提高500 kV油浸式變壓器鐵芯及夾件接地電流測量精度的方法

董 小 強， 李 超

(雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

在水電站諸多設備中，主變壓器是除發電機組外的重要電氣設備，變壓器鐵芯及夾件發生故障，直接影響到變壓器甚至整個水電站安全穩定運行。變壓器正常運行時，鐵芯及固定部件、繞組的金屬結構部件等，均處在強電場中，在復雜的電磁環境下，容易產生對地的懸浮電位。為了防止該懸浮電位引起放電，鐵芯及夾件必須各自有且只有一點接地，以防止鐵芯及夾件多點接地故障時產生渦流，從而導致局部鐵芯過熱，鐵芯局部過熱而導致絕緣油分解，造成輕瓦斯動作甚至重瓦斯動作跳閘，更有甚者，會造成主變嚴重損壞。為了掌握變壓器鐵芯、夾件運行情況及降低鐵芯及夾件多點接地故障發生率，我們需要對變壓器的鐵芯及夾件接地情況進行監測和分析。

1 變壓器常見的監測方法

由于監測技術的發展，通過對變壓器長期運行經驗積累，變壓器鐵芯及夾件運行情況主要可以通過以下三種監測手段來分析判斷：

1.1 變壓器絕緣油分解氣體監測

對于500 kV油浸式變壓器來說，通過監測變壓器運行絕緣油中氣體含量是否超標及氣體產生速率來判斷變壓器內部故障，根據《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》(DL/T 722-2014)，油中主要特征氣體有氫氣(H2)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)等，其中甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)四種氣體含量總和為總烴，根據標準規定，500 kV變壓器運行中設備油中氣體含量注意值見表1：

可以通過取油樣進行氣體分析或者采用油色譜在線監測手段來分析變壓器絕緣油氣相色譜，還包括氣體產生速率，采用三比值等方法分析能夠判斷變壓器內部故障，但通常很難判斷鐵芯及夾件多點接地故障。

1.2 變壓器鐵芯及夾件絕緣電阻測試

對于500 kV油浸式變壓器來說，可以通過解開變壓器鐵芯及夾件接地連線，然后測量絕緣電阻，測量數據與歷史數據對比來判斷變壓器鐵芯及夾件多點接地故障。此監測方法簡單有效，但是需要變壓器停電才能實施，尤其是對大型變壓器來說停電困難，因此，絕緣電阻法有一定局限性。

1.3 變壓器鐵芯及夾件接地電流測試

對于500 kV油浸式變壓器來說，還可以通過測量變壓器鐵芯及夾件接地電流來分析判斷，規范《電力設備預防性試驗規程》(DL/T 596-1996)中表5變壓器關于鐵芯絕緣電阻要求：“運行中鐵芯接地電流一般不大于0.1 A”，正常情況下，變壓器鐵芯及夾件接地電流在0～100 mA，發生故障時會增大甚至可能達到數十安培級別。因此，測量變壓器鐵芯及夾件接地電流，通過電流大小及與歷史數據對比可以判斷變壓器鐵芯及夾件運行故障情況，此方法簡單直接有效。

當然變壓器鐵芯及夾件運行監測還可以輔助變壓器熱點監測及局部放電測量等，但都有一定局限性，不能直接反映變壓器鐵芯及夾件故障情況。而根據磁場畢奧-薩伐爾定律可以在其它因素不變的情況下，某點的磁場強度與距離的平方成反比。變壓器本身就是一個輻射源，變壓器鐵芯及夾件的接地線就在變壓器附近，因此，測量變壓器鐵芯及夾件接地電流時，常規手持鉗形電流表會受到磁場干擾而測不準。

2 提高變壓器鐵芯及夾件接地電流監測精度的方法

綜合以上分析，變壓器鐵芯及夾件接地運行情況各種監測手段各有所長，但都有一定局限性。本文就針對變壓器鐵芯及夾件接地電流監測數據不準確的問題，如何提高測量精度，擬采取如下措施：

2.1 采用霍爾感應原理測量接地電流

根據霍爾電流傳感器工作原理可知，開環的霍爾電流傳感器采用的是霍爾直放式原理，閉環的霍爾電流傳感器采用的是磁平衡原理。所以，閉環式在響應時間跟精度上要比開環式好。開環和閉環都可以監測交流電，一般開環式適用于大電流監測，閉環式適用于小電流監測見圖1。

圖1 常見霍爾感應原理示意圖

此方法相對于傳統手持鉗形電流表，可以有效提高接地電流測量精度，但是方法需要專門設計傳感器，成本相對較高，不具有普遍性。

2.2 采用羅氏線圈測量接地電流

羅氏線圈是一種常見交流電流測量傳感器，直接套在變壓器鐵芯及夾件接地導體上，根據電磁感應及安培環路定理，羅氏線圈輸出感應電壓與一次電流變化率成正比，通過微積分的逆運算可以將輸出電壓還原為輸入電流成正比的電壓信號，通過此信號測量可以反映變壓器鐵芯及夾件接地電流(圖2)。

圖2 羅氏線圈測量原理示意圖

此方法相對于普通電流互感器，由于羅氏線圈沒有鐵芯，不存在飽和問題，可用于變化大的電流測量，也適合故障情況下鐵芯及夾件接地電流測量，但感應電壓信號相對電流互感器較弱，非常容易受外部雜散磁場干擾，因此，提高測量精度，可以考慮采用加強磁屏蔽或濾波的測量裝置，如采用金屬纖維混紡布料屏蔽測量裝置或者配套使用優先數字量輸出積分器即可。

2.3 采用雙電流互感器測量接地電流

由于500 kV油浸式變壓器鐵芯及夾件接地電流正常是0～100 mA，發生故障時，會增大甚至可達到數十安培級別，一般電流互感器很難準確測量正常和故障時電流，因此，必須選用既能測量毫安級別電流也能測量安培級別電流的互感器才能提高測量精度。為此，采用雙電流互感器，一個測量小電流，一個測量大電流，為防止大電流損壞小電流互感器，可加上輔助電流處理隔離電路(圖3)。

圖3 雙電流互感器測量原理示意圖

為減少磁場的影響，通過增加磁屏蔽，以提高電流互感器抗干擾能力，也可采用金屬纖維混紡布料或者類似材料來屏蔽測量裝置，以提高測量精度。

3 結 語

在智能水電站快速發展的今天，隨著大數據技術的推廣應用，在傳統水電站機電設備運營管理基礎上，引入智能化技術實現對機電設備運行狀態評估、趨勢分析及檢修維護輔助決策等，解放人員勞動力，提高設備可靠性，提高經濟效益，成為水電站的發展趨勢。本文通過對500 kV油浸式變壓器鐵芯及夾件接地電流測量原理、方法及如何提高測量精度進行了分析，對比各種測量方式的優缺點，從而改進相對于手持鉗形表測量的方法，以提高接地電流測量精度：

(1)采用霍爾變送器原理，但成本較高不具普遍性；

(2)采用羅氏線圈原理，輔助屏蔽和濾波措施，效果很好；

(3)采用雙電流互感器，輔助屏蔽抗干擾措施，效果更好。

當然，提高變壓器鐵芯及夾件接地電流測量精度的方法還有很多，如人工測量加強測量儀器保管和維護，也可以延長儀器使用時間，從而提高測量精度等等。隨著技術的不斷提高，尤其是智能水電站的發展，各種智能監測裝置應運而生，堅信變壓器鐵芯及夾件接地電流高精度的測量方法會越來越多，越來越好。