變壓器鐵心多點接地分析及實例

2019-07-23 07:20:46郭逢建

通信電源技術 2019年6期

郭逢建

（中山ABB變壓器有限公司，廣東中山 528449）

0 引言

電力變壓器鐵心作為主磁通的載體，是繞組間能量傳遞的主要部件，連同夾緊鐵心的夾件和鐵心外包圍的繞組，組成變壓器油箱內部的器身。整個油箱內部處于很強的電磁場，故內部的金屬結構件，主要是鐵心和夾件需要單獨引出接地，否則會引起鐵心或夾件形成懸浮電位，產生內部放電故障，危急變壓器安全。鐵心或夾件在設計生產時都是單點引出接地。如果發生鐵心多點接地，在多個接地點間將通過共同的接地地電位形成閉合回路。典型的鐵心多點接地故障是鐵心與夾件之間導通，通過鐵心和夾件接地線在接地點形成回路。多點接地形成的回路中因包絡磁通（主要為主磁通）在回路中造成環流，將造成鐵心局部或整體過熱、加速絕緣件老化、絕緣油分解及變壓器內部絕緣下降等危害，同時也進一步加劇多點接地的故障。嚴重時會造成接地線熔斷，鐵心或夾件形成懸浮電位，產生內部放電故障。

根據文獻可知，變壓器鐵心故障在運行中是較為常見的故障[1]，需要及時分析處理，以免故障擴大化。

本文對鐵心多點接地的原理進行分析，總結各種多點接地的情況，并針對一起油色譜異常及變壓器鐵心多點接地故障的實例，提出解決方案，保障變壓器正常運行，為鐵心多點接地故障的分析解決提供參考。

1 鐵心多點接地原理分析

鐵心是最常見的多點接地故障的部件，而鐵心多點接地最常見的現場是夾件或拉桿和鐵心之間的絕緣存在薄弱點而存在導通，導通點也通過夾件接地，導致鐵心上存在兩個接地點，兩個接地點之間通過夾件和鐵心接地線形成回路，而回路包絡了（部分）主磁通從而在回路中形成電動勢而形成環流。需注意，如果是夾件或拉桿與鐵心導通而形成的鐵心多點接地，則在接地點附近測得的鐵心接地電流和夾件接地電流是相同的[2]。

鐵心接地線和夾件接地線通常在鐵心頂部或者鐵心下部直接引出油箱，離線圈都較遠，故回路中通常不包含漏磁通，或者包含很小一部分漏磁通，再加上變壓器最大電流時的最大漏磁通也遠小于主磁通，故一般在多點接地回路中，感應電動勢僅考慮主磁通。

當鐵心出現多點接地，兩個接地點之間的電流流過鐵心內部或表面。（1）鐵心內部的電流通過片間的電容耦合導通，如果硅鋼片漆膜合格，那么其內部的片間絕緣電阻非常大，而片間的容性阻抗也較大（對于工頻電流），約數十至數百歐姆；如果兩個接地點相隔較遠，鐵心片間幾乎不能流通工頻電流。（2）鐵心表面通過剪切的毛刺搭接使得片間導通[3]。鐵心片在剪切特別是縱剪后，剪切毛刺將片與片之間搭接而導通。這種搭接的表面電阻視剪切工藝而定，如果剪切毛刺非常低，則鐵心電阻值較高，也可以降低鐵心的額外空載損耗；如果剪切毛刺較高，則鐵心表面電阻較低。根據生產過程中的測量統計，鐵心表面電阻為數十歐姆值至數百歐姆。

1.1 內拉桿絕緣與鐵心接地在同側

拉桿絕緣與鐵心接地在同側。這種情況的感應電動勢最大，其示意圖如圖1所示。鐵心接地點為A，且和鐵窗內拉桿絕緣在同一側，夾件接地點為C，外拉桿與左右夾件連接導通。鐵心與內拉桿之間因絕緣薄弱而導通的點命名為B，B點也被認為是鐵心的第二個接地點。如果B點與A點在同一側，則環流回路為A點→地電位→C點→B點→A點，此時的回路包絡了幾乎所有的鐵心主磁通。

圖1 內拉桿絕緣與A點同側、A點與B點同側

回路中的感應電動勢為：

其中，Bm為鐵心的磁密峰值，單位為T；f為頻率，單位Hz；A為鐵心有效截面積，單位cm2。

式（1）與線圈匝電勢計算相同，在此情況下的鐵心多點接地，環路內的感應電動勢最大約等于線圈匝電勢。

實際上，B點的位置是隨機的，如果B點的位置往右移動到A點的對側，A點和B點間的電流有兩條通路，一條是沿著鐵心上表面，另一條是沿著鐵心下表面，那么回路中包絡的主磁通等效于A-B連線以上鐵心面積中磁通，即約為主磁通的一半，那么回路中感應電動勢約為匝電勢的一半，如圖2所示。

