110 kV变压器铁芯接地故障分析及实例研究

110 kV变压器铁芯接地故障分析及实例研究
王径迤;赵景峰;支淼川;倪佳
【摘要】铁芯多位置接地是变压器常见的故障之一,文章对故障特征和分析方法进行了阐述,并使用常见的几种故障问题分析法对数据进行了比较,最后根据分析结果
处理了实例中的故障问题,指出了故障产生原因及应作的预防措施.
【期刊名称】《华北电力技术》
【年(卷),期】2016(000)001
【总页数】6页(P18-23)
【关键词】变压器;铁芯;接地
【作者】王径迤;赵景峰;支淼川;倪佳
【作者单位】国网冀北电力有限公司物资分公司,北京100075;国网冀北电力有限
公司物资分公司,北京100075;国网冀北电力有限公司物资分公司,北京100075;国
网冀北电力有限公司物资分公司,北京100075
【正文语种】中文
【中图分类】TM407
铁芯在变压器运行阶段是电场能转化为磁场能的核心部件。

在变压器正常运行状态下，带电的绕组与油箱间会构成一个电荷分布不同的电场，造成一种感应电容效应。

当铁芯的对地电位达到绝缘击穿值时，就会产生对地放电，当放电过后又重新变回感应电容状态。

这种反复的充放电循环会使变压器固体绝缘损坏，并进一步导致绝缘油分解。

因此变压器铁芯在运行中，必须进行单点接地处理。

正常情况下，铁芯
接地电流一般为几毫安或几十毫安。

当接地点不唯一时，铁芯端片间的电位差会形成闭合回路，产生环流，铁芯接地电流将急剧增大，引起局部发热高温，促使绝缘油分解，更严重时直接导致接地片熔断或铁芯烧坏，从而损坏变压器。

故而及时发现和排除变压器铁芯多点接地故障，对保证变压器的安全运行具有重要意义[1]。

根据国家电网公司近年的变压器设备运行事故情况，铁芯多点接地故障已成为变压器多发故障问题之一，在电力变压器总事故中约占20%左右。

本文根据现场经验
对变压器铁芯多位置接地故障判断方法及处理措施进行了深入探讨。

(1)使用绝缘电阻摇表，无法测到铁芯对地的绝缘电阻；使用万用表测量绝缘电阻，其阻值较小，接近于0。

(2)短路接地会造成铁芯局部发热，促使局部温度高于安全值。

(3)变压器油的油位升高，油位计指示油位值超出正常范围，甚至于触动压力释放阀；同时，局部位置的持续高温会造成油分解，产生有机气体。

(4)通过在线色谱监控或油样色谱分析，测定出变压器总烃含量增高幅度异常，尤
其是有C2H4气体产生并超过标准中规定的气体注意值。

(5)铁芯接地电流数值异常，远远大于设计上规定的0.5 A。

(1)设计上存在不足之处，铁芯夹件与硅钢片间的距离不够，导致绝缘性能不足，
从而在铁芯局部出现翘凸或者有毛刺的情况时，出现短路。

(2)变压器内部存在一些杂质导致变压器局部绝缘距离变短，形成局部接地。

(3)穿芯螺栓的绝缘衬套损坏，和铁芯叠片相接触，构成局部接地。

(4)运输的过程中遇到外力冲击，导致铁芯在变压器内发生了位移或铁芯叠片受力
弯曲碰到夹件。

1.3.1 气相色谱分析法
(1)特征气体法[2]
铁芯发生多点接地，特征气体主要有CH4、C2H6、C2H4和C2H2。

而根据接地
故障变压器的统计结果表明，故障时C2H4约占40%~70%，CH4约占
20%~40%，C2H6约占5%~20%，C2H2约占0%~5%，即在含量上
C2H4>CH4>C2H6>C2H2。

当油中C2H4气体的比例较高时，很有可能变压器已经发生了该故障。

(2)三比值法
根据充油电气设备内绝缘油在故障下裂解产生气体组分含量，以及其相对浓度与温度的依赖关系，从5种特征气体中选取2种溶解度和扩散系数相近的气体组成3对比值，以不同的编码
表示，来判断变压器故障性质的方法，被称为三比值法[3]，其比值范围及编码表详见表1，根据其比值范围得到的编码值作出的故障类型判断详见表2。

