一起电流互感器二次回路开路故障分析与处理

2018-04-19林伟力

浙江电力 2018年3期

丁冬，马伟，吴靖，林森，林伟力

（国网浙江省电力有限公司杭州供电公司，杭州 310009）

0 引言

TA（电流互感器）的作用是将一次大电流转变为二次回路标准小电流，其一次绕组与主电路串联，二次绕组串接于保护、测量、计量等回路，是保障电力系统安全稳定运行的重要元件[1－5]。

在电网实际运行中，由于客观原因或人为因素发生了多起TA带电运行时二次回路开路故障，给电力系统运行带来了严重的安全隐患和经济损失[6]。文献[7]分析了一起二次回路接触不良引起发电机差动保护误动的事故，提出了排查TA二次回路接触不良的方法。文献[8]分析了一起大型水电站机组保护装置的电流二次回路开路故障，提出了其他水电站采用同类型保护时的接线优化方案。文献[9]定性分析了二次回路开路对发电机负序电流保护装置和纵差保护装置误动作的风险，介绍了TA二次回路断线保护的方案。文献[10]建立了二次回路相间短路的等值电路和相量图，分析了经过渡电阻短路对保护装置电流采样和差动保护的影响。

以下介绍了一起某变电站中主变压器（简称主变）保护装置二次电流回路开路故障。通过对电流二次接线具体分析，在辨识开路故障点的基础上提出了3种解决方案。同时，为避免TA二次回路开路故障对人身、电网和设备安全带来危害，提出了相应的防范措施。

1 故障案例

某220 kV变电站的主变为三圈变，各侧额定电压分别为220 kV，110 kV和35 kV，保护配置为“双套电气量+单套非电气量”。2017年，为配合主变保护装置35 kV侧二次回路搭接工作，运行人员依调度命令将主变35 kV侧断路器停电，220 kV与110 kV侧断路器带电运行；同时，将第一套电气量保护改停用状态，而第二套电气量保护和非电量保护投跳闸状态。

当第一套电气量保护35 kV侧断路器二次回路搭接完成后，专业人员在户外端子箱对电流回路进行单相通流试验时，发现在保护屏后利用钳形表测得电流为0 A。在排除试验仪器故障的因素后，初步判断为电流二次回路存在异常。后经分析，确定主变保护装置的电流二次回路存在开路故障。

1.1 原因分析

主变保护装置电流二次回路实际接线情况如图1所示。其中，保护屏后端子排4—7外侧用电流连片短接，端子排8内侧是根据国网公司反措要求的一点接地位置[11]。

当主变某侧断路器电流投入保护装置时，按照运行规程需将保护屏前与其对应的电流试验端子用短接件分别进行短接，即SDA1与SDA2，SDB1与SDB2，SDC1与SDC2，SDN1与SDN2分别短接，且SDA2与SDB2，SDB2与SDC2，SDC2与SDN2断开。此时，TA二次电流流通路径为：端子箱→保护屏后端子排→保护屏前电流试验端子→保护装置→保护屏后端子4→端子箱N相，电流二次回路处于闭环状态。其中，A相电流流通路径如图1中实线箭头所示。

当主变某侧断路器电流不投入保护装置时，按照运行规程需将保护屏前与其对应的电流试验端子用短接件分别进行短接，即SDA2与SDB2，SDB2与SDC2，SDC2与SDN2分别短接，且SDA1与 SDA2，SDB1与 SDB2，SDC1与 SDC2，SDN1与SDN2断开。此时，二次电流流通路径为：端子箱→保护屏后端子排→保护屏前电流试验端子→保护屏后端子8，电流无法流回端子箱N相，电流二次回路处于开路状态。其中，A相电流流通路径如图1中虚线箭头所示。

图1 现场电流二次接线情况

1.2 电流二次回路开路的危害

主变的断路器若在停电状态下，其电流二次回路开路并不影响系统运行。而该故障案例中，由于220 kV与110 kV侧断路器带电，运行人员按照操作票将220 kV和110 kV侧电流退出第一套电气量保护装置后，导致220 kV和110 kV侧二次电流绕组开路，会严重威胁人身、电网和设备的安全。具体分析如下：

电流二次回路闭环状态下，TA二次绕组接近于短路状态，二次电流对一次电流产生去磁作用，励磁电流小，铁心中总磁通小；二次回路开路状态下，TA空载运行，一次电流作为励磁电流，使铁心内的磁通密度剧增。

一方面，二次侧将感应出很高的电压，可能使绝缘击穿（如烧坏电流端子及接线头等），威胁作业人员的安全。根据电流二次回路开路电压计算公式[12]估算可知，故障案例中主变保护装置电流回路开路故障时，开路电压最大可达103V数量级。

另一方面，因铁心磁饱和以及磁通的非正弦性，使硅钢片振荡而且振荡不均匀，影响TA的性能，同时发出较大的噪声。当负荷较大时，铁耗增加，导致铁心过热，使内部绝缘层受热严重，出现发热、异味、冒烟等异常现象，严重时烧毁TA。所幸当时运行状态下主变负载较小，并未引起设备严重故障。

