输电电缆取电 CT 输出性能的影响因素分析
作者：李平 广西鑫源电力勘察设计有限公司，广西钦州
随着我国城乡经济的发展，各地用电量每年不断递增。新建的智能电网为考虑未来5至10年的用电增长需求，输电线路中使用的电缆通流能力都留有一定裕量，而且10kV及以上的高压电缆都具有满足相应安全要求厚度的绝缘层。因此输电网中大多数高压电缆的外径都大于50mm。此类电缆其在线监测设备的取电CT一般选用内径120mm或者160mm的圆环形开合式CT。此类型CT其单个个体尺寸较大，也相对较重。批量生产时，其小电流模式下的取电性能极为不稳定。曾出现多起同批次CT(量大于100) ，入厂验收不良率达40%以上。与供应商间来回处理、运输不合格品，浪费人力、物力和时间成本。若对小电流模式下CT的输出性能进行优化，将进一步降低电缆在线监测设备的启动电流并提高设备供电的可靠性。
CT 感应取电的主要工作原理与变压器的工作原理相同，即应用法拉第电磁感应定律，当穿过环形铁芯的原边电流交流变化时，CT 的二次绕组( 用作取电 CT的输出端)将产生感应电压。由于取电用的CT 原副边匝数比为 1: n( n 通常取几十或上百匝) ，而输电线路电缆的最大电流可达上千安培。因此，CT 的输出端不能开路，否则将产生很高的感应电压，并造成铁芯饱和而影响其寿命。当CT 输出端接负载时，负载上将会产生相应匝数比的感应电流。
由文献［1］可知，采用在CT的输出端加整流桥和旁路开关进行保护的电路方式进行取能，将不会出现铁芯在原边大电流情况下饱和以及输出过电压的问题。因此，下文不再阐述取电CT工作在电缆大电流的情况，主要在电缆小电流输电模式下进行讨论。
由文献［2］可知，圆环形CT的最优输出功率Pmax可由以下表达式计算:
3) 根据电缆的负荷情况选定绕线匝数和线径;
4) 绕线完成后将铁芯胚体放置在相应模具内，引出输出线缆，然后浇注红色环氧树脂胶;
5) 最后将灌好胶的CT 从中间切成两个半圆环并对切割面进行打磨。交付CT 成品时采用抱箍锁紧方式连同抱箍一起发货。
以下按照取电CT的外形尺寸已经确定的情况(比如内径为160mm的成品CT)进行分析。
取电CT的性能检测主要为针对CT的重量、外形尺寸、绕线匝数以及取电性能等方面进行测试。绕线匝数的测试方法为:参考图1接线，将大电流发生器的输出线缆从CT中间穿过(匝数为1);将CT的输出端短路。再把原边线缆电流(交流)升至I1(如200A) ，测试CT输出端的短路电流I2，则可算出绕线匝数:
式中，I 为原边电流，f 为原边电流的变化频率，s为磁芯截面积，μ 为磁芯磁导率，ln 为有效磁路长度。
由公式( 1 ) 可知，当其它变量固定时，CT 的输出功率与磁芯胚体的有效截面积成正比，与磁路长度成反比。磁路长度与磁芯的内外径相关，而磁芯最小内径由电缆的外径决定。增大磁芯截面积也可以提高CT的输出功率，然而截面积太大会增加制作成本和CT的重量，不利于后续加工、运输以及塔上安装。还可以通过提高磁导率来增大 CT 的输出性能，CT 的磁导率通常与磁芯胚体的材料相关。输电线路电缆通常使用于户外杆塔引下、埋地、电缆沟、户内等场景，其在线监测设备的取电CT 也必须能用在户外等场景，应具有防水、防腐蚀、耐污等性能。
为了方便安装和综合成本考虑，大尺寸CT的磁芯一般选用圆环形胚体，材料为硅钢。制作方法如下:
1) 根据设备的功率需求确定胚体的最小截面积;
2) 根据电缆的外径确定胚体的内外径尺寸和外壳模具的尺寸;
CT取电性能的测试主要测试其小电流模式下的空载开路电压。具体为:如图1接线，将电流发生器的输出线缆从CT中间穿过(匝数为1);调节CT原边线缆的电流至一个设定的小电流值(如10A) ，测试CT输出端的空载电压。
根据实际工程应用中的数据统计，CT 的空载电压按如下指标划分:
常温环境，相同原边小电流下:
1) CT 切割后的电压小于切割前的65%，其输出性能较差;
2) CT 切割后的电压为切割前的65%～ 70%，其输出性能一般;
3) CT 切割后的电压为切割前的70%～ 75%(不含两端点)，其输出性能良好;
1) CT 切割后的电压大于等于切割前的75%，其输出性能较优。
取电CT在实际工程应用中出现过以下问题:
1) 部分CT 闭合锁紧后，在原边小电流下，其空载输出电压较低，导致设备的启动电流超出规定值。
经排查分析原因有两种:
a) 部分CT 闭合后其切割面有明显缝隙(如图2) ，过大的气隙降低了铁芯磁导率;
b) 环形铁芯胚体先由硅钢片一层层卷绕，成形后用胶水紧固。若胚体未完全紧固便开始绕线和浇注红色环氧树脂胶，红胶将浸透硅钢片层使其分隔开。后续切割CT 时，单层硅钢片由于硬脆而在切口处断裂，使切割面存在条形裂缝(如图3) ，从而降低整体磁导率。
