超高壓開關站電流互感器二次繞組開路故障分析與處理

聞會波 許乃平 賈英杰 李念飛 楊旭

摘要某核電廠400/500kV氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIs）超高壓開關站運行期間電流互感器（CT）二次繞組發生開路故障，導致核電機組主外電源不可用，嚴重時會造成機組停機停堆。本文從CT安裝方式、斷口形貌和能譜分析、模擬振動試驗3方面分析了開路故障的原因，并提出了2種解決方案。其中的CT二次繞組引出線在線修復工藝已成功應用于某核電廠CT斷線搶修和全站CT二次繞組開路隱患處理，修復完成的CT各項參數驗收合格，從根本上消除了CT二次繞組開路隱患。

關鍵詞氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIs）;電流互感器（CT）;開路故障;在線修復工藝

某核電廠400/500kV氣體絕緣金屬封閉開關設備（CIs）[1]開關站選用IPME1/560-T155型電流互感器（CT），其主要用于繼電保護.測量.計量等工作，通過夾具安裝固定在CIs殼體上，斷路器分合閘操作時，CT會跟隨一起振動。自該開關站投運至今，其CT二次繞組均存在不同程度的損傷，累計發生4起開路故障，給核電廠帶來巨大的經濟損失。解體故障CT后發現斷點位于CT二次繞組引出線位置，通過截取斷口部位（具體指的是哪一部分？建議作者詳述）金屬進行失效分析，得出開路故障產生的具體原因，并制定了切實可行的處理措施。

1 CT二次繞組開路故障

CT是依據電磁感應原理將一次側大電流轉換成二次側小電流來進行保護.測量.計量的設備。CT的一次繞組匝數很少，二次繞組匝數較多并串接在二次測量或保護回路中。CT在工作時，要求其二次側閉合，當二次側開路時，感應電流主要用于激磁，造成鐵芯過度飽和，引起鐵芯發熱，同時在二次側感應出危險的高電壓，其峰值可達幾千伏，危及人身及設備安全。產生的高電壓將嚴重燒蝕CT本體，使其內部橡膠層碳化，同時喪失功能，發電機變壓器組高壓設備則失去保護，導致核電機組主外電源不可用，嚴重時機組狀態需后撤甚至停機停堆，給電廠帶來了巨大的經濟損失及負面影響。

2 原因分析

2.1 CT內部結構與安裝方式分析

此開關站采用環氧樹脂澆注式結構的CT，總重量約76kf，CT內部鐵芯由硅鋼片組成，二次繞組為單股銅導線，均勻緊密地纏繞在環形鐵芯上，外層由環氧樹脂澆注，鐵芯和環氧樹脂之間由多層軟性橡膠層包裹填充（圖1），存在間隙，當操作斷路器時，CT跟隨振動，CT內部存在活動的間隙，由于CT自身慣性與澆筑環氧層和金屬鐵心在承載時變形存在差異，因此振動過程中CT二次繞組引出線會承受應力作用，在應力作用下發生斷裂失效。

CT按照安裝位置分為串內CT和串外CT。串內CT的安裝方向為接線盒朝上安裝，串外CT的安裝方向為接線盒朝下安裝。當CT為接線盒朝上安裝時，振動過程中，CT內部鐵芯繞組在重力作用下下沉，拉扯澆筑固定在環氧樹脂中的二次引出線，使其承受拉應力作用，而CT為接線盒朝下安裝時，振動過程中，鐵芯繞組下沉壓縮二次引出線，使其承受壓應力作用，銅線在拉應力的作用下更易發生斷裂。結合歷史故障情況，發生故障的CT安裝方式均為接線盒朝上安裝，接線盒朝下安裝的CT未發生故障，與理論分析相符。

2.2 斷口金屬形貌與能譜分析

截取CT開路部分的斷口金屬，從宏觀形貌.化學成分.斷口形貌.

微觀組織.硬度等方面進行失效分析，分析結論是∶①從金屬斷口形貌（圖2）可見明顯的裂紋擴展路徑，終斷區可見明顯的拉長韌窩，擴展區可見等軸韌窩，證明銅線是在應力的作用下發生斷裂：②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：③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生的斷裂。

綜合分析得出斷口為應力作用下的疲勞斷裂，即低周疲勞斷裂。

2.3 模擬CT振動試驗分析

1.2.1 水平振動

為驗證振動工況下CT失效是否能夠復現，挑選同型號的CT進行振動試驗。經2h的x軸隨機振動試驗后，未見故障：Y軸隨機振動試驗進行1h50min后，CT出現開路故障。

