314ppmv）
從上述結果中可以看出，在降温開始的前30min內，微水值與相對濕度均在急劇下降，而在30min後，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後逐漸穩定。穩定後的相對濕度約為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部產生局部凝露。由於環境温度下降至-10℃，在降温過程中，很有可能存在部分區域的水蒸氣在相對濕度達到70%左右直接在材料內表面凝結為霜或者冰，導致相對濕度不再增長。從而達不到100%。
在上一實驗的基礎上，提高電流互感器所處的環境温度，直至升至0℃，同時測量其微水值和相對濕度相應的變化情況，得到結果圖8所示：
圖8 急劇降温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境温度由-10℃回升至0℃時，在前30min內相對濕度會暫時性的急劇增大，甚至達到100%，略微超過100%部分是由於測量放氣導致電流互感器內壓強略微小於0.5MPa，這説明微水值逐漸增加。
在30min後，相對濕度開始減小，微水值增加速度減小。這種現象説明在環境温度維持在-10℃時，電流互感器內部分區域的微水直接在材料內表面凝結成細小霜或者冰膜，當環境温度回升時，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，而此時氣體的温度還沒有升上去，導致在局部地區相對濕度暫時性增大，甚至達到100%。
當環境温度上升並維持在0℃時，隨時間的推移，氣體温度逐漸升高，電流互感器內微水又開始因不同區域的温度開始遷移從而達到平衡，使得温度較低區域的微水逐漸遷移到温度較高區域，從而導致相對濕度開始下降，直至達到環境温度為0℃時的平衡。
在重複性實驗中，亦得到在環境温度由-10℃回升至0℃時，相對濕度在升温的前30min內由67%上升至92%。
以上兩種實驗説明在急劇降温時，特別是環境温度降至零度以下時，確實存在局部水分凝結。由於此時微水凝結成固體，覆蓋在電流互感器內表面上，故對其絕緣不會產生較大影響。但如果環境温度再回升時，就會導致部分凝結的固體開始融化成水蒸汽或是液態水膜，從而容易引起絕緣事故。
3 結論
（1）電流互感器內存在微水與內表面及絕緣材料中吸附微水的平衡，而這種平衡由環境温度決定。
（2）在電流互感器帶大電流負荷運行時，由於在內部建立起温度場，導致其內部微水由温度高區域向温度低區域遷移，從而使得温度低區域的微水含量急劇增大。
（3）在國標允許的微水含量範圍內，在某個環境温度下因帶大電流負荷運行而使得相對濕度達到70%及以上時，存在由於凝露的造成絕緣故障的可能性。
（4）在國標允許的微水含量範圍內，電流互感器帶大電流負荷運行時，若環境温度急劇下降至零度以下時，則其內部相對濕度可達到70%及更高，會產生局部凝霜的現象。當環境温度回升至零度以上的過程中，其內部氣體相對濕度暫時性急劇增加，可達到100%。
（編自《電氣技術》，標題為“環境温度變化對SF6電流互感器內部凝露影響的研究”，作者為李秀廣、韓四滿 等。）