李 平

(廣西鑫源電力勘察設計有限公司，廣西欽州，535000)

1 引言

隨著我國城鄉(xiāng)經濟的發(fā)展，各地用電量每年不斷遞增。新建的智能電網為考慮未來5至10年的用電增長需求，輸電線路中使用的電纜通流能力都留有一定裕量，而且10kV及以上的高壓電纜都具有滿足相應安全要求厚度的絕緣層。因此輸電網中大多數(shù)高壓電纜的外徑都大于50mm。此類電纜其在線監(jiān)測設備的取電CT一般選用內徑120mm或者160mm的圓環(huán)形開合式CT。

此類型CT其單個個體尺寸較大，也相對較重。批量生產時，其小電流模式下的取電性能極為不穩(wěn)定。曾出現(xiàn)多起同批次CT(量大于100)，入廠驗收不良率達40%以上。與供應商間來回處理、運輸不合格品，浪費人力、物力和時間成本。若對小電流模式下CT的輸出性能進行優(yōu)化，將進一步降低電纜在線監(jiān)測設備的啟動電流并提高設備供電的可靠性。

2 CT取電的原理簡述

CT感應取電的主要工作原理與變壓器的工作原理相同，即應用法拉第電磁感應定律，當穿過環(huán)形鐵芯的原邊電流交流變化時，CT的二次繞組(用作取電CT的輸出端)將產生感應電壓。由于取電用的CT原副邊匝數(shù)比為1：n(n通常取幾十或上百匝)，而輸電線路電纜的最大電流可達上千安培。因此，CT的輸出端不能開路，否則將產生很高的感應電壓，并造成鐵芯飽和而影響其壽命。當CT輸出端接負載時，負載上將會產生相應匝數(shù)比的感應電流。

由文獻[1] 可知，采用在CT的輸出端加整流橋和旁路開關進行保護的電路方式進行取能，將不會出現(xiàn)鐵芯在原邊大電流情況下飽和以及輸出過電壓的問題。因此，下文不再闡述取電CT工作在電纜大電流的情況，主要在電纜小電流輸電模式下進行討論。

3 取電CT的制作方法

由文獻[2] 可知，圓環(huán)形CT的最優(yōu)輸出功率Pmax可由以下表達式計算：

(1)

式中，I為原邊電流，f為原邊電流的變化頻率，s為磁芯截面積，μ為磁芯磁導率，ln為有效磁路長度。

由公式(1)可知，當其它變量固定時，CT的輸出功率與磁芯胚體的有效截面積成正比，與磁路長度成反比。磁路長度與磁芯的內外徑相關，而磁芯最小內徑由電纜的外徑決定。增大磁芯截面積也可以提高CT的輸出功率，然而截面積太大會增加制作成本和CT的重量，不利于后續(xù)加工、運輸以及塔上安裝。還可以通過提高磁導率來增大CT的輸出性能，CT的磁導率通常與磁芯胚體的材料相關。

輸電線路電纜通常使用于戶外桿塔引下、埋地、電纜溝、戶內等場景，其在線監(jiān)測設備的取電CT也必須能用在戶外等場景，應具有防水、防腐蝕、耐污等性能。

為了方便安裝和綜合成本考慮，大尺寸CT的磁芯一般選用圓環(huán)形胚體，材料為硅鋼。制作方法如下：

1)根據(jù)設備的功率需求確定胚體的最小截面積；

2)根據(jù)電纜的外徑確定胚體的內外徑尺寸和外殼模具的尺寸；

3)根據(jù)電纜的負荷情況選定繞線匝數(shù)和線徑；

4)繞線完成后將鐵芯胚體放置在相應模具內，引出輸出線纜，然后澆注紅色環(huán)氧樹脂膠；

5)最后將灌好膠的CT從中間切成兩個半圓環(huán)并對切割面進行打磨。交付CT成品時采用抱箍鎖緊方式連同抱箍一起發(fā)貨。

以下按照取電CT的外形尺寸已經確定的情況(比如內徑為?160mm的成品CT)進行分析。

4 取電CT的檢測方式

取電CT的性能檢測主要為針對CT的重量、外形尺寸、繞線匝數(shù)以及取電性能等方面進行測試。

繞線匝數(shù)的測試方法為：參考圖1接線，將大電流發(fā)生器的輸出線纜從CT中間穿過(匝數(shù)為1)；將CT的輸出端短路。再把原邊線纜電流(交流)升至I1(如200A)，測試CT輸出端的短路電流I2，則可算出繞線匝數(shù)：

圖1 取電CT電性能的測試接線

(2)

CT取電性能的測試主要測試其小電流模式下的空載開路電壓。具體為：如圖1接線，將電流發(fā)生器的輸出線纜從CT中間穿過(匝數(shù)為1)；調節(jié)CT原邊線纜的電流至一個設定的小電流值(如10A)，測試CT輸出端的空載電壓。

根據(jù)實際工程應用中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，CT的空載電壓按如下指標劃分：

