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摘要：大型发电机电流互感器损坏事故时有发生。针对水电站发生发电机中性点电流互感器损坏事故，提出了要因分析3个步骤，找出了事故原因。分析结果表明：通过试验验证，调整三相电流互感器布置，可有效降低电流互感器故障率。研究成果可为其他工程提供借鉴。
关键词：电流互感器故障;事故调查;发电机;水电站
中图法分类号：TM452 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.06.013
文章编号：1006 - 0081（2021）06 - 0063 - 03
1 研究背景
大型发电机电流互感器（以下简称“CT”）一般都运行在较强的电磁环境中。为保证CT精度，除CT二次绕组外，采取绕组屏蔽措施替代金属屏蔽。定子组中性点A相、B相CT 距离大电流铜环很近，导致CT所处位置的杂散磁场非常强，外界强大的交变磁场必然使CT的屏蔽绕组感应出很大电流，如果该电流超过屏蔽绕组的承受力，就会造成屏蔽绕组严重发热甚至CT损坏[1]。同时，机组的运行操作、检修方式不当，设备材料及其制造的缺陷也会造成运行过程中CT 损坏。
随着国内水电站大型发电机组的增加，CT 损坏事故时有发生，如何及时找准CT损坏的原因，采取正确的修复措施，降低CT的故障率，是水电站安全运行的重要课题。
某水电站装机5台，单机容量为60万kW，1～3号、4～5号发电机组分别由两个机组厂家供货，2009年全部机组发电。1～3号发电机组自2009年投运至2010年年底，前后发生4次发电机中性点CT损坏事故，甚至发生了机组甩负荷事件。因此，调查中性点CT故障频发问题发生原因，寻求解决降低发电机中性点CT故障率的方案十分必要。
由于发电机中性点CT故障多次造成发电机停机，对发电机组安全稳定运行产生不利影响。为彻底解决发电机组中性点CT经常发生故障的问题，并掌握发电机中性点引出线及CT布置的关键技术，结合该水电站发生的中性点CT发生故障的情况，将目标设定为降低水电站发电机中性点CT的故障率。
现场调查表明：该电站发电机中性点CT为机组生产商供货范围，5台机组运行2 a共发生4次中性点CT故障，CT年故障率为0.4次/台。按照设计运行要求，CT运行期间不发生故障，电站每5 a进行一次机组消缺大检修。通过检修，对CT进行各项检测试验，依据检修结果更换存在潜在故障的CT。要求5 a检修周期内不发生故障，5台机组的年故障率需降低至0.04次/台以下。
2 事故调查分析
按照设定目标，开展目标可行性分析，首先必须找出事故原因，再制定正确的技术措施。结合电站前后发生4次事故，按照3个步骤查找事故原因：①收集事故基本情况;②分析事故发生的主要原因;③进行必要的技术试验验证并确认。
2.1 事故基本情况
（1）第1次事故。3号机组不完全差动2保护动作，机组甩负荷，原因为3号发电机中性点第二分支B相CT相角差随负载的增大而产生偏移，A，B，C三相之间夹角不成120°，该相CT因励磁特性变差致使差流达到发电机不完全差动2动作定值，保护跳闸。
（2）第2次事故。1号发电机保护A柜发裂相横差CT断线、不完全差动1 CT断线，原因为1号发电机中性点第一分支B相CT相角差随负载增大而产生偏移，A，B，C三相之间夹角不成120°，致使差流达到发电机不完全差动1差流越限定值报警。
（3）第3次事故。1号发电机保护A柜发裂相横差CT断线、不完全差动2 CT断线，原因为1号发电机中性点第二分支B相CT相角差随负载的增大而产生偏移，A，B，C三相之间夹角不成120°，致使差流达到发电机不完全差动2差流越限定值报警。
（4）第4次事故。3号发电机保护A柜发裂相横差CT断线、不完全差动1CT断线，原因为3号发电机中性点第一分支B相CT相角差随负载的增大而产生偏移，A，B，C三相之间夹角不成120°，致使差流达到发电机不完全差动1差流越限定值报警。
互感器厂家对CT进行解剖，靠近铁芯处的1～2层漆包线表面绝缘漆包脱落，露出裸露铜线，层间绝缘及铁芯外包扎均已烧毁，发黑粉化。说明该CT内部已出现局部匝间及层间击穿现象。
