交流回路的常见故障及处理
一、交流回路的常见故障及处理
⑴电流互感器的击穿与加强二次设备保护的分析
电流互感器（TA）是将一次高压侧交流电流按额定电流比转换成可供仪表、继电保护或控制装置使用的二次低压侧电流的变流设备，它将一次、二次侧高低压电路互相隔离。超高压系统中TA发生绝缘击穿事件屡见不鲜。TA的绝缘被一次电压击穿，TA二次部分侵入超高压是相当危险，破坏力极大。不但影响系统正常运行，切断大量的负荷,而且有的直接将高电压直接引至二次电缆，将高电压侵入继电保护屏，引起保护屏受高电压和过电流的影响拒绝动作、整体烧坏、膨胀变形，严重影响恢复保护运行时间。《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》继电保护重点要求：互感器8.3.7中指出：各类保护装置接于电流互感器二次绕组时，应考虑既要消除保护死区，同时又要尽可能减轻电流互感器本身故障所产生的影响。必须采取必要的保护措施，杜绝此类情况发生。
据统计，近几年，我省超高压系统发生TA绝缘击穿的事件就有5次之多，发生情况大体分为两种情况。
正常运行时突发性事故
2001年6月17日天气晴朗，运行中的500kV某站500kV 5032断路器C相TA本体发生永久性接地故障：500kV II母线两套母线保护RADSS/S、BP-2A动作；某线线路保护两侧LFP-901A、CSL-101A动作；该线允许式通道FOX-40、STK-01开放，该站LFP-925故障判别装置动作。事件造成500kV II母线的所有断路器跳开，与某电厂的联络线500kV某线停电。2004年有个站5032的B相TA同样发生类似情况，被断路器保护及时切断故障点。
受到系统电压冲击绝缘击穿
再一种情况为TA受到正常系统电压的冲击，绝缘击穿，引起本体TA二次感受接地短路电流造成母线保护、线路保护的动作。2006年6月12日20时48分，某变电站利用5051开关对某II线充电过程中，500kV I母线母差保护、某II线PSL602线路保护动作,I母线所带5051、5021、5012开关三相跳闸，整个I母线全部停电。500kV I 母线BP-2B母差保护动作出口，某II线PSL602GD保护零序一段动作，永跳出口。与另一个站的电气联络线断开。故障录波器启动，录波显示C相故障电流二次值为3.85A（CT变比：3000/1）。对5051开关C相TA（运行仅5个月）及其二次接线进行了检查，发现5051开关合闸瞬间，在5051开关C相CT开关侧有放电迹象，5051CT端子箱内至某II线RCS-931保护的端子烧损；保护室内检查发现某II线RCS－931保护装置变形、TA二次端子盒发黑、屏内导线绝缘融化、有放电现象，见图1。
图1:RCS－931保护装置变形、TA二次端子盒发黑、屏内导线绝缘融化、有放电现象
以上TA被超高压击穿，均由于继电保护装置8~10ms内正确动作，没有产生更大的损失。目前在系统中使用的TA型号多种，但是基本上都被超高压击穿过绝缘，合格率仅为98.8%，有的更低。通过击穿，暴露出TA产品的对二次保护的工艺存在严重问题，虽然对枣蒙II线RCS－931保护装置进行了整箱的更换及试验，但是必须引以为戒，防止发生类似的事件。
它的方式为倒装式，主绝缘采用同轴圆柱形均匀电场结构。一次导杆、二次屏蔽、壳体相互构成同轴圆柱形均匀电场。绝缘间隙裕度较大。如500kV产品绝缘间隙至少保证150mm（国外或引进产品最小只有109mm）。提高额定压力来保证绝缘可靠。500kVTA额定压力为0.5MPa，国外或引进产品为0.39MPa。因此从技术上比较先进，在系统得到广泛的使用。见图2。
图2:倒装式TA的导电部分原理图