常溫環(huán)境，相同原邊小電流下：

1) CT切割后的電壓小于切割前的65%，其輸出性能較差；

2) CT切割后的電壓為切割前的65%～70%，其輸出性能一般；

3) CT切割后的電壓為切割前的70%～75%(不含兩端點)，其輸出性能良好；

4) CT切割后的電壓大于等于切割前的75%，其輸出性能較優(yōu)。

5 工程問題及原因分析

取電CT在實際工程應用中出現(xiàn)過以下問題：

1)部分CT閉合鎖緊后，在原邊小電流下，其空載輸出電壓較低，導致設備的啟動電流超出規(guī)定值。

經排查分析原因有兩種：

a)部分CT閉合后其切割面有明顯縫隙(如圖2)，過大的氣隙降低了鐵芯磁導率；

圖2 切割面縫隙過大

b)環(huán)形鐵芯胚體先由硅鋼片一層層卷繞，成形后用膠水緊固。若胚體未完全緊固便開始繞線和澆注紅色環(huán)氧樹脂膠，紅膠將浸透硅鋼片層使其分隔開。后續(xù)切割CT時，單層硅鋼片由于硬脆而在切口處斷裂，使切割面存在條形裂縫(如圖3)，從而降低整體磁導率。

圖3 切面有條形裂紋

2)同批次CT在不同時間段測試結果差異較大。

經分析為每次拆裝抱箍后，兩半CT不易對齊使鐵芯胚體稍微錯位或者切割面存在細小粉塵等異物，最終導致CT磁導率降低。

3)相同CT在供應商處合格，入廠驗收卻不合格。

經排查為CT切割后其空載輸出電壓受環(huán)境溫度影響。表1為實測3個不同編號的CT在不同低溫環(huán)境下，原邊電流為15A時的空載輸出電壓。測試結果表明：溫度越低，CT的輸出電壓越低。由于CT生產廠家位于深圳，而采購商位于武漢，在春冬季節(jié)，兩地環(huán)境溫度相差較大時，會出現(xiàn)兩地測試結果不一致。

表1 低溫影響CT的輸出電壓

4)杭州某110kV線路上新安裝的一批電纜在線監(jiān)測設備，連續(xù)出現(xiàn)4套設備的CT無法取電。

經現(xiàn)場排查：均為電纜外徑較大，CT的內徑已處于電纜外徑的臨界狀態(tài)，經鋸床切割后會有1至2mm的材料損耗，使其不再為一個完整的圓環(huán)形。CT的最小內徑小于電纜的外徑(如圖4)。導致CT安裝時其切面并未閉合，CT磁導率嚴重降低而無法取能。

圖4 CT內徑稍小于電纜外徑

6 其它因素和改進思路

除上述工程應用中的問題和原因外，影響CT輸出性能的因素還有：

1)鐵芯胚體的材料配比。鐵和硅在胚體中的含量占比會影響鐵芯的磁導率和銹蝕速率；

2)CT的防水密封工藝。開合式安裝的CT應用在戶外時需要密封防水，傳統(tǒng)的防水密封方式為一半CT不動，另一半CT的兩端銑凸臺并安裝密封墊圈。兩半CT閉合時，密封膠墊與另一半未做處理的CT形成軟硬擠壓達到密封效果。但是，此方式不易控制膠墊的形變量，當膠墊過厚時，兩半CT的切割面將會存在較大的氣隙而影響CT整體磁導率。

3)CT切割面的防銹工藝。硅鋼材料由于含鐵而容易生銹，CT切割面的銹蝕速率將影響其使用壽命。

4)CT的安裝工藝要求。安裝時兩半CT的胚體切面是否對齊，切面是否有細小微粒等也將影響CT的整體磁導率而降低其輸出性能。

綜上所述，提出如下優(yōu)化CT輸出性能的思路：

1)不斷試驗和優(yōu)化鐵芯材料的鐵硅配比，在磁導率和銹蝕速率方面選個最優(yōu)配方；

2)采用較優(yōu)的防水密封工藝和防銹工藝，避免因安裝導致胚體錯位和增加氣隙；

3)優(yōu)化胚體的制作工藝和繞線后的澆注工藝，以免在后續(xù)切割時造成切面有裂縫；

4)優(yōu)化CT的切割工藝和后續(xù)打磨工藝，比如將鋸床切割改為線切割，減小CT的材料損耗和閉合氣隙；

5)進一步深入研究CT切割后其輸出性能受低溫影響的原因，分析是否溫度影響胚體的形變或磁導率，以便進一步優(yōu)化；

6)規(guī)范安裝工藝要求，并對安裝人員進行安裝指導培訓。

7 結論

CT取電由于其取電技術成熟和輸出功率較大的優(yōu)勢，將會長期成為智能電網中各在線監(jiān)測設備的主流供電方式。文章對取電CT的制作、測試、輸出性能的影響因素和改進思路等方面進行了相關論述。針對圓環(huán)形開合式CT，得出以下結論：

1)當取電CT應用在其輸出端加整流橋和旁路開關進行保護的電路方式下，CT將不需再考慮原邊大電流情況的過壓和磁芯飽和問題。

2)提高小電流模式下CT的輸出性能將成進一步降低設備最小啟動電流的關鍵。

3)當CT的內外徑尺寸和繞線匝數(shù)固定不變時，磁芯的磁導率是影響小電流模式下CT輸出性能的主要原因。若磁芯胚體的材料選定則材料的磁導率亦確定，而開合式CT的最終磁導率受其氣隙影響。只有盡量減小CT的閉合氣隙，小電流下CT的輸出性能才能提高。因此優(yōu)化磁芯胚體的切割工藝和打磨工藝變得至關重要。

4)低環(huán)境溫度會對小電流模式下CT的輸出性能產生不利的影響，還需對溫度與CT的性能關系進行更深入的探究。