四比值法在變壓器鐵芯多點接地缺陷分析中的應用

劉 釗，紀 鵬，白 楊

（1.國網河北省電力有限公司保定供電分公司，河北 保定 071000；2.國網北京電力交易中心有限公司，北京 西城 100031；3.保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071000）

充油設備內部故障發生的過程是復雜的，不能僅通過單一檢測手段進行診斷并妄下結論，須采用全方位立體檢測方案進行分析即帶電測試與停電檢查結合、油化試驗與高壓試驗相輔相成互補長短。對運行的變壓器按照設備周期取油樣并進行油中溶解氣體分析，能夠非常靈敏、有效地發現絕緣老化、受潮、鐵芯多點接地等缺陷，目前我國采用的改良三比值法（簡稱“三比值法”）在判斷過熱型缺陷時存在不足之處[1]。因此當變壓器發生缺陷時要結合鐵芯電流檢測、紅外測溫及停電高壓試驗等手段綜合分析才能快速診斷并處理缺陷，為變壓器及電網安全穩定的運行提供經濟可靠的全方位保障[2]。

1 故障基本情況

2019年6月25日試驗人員對某35kV變電站內35kV 2號主變進行周期性油中溶解氣體分析時發現該設備油化數據異常，其銘牌參數為型號：SZ9-10000/35；出廠日期：2008-05-01；額定容量：10MVA。

2 油中溶解氣體分析

試驗人員于6月25日發現2號主變油化數據異常后于6月28日進行了追蹤，具體數據如表1所示。

由表1可見，6月25日乙炔含量34.96μL/L超過標準中規定的注意值5μL/L，總烴含量447.55μL/L超出規程規定150μL/L注意值[3]，同時特征氣體乙烯、乙烷及甲烷增長迅速，基本可以判定該設備存在缺陷。總烴含量與上一個周期相比相對產氣速率為54.49%，遠超標準規定10%的注意值，說明該缺陷發展迅速。6月28日追蹤數據與25日相比變化不大。

如表2所示，通過改良三比值編碼計算其編碼為“122”，對應“低能放電兼過熱”故障[4]，懷疑該缺陷是不同電位之間的火花放電，引線與穿纜套管（或引線屏蔽管）之間的環流，同時懷疑是有載分接開關油箱滲漏導致主變本體油化數據超標。

表2 改良三比值編碼計算

3 停電檢查性試驗結果分析

檢修試驗人員于7月1日將該主變停運，進行全方位檢查性試驗。試驗時天氣情況小雨轉陰，濕度65%，溫度20℃。當天依次進行了外觀檢查及紅外測溫、繞組各分接直流電阻試驗、短路阻抗試驗、高低壓繞組絕緣電阻試驗、高低壓繞組介質損耗及電容量試驗、串諧耐壓試驗、有載分接開關吊檢及試驗、鐵芯絕緣電阻試驗。

試驗人員首先對該主變進行了繞組全分接直流電阻試驗，高低壓各繞組直阻數據均滿足規程規定[4]，說明繞組無短路或開路現象。該主變短路阻抗初值差及三相阻抗電壓互差滿足規程要求，表明該主變繞組未發生形變。隨后進行的高、低壓繞組絕緣電阻及介質損耗測試數據無異常，可初步判斷該設備無絕緣受潮或老化等現象。在對該主變進行的串聯諧振耐壓試驗過程中無閃絡、異響等異常現象，表明該主變主絕緣良好。檢修人員隨后對該主變有載分接開關進行了吊檢，對其內部的螺栓進行了緊固，對觸頭進行了打磨，未發現有載分接開關油箱存在滲漏現象，所以基本排除了有載分接開關油箱滲漏導致的主變本體油化數據超標的情況。

試驗人員首先從主變底部接地點進行了鐵芯絕緣電阻測試，所用試驗電壓1000 V絕緣電阻為0 MΩ。為了排除接地引下線纜的影響，再次安排了主變頂部鐵芯接地引出套管處復測，試驗電壓1000 V絕緣電阻仍為0 MΩ。該結果不滿足試驗規程要求“鐵芯絕緣電阻≥100 MΩ”[5]，表明該主變存在鐵芯多點接地的情況，并且具有“金屬性直接短接”的特征[6]。

4 解體檢查結果

工作人員將現場檢查情況綜合匯報工區，隨即將該主變退出運行。7月16日該退運主變被運回廠家進行解體檢查。將主變繞組連同鐵芯吊出后發現鐵芯存在下沉現象。將吊出鐵芯放置在水平托盤上進行鐵芯對地絕緣電阻試驗，試驗電壓1000 V絕緣電阻0 MΩ，將鐵芯吊起5 cm復測絕緣電阻為800 MΩ，這表明當鐵芯及繞組整體放置在水平托盤上時，部分鐵芯硅鋼片已接觸到底部金屬托盤。