分压结构采用中间分压屏，中间分压屏与高压和低压之间均为纯SF6气体绝缘，产品外露金属表面经热镀锌处理后加两道底漆和两道面漆；导电杆和一次接线端子及内部电极采用优质防锈铝或铜材，铜件表面作镀锡或镀银处理,铝件表面做阳极氧化或钝化处理；全部标准件表面处理使用具有十倍于镀锌防腐能力、无氢脆、高的达克罗工艺或采用不锈钢件；端子盒为全密封防腐结构，保护和测量用的绕组围绕在一次导杆周围，并通过二次屏蔽罩与一次隔离。二次引线通过菲尼克斯组合接线端子引出，便于外部电缆连接。综合各地的TA击穿现象，分析如下。
绝缘击穿的原因
发生超高压击穿的原因主要是一次导电部分与二次屏蔽罩的安装工艺和材料质量发生介质击穿的问题，厂家介绍盆式绝缘子及二次接线板均经过承受全电压和机械强度经过抗弯和抗拉试验，电气绝缘经过耐压试验，局部放电量均小于1pC。但是现场情况是发生绝缘击穿时，SF6的压力均在合格范围，微水试验也合格。说明安装工艺存在问题，使用材料或金具的质量和尺寸不合格。直接导致高低压的绝缘击穿。局部放电时，电极A、B间的电介质可用等值模型表示，图3中将使等值模型两电极A、B上电压有一定突变基值表示为
qg=∫igdt=Cg（U1-U2）
ΔUx=[Cbqg/(Cb+Cg)]/ Cx
图3:局部放电电介质等值模型
电力设备绝缘介质在足够强的电场作用下局部范围内发生的放电称局部放电，这种放电仅造成导体间的绝缘局部短接（路桥），而不形成导电通道为限，强烈的局部放电对介质影响较大，绝缘强度很快下降，这是高压绝缘损坏的重要因素，因此设计高压电力设备绝缘时，要考虑长期在电压作用下，不允许绝缘结构内发生较强烈的局部放电，对运行中的电力设备要加强检测。例如2006年6月12日在500kV某站5051开关C相TA发生击穿以后，立即对扩建的5041、5042开关TA进行耐压试验，同样发现5042开关A相TA有放电现象，马上进行了更换，使1.3 Ue耐压试验合格。
内部的结构受到不正确更改
制造厂工作时，有的将等电位连接铜片被扭曲，形成尖角并贴近玻璃钢筒内壁，此处在运行中不断放电，从而使玻璃钢筒内壁产生爬电，最终导致内壁沿面闪络。当沿面爬电发展到电容屏底部处时，就有可能使电容屏外部的等电位连接线与二次引线管间产生放电。击穿通道的高密度电流使材料发生不可逆的破坏，往往出现电火花甚至电弧。
重新装配的铝箔撕裂变形
500kV某变电站2001年6月17日TA击穿事件分解原因主要是在厂里由于第一次的试验不合格进行的第二次重新装配。由于在二次装配中造成0屏铝箔挤压变形，引起了电场畸变，投入运行后，缺陷处不断产生放电，导致铝箔及聚酯薄膜烧伤及喷出。当电介质含有水分、气泡及细微杂质时，常使击穿场强降低。
击穿是电介质的基本性能之一
击穿标志着它在电场的作用下，保持绝缘性能的极限能力，是决定电力设备、电子元器件最终使用寿命的重要因素，介质击穿电压（MV/m）加在电介质上超过某一临界值时，电介质的绝缘性完全丧失的现象为介质击穿，介质击穿时，通过介质的电流集中于细少的通道流过，例如绝缘支撑件表面有可能存在不洁或在装配过程中由于处理不当而产生的问题，也有可能是由于其他放电生成物的污染导致了支撑件放电烧伤。
击穿与 TA的额定电压有密切的关系