圖2 內拉桿絕緣與A點同側、A點與B點對側

如果B點的位置移動到鐵心上部，即外拉桿與鐵心上部硅鋼片在B點導通，則回路等效包絡的磁通更小，理論上可以接近于0，此時的回路感應電動勢變得更小。

回路中的感應電動勢取決于B點的位置，A點和B點的連線以上的部分磁通量決定了電動勢大小。

因高低壓側夾件通過外拉桿連接導通，夾件接地點位置不影響回路包絡的磁通量。

1.2 內拉桿絕緣與鐵心接地在對側

拉桿絕緣與鐵心接地在對側，這種情況的感應電動勢相當小，其示意圖如圖3所示。鐵心接地點為A，且和鐵窗內拉桿絕緣在對側，夾件接地點為C，外拉桿與左右夾件連接導通。如果鐵心與內拉桿之間的導通點B與A點在對側，則環流回路為A點→地電位→C點→B點→A點，此時的回路等效包絡了幾乎一半的鐵心主磁通，那么感應電動勢為匝電勢的一半。

如果B點的位置往左移動到A點的對側，那么回路中等效包絡的磁通（AB連線之上的部分）越來越小，最小可以接近于0。B點位置也可能在鐵心上部，即外拉桿與鐵心上部導通，則回路中包絡的磁通為A-B連線以上的部分。但是無論B點位置在哪里，回路中包絡的磁通不超過主磁通的一半，即回路中的感應電動勢不超過匝電勢的一半。

圖3 內拉桿絕緣與A點對側、A點與B點對側

1.3 內拉桿雙側絕緣

部分變壓器設計中，內拉桿與夾件是雙側絕緣。這種設計可以避免內拉桿與鐵心導通而造成多點接地。

如果外拉桿與夾件雙側絕緣，則鐵心第二個接地點B點只可能出現在夾件與鐵心間的導通點；如果外拉桿與夾件單側絕緣，則鐵心B點可能出現在夾件與鐵心間的導通點，也可能出現在外拉桿與鐵心上部之間。B點只能出現在鐵心的上部或者中部，在此情況下，最嚴酷的多點接地狀況是B點在鐵心接地點A的對側，如圖4所示，回路中等效包絡的主磁通為A-B連線以上鐵心面積中磁通，則回路中最大的感應電動勢為一半的匝電勢。

圖4 內拉桿雙絕緣，A點與B點對側

1.4 內拉桿雙側絕緣，鐵心接地點A在中間

如果鐵心接地點A設置在鐵心中部，假設鐵心截面為近似圓形，則環流回路中包絡的最大主磁通等效于主磁通的1/4，如圖5所示。這種情況下的鐵心環流回路感應電動勢最小，相應環流也可能最小。

圖5 內拉桿雙絕緣，A點在中部

2 鐵心多點接地實際案例

某220 kV電站主變，型號SSZ10-180000/220，投運約3個月后在油中檢查出乙炔含量2.7 ppm，且總烴比上次檢查突然升高。三比值法推測為油中放電，故對變壓器接地電流進行測量，發現鐵心和夾件接地電流均為6.5 A。因此，判斷鐵心與夾件之間存在絕緣薄弱點，使鐵心多點接地形成環流。

因變壓器不能停電，無法對故障點進行排查及處理，故采取臨時處理措施，在鐵心和夾件接地線回路中串入電阻以限制鐵心接地電流至0.1 A以下。

如果按照最嚴酷的情況，環流回路中的感應電動勢為線圈匝電勢，約210 V。但是實際上，鐵心窗內拉帶采用環氧玻璃絲帶，沒有采用金屬導電材質，故在鐵窗內是不存在鐵心與夾件導通點的，導通點只可能出現鐵窗外。根據章節1的分析，這種情況下的鐵心多點接地中，環流回路最大感應電動勢約為匝電勢的一半，即105 V。需要將環流降至標準規定的0.1 A，如果不考慮環路中其他的電阻，則需要加入電阻值1 050 Ω。

實際上，在鐵心多點接地的處理中，通常加入數十至數百歐姆的阻值都可將環流限制在0.1 A下，因為環流中已經存在阻抗，特別是鐵心片本身具有電阻值。

鐵心兩個接地點之間的電流流過鐵心內部或表面，鐵心內部的電流通過片間的電容耦合導通，而鐵心表面則通過剪切的毛刺搭接使得片間導通[3]。如果硅鋼片漆膜合格，那么其內部的片間絕緣電阻非常大，而片間的電容性的阻抗也較大（對于工頻電流），約數十至數百歐姆；如果兩個接地點相隔較遠，鐵心片間幾乎不能流通工頻電流。鐵心片件通過剪切毛刺搭接的表面電阻則為數十歐姆至數百歐姆。

按照最大可能的感應電動勢105 V，需要總阻抗1 050 Ω才能將電流限制在0.1 A以下，而生產過程中測量出的鐵心表面電阻為530 Ω，則環流回路中需要增加的阻抗最小為1050-530=520 Ω。

實際上，需要串入的電阻值可能更小，因為電動勢可能遠小于105 V。故選擇可調電阻的裝置串入鐵心接地回路，如圖6所示。可以先投入較低電阻值，如果電流降低幅度不夠，則再增加投入較高的電阻值。