電流互感器二次回路端子松動故障分析

王松，兀鵬越，孫鋼虎，王智高，甘江華

（1.中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院，武漢 430071；2.西安熱工研究院有限公司，西安 710032；3.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000）

電流互感器二次回路端子松動故障分析

王松1，兀鵬越2，孫鋼虎2，王智高1，甘江華3

（1.中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院，武漢 430071；2.西安熱工研究院有限公司，西安 710032；3.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000）

描述了一起電流互感器二次回路接觸不良導(dǎo)致發(fā)電機(jī)差動保護(hù)誤啟動的事故經(jīng)過，通過電流互感器電路模型對電流互感器二次繞組開路過電壓產(chǎn)生的機(jī)制進(jìn)行了分析，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了電流互感器二次開路試驗(yàn)，定性驗(yàn)證了過電壓與一次電流的關(guān)系。最后給出了排查電流互感器二次回路接觸不良的幾種方法。

電流互感器；二次回路；過電壓；差動保護(hù)；誤啟動；接觸不良

0 引言

運(yùn)行電流互感器二次回路開路是電氣工作中的大忌，會感應(yīng)很高的開路電壓，造成人身傷亡、設(shè)備損壞、停電、保護(hù)動作等重大事故。因此，在電流互感器二次回路工作中，電氣技術(shù)人員采取各種方法，避免此類事故的發(fā)生。一般而言，電流二次回路直接開路的故障很容易發(fā)現(xiàn)，高電壓會導(dǎo)致互感器發(fā)熱、斷口擊穿等嚴(yán)重的后果。而電流二次回路接觸不良故障往往很難在設(shè)備投運(yùn)之初被發(fā)現(xiàn)，而是隨著時間的推移在運(yùn)行過程中逐步發(fā)展，最終導(dǎo)致的后果可能更為嚴(yán)重，為了消除此類問題付出的代價也更大。因此，對于電流二次回路接觸不良問題要給予高度重視，有必要對此類問題進(jìn)行研究［1-4］。

1 系統(tǒng)概況

某電廠本期工程擴(kuò)建2臺660MW發(fā)電機(jī)組，2臺機(jī)組均采用發(fā)電機(jī)變壓器組（以下簡稱發(fā)變組）單元接線，以220 kV電壓、雙母線方式接入系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)出口不設(shè)斷路器，發(fā)電機(jī)與主變壓器、勵磁變壓器和廠用工作變壓器均用離相封閉母線相連接。發(fā)電機(jī)采用自并勵靜止勵磁系統(tǒng)。發(fā)變組保護(hù)采用國電南自DGT-801系列發(fā)變組成套保護(hù)裝置，雙重化配置。

2 事故經(jīng)過

2013年11月26日，＃1機(jī)組運(yùn)行（660MW機(jī)組帶500MW負(fù)荷）中電機(jī)保護(hù)出現(xiàn)短時的C相差動保護(hù)啟動（未出口），C相電流短時異常，波形如圖1所示。此過程中電壓無異常，A，B相電流無異常，除了此繞組外其余繞組C相電流也無異常。

圖1 電流回路故障波形

由錄波器及保護(hù)裝置錄波發(fā)現(xiàn)，電流互感器（CT）波形出現(xiàn)了短時的畸變，懷疑是互感器鐵芯飽和所致。根據(jù)有關(guān)資料，導(dǎo)致電流互感器飽和的原因有鐵芯剩磁、一次電流過大以及二次回路負(fù)載過大等。由于僅有機(jī)端CT的一組繞組出現(xiàn)問題，其余繞組均正常，因此，基本可以確認(rèn)該二次繞組回路存在異常。

由于機(jī)組不能停運(yùn)，檢修人員在運(yùn)行中對該CT二次繞組回路進(jìn)行了檢查，回路完整，未發(fā)現(xiàn)明顯異常情況。

進(jìn)一步檢查需要停機(jī)，鑒于無法立即停機(jī)，經(jīng)電廠專業(yè)人員探討，總工批準(zhǔn)，將＃1機(jī)組A套發(fā)電機(jī)差動保護(hù)跳閘壓板退出，只投報(bào)警。

同時，該電廠檢修部積極聯(lián)系設(shè)備廠家、省電力科學(xué)研究院等部門，分析問題原因。由于該故障僅短時發(fā)生，以后再無重現(xiàn)，有價值的信息僅有故障錄波波形，因此無法找出確切原因，各相關(guān)單位給出的分析均無定論。