超高压变电站中的220kV及以下的气体TA，由于其瓷套矮，高压电极对地间距相对较小，外电场分布均匀程度较好，投入运行没有发生问题。但是，对于500kV及以上产品，由于高压电极对地间距加大，外电场分布极不均匀，瓷套内均压屏蔽电极所对应的瓷套外侧空气中场强过高。在进行操作冲击耐受电压试验时，外绝缘往往发生闪络，单纯地加高瓷套并不能解决问题，解决的方法是在瓷套内放置电容锥，以改善外电场分布或者采用分压结构中间分压屏，中间分压屏与高压和低压之间均为纯SF6气体绝缘方式,在GIS、罐式SF6断路器（GCB）和变压器等设备中，TA常用套管式TA，带电的导体从中间穿过，导体用绝缘盆固定，安装质量要求严格，结构上比较简单。因此，对于运行在超高压的TA，耐压试验、气体微水、绝缘等试验严格标准，而且严格安装工艺要求，击穿后解体分析的结果证明85%的问题是安装质量问题，因此，厂家必须在油纸绝缘器身干燥设备和工艺，二次线圈经过热风循环真空干燥罐的干燥处理，用大容量、高效率的真空脱气系统对整个产品进行真空脱气处理。
高压电器绝缘介质SF6气体具有很强的吸附电子的能力，称为负电性，比空气高几十倍， SF6气体另一个特征是较低温时（2000K)的高导热性,具有很强的息弧能力，是空气的100倍。同时在二次部分有密切监视的报警到控制室。但是发生击穿的TA说明，SF6表计指示及气体正常，原因仍然是安装工艺问题。
TA二次接线与一次造成击穿分析
TA二次的开路的过电压与一次被击穿产生的高压有明显的区别，主要在时间和特征上不同。
TA二次绕组开路的特征
TA在正常运行时，磁势互相平衡，即I1 N1 =I2 N2 +I0 N1 ，其激磁安匝很小，铁芯内的磁通不大，一旦二次开路时，I2 N2 =0，一次安匝将全部用于激磁。于是铁芯中磁通急剧地增加，使铁芯达到高度饱和状态，磁通波形畸变为平顶波，由于感应电势与磁通的变化率成正比，因此在磁通Ф过零时，二次线圈中产生很高的尖顶电势e2 ，其峰值可达几十千伏、甚至上万伏，这对工作人员和二次回路中的设备都有很大的危险，同时，由于铁芯损耗增加将使铁芯过热，以致损坏线圈和绝缘。此时保护屏上反映TA断线信号，TA发出异常声音等，可以及时断开电源进行处理。因此超高压系统由于二次绕组开路造成击穿的几率很少。
TA被击穿的特征
反映在时间上是突发性的内部或外部爆炸。据现场观察，拆除电流互感器的一次导杆。发现内导杆（铜质）安全阀打开一侧有烧黑的痕迹。外导杆（铝质）的SF6气体侧，存在严重的烧伤，部分铝质导杆有烧熔，并且烧熔部分覆盖了微量SF6分解物粉末。存在二次装配错误的事实。通过以上现象,认为TA的安装质量存在严重问题。特征是2—5ms引发高温、过流、电动力畸变、爆炸等，在TA的所有线圈感受到故障电流，没有损坏的保护根据所测到的模拟量及时跳闸，同时各个保护屏事先没有TA断线等异常报警信号。
高压击穿电流的危害
在高电压放电期间，在被高压击穿的物体上产生很大的电流，一般叫击穿电流。而这个大电流就是在电气设备上出现危险过电压的主要根源，主放电的电流很大，能达几十甚至几百千安。由于TA的高电压放电通道由一次导电杆→屏蔽层→线圈→二次接线盒→二次电缆→保护屏→大地，保护屏感受的是高电压及过电流，其中以RCS-931A保护屏回路击穿最为严重，当二次侧遭受到高电压冲击时，就会在回路上产生一个正常绝缘所不能承受的高电压，往往会在回路上绝缘最薄弱的的地方发生击穿，将大量的过电流泄入大地，最薄弱的地方为经过保护装置的保护屏的接地线。从本绕组线圈的接线板的4mm2导线绝缘外皮融化的现象，可以判断瞬间通过电流为50A左右。由于BP-2B母线保护和线路保护在8mS之内动作，及时断开5051、5021、5012开关，避免更为严重损失，仅半个周波内，在5051TA端子箱内，高电压的放电将相邻端子排击成黑色麻点状。但是没有找到最薄弱的泄电流处，最终将RCS-931A保护屏因过电压、大电流变形烧毁。
根据几次TA相似高电压击穿的二次回路的情况，得出了必须在TA二次绕组输出端加装薄弱例如放电间隙的教训。
下面是两次不同型号 TA绝缘击穿后的情况
