超高壓開關(guān)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(guān)設(shè)備（GIs）超高壓開關(guān)站運行期間電流互感器（CT）二次繞組發(fā)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(yīng)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(shù)驗收合格，從根本上消除了CT二次繞組開路隱患。

關(guān)鍵詞氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)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(guān)設(shè)備（CIs）[1]開關(guān)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(guān)站投運至今，其CT二次繞組均存在不同程度的損傷，累計發(fā)生4起開路故障，給核電廠帶來巨大的經(jīng)濟損失。解體故障CT后發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(jù)電磁感應(yīng)原理將一次側(cè)大電流轉(zhuǎn)換成二次側(cè)小電流來進行保護.測量.計量的設(shè)備。CT的一次繞組匝數(shù)很少，二次繞組匝數(shù)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(cè)閉合，當二次側(cè)開路時，感應(yīng)電流主要用于激磁，造成鐵芯過度飽和，引起鐵芯發(fā)熱，同時在二次側(cè)感應(yīng)出危險的高電壓，其峰值可達幾千伏，危及人身及設(shè)備安全。產(chǎn)生的高電壓將嚴重燒蝕CT本體，使其內(nèi)部橡膠層碳化，同時喪失功能，發(fā)電機變壓器組高壓設(shè)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(tài)需后撤甚至停機停堆，給電廠帶來了巨大的經(jīng)濟損失及負面影響。

2 原因分析

2.1 CT內(nèi)部結(jié)構(gòu)與安裝方式分析

此開關(guān)站采用環(huán)氧樹脂澆注式結(jié)構(gòu)的CT，總重量約76kf，CT內(nèi)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(huán)形鐵芯上，外層由環(huán)氧樹脂澆注，鐵芯和環(huán)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(nèi)部存在活動的間隙，由于CT自身慣性與澆筑環(huán)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(yīng)力作用，在應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂失效。

CT按照安裝位置分為串內(nèi)CT和串外CT。串內(nèi)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(nèi)部鐵芯繞組在重力作用下下沉，拉扯澆筑固定在環(huán)氧樹脂中的二次引出線，使其承受拉應(yīng)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(yīng)力作用，銅線在拉應(yīng)力的作用下更易發(fā)生斷裂。結(jié)合歷史故障情況，發(fā)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(fā)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(jié)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(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(yīng)力的作用下發(fā)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(yīng)力斷裂：③從化學成分分析也表明材料雜質(zhì)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。

綜合分析得出斷口為應(yīng)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(xiàn)，挑選同型號的CT進行振動試驗。經(jīng)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(xiàn)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(nèi)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(xiàn)場120。三點式受力方式固定，盡可能模擬現(xiàn)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(nèi)部二次繞組發(fā)生開路。在開關(guān)站停電檢修窗口下，現(xiàn)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(shù)據(jù)進行振動試驗，Z軸試驗4min20s后測得CT內(nèi)部二次繞組發(fā)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(nèi)部鐵芯和外層環(huán)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(chǎn)生相對位移，導致CT內(nèi)部二次繞組引出線受到應(yīng)力作用，由于此種類型CT的引出線工藝在設(shè)計上存在缺陷，當引出線受到應(yīng)力作用時，應(yīng)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(fā)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(guān)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(shè)計的專用工具對CT二次繞組引出線部位進行解剖，從環(huán)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(huán)氧樹脂材料澆筑，可實現(xiàn)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(shè)定在300℃）加熱CT外層環(huán)氧樹脂材料，待其軟化后，使用鑿具將二次繞組引出線從環(huán)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?jié)沧h(huán)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(huán)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(jīng)生產(chǎn)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(yīng)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(jié)束語

CT二次繞組引出線在線修復工藝成功應(yīng)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(shù)均符合驗收要求，并1次送電成功，CIs設(shè)備安全穩(wěn)定運行。

CT二次繞組引出線在線修復工藝縮短了關(guān)鍵檢修工期，減少了人力成本，提高了設(shè)備檢修效率及安全性.穩(wěn)定性。該CT二次繞組引出線在線修復工藝在現(xiàn)場多次成功應(yīng)用，徹底解決了CT二次繞組開路故障帶來的隱患，現(xiàn)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(shù)服務(wù)。

參考文獻

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