一起电流互感器内部开路故障原因分析

李刚

（大亚湾核电运营管理有限责任公司，广东 深圳518124）

1 引言

220kV 及以上电压等级的GIS 上使用的环氧浇注式穿心电流互感器故障后必须将GIS 解体才能完成电流互感器的更换，而GIS 解体工作量较大，风险和成本均比较高，因此，研究该类型电流互感器的故障机理，并制定合理的措施减少故障发生率尤为重要。

2 事件描述

某电厂继保人员在完成继电保护整组传动试验后，测量保护用电流互感器CT 侧直阻时，发现给T 差保护使用的一个电流互感器本体直阻无穷大，进一步检查确认该电流互感器内部二次绕组开路，随后该电厂对GIS 设备进行解体，并使用备件对该电流互感器进行了更换，该事件造成GIS 设备被迫解体，一次设备送电推迟，给电厂带来了一定的损失。

3 原因分析

3.1 电流互感器的结构和安装方式

故障的电流互感器为环氧浇注式电流互感器，其内部铁芯由硅钢片组成，二次绕组为单股铜质漆包线，均匀紧密地缠绕在环形铁芯上，最外层使用环氧树脂材料浇注，铁芯和环氧浇注层之间由多层软性橡胶层和绝缘薄膜包裹填充。图1为该类型电流互感器的外观和引出线部位的X 光影像。该类型电流互感器安装在GIS 外壳外面，安装位置距离断路器设备较近，其二次接线盒安装方向朝上。

图1 该类型电流互感器的外观和引出线部位的X 光影像

3.2 电流互感器开路原因分析

①电厂对故障的电流互感器进行解体检查，发现断点位于铁芯上的绕组绕线向环氧树脂的过渡段，即二次绕组引出线部位，二次引出线为绕组漆包线直接引出，为单股铜线，直径约1mm。

②从故障电流互感器上截取断口金属送至相关实验室进行金属失效分析，实验室从断口形貌、化学成分、微观组织、金属硬度等方面进行了全面的金属失效分析，从金属断口形貌可见明显的裂纹扩展路径，终断区可见明显的拉长韧窝，扩展区可见等轴韧窝，证明铜线是在应力的作用下发生断裂。从微观组织的晶粒变形情况分析，可证明断口不是瞬间的过应力断裂；从化学成分分析也表明材料杂质含量比较低，不是因材料脆化或成分不合格而发生的断裂。综合分析，断口为应力作用下的疲劳断裂。

图2 金属断口形貌

③从故障电流互感器的内部结构分析，该类型互感器内部铁芯与外层环氧之间存在间隙，当互感器受到振动时，由于环氧和金属在承载时变形存在差异，因此铁芯和外层环氧之间存在相对位移，从而导致振动过程中二次绕组引出线会承受应力作用，有可能在应力作用下发生断裂失效，与断口分析的断裂模式相符。

④根据该类型电流互感器的安装位置，经过分析其振动源来自断路器的分合闸操作时引起的振动。使用仪器实测断路器振动时电流互感器的振动情况，数据见表1，可以发现当断路器分合闸时电流互感器会承受较大的振动。

表1 实测电流互感器振动值

⑤为了验证振动工况是否会导致该类型电流互感器内部开路，电厂选择了同类型电流互感器进行了振动试验。在实验室模拟电流互感器保持与现场一致的竖立安装方式，并根据现场实测的振动数据设置试验参数，试验结果见表2，进行振动试验的两个样品均在振动工况下发生了内部开路，并且开路位置均位于内部二次绕组引出线部位。通过该试验，该类型电流互感器开路的故障现象得以复现，验证了该类型电流互感器存在振动情况下内部开路的失效模式。

表2 电流互感器振动试验结果

⑥电厂通过与国内外电流互感器生产厂家进行交流和调研，了解到目前环氧浇注式电流互感器的二次绕组引出线方式大多采用多股软导线的方式，即在二次绕组引出时转接为多股软导线后再引出，而非直接将单股漆包线引出，多股软导线在受到应力作用后可及时将应力释放，对比现场使用的电流互感器，其二次绕组引出线方式为单股漆包线直接引出，在受到应力作用时，应力不易释放。

3.3 分析结论

综合以上分析，该类型电流互感器内部二次引出线部位开路的主要原因为电流互感器的安装位置靠近断路器，断路器的分合闸动作引起电流互感器振动，电流互感器振动时使内层铁芯和外层环氧之间产生相对位移，使二次绕组引出线受到应力作用，同时由于该类型电流互感器二次绕组引出线采用单股漆包线直接引出的方式，二次引出线在受到应力作用时，应力易集中，不易释放，最终发生疲劳断裂。

4 防止该类型电流互感器发生内部开路的建议

根据上述原因分析，建议在使用同类型环氧浇注式电流互感器时注意以下事项：①二次绕组引出线宜采用多股软导线连接，不宜将二次绕组漆包线直接引出到环氧浇注层；②该类型的电流互感器安装位置应尽量远离断路器或其他振动源；③若受制于现场环境限制，无法远离振动源时，建议在断路器进行分合闸动作后及时进行二次电流检查，确认电流互感器无开路；④保护定检后，恢复送电前，应测量电流互感器直阻，确认直阻正常后方能送电；⑤定期巡视检查电流互感器本体温度是否有异常，有无振动及噪声；⑥对于无电流互感器断线报警的差动保护应及时进行换型改造，以便在电流互感器发生开路后能够及时发出报警。

5 结语

电流互感器开路故障虽不常见，但会引起非常严重的后果，影响人身及设备的安全，并可能造成继电保护装置拒动或误动，酿成严重事故。因此，在日常维护和巡视中应加强对电流互感器的检查，对于环氧浇注式电流互感器，内部开路后由于有环氧材料的保护，一般并不会迅速发展成严重故障，如果能及时发现并进行处理，通常可以避免事故进一步扩大。