由于充油电气设备内部故障非常复杂，有时使用三比值法不能准确地判断故障，此时多采用四比值法、无编码比值法等。

(3)四比值法[4-5]
四比值法是利用5种特征气体的4对比值来判断变压器故障性质的方法。

其分析判据为:
其中CH4、C2H6、C2H4、C2H2、H2为变压器设备中特征气体的含量，如果这4对比值都在判据范围内，则可以判断多点接地故障存在。

同时，根据以上气体含量数据还可以算出故障点处的热平衡温度T。

其公式如下: 根据该公式可以计算出铁芯多点接地故障点的热平衡温度，故障点温度大多处于700~1 000 ℃ 之间。

产生的热量主要来源为：正常负荷产生的磁通在故障部位的磁滞及涡流的损耗；当两接地点之间产生环流，故障部位会存在电流损耗。

(4)无编码比值法
这种方法是针对三比值在诊断中遇到的故障编码少、有些故障无法查找的技术难题而提出的，可以用来诊断变压器的各种内部故障，其中包括变压器铁芯多点接地故
障。

其诊断方法见表3。

1.3.2 电气法
(1)测量电气测试分析法[6]
有的变压器是通过套管引线将铁芯进行接地的，所以使用钳形电流表测出引线上的电流大小，便可以对铁芯是否存在多位置接地故障进行判断。

当没有发生故障时，电流值的大小应在0.3 A 以下；当产生接地故障时，由短路部位产生铁芯自身的短路环流，电流值有时会达到100 A以上，其大小主要与变压器所承担的线路负载情况相关。

钳形电流表使用的时候需要注意变压器内部漏磁通量对测量结果干扰造成的误差。

在变压器油箱中间位置处，是其自身的漏磁通量最小的位置，测量时注意与下方的接地线保持平行状态，这样得到的数值最接近真实值。

如果有抗干扰铁芯电流测试仪，则可以最大限度减小干扰误差，得到真实值。

测量时只需将专用钳钳住接地引线，不用拆接地引线。

(2)超声波探测法
超声传感器的测量频率一般在70～300 kHz之间，从而不用受到铁磁噪声或振动噪声(一般在45 kHz以下)的干扰，准确测到需要测量的频率信息。

AE传感器是超声波法应用比较普遍的传感器之一。

随着各种新技术的发展，光纤传感器也逐渐发展起来，成为超声波测量的重要传感装置。

传感器一般都位于所测设备外表面上，声波从放电源逐步传声至检验点。

超声波的信号具有极强的定向能力，当入射波的角度超过260°时，全反射情况会发生在信号里，传感器则无法接受到信号。

因此，当传感器安装时，需要考虑其角度是否合适，能否对当前对象进行全方位的覆盖[7]。

(3)红外测温法
变压器正常运行时，以红外线测温仪拍摄变压器外壳发热图谱，并与变压器历年红
外图谱进行比较，若外壳出现异常温升，则要结合其它手段，如油色谱、接地环流测试进行综合分析。

(4)绕组直流电阻测量[6，8]
测量各级绕组直流电阻，确定其值是否处于标准范围内；再通过以往试验数据与之进行比较，确定各数据是否在偏差范围内。

(5)绝缘电阻测量
在进行判断是否为铁芯多点接地故障时，应断开接地线，用2 500 V档位的摇表测量铁芯接地套管的绝缘电阻是否大于1 000 MΩ，由此判定铁芯是否接地。

吊罩处理对于某些原因引起的接地是比较直观并容易处理的，如杂物引起的接地。

也有一些情况吊罩后无法找到故障点，那么就需要现场采用以下方法找出确切的故障点。

(1)直流法
打开铁芯与夹件的连接片，在铁轭两侧的硅钢片上通入6 V的直流电压，再用直流电压表依次测量各级硅钢片间的电压。

当电压表指针指零或者反向时，则可以确认故障接地位置。

(2)交流法
在低压绕组上加220~380 V的交流电压，当发生铁芯多点接地故障时，使用毫安表一端与地相连，另一端沿铁轭逐点测量，一旦毫安表电流指零即为故障位。

如果直流法或交流法，不能判定故障位置，可以认为变压器铁芯中使用的木质垫块有微量水汽附着或者变压器油产生的油泥积累其上。

将油泥处理后，再进行干燥处理，如果故障依然无法排除，应该进行微水试验以确认是否存在水汽。

(3)铁芯加压法
断开铁芯正常接地点，用交流试验装置给铁芯加压，如果是故障点接触不牢固，升压会有放电噪声产生，寻找放电现象位置即可找到故障点。

当增大试验电流时，电
压上不去，说明接地点很稳固，必须改变方法。

(4)铁芯加大电流法
断开铁芯的正常接地点，用电焊机装置给铁芯加电流，随着电流变大，故障点电阻变大导致附近过热，变压器油就会分解冒泡，从而确定观察到的故障点部位。

