【环境温度】如果环境温度急剧变化，SF6电流互感器内部可能会冷凝，导致故障

为了分析环境温度变化对SF6电流互感器内部凝结的影响，作者在不同条件下研究了SF6电流互感器内部的未遂和相对湿度，结果表明，环境温度的急剧变化导致设备内部凝结。设备可能出现绝缘故障。

近年来，SF6电流变压器出现了陶瓷外壳破裂等绝缘故障，笔者推测，SF6电流变压器在环境变化时会在内部发生局部凝固，从而导致SF6电流变压器陶瓷外壳破裂。为此，笔者对环境温度变化对SF6电流变压器内部未遂含量的影响进行了大量的模拟实验。

1建立实验模型

人工气候室测试了不同温度、电流下SF6电流变压器内部的微水，实验装置由110kV SF6电流变压器(额定电流为800A，如图1所示)、大电流发生器、露点测量仪等组成。

考虑到电流互感器内未遂的吸附、脱吸附、冷凝、蒸发等物理特性与设备充电气体介质无关，以高微量压缩空气和低微量纯N2代替SF6气体进行研究。空气和N2的微量量如表1所示，这种方法很容易安装含水量不同的气体。

图1实验装置示意图

票1空气和N2的微量量

2环境温度变化对电流互感器内部SF6气体湿度的影响

2.1无电流互感器电流负载实验

电流变压器不能通过电流时，内部没有热源，整体温度与环境温度一致。由于环境温度的变化会影响电流变压器内部表面及绝缘材料中尾水的吸附，因此电流变压器内部的SF6微水含量会随环境温度的变化而变化。因此笔者首先验证了电流互感器内部表面及绝缘材料中微量吸附、脱吸附的问题。

在实验室中分别在电流变压器没有负载时充电压缩空气和高纯N2，两种气体体积比为1:1，压力为0.4MPa，改变环境温度，在不同环境温度下测量电流变压器的未遂值，测量结果如图2所示。

图2无负载情况下电流互感器内微水量与环境温度的关系

从结果可以看出，如果环境温度下降，电流变压器内的尾水值也会减少。这是因为电流变压器内部表面和绝缘材料上水蒸气的吸附和脱吸附与环境温度有关，在一定温度下吸附和脱吸附是平衡的。

环境温度升高时，原来电流变压器内部表面和绝缘材料吸附的水释放到电流变压器内部气体中，气体的微数量(即测量的微数量)上升，反之，环境温度下降时气体的微数量减少。整个过程如图3所示。

图3电流互感器内微水传输示意图

每次测量未遂时，电流互感器内的气体都会略有减少，为了严格验证上述过程的存在，设计温度恢复实验。也就是说，测量后，将环境温度恢复到原来的温度，观察尾水值的变化。结果见表2。

表2温升试验数据表

温度恢复实验表明，环境温度降低后恢复到原始温度时，气体的微量量变化微乎其微。这表明电流互感器内部是密封性良好的环境，实验产生的测量误差可以忽略不计。

上述实验结果表明，电流变压器内部存在容器内壁和绝缘材料的尾水和气体中尾水的平衡，这种平衡受到环境温度的影响，是可逆的。

为了确保实验的正确性，

确性，利用低微水量的高纯N2进行重复性实验，结果现实与上述现象一致。

2.2 带大电流负荷实验

2.2.1 电流负荷对微水值的影响

在电流互感器内充入较低微水量的纯净N2，首先测量气体的微水含量，并按照国标折算到0.1MPa，20℃的标准条件下，设定不同的环境温度，并分别给一次导杆持续通过400A、600A和800A的电流，每个不同电流阶段均保持3h左右，测量电流互感器内气体中的微水含量，微水含量与电流负荷的关系如图4所示。

图4 不同电流负荷与微水量的关系图

实验结果表明，在通过大电流负荷后，所测得的气体中微水含量急剧增大，且电流负荷越大，微水增加越多。

2.2.2 单个环境温度下稳态实验

进行实验时，选取环境温度为5℃和-5℃时进行研究。设定环境温度为5℃，将较低微水量的纯净N2注入电流互感器内，在国标条件（0.1MPa，20℃）微水值为303 ppmv。然后在一次导杆上通过800A电流，保持环境温度长时间不变，测量不同时间下的微水含量，结果如图5所示。

图5 环境温度为5℃时微水值和相对湿度的变化曲线

从上图可以看出，在国标条件下微水值为303ppmv的气体，环境温度为5℃，通过持续运行800A电流后，微水值增大到1417ppmv，同时相对湿度达到14.5%*5=72.5%。这是由于电流互感器内压强为0.5MPa，而测量工具露点仪的测量气体压强为0.1MPa，所以实际电流互感器内的相对湿度是测量值的5倍。在运行13.5h后，微水量增加较少，接近稳定。