2.2 事故原因分析
依据现状调查，对发电机中性点CT发生故障原因进行了仔细分析，认为发电机中性点CT故障率高，与CT绝缘设计不合理、CT磁屏蔽能力差，以及中性点电流引出线布置不合理等问题有关[2]。为进一步摸清中性点CT发生故障的主要原因，通过因果分析（图1），找出了7个末端原因，并制定了要因确认计划表，尝试找出其中的要因。
（1）末端因素1。电厂运行人员操作运行不当。电厂负责机组运行人员，学历均为大学本科以上，主要负责人参与工作均在15 a以上，并接受过电厂运行及检修维护方面教育，该发电集团下属多家发电厂，有完善的电厂运行规章制度。因此不存在电厂运行人员操作运行不当问题。
（2）末端因素2。CT绝缘不满足要求。该电站发电机额定电压为18 kV，CT额定电压也为18 kV，与发电机绝缘要求是匹配的;原针对发电机定子绕组内部短路故障的特点，进行发电机内部故障主保护配置方案的必选，最终方案经过多次技术讨论会确定，配置方案是合理的。因此CT设计及配置方案满足设计要求。确认该因素为非要因。
（3）末端因素3。CT无抗磁屏蔽能力。通过对损坏CT绕组线圈材料的分析，线圈采取了单屏蔽措施避免磁场的干扰，经供货厂家确认，该线圈确实采取了屏蔽措施，虽然目前CT最新产品已经有双屏蔽措施，抗干扰能力更强，但采取单屏蔽措施CT仍具有抗磁屏蔽能力[3]。因此，确认该因素为非要因。
（4）末端因素4。运行检修方法不當。该发电集团下属多家发电厂，运行管理经验丰富，有完善的电厂运行规章制度，与其他发电集团同类电站的运行检修规程比对，规章制度合理。确认该因素非要因。 （5）末端因素5。发电机机坑空间狭小。经现场了解，发电机中性点CT布置紧凑，原因是现状空间狭小，易造成互感器周围导体散热不好。但是，类比同电站其他厂家机组的布置，同样是空间狭小，并没有出现互感器损坏的事件。因此CT布置空间狭小确实存在，但非主要原因。确认该因素非要因。
（6）末端因素6。中性点引出线导体与互感器距离太近。导体与互感器的距离，影响到互感器周围磁场的分布，可能是CT损坏的主要原因[3]，但需试验验证。
（7）末端因素7。机坑内通风效果差。实际损坏的电流互感器为红色框线内的B相CT。 机组运行时，实测互感器周围风量近似是相等的。因此互感器周围风量近似相等，确认该因素为非要因。
通过要因确认计划，初步确认发电机中性点CT发生故障的要因为中性点引出线导体与互感器距离太近，并决定进行试验验证。
2.3 试验验证
由于发电机组电流大，模拟时没有三相电源，只能通过额定电流为12 500 A的单相电源来多方位模拟，试验情况如下。
（1）试验1。采取单屏蔽措施的线圈端部靠近汇流母线距离影响实验。模拟现场单相汇流铜排靠近CT端面不同距离来试验[4]，线圈端面与母线距离为100，300 mm。试验结果线圈端面与母线距离为100，300 mm時，实测电压分别为U100=2.315 V和U300=1.494 V。
（2）试验2。采取单屏蔽措施的二次线圈相间母线影响试验[4]。模拟现场邻相母排靠近CT中心不同距离来试验，将线圈相对地水平放置，监测绕组靠近母线，线圈二次绕组短接，将监测绕组接入万用表，线圈与母线中心距分别为570，850，900，950 mm，母线通额定一次电流时监测绕组的电压值，试验2结果见表1。
对端部汇流母线及相间母线影响模拟实验数据按公式 U=2πfnBS叠加分析计算，可将试验得出的电压值转化为单个相邻外磁场对CT监测绕组处一点的干扰磁密B，结果见表2。
试验结果证明：靠近返回导体或邻相导体一侧的CT铁芯的磁密会随两者之间的距离成比例增加，远离返回导体一侧的CT铁芯会成比例减少，使得铁芯各段的磁密不等。
B相CT受三相母线分布影响很大，三相母线相间距大小以及三相汇流排与CT端面或外径距离大小均对B相CT某点局部磁密影响很大，长期大电流运行时，会造成 CT太靠近邻相导体的CT铁芯损耗加大，局部磁密严重饱和、过热，是造成CT损坏的主要原因。
对比另一家机组厂家的布置方案，也能反映导体与互感器距离有较大关系，因此通过模拟发现，导体与互感器的距离影响到互感器周围磁场的分布，是CT损坏的主要原因，验证了中性点引出线导体与互感器距离太近是事故主要原因的推断。