可用铁芯加压法验证或者用测量绝缘电阻法检查故障点是否消除。

(5)红外诊断法[9]
由于油浸式变压器的绕组和铁芯都在油箱的中部，周围充满油，即使内部出现局部故障而发热，但有油的冷却扩散作用，特别是铁芯故障不严重时，不容易显露出局部异常的特征性热图像。

这时候我们就要在吊罩之后器身裸露的状态下，加一定的空载励磁电压，并进行红外扫描，通过热像特征诊断出油浸变压器的铁芯有无多点接地故障。

某110 kV变压器型号为SFSZ10-50000/110，于2008年3月1日投入运行。

2009年3月2日，在线色谱装置各项指标显示出现异常，在线色谱数据见表4。

2009年3月12日，对该主变压器取样进行油中溶解气体色谱分析，各项指标与在线色谱数据基本吻合，数据如表5。

(1)特征气体法
根据表5的分析结果计算得：C2H4占59.9%;CH4占30.5%;C2H6占
9.5%;C2H2占0.2%。

由此可见C2H4的含量最高，其他气体含量依次减少，说明110 kV变压器的内部局部过热造成油分解，可能存在多点接地情况。

(2)三比值法
根据表5的分析结果计算得，
三比值编码为0.2.2，可判定为高于700 ℃的高温范围的热故障，判断方法详见表2。

(3)四比值法
根据表5的分析结果计算得，
为1.18，在1~3之间；为0.31，小于为6.27，大于3；为0.036，小于0.5。

满
足判据条件，可判定为铁芯多点接地故障。

(4)无编码比值法
根据上述计算，为6.27，大于为0.036，小于0.1，可判定为大于700 ℃的高温
过热。

通过对比以上的4种分析方法，特征气体法和四比值法分析的结果可以直接确定
变压器铁芯发生了多位置接地故障。

与此相比，其他几种还需要确定C2H4的含
量是否占主要，才能对故障进行最终确认。

为了找到该变压器铁芯接地故障点，遂将其由运行状态转为检修状态，然后进行了吊芯检查。

通过对变压器进行绝缘电阻试验，测量出变压器铁芯对地绝缘电阻为3 000 МΩ，铁芯对夹件为3 000 МΩ，夹件对地为0 МΩ，低压三相直流电阻互差为1.29%。

由于变压器铁芯接地铭牌与夹件接地铭牌位置颠倒(即变压器铁芯对地
绝缘电阻应为0 МΩ，夹件对地应为3 000 МΩ)，C相侧铁芯尖角与温度计底座
边几乎接触，且有明显打火现象并有放电烧伤痕迹。

对接地点采取的处理方法是将铁芯尖角向两侧弯曲，避开温度计底座，用3张1.0绝缘纸板下部插在侧梁绝缘内部，上部与温度计底座捆绑牢固。

处理后测量温度计底座与铁芯距离为7 mm。

测量铁芯对地绝缘电阻为1 500 МΩ。

该主变压器色谱异常形成的原因是温度计底座与铁芯设计距离不足。

在变压器运行中，由于变压器铁芯温度的上升，导致铁芯热涨后C相侧铁芯尖角与温度计底座
边连接，从而造成铁芯多点接地。

短路电流在铁芯中形成涡流，进一步加剧了铁芯温度的上升，使铁芯尖角与温度计底座边连接更加紧密，同时局部严重过热导致油分解产生大量的烷烃类气体。

由于该问题主要是供应商的设计不完善造成的，因此应该加强设计单位对图纸设计合理性的审查，同时加强对设备制造过程技术管理，提高设备制造质量。

在运行方面，应加强变压器的运行管理，对色谱测试异常的变压器，除了继续进行色谱跟踪检测外，还应增加用嵌型电流表测试运行变压器的接地电流项目。

能否准确判断110 kV变压器的故障部位，除了根据气相色谱分析法和电气法对采集或试验得出的各种数据进行相关处理外，还需要根据设备内部结构和运行状态进行全面的掌控，必要时采用一些新的设备仪器进行辅助性检查。

对其接地点的处理除了进行吊罩直接检查，还需要采用直流法、交流法等方法来解决故障点。

本文的实例除了解决临时故障点，还需加大变压器局部的绝缘距离，做到永久消除故障[10]。

随着电网规模的发展以及对输变电设备质量要求的迅速提升，质量监督技术和质量监督管理水平也需要更好的提升，加强自身技术力量，努力将产品质量监督做到“全覆盖、无死角”是每个质量监督工作者不懈努力的目标。

【相关文献】
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