2014年4月1日，機(jī)組按計(jì)劃大修。停機(jī)后，檢修人員對整個二次回路進(jìn)行細(xì)致的排查。在故障錄波器處發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)電流A，B，C三相接線端子中部呈炭化狀（如圖2所示），從而確認(rèn)了故障點(diǎn)。由于端子排擊穿位置在端子中心位置，外部觀察難以發(fā)現(xiàn)，此前在運(yùn)行中未能發(fā)現(xiàn)。更換全部端子排后，機(jī)組投入運(yùn)行。

圖2 被擊穿的端子排

3 電流互感器二次開路原因分析

3.1 電流波形畸變分析

電流互感器等值電路如圖3所示。圖3中：I1為一次電流；I2為二次電流；I0為勵磁電流；R0為勵磁回路電阻；X0為勵磁回路電抗；R2′為二次繞組的電阻；X2′為二次繞組的電抗；Rz′為折算后二次負(fù)荷的電阻；Xz′為折算后二次負(fù)荷的電抗。

圖3 電流互感器等值電路

I2發(fā)生畸變，原因在于互感器鐵芯飽和。圖4a為電流互感器近似磁化曲線（圖中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；H為磁場強(qiáng)度），圖4b中虛線是一次電流波形，實(shí)線是二次電流波形［5-7］。由于過了飽和點(diǎn)以后，一次電流無法傳遞到二次側(cè)，所以二次電流發(fā)生了畸變。

圖4 電流波形畸變分析

圖5為實(shí)驗(yàn)室實(shí)測的TA飽和以后的二次電流波形［8］，可以看出和本文事故波形有相似性。

圖5 實(shí)測的TA飽和后的一、二次電流波形

3.2 電流互感器開路過電壓分析

電流互感器二次開路后，當(dāng)一次繞組流過電流時，由于二次磁動勢不存在，一次磁動勢全部用來勵磁，則勵磁磁勢為

鐵芯中的磁密急劇增加達(dá)到飽和，磁通波成為平頂波。由電磁感應(yīng)定律可知E2＝-（式中：E2為感應(yīng)電動勢；Φ為二次繞組匝鏈的磁通），所以在一個周波內(nèi)，當(dāng)磁通由正變到負(fù)或者由負(fù)變到正時，二次感應(yīng)電勢急劇上升，而在磁通飽和變化平緩期間，二次感應(yīng)電勢很小。磁通及二次感應(yīng)電勢的波形如圖6所示，由圖6可知，二次繞組中的感應(yīng)電勢峰值很高，即開路電壓很高［2］。

圖6 電流互感器開路時的磁通和電壓波形

在額定一次電流下的二次開路電壓可按照下述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算［2］

式中：Ek為二次開路電壓（峰值），V；N2r為額定二次匝數(shù)，本例中為5 600；A0為鐵芯有效截面積，150 cm2；f為電源頻率，50 Hz；L0為平均磁路長度，300 cm；I1r為額定一次電流，20 000 A；N1r為額定一次匝數(shù)，1；K為系數(shù)，與鐵芯材質(zhì)和鐵芯形式有關(guān)，冷軋硅鋼板卷鐵芯取4.13×10-2，鐵芯取2.59×10-2。粗略估算，此次事故中CT二次完全開路電壓

可見，運(yùn)行中CT開路電壓瞬時峰值是非常高的，足以在開路的瞬間在斷口處擊穿空氣，形成電弧，將端子排等擊穿燒毀，造成嚴(yán)重的后果。以上計(jì)算結(jié)果再次說明電流互感器二次開路是非常嚴(yán)重的事故，工作中必須杜絕此類故障。

3.3 電流互感器二次開路的試驗(yàn)

為了實(shí)測電流互感器二次開路時的過電壓情況，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了電流互感器二次開路的試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用的互感器變比為100 A／5 A，容量為2.5V·A，精度等級為0.2。在互感器一次側(cè)分別通入50Hz額定交流電流100A和200A，電流互感器二次繞組開路電壓波形如圖7所示，可以看出電壓已經(jīng)不再是正弦波，而是畸變?yōu)榧忭敳ǎS著一次電流的增大，尖頂波峰值增高，與以上理論分析吻合。

圖7 電流互感器二次開路時電壓實(shí)測波形

4 事故原因分析

由以上分析可知，在此次事故中，由于某種原因（投運(yùn)時端子排螺絲緊固不到位、長期運(yùn)行中機(jī)組振動等），故障錄波器處電流端子排在運(yùn)行中出現(xiàn)接觸不良，導(dǎo)致電流二次回路瞬時開路。二次回路開路以后，互感器二次負(fù)載突然變大，導(dǎo)致互感器鐵芯飽和，引起電流互感器二次電流波形畸變。由于發(fā)電機(jī)差動保護(hù)的另一組電流正常，此畸變電流在差動保護(hù)中形成差流，導(dǎo)致差動保護(hù)啟動。但由于差流較小，差動保護(hù)啟動后又返回，未出口跳閘。