3 解决方案
要因确认后，初步认为可通过改进CT绝缘、增加电流互感器抗磁屏蔽能力、以及合理布置中性点引出线及电流互感器，能降低机组中性点CT故障率[5]，分别制定了3种对策方案：①增大电流中性点引出线导体相间距离;②增大CT与连线导体距离;③减小CT体积。
通过深入分析综合评估得知，方案1能有效增加中性点引出线导体与互感器距离，可靠性高，CT分层布置，增大B相与相邻相间距，更换部分连线导体及部分支撑件[1]，成本低、耗时短。
具体做法是：①将B相CT与A/C相CT在高度方向错开布置，经与机组厂家技术人员沟通后，将原来一字型排列修改为品字型排列;②将原B相上移或下移来满足相间距离，为保证B相CT安全运行，将原B相普通单屏蔽改为双屏蔽CT;③加大中性点三相母排间距离和加大三相汇流排与CT之间的距离;④更换带有屏蔽措施生产的CT。
按上述方案安装后，经过7个月运行监测数据显示，各相CT 表面温度明显下降，发电机正常运行时三相CT运行温度基本相等且温度下降约10 ℃，CT各项技术参数均正常，发电机组运行无异常。
B相CT频繁发生事故的问题得到有效解决，机组运行6 a以上，未发生类似事故。
4 结 论
（1）机组定子绕组中性点A、B、C三相CT所处环境温度较高，CT距离汇流铜环等大电流导体过近，加之CT选型时考虑不周、CT屏蔽绕组容量不够，易造成CT发热损坏。
（2）对CT故障率高的机组，提出3个步骤，找出影响安全运行的要因，制定要因确认方案，并通过试验验证。
（3）通过增大导体与CT间的距离，调整三相CT的布置，改善屏蔽措施，可有效降低水电站发电机中性点CT故障率，并为其他工程提供借鉴。
参考文献：
[1] 杨树锋.大型发电机中性点电流互感器故障分析[J].变压器，2010，47（1）：60-62.
[2] GB20840.2-2014 互感器 第2部分：电流互感器的补充技术要求[S].
[3] 王明朗.一起大型发电机中性点电流互感器故障诊断与分析[J].水力发电，2017，43（4）：51-54.
[4] JJG1021-2007 电流互感器检定规程电流互感器[S].
[5] DL/T866-2004 电流互感器和电流互感器选择及计算导则[S].
（编辑：唐湘茜）
关键词：电流互感器故障;事故调查;发电机;水电站
中图法分类号：TM452 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.06.013
文章编号：1006 - 0081（2021）06 - 0063 - 03
1 研究背景
大型发电机电流互感器（以下简称“CT”）一般都运行在较强的电磁环境中。为保证CT精度，除CT二次绕组外，采取绕组屏蔽措施替代金属屏蔽。定子组中性点A相、B相CT 距离大电流铜环很近，导致CT所处位置的杂散磁场非常强，外界强大的交变磁场必然使CT的屏蔽绕组感应出很大电流，如果该电流超过屏蔽绕组的承受力，就会造成屏蔽绕组严重发热甚至CT损坏[1]。同时，机组的运行操作、检修方式不当，设备材料及其制造的缺陷也会造成运行过程中CT 损坏。
随着国内水电站大型发电机组的增加，CT 损坏事故时有发生，如何及时找准CT损坏的原因，采取正确的修复措施，降低CT的故障率，是水电站安全运行的重要课题。
某水电站装机5台，单机容量为60万kW，1～3号、4～5号发电机组分别由两个机组厂家供货，2009年全部机组发电。1～3号发电机组自2009年投运至2010年年底，前后发生4次发电机中性点CT损坏事故，甚至发生了机组甩负荷事件。因此，调查中性点CT故障频发问题发生原因，寻求解决降低发电机中性点CT故障率的方案十分必要。
由于发电机中性点CT故障多次造成发电机停机，对发电机组安全稳定运行产生不利影响。为彻底解决发电机组中性点CT经常发生故障的问题，并掌握发电机中性点引出线及CT布置的关键技术，结合该水电站发生的中性点CT发生故障的情况，将目标设定为降低水电站发电机中性点CT的故障率。