500kV甲站2006年6月12日的5051断路器C相TA击穿最为严重，高压侵入二次，保护屏直接被高电压侵入，保护装置及交流接线全部报废。由于其它保护装置正确动作，避免了周围的运行保护屏受到更大的危害。
2001年6月17日500kV乙站500kV5032断路器C相TA本体发生永久性接地故障，据分析，情况基本与500kV甲站5051断路器TA的C相击穿相同。硅橡胶套管的玻璃钢筒内壁，在与烧损等电位铜片相对应处，有一条电弧烧伤痕迹，与电容屏相对应的位置存在不连续的烧伤，但没放电痕迹，电容屏内部只有少量烟熏的痕迹。所有放电及烧伤痕迹均在同一侧位置。电容屏外部的等电位连接线与二次引线管、底板和玻璃钢筒的烧伤，引起高压对二次的放电。但是经现场有关人员的检查，二次回路电缆端子排和保护屏没有受到危害。原因根据SAS550系列TA在高电压侵入二次回路时，在接线盒中对高电压进行放电，即设入二次端对地保护间隙，将高压电流旁路。
除了作好SF6气体的微水检测、高压运行中的红外线测温、TA投入前的1.3 Ue耐压试验合格以及二次绕组的直流电阻试验等；产品必须经过长途运输试验和绝缘试验，证明其机械强度和电气性能合格,质量可靠，同时二次回路加强保护措施。
应重视接地网的可靠连接
作好开关站至继电保护室敷设100mm2铜导线、以及在继电保护室内敷设接地铜排网的反事故措施，接地铜排应一点与主接地网可靠连接。在主控室、保护室、敷设二次电缆的沟道、开关场的就地端子箱及保护用结合滤波器等处均是连接点。
严格保护屏与接地网的连接
在主控室、保护室柜屏下层的电缆室内，保护装置不能采用通过槽钢接地的接地方式。静态型、微机型继电保护装置，以及收发信机的厂站接地电阻应符合GB/T2887-1989和GB9361-1988计算站长度安全技术条件所规定不大于0.5Ω的要求，上述设备的机箱应构成良好电磁屏敝体并有可靠的接地措施。
TA二次接线盒内有供用户接地的端子
如果某一个二次绕组不用时则将其首末出线端子端接，厂家在二次接线盒内应备有短路片和对应的接地端子。
TA中任何一组二次绕组均不允许开路
要经常检查连接保护屏、监控屏的回路每个连接点是否松开，在检查时可使用数字式万用表通过检查三相直流电阻不大于3%，判断接线的紧固程度。
一次绕组对地、对二次绕组、二次绕组之间及对地的绝缘电阻测量不宜小于1000MΩ。二次绕组之间工频耐压试验标准为2000V，可用2500V兆欧表代替，工作时注意断开二次回路。
在SAS550系列TA二次绕组的输出具有并接放电间隙球，其距离为0.5mm,以便将高电压引入接地线,防止对保护屏及监控屏的侵入。放电间隙是最简单的过电压保护，它的构造简单、成本低廉、维护方便。它在变电站的主要应用是CVT的电容低压端N与接地端之间的保护间隙；TV的二次绕组输出的保护间隙。放电间隙是由两个金属电极构成的，一个电极固定在绝缘子上，接带电部分。而另一个电极则用绝缘子与第一个电极隔开，与接地装置相连接。放电间隙的工作原理是：在装有放电间隙的回路中，放电间隙就是绝缘弱点。在正常情况下，间隙对地是绝缘的。而当线路落雷、过电压或TA一次与二次绝缘击穿时，过电压首先就通过接线盒的间隙泄入大地，起到应有的保护作用。常用的有球型间隙，它有平坦的伏秒特性，所以保护性能较好。
确实保证二次回路的安全
系统中多次发生的TA因为工艺质量被超高压击穿的事件，特别是对二次继电保护保护屏带来的严重危害，必须作出正确的技术分析。严格按照国网公司的要求，作好二次接地线、网的施工、维护。事实说明一些制造厂采用的保护措施在关键时间发挥作用，值得借鉴和保留，例如TA中的二次绕组的放电间隙，及时将侵入二次回路的高电压泄入大地等安全技术措施，将故障限制在最小范围，保证系统的尽快恢复投运及稳定运行。