1.2.2 豎直振動

CT在水平放置和豎立放置2種安裝方式下，內部受力情況存在差異，為了消除安裝方式對振動試驗的干擾，定制了CT專用夾具（圖3），使用專用夾具可使CT豎立放置，且按照現場120。三點式受力方式固定，盡可能模擬現場受力情況。在豎立放置的安裝方式下，Z軸試驗5min后測得CT內部二次繞組發生開路。在開關站停電檢修窗口下，現場采集斷路器分合閘動作后的CT實際振動波形，并按照實測波形數據進行振動試驗，Z軸試驗4min20s后測得CT內部二次繞組發生開路。

2.4 綜合分析

當斷路器分合閘動作時，CT受到振動作用，由于內部鐵芯和外層環氧樹脂之間存在較大間隙，且2種材料在承載時變形存在差異，產生相對位移，導致CT內部二次繞組引出線受到應力作用，由于此種類型CT的引出線工藝在設計上存在缺陷，當引出線受到應力作用時，應力易集中，不易釋放，最終二次繞組引出線部位在振動作用下發生低周疲勞斷裂。

3 解決方案與實施效果

3.1 改進CT安裝方式

目前此開關站CT安裝固定方式是CT與CIs外殼固定連接，斷路器分合閘操作時，CT會隨CIs外殼一起振動，從而促成CT二次繞組引出線斷線，如果杜絕CT振動則可避免CT因振動原因而導致斷線。

如果將CT與CIs外殼脫開，通過單獨的鋼支架支撐（圖4），使CT不與CIs外殼接觸。當斷路器分合閘操作振動時，CT將不會隨之振動，從而消除振動引起CT斷線的影響因素。此方案雖可消除CT二次繞組開路的促成因素，但未能對已受損的引出線部位進行修復，因此，該解決方案無法從根本上消除CT開路隱患。

3.2 CT二次繞組引出線在線修復

使用自主設計的專用工具對CT二次繞組引出線部位進行解剖，從環氧樹脂中剝離出CT二次繞組引出線，使用多股軟銅線代替原受損單股硬銅導線，重新壓接牢固后，使用環氧樹脂材料澆筑，可實現在CIs不解體情況下徹底消除CT二次繞組引出線斷線隱患。具體修復工藝過程如下∶（1）用x射線機拍出清晰的CT二次繞組引出線部分分布圖，以判

斷CT二次繞組2根引出線是否交叉，在CT本體上做出標記，便于確定修復后CT二次繞組引出線位置，保證CT極性。

（2） 用電吹風（溫度設定在300℃）加熱CT外層環氧樹脂材料，待其軟化后，使用鑿具將二次繞組引出線從環氧樹脂材料中剝離，直至軟性橡膠層位置。

（3） 將繞組引出線從靠近鐵芯位置剪斷，然后使用多股軟銅線代替原來單根銅線，用小銅管將多股軟銅線和繞組引出線連接，壓接后用焊錫點焊，增加壓接牢固性和導電接觸性。

（4） 用熱縮管套在壓接銅管位置，加熱熱縮管固定在此位置，熱縮管外再套一層黃臘管，用電纜頭填充膠密封壓接位置，防止澆注環氧材料進人軟性橡膠層，影響繞組絕緣性能。

（5） 對照開始時在CT本體上做的引出線標記和x射線圖，將更換后的繞組引出線另一端固定在澆注模具上，繞組引出線走向不要靠近鐵芯引出接地線和接地銅排，以保證絕緣，然后使用環氧樹脂材料重新澆注，充分冷卻凝固后對其進行耐壓試驗.匝間絕緣試驗.誤差試驗.極性試驗。修復后的CT經生產廠家鑒定，滿足驗收試驗標準，驗收合格。

該在線修復工藝首次應用于某核電廠運行期間CT開路搶修，成功避免了非計劃停機。

4 結束語

CT二次繞組引出線在線修復工藝成功應用于某核電廠運行期間CT斷線搶修以及1號與2號機組主變壓器出口間隔.2條線路間隔共計118個CT二次繞組引出線斷線隱患處理，修復后CT各項參數均符合驗收要求，并1次送電成功，CIs設備安全穩定運行。

CT二次繞組引出線在線修復工藝縮短了關鍵檢修工期，減少了人力成本，提高了設備檢修效率及安全性.穩定性。該CT二次繞組引出線在線修復工藝在現場多次成功應用，徹底解決了CT二次繞組開路故障帶來的隱患，現已成熟并具有很強的推廣價值，可對使用同類型CT的單位提供技術服務。

參考文獻

[1] 左亞芳.CIs設備運行維護及故障處理[M].北京∶中國電力出版社，2013∶8.