一起電流互感器內部開路故障原因分析

李剛

（大亞灣核電運營管理有限責任公司，廣東 深圳518124）

1 引言

220kV 及以上電壓等級的GIS 上使用的環(huán)氧澆注式穿心電流互感器故障后必須將GIS 解體才能完成電流互感器的更換，而GIS 解體工作量較大，風險和成本均比較高，因此，研究該類型電流互感器的故障機理，并制定合理的措施減少故障發(fā)生率尤為重要。

2 事件描述

某電廠繼保人員在完成繼電保護整組傳動試驗后，測量保護用電流互感器CT 側直阻時，發(fā)現(xiàn)給T 差保護使用的一個電流互感器本體直阻無窮大，進一步檢查確認該電流互感器內部二次繞組開路，隨后該電廠對GIS 設備進行解體，并使用備件對該電流互感器進行了更換，該事件造成GIS 設備被迫解體，一次設備送電推遲，給電廠帶來了一定的損失。

3 原因分析

3.1 電流互感器的結構和安裝方式

故障的電流互感器為環(huán)氧澆注式電流互感器，其內部鐵芯由硅鋼片組成，二次繞組為單股銅質漆包線，均勻緊密地纏繞在環(huán)形鐵芯上，最外層使用環(huán)氧樹脂材料澆注，鐵芯和環(huán)氧澆注層之間由多層軟性橡膠層和絕緣薄膜包裹填充。圖1為該類型電流互感器的外觀和引出線部位的X 光影像。該類型電流互感器安裝在GIS 外殼外面，安裝位置距離斷路器設備較近，其二次接線盒安裝方向朝上。

圖1 該類型電流互感器的外觀和引出線部位的X 光影像

3.2 電流互感器開路原因分析

①電廠對故障的電流互感器進行解體檢查，發(fā)現(xiàn)斷點位于鐵芯上的繞組繞線向環(huán)氧樹脂的過渡段，即二次繞組引出線部位，二次引出線為繞組漆包線直接引出，為單股銅線，直徑約1mm。

②從故障電流互感器上截取斷口金屬送至相關實驗室進行金屬失效分析，實驗室從斷口形貌、化學成分、微觀組織、金屬硬度等方面進行了全面的金屬失效分析，從金屬斷口形貌可見明顯的裂紋擴展路徑，終斷區(qū)可見明顯的拉長韌窩，擴展區(qū)可見等軸韌窩，證明銅線是在應力的作用下發(fā)生斷裂。從微觀組織的晶粒變形情況分析，可證明斷口不是瞬間的過應力斷裂；從化學成分分析也表明材料雜質含量比較低，不是因材料脆化或成分不合格而發(fā)生的斷裂。綜合分析，斷口為應力作用下的疲勞斷裂。

圖2 金屬斷口形貌

③從故障電流互感器的內部結構分析，該類型互感器內部鐵芯與外層環(huán)氧之間存在間隙，當互感器受到振動時，由于環(huán)氧和金屬在承載時變形存在差異，因此鐵芯和外層環(huán)氧之間存在相對位移，從而導致振動過程中二次繞組引出線會承受應力作用，有可能在應力作用下發(fā)生斷裂失效，與斷口分析的斷裂模式相符。

④根據該類型電流互感器的安裝位置，經過分析其振動源來自斷路器的分合閘操作時引起的振動。使用儀器實測斷路器振動時電流互感器的振動情況，數據見表1，可以發(fā)現(xiàn)當斷路器分合閘時電流互感器會承受較大的振動。

表1 實測電流互感器振動值

⑤為了驗證振動工況是否會導致該類型電流互感器內部開路，電廠選擇了同類型電流互感器進行了振動試驗。在實驗室模擬電流互感器保持與現(xiàn)場一致的豎立安裝方式，并根據現(xiàn)場實測的振動數據設置試驗參數，試驗結果見表2，進行振動試驗的兩個樣品均在振動工況下發(fā)生了內部開路，并且開路位置均位于內部二次繞組引出線部位。通過該試驗，該類型電流互感器開路的故障現(xiàn)象得以復現(xiàn)，驗證了該類型電流互感器存在振動情況下內部開路的失效模式。

表2 電流互感器振動試驗結果

⑥電廠通過與國內外電流互感器生產廠家進行交流和調研，了解到目前環(huán)氧澆注式電流互感器的二次繞組引出線方式大多采用多股軟導線的方式，即在二次繞組引出時轉接為多股軟導線后再引出，而非直接將單股漆包線引出，多股軟導線在受到應力作用后可及時將應力釋放，對比現(xiàn)場使用的電流互感器，其二次繞組引出線方式為單股漆包線直接引出，在受到應力作用時，應力不易釋放。

3.3 分析結論

綜合以上分析，該類型電流互感器內部二次引出線部位開路的主要原因為電流互感器的安裝位置靠近斷路器，斷路器的分合閘動作引起電流互感器振動，電流互感器振動時使內層鐵芯和外層環(huán)氧之間產生相對位移，使二次繞組引出線受到應力作用，同時由于該類型電流互感器二次繞組引出線采用單股漆包線直接引出的方式，二次引出線在受到應力作用時，應力易集中，不易釋放，最終發(fā)生疲勞斷裂。

4 防止該類型電流互感器發(fā)生內部開路的建議

根據上述原因分析，建議在使用同類型環(huán)氧澆注式電流互感器時注意以下事項：①二次繞組引出線宜采用多股軟導線連接，不宜將二次繞組漆包線直接引出到環(huán)氧澆注層；②該類型的電流互感器安裝位置應盡量遠離斷路器或其他振動源；③若受制于現(xiàn)場環(huán)境限制，無法遠離振動源時，建議在斷路器進行分合閘動作后及時進行二次電流檢查，確認電流互感器無開路；④保護定檢后，恢復送電前，應測量電流互感器直阻，確認直阻正常后方能送電；⑤定期巡視檢查電流互感器本體溫度是否有異常，有無振動及噪聲；⑥對于無電流互感器斷線報警的差動保護應及時進行換型改造，以便在電流互感器發(fā)生開路后能夠及時發(fā)出報警。

5 結語

電流互感器開路故障雖不常見，但會引起非常嚴重的后果，影響人身及設備的安全，并可能造成繼電保護裝置拒動或誤動，釀成嚴重事故。因此，在日常維護和巡視中應加強對電流互感器的檢查，對于環(huán)氧澆注式電流互感器，內部開路后由于有環(huán)氧材料的保護，一般并不會迅速發(fā)展成嚴重故障，如果能及時發(fā)現(xiàn)并進行處理，通常可以避免事故進一步擴大。