现场调查表明：该电站发电机中性点CT为机组生产商供货范围，5台机组运行2 a共发生4次中性点CT故障，CT年故障率为0.4次/台。按照设计运行要求，CT运行期间不发生故障，电站每5 a进行一次机组消缺大检修。通过检修，对CT进行各项检测试验，依据检修结果更换存在潜在故障的CT。要求5 a检修周期内不发生故障，5台机组的年故障率需降低至0.04次/台以下。
2 事故调查分析
按照设定目标，开展目标可行性分析，首先必须找出事故原因，再制定正确的技术措施。结合电站前后发生4次事故，按照3个步骤查找事故原因：①收集事故基本情况;②分析事故发生的主要原因;③进行必要的技术试验验证并确认。
2.1 事故基本情况
（1）第1次事故。3号机组不完全差动2保护动作，机组甩负荷，原因为3号发电机中性点第二分支B相CT相角差随负载的增大而产生偏移，A，B，C三相之间夹角不成120°，该相CT因励磁特性变差致使差流达到发电机不完全差动2动作定值，保护跳闸。
（2）第2次事故。1号发电机保护A柜发裂相横差CT断线、不完全差动1 CT断线，原因为1号发电机中性点第一分支B相CT相角差随负载增大而产生偏移，A，B，C三相之间夹角不成120°，致使差流达到发电机不完全差动1差流越限定值报警。
（3）第3次事故。1号发电机保护A柜发裂相横差CT断线、不完全差动2 CT断线，原因为1号发电机中性点第二分支B相CT相角差随负载的增大而产生偏移，A，B，C三相之间夹角不成120°，致使差流达到发电机不完全差动2差流越限定值报警。
（4）第4次事故。3号发电机保护A柜发裂相横差CT断线、不完全差动1CT断线，原因为3号发电机中性点第一分支B相CT相角差随负载的增大而产生偏移，A，B，C三相之间夹角不成120°，致使差流达到发电机不完全差动1差流越限定值报警。
互感器厂家对CT进行解剖，靠近铁芯处的1～2层漆包线表面绝缘漆包脱落，露出裸露铜线，层间绝缘及铁芯外包扎均已烧毁，发黑粉化。说明该CT内部已出现局部匝间及层间击穿现象。
2.2 事故原因分析
依据现状调查，对发电机中性点CT发生故障原因进行了仔细分析，认为发电机中性点CT故障率高，与CT绝缘设计不合理、CT磁屏蔽能力差，以及中性点电流引出线布置不合理等问题有关[2]。为进一步摸清中性点CT发生故障的主要原因，通过因果分析（图1），找出了7个末端原因，并制定了要因确认计划表，尝试找出其中的要因。
（1）末端因素1。电厂运行人员操作运行不当。电厂负责机组运行人员，学历均为大学本科以上，主要负责人参与工作均在15 a以上，并接受过电厂运行及检修维护方面教育，该发电集团下属多家发电厂，有完善的电厂运行规章制度。因此不存在电厂运行人员操作运行不当问题。
（2）末端因素2。CT绝缘不满足要求。该电站发电机额定电压为18 kV，CT额定电压也为18 kV，与发电机绝缘要求是匹配的;原针对发电机定子绕组内部短路故障的特点，进行发电机内部故障主保护配置方案的必选，最终方案经过多次技术讨论会确定，配置方案是合理的。因此CT设计及配置方案满足设计要求。确认该因素为非要因。
（3）末端因素3。CT无抗磁屏蔽能力。通过对损坏CT绕组线圈材料的分析，线圈采取了单屏蔽措施避免磁场的干扰，经供货厂家确认，该线圈确实采取了屏蔽措施，虽然目前CT最新产品已经有双屏蔽措施，抗干扰能力更强，但采取单屏蔽措施CT仍具有抗磁屏蔽能力[3]。因此，确认该因素为非要因。
（4）末端因素4。运行检修方法不當。该发电集团下属多家发电厂，运行管理经验丰富，有完善的电厂运行规章制度，与其他发电集团同类电站的运行检修规程比对，规章制度合理。确认该因素非要因。 （5）末端因素5。发电机机坑空间狭小。经现场了解，发电机中性点CT布置紧凑，原因是现状空间狭小，易造成互感器周围导体散热不好。但是，类比同电站其他厂家机组的布置，同样是空间狭小，并没有出现互感器损坏的事件。因此CT布置空间狭小确实存在，但非主要原因。确认该因素非要因。
（6）末端因素6。中性点引出线导体与互感器距离太近。导体与互感器的距离，影响到互感器周围磁场的分布，可能是CT损坏的主要原因[3]，但需试验验证。
（7）末端因素7。机坑内通风效果差。实际损坏的电流互感器为红色框线内的B相CT。 机组运行时，实测互感器周围风量近似是相等的。因此互感器周围风量近似相等，确认该因素为非要因。