2 故障处理

根据1.1节中的原因分析，引起此起电流二次回路故障的本质原因是由于保护屏前电流试验端子SDN1接线误接在TA侧，而将SDN2接线误接在保护侧，与相电流接线不一致引起。对此，提出以下3种解决方案。

（1）方案1：更改保护屏后电缆接线。

将端子箱至保护屏后端子排的电流N相电缆从端子4移至端子8，如图2所示。主变某侧断路器电流投入保护装置时，二次电流流通路径为：端子箱→保护屏后端子排→保护屏前电流试验端子→保护装置→保护屏后端子排→保护屏前电流端子SDN1→保护屏前电流端子SDN2→保护屏后端子8→端子箱N相；不投入保护装置时，二次电流流通路径为端子箱→保护屏后端子排→保护屏电流试验端子SDN2→保护屏后端子8→端子箱N相，二次电流回路始终处于闭环状态。

图2 电缆接线更改方案

（2）方案2：更换电流短接连片。

将保护屏后端子排上端子4—8短接，而保护屏端子排外接电缆接线方式保持不变，见图3。

图3 电流短接连片更改方案

主变某侧断路器电流投入保护装置，二次电流流通路径为：端子箱→保护屏后端子排→保护屏前电流试验端子→保护装置→保护屏后端子4→端子箱N相；不投入保护装置时，二次电流流通路径为端子箱→保护屏后端子排→保护屏前电流试验端子SDN2→保护屏后端子4→端子箱N相，二次电流回路始终处于闭环状态。

（3）方案3：更改运行操作票。

修改运行操作票，无论主变某侧断路器电流是否投入保护装置，保持保护屏前电流试验端子SDN1与SDN2始终为短接状态。主变某侧断路器电流投入保护在装置时，二次电流流通路径为：端子箱→保护屏后端子排→保护屏前电流试验端子→保护装置→保护屏后端子4→端子箱N相；不投入保护装置时，二次电流流通路径为：端子箱→保护屏后端子排→保护屏前电流端子SDN2→保护屏前电流试验端子SDN1→保护屏后端子4→端子箱N相，二次电流回路始终处于闭环状态。

上述3种解决方案中，方案1和方案2是通过更改二次电缆接线方式实现，方案3是更改运行操作票实现。此外，也可以采取更改厂家接线的方式实现，此处不再赘述。需注意的是，在实施解决方案前，应事先做好安全措施，如在端子箱中用短接线将电流端子1—4短接时，应注意仔细核对绕组组别，防止弄错组别引起其他保护装置误动或表计失电等。在实施解决方案过程中，工作人员应严格执行工作监护制度，与带电部分保持足够的安全距离。

3 防范措施

3.1 暴露问题

此次TA电流二次回路开路故障隐蔽性强，仅在主变某侧断路器电流退出保护装置的情况下发生，是由于专业人员对保护装置运行方式考虑不周全引起。

（1）设计人员在图纸设计过程中，没有认真分析保护装置二次接线原理图、厂家配线图，未发现二次电流在投入和不投入保护装置的情况下N相电流回路的差异性。

（2）检修人员在施工过程中，没有仔细核对图纸是否与现场情况一致，未指出在断路器带电但其二次电流不投入保护装置的情况下，二次回路设计图纸上存在的错误。

（3）运行人员编写运行规程时，没有结合现场实际接线情况，未全面考虑到主变保护装置的特殊运行方式。

3.2 防范措施

为避免TA二次回路开路对人身、电网和设备造成伤害，应加强设计、调试、运行等各环节的管理，严格遵守规程规定。

（1）对于设计人员，图纸设计前应事先做好现场勘查，明确与扩建或技改工程相关的二次回路实际接线方式；图纸设计过程中应仔细阅读保护装置接线原理图、厂家配线图，正确合理地设计二次接线图纸，确保在各种运行状态下均不会出现二次回路开路故障。

（2）对于检修人员，应结合现场实际，认真分析接线图纸的正确性，接线时做到电缆两头电气编号、回路编号一致，保证每根电缆接线都符合图纸要求。同时，在调试过程中应采用多种检测手段来确保电流回路接线的正确性，如采用通流试验法和阻值测量法，确保投运后在不同运行方式下均不会产生开路故障。此外，在相关工作结束后，应认真检查电流连接片是否恢复，电流端子是否连接良好，螺丝是否紧固等。

（3）对于运行人员，应根据现场实际接线，针对不同情况具体分析，编写与运行方式对应的运行操作规程。面对不确定或不明确的接线情况，可与检修人员进一步沟通。同时，考虑到电流端子受外部环境影响，或者存在结构、质量缺陷，长期运行过程中易导致二次回路开路；避免专业人员人为原因引起的电流二次回路开路，如电流端子接线螺丝未拧紧或工作后忘记恢复已打开的电流端子等情况，还应加强日常巡视检查、红外测温检查[13]。

另外，可运用TA二次回路开路保护装置创新成果，充分发挥其预防作用。近年来，专业人员基于电流二次回路开路故障时产生的过电压，设计研制了多种二次回路开路保护装置[14－15]，当发生开路故障时，能正确显示开路的组别及绕组编号，为快速消除开路情况提供了有利条件。工程应用表明，利用TA二次回路开路保护装置有助于消除安全隐患，减轻现场人员工作压力，提升专业人员工作效率。