2) 同批次CT 在不同时间段测试结果差异较大。经分析为每次拆装抱箍后，两半CT 不易对齐使铁芯胚体稍微错位或者切割面存在细小粉尘等异物，最终导致CT 磁导率降低。
3）相同CT 在供应商处合格，入厂验收却不合格。
经排查为CT 切割后其空载输出电压受环境温度影响。表1 为实测3 个不同编号的CT 在不同低温环境下，原边电流为15A时的空载输出电压。测试结果表明: 温度越低，CT 的输出电压越低。由于CT 生产厂家位于深圳，而采购商位于武汉，在春冬季节，两地环境温度相差较大时，会出现两地测试结果不一致。
表1低温影响CT的输出电压
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温度 5℃ |
温度 10℃ |
温度 15℃ |
温度 20℃ |
温度 25℃ |
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1#CT |
13． 0V |
19． 5V |
30． 3V |
37． 8V |
41． 6V |
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2#CT |
21． 5V |
30． 3V |
39． 5V |
40． 6V |
43． 5V |
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3#CT |
9． 3v |
15． 2v |
26． 4v |
35． 0V |
38． 8V |
2) 杭州某110kV 线路上新安装的一批电缆在线监测设备，连续出现4套设备的CT 无法取电。
经现场排查: 均为电缆外径较大，CT 的内径已处于电缆外径的临界状态，经锯床切割后会有1 至2mm的材料损耗，使其不再为一个完整的圆环形。CT 的最小内径小于电缆的外径(如图4) 。导致CT 安装时其切面并未闭合，CT 磁导率严重降低而无法取能。
图4 CT 内径稍小于电缆外径
除上述工程应用中的问题和原因外，影响CT输出性能的因素还有:
1) 铁芯胚体的材料配比。铁和硅在胚体中的含量占比会影响铁芯的磁导率和锈蚀速率;
CT 的防水密封工艺。开合式安装的 CT 应用在户外时需要密封防水，传统的防水密封方式为一半CT 不动，另一半 CT 的两端铣凸台并安装密封垫圈。两半 CT 闭合时，密封胶垫与另一半未做处理的 CT 形成软硬挤压达到密封效果。
但是，此方式不易控制胶垫的形变量，当胶垫过厚时，两半CT 的切割面将会存在较大的气隙而影响CT整体磁导率。
1) CT 切割面的防锈工艺。硅钢材料由于含铁而容易生锈，CT 切割面的锈蚀速率将影响其使用寿命。
2) CT 的安装工艺要求。安装时两半CT 的胚体切面是否对齐，切面是否有细小微粒等也将影响CT的整体磁导率而降低其输出性能。
综上所述，提出如下优化CT输出性能的思路:
1) 不断试验和优化铁芯材料的铁硅配比，在磁导率和锈蚀速率方面选个最优配方;
2) 采用较优的防水密封工艺和防锈工艺，避免因安装导致胚体错位和增加气隙;
3) 优化胚体的制作工艺和绕线后的浇注工艺，以免在后续切割时造成切面有裂缝;
4) 优化CT 的切割工艺和后续打磨工艺，比如将锯床切割改为线切割，减小CT 的材料损耗和闭合气隙;
5) 进一步深入研究CT 切割后其输出性能受低温影响的原因，分析是否温度影响胚体的形变或磁导率，以便进一步优化;
6) 规范安装工艺要求，并对安装人员进行安装指导培训。
CT取电由于其取电技术成熟和输出功率较大的优势，将会长期成为智能电网中各在线监测设备的主流供电方式。文章对取电CT的制作、测试、输出性能的影响因素和改进思路等方面进行了相关论述。针对圆环形开合式 CT，得出以下结论:
1) 当取电CT 应用在其输出端加整流桥和旁路开
关进行保护的电路方式下，CT 将不需再考虑原边大电流情况的过压和磁芯饱和问题。
2) 提高小电流模式下CT 的输出性能将成进一步降低设备最小启动电流的关键。
3) 当CT 的内外径尺寸和绕线匝数固定不变时，磁芯的磁导率是影响小电流模式下CT 输出性能的主要原因。若磁芯胚体的材料选定则材料的磁导率亦确定，而开合式CT 的最终磁导率受其气隙影响。只有尽量减小CT 的闭合气隙，小电流下CT 的输出性能才能提高。因此优化磁芯胚体的切割工艺和打磨工艺变得至关重要。
4) 低环境温度会对小电流模式下CT 的输出性能产生不利的影响，还需对温度与CT 的性能关系进行更深入的探究。