设定环境温度为-5℃，重复上一实验的操作。测量得到在国标条件下的微水值为347 ppmv，加设大电流负荷后得到微水结果如图6所示。

图6 环境温度为-5℃时微水值和相对湿度的变化曲线

环境温度为-5℃时，长时间持续运行大电流负荷导致微水由未带负荷时的347ppmv（0.1MPa，20℃）增加至604 ppmv（0.5MPa，-5℃），相对湿度增大至68%。

以上两个实验结果显示，长时间持续大电流运行最终导致相对湿度最终能达到70%左右甚至更高。据有关研究结果，在相对湿度达到70%后，电力设备瓷件表面就有凝露的可能性，从而导致沿面闪络电压降低。

另外，上述两实验开始时微水值分别为303 ppmv（0.1MPa，20℃）和347 ppmv（0.1MPa，20℃），若增加至500ppmv左右，得到的相对湿度会更大，凝露以及由此导致绝缘性能下降的可能性会更大。

2.2.3 带负荷时急剧降温实验

设定环境温度为20℃，保持电流互感器持续通过800A电流负荷，保持一定时间直至微水值基本稳定，而后控制人工气候室温度突然下降至零下，测量在降温过程中电流互感器内的微水值和相对湿度。

加电流前，国标条件下微水值为314ppmv，环境温度由20℃急剧降至-10℃。降温开始后15min内连续测量微水值和相对湿度，降温1h后每隔一小时测一组数据。测得微水值和相对湿度随时间的变化如图7所示。

图7 急剧降温时微水值与相对湿度随时间变化曲线图（314ppmv）

从上述结果中可以看出，在降温开始的前30min内，微水值与相对湿度均在急剧下降，而在30min后，微水值变化很小，几乎保持不变，而相对湿度开始逐渐增大，在3.5h后逐渐稳定。稳定后的相对湿度约为70%至80%间。

有资料显示，相对湿度达到70%就有凝露的可能性。因而，此种情况下很有可能是电流互感器内部产生局部凝露。由于环境温度下降至-10℃，在降温过程中，很有可能存在部分区域的水蒸气在相对湿度达到70%左右直接在材料内表面凝结为霜或者冰，导致相对湿度不再增长。从而达不到100%。

在上一实验的基础上，提高电流互感器所处的环境温度，直至升至0℃，同时测量其微水值和相对湿度相应的变化情况，得到结果图8所示：

图8 急剧降温时微水值与相对湿度随时间变化曲线图

从曲线图中可以看出在环境温度由-10℃回升至0℃时，在前30min内相对湿度会暂时性的急剧增大，甚至达到100%，略微超过100%部分是由于测量放气导致电流互感器内压强略微小于0.5MPa，这说明微水值逐渐增加。

在30min后，相对湿度开始减小，微水值增加速度减小。这种现象说明在环境温度维持在-10℃时，电流互感器内部分区域的微水直接在材料内表面凝结成细小霜或者冰膜，当环境温度回升时，这些细微的冰膜或者霜层就开始融化，变成水蒸汽或是细微水膜，而此时气体的温度还没有升上去，导致在局部地区相对湿度暂时性增大，甚至达到100%。

当环境温度上升并维持在0℃时，随时间的推移，气体温度逐渐升高，电流互感器内微水又开始因不同区域的温度开始迁移从而达到平衡，使得温度较低区域的微水逐渐迁移到温度较高区域，从而导致相对湿度开始下降，直至达到环境温度为0℃时的平衡。

在重复性实验中，亦得到在环境温度由-10℃回升至0℃时，相对湿度在升温的前30min内由67%上升至92%。

以上两种实验说明在急剧降温时，特别是环境温度降至零度以下时，确实存在局部水分凝结。由于此时微水凝结成固体，覆盖在电流互感器内表面上，故对其绝缘不会产生较大影响。但如果环境温度再回升时，就会导致部分凝结的固体开始融化成水蒸汽或是液态水膜，从而容易引起绝缘事故。

3 结论

（1）电流互感器内存在微水与内表面及绝缘材料中吸附微水的平衡，而这种平衡由环境温度决定。

（2）在电流互感器带大电流负荷运行时，由于在内部建立起温度场，导致其内部微水由温度高区域向温度低区域迁移，从而使得温度低区域的微水含量急剧增大。

（3）在国标允许的微水含量范围内，在某个环境温度下因带大电流负荷运行而使得相对湿度达到70%及以上时，存在由于凝露的造成绝缘故障的可能性。

（4）在国标允许的微水含量范围内，电流互感器带大电流负荷运行时，若环境温度急剧下降至零度以下时，则其内部相对湿度可达到70%及更高，会产生局部凝霜的现象。当环境温度回升至零度以上的过程中，其内部气体相对湿度暂时性急剧增加，可达到100%。

（编自《电气技术》，标题为“环境温度变化对SF6电流互感器内部凝露影响的研究”，作者为李秀广、韩四满 等。）