電流二次回路開路瞬間，在開路處過電壓產(chǎn)生電弧并發(fā)熱，迅速將端子排燒融，導(dǎo)致其炭化。

5 排查電流互感器二次回路接觸不良的方法

鑒于電流互感器二次回路接觸不良故障不像開路故障那樣容易發(fā)現(xiàn)，因此，對于此類問題的排查需要給予特別的關(guān)注，需要在工作的不同階段采取不同的檢查方法。

5.1 回路檢查

在電流回路二次接線階段，就要進(jìn)行電流二次回路檢查，對所有電流回路的端子排螺絲進(jìn)行緊固，這是最基本的工作。

5.2 直阻測量法

如圖8所示，在本體端子箱處斷開A，B，C相試驗(yàn)端子聯(lián)接片，在端子兩側(cè)用萬用表200Ω電阻檔測量各相相對于N相的電阻。當(dāng)測量電流互感器二次側(cè)繞組時，應(yīng)測量到繞組的二次直流內(nèi)阻，幅值約零點(diǎn)幾歐姆，但三相平衡；當(dāng)測量電流回路負(fù)載側(cè)時，各相負(fù)載一般不大于1Ω，基本平衡；最后，在每相端子連接片斷口上測量A-A，B-B，C-C均應(yīng)導(dǎo)通，即說明電流回路無開路。檢查無異常后，恢復(fù)接線，將A，B，C相試驗(yàn)端子聯(lián)接片連接起來并緊固螺絲［9-10］。

圖8 電流回路完整性檢查

5.3 二次通流法

試驗(yàn)時用電流源（繼電保護(hù)測試儀等）經(jīng)CT端子箱注入電流。先分相加入不同電流，如Ia＝0.5 A，Ib＝1.0A，Ic＝1.5 A，然后在二次回路流經(jīng)的各個保護(hù)、測量設(shè)備處檢查三相數(shù)值是否一致，確認(rèn)相序正確。然后再向三相回路加入額定電流，在CT端子相處測量二次負(fù)擔(dān)。在三相負(fù)載平衡的情況下，如果各相二次回路壓降差別較大，應(yīng)檢查壓降較大相是否有螺絲松動、接觸不良等現(xiàn)象［10］。

5.4 溫度測量法

在電流互感器投入運(yùn)行并帶一定負(fù)荷運(yùn)行后，此時二次回路已有負(fù)荷電流流過。當(dāng)某些端子有接觸不良的故障，由于接觸電阻的存在，當(dāng)電流流過時會發(fā)熱。因此，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行后，通過測量電流回路的溫度可以發(fā)現(xiàn)此類問題?？梢圆扇〖t外測溫的方法，在運(yùn)行中定時對電流回路進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

6 結(jié)束語

電流互感器二次回路瞬時開路后，會導(dǎo)致互感器鐵芯飽和，電流波形畸變。而電流互感器二次回路開路過電壓有可能將開路斷口擊穿并形成穩(wěn)定電流回路，因此對于電流互感器二次電流波形異常必須給予足夠重視。

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（本文責(zé)編：劉芳）

TM 452

：B

：1674-1951（2015）04-0019-03

王松（1972—），男，湖北武漢人，部門主任，工程師，從事發(fā)電廠電氣設(shè)計(jì)及EPC工程管理工作。

兀鵬越（1976—），男，陜西藍(lán)田人，調(diào)試總工程師，高級工程師，工學(xué)碩士，從事發(fā)電廠電氣調(diào)試和機(jī)組啟動調(diào)試技術(shù)研究工作（E-mail：wupengyue＠tpri.com.cn）。

孫鋼虎（1964—），男，陜西西安人，副總工程師，高級工程師（教授級），從事電站啟動調(diào)試及其相關(guān)技術(shù)研究工作。

王智高（1988—），男，遼寧沈陽人，工程師，工學(xué)碩士，從事發(fā)電廠電氣調(diào)試和機(jī)組啟動調(diào)試技術(shù)研究工作。

甘江華（1976—），男，江西高安人，高級工程師，工學(xué)碩士，從事電力系統(tǒng)電氣設(shè)備研究開發(fā)工作。

2014-09-30；

2014-12-20