同時發現底部硅鋼片邊緣有積碳如圖1所示，為絕緣油高溫過熱的產物。

圖1 鐵芯硅鋼片接地點

5 缺陷原因分析

5.1 缺陷發生過程

綜合分析油中溶解氣體分析、停電高壓試驗及解體檢查的結果，可以判斷這是一起由于鐵芯多點接地引起的變壓器內部過熱缺陷。變壓器在運行時，鐵芯和夾件必須一點接地，如果再產生一點及以上接地，則接地點間就會形成閉合回路，造成環流，引起局部過熱，導致油分解產生乙炔、乙烯等特征氣體，嚴重時會造成鐵芯硅鋼片燒毀，局部過熱擴大，形成惡性循環，造成變壓器燒毀的重大事故[7]。

在此缺陷案例中，通過三比值法對油中溶解氣體分析得出的結論為“122-低能放電兼過熱”故障，如不同電位之間的火花放電，引線與穿纜套管（或引線屏蔽管）之間的環流等，并未明確指向“鐵芯多點接地”。而在三比值法故障類型判斷表中“鐵芯多點接地”故障對應的三比值編碼共5個分別是：“020-低溫過熱（150～300℃）”“021-中溫過熱（300～700℃）”“002-高溫過熱（高于700℃）”“012-高溫過熱（高于700℃）”及“022-高溫過熱（高于700℃）”。由此可見對于此案三比值法對缺陷類型的判斷并不準確[4]。

5.2 四比值法再分析

通過研究絕緣油在不同溫度下的產氣情況，發現隨著溫度不斷增高變壓器油解列產生的特征氣體氫氣（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）的產氣速率依次達到最大值。基于上述熱動力學理論觀點1974年德國技術人員總結提出了涉及上述5種特征氣體的四比值分析法并延用至今，所謂四比值是指CH4/H2、C2H6/CH4、C2H4/C2H6及C2H2/C2H4。隨后研究發現第二對特征氣體比值C2H6/CH4僅能有限反映變壓器油故障時熱分解時的溫度范圍，1977年國際電工學會在大量理論和實踐基礎上將C2H6/CH4刪去后加以改進形成了今日多國應用的三比值法[8]。

四比值法應用時與三比值類似，對應表3、表4將油中溶解氣體各組份濃度比值進行計算：比值小于1即編碼“0”；大于1即編碼“1”；比值在1附近時說明此缺陷在變化過程中，該比值可為“0”也可為“1”，需要綜合考慮[1]。

表4 四比值法故障性質判斷表

由表5可知通過計算得出此案四比值編碼為“1010-循環電流及（或）連接過熱”，對應表3中的缺陷類型為“鐵件或油箱出現不平衡電流”，較三比值法得出的結論，能更清晰明確地反映出此缺陷為鐵芯多點接地缺陷。

表5 四比值編碼計算

四比值法較三比值法多出的比值C2H6/CH4能有效反映出過熱類型缺陷的溫度信息，因此實際工作中對于油中溶解氣體分析過程中采用改良三比值法的同時可利用四比值法輔助分析，用來彌補三比值法對于過熱型缺陷分析判斷的不足[8]。

6 檢修策略及建議

廠家人員計劃將鐵芯地腳用絕緣板墊起5 mm高度，使下沉鐵芯與變壓器外殼保持一定安全距離，避免發生多點接地情況。同時緊固固定螺栓。

鐵芯多點接地時，通常運行中鐵芯電流值大于100 mA，變壓器內部熱點溫度較高，C2H6、C2H4增長較快，油色譜分析結果通常為低能火花放電并有局部過熱特征，亦可能伴有少量H2和C2H2產生。非金屬短接特征的鐵芯多點接地通常表現為鐵芯絕緣電阻很低但不為0，金屬直接短接特征的鐵芯多點接地缺陷通常表現為鐵芯絕緣電阻為0。

對于有鐵芯接地引出的35 kV及以上變壓器按試驗周期進行鐵芯電流帶電檢測試驗同時嚴格按照周期對在運變壓器進行油中溶解氣體分析，關注特征氣體及產氣速率。當油化數據超標時采用三比值法為主四比值法為輔的方法判斷。如果以上檢查試驗結果分析判斷符合鐵芯多點接地特征，停電檢查時只須進行鐵芯絕緣電阻測試驗證即可，可省去其他不必要的檢查試驗。對于無鐵芯接地引出的變壓器，條件允許時對其進行改造將鐵芯接地單獨引出，方便開展鐵芯接地電流檢測。