通过要因确认计划，初步确认发电机中性点CT发生故障的要因为中性点引出线导体与互感器距离太近，并决定进行试验验证。
2.3 试验验证
由于发电机组电流大，模拟时没有三相电源，只能通过额定电流为12 500 A的单相电源来多方位模拟，试验情况如下。
（1）试验1。采取单屏蔽措施的线圈端部靠近汇流母线距离影响实验。模拟现场单相汇流铜排靠近CT端面不同距离来试验[4]，线圈端面与母线距离为100，300 mm。试验结果线圈端面与母线距离为100，300 mm時，实测电压分别为U100=2.315 V和U300=1.494 V。
（2）试验2。采取单屏蔽措施的二次线圈相间母线影响试验[4]。模拟现场邻相母排靠近CT中心不同距离来试验，将线圈相对地水平放置，监测绕组靠近母线，线圈二次绕组短接，将监测绕组接入万用表，线圈与母线中心距分别为570，850，900，950 mm，母线通额定一次电流时监测绕组的电压值，试验2结果见表1。
对端部汇流母线及相间母线影响模拟实验数据按公式 U=2πfnBS叠加分析计算，可将试验得出的电压值转化为单个相邻外磁场对CT监测绕组处一点的干扰磁密B，结果见表2。
试验结果证明：靠近返回导体或邻相导体一侧的CT铁芯的磁密会随两者之间的距离成比例增加，远离返回导体一侧的CT铁芯会成比例减少，使得铁芯各段的磁密不等。
B相CT受三相母线分布影响很大，三相母线相间距大小以及三相汇流排与CT端面或外径距离大小均对B相CT某点局部磁密影响很大，长期大电流运行时，会造成 CT太靠近邻相导体的CT铁芯损耗加大，局部磁密严重饱和、过热，是造成CT损坏的主要原因。
对比另一家机组厂家的布置方案，也能反映导体与互感器距离有较大关系，因此通过模拟发现，导体与互感器的距离影响到互感器周围磁场的分布，是CT损坏的主要原因，验证了中性点引出线导体与互感器距离太近是事故主要原因的推断。
3 解决方案
要因确认后，初步认为可通过改进CT绝缘、增加电流互感器抗磁屏蔽能力、以及合理布置中性点引出线及电流互感器，能降低机组中性点CT故障率[5]，分别制定了3种对策方案：①增大电流中性点引出线导体相间距离;②增大CT与连线导体距离;③减小CT体积。
通过深入分析综合评估得知，方案1能有效增加中性点引出线导体与互感器距离，可靠性高，CT分层布置，增大B相与相邻相间距，更换部分连线导体及部分支撑件[1]，成本低、耗时短。
具体做法是：①将B相CT与A/C相CT在高度方向错开布置，经与机组厂家技术人员沟通后，将原来一字型排列修改为品字型排列;②将原B相上移或下移来满足相间距离，为保证B相CT安全运行，将原B相普通单屏蔽改为双屏蔽CT;③加大中性点三相母排间距离和加大三相汇流排与CT之间的距离;④更换带有屏蔽措施生产的CT。
按上述方案安装后，经过7个月运行监测数据显示，各相CT 表面温度明显下降，发电机正常运行时三相CT运行温度基本相等且温度下降约10 ℃，CT各项技术参数均正常，发电机组运行无异常。
B相CT频繁发生事故的问题得到有效解决，机组运行6 a以上，未发生类似事故。
4 结 论
（1）机组定子绕组中性点A、B、C三相CT所处环境温度较高，CT距离汇流铜环等大电流导体过近，加之CT选型时考虑不周、CT屏蔽绕组容量不够，易造成CT发热损坏。
（2）对CT故障率高的机组，提出3个步骤，找出影响安全运行的要因，制定要因确认方案，并通过试验验证。
（3）通过增大导体与CT间的距离，调整三相CT的布置，改善屏蔽措施，可有效降低水电站发电机中性点CT故障率，并为其他工程提供借鉴。
参考文献：
[1] 杨树锋.大型发电机中性点电流互感器故障分析[J].变压器，2010，47（1）：60-62.
[2] GB20840.2-2014 互感器 第2部分：电流互感器的补充技术要求[S].
[3] 王明朗.一起大型发电机中性点电流互感器故障诊断与分析[J].水力发电，2017，43（4）：51-54.
[4] JJG1021-2007 电流互感器检定规程电流互感器[S].
[5] DL/T866-2004 电流互感器和电流互感器选择及计算导则[S].
（编辑：唐湘茜）