變壓器鐵芯接地電流測量與特征分析

變壓器是傳遞電能的主要部件，是輸變電系統的關鍵設備之一，其運行狀態直接影響電力系統的可靠性和安全性。變壓器一旦發生故障導致停電，將造成巨大的經濟損失和社會影響[1]。鐵芯多點接地，是近年來變壓器事故多發原因之一；據統計數據表明，鐵芯多點接地造成的故障占變壓器總事故中的第3 位。由此可見，變壓器鐵芯多點接地故障不可忽視。

  鐵芯多點接地故障初期，接地電流帶來的損耗很小，不易從空載損耗中發覺，一般通過測量絕緣電阻、監測鐵芯接地電流、油色譜分析等技術手段進行檢測。

 測量絕緣電阻是最直接的方法，即在變壓器停電時，斷開鐵芯接地線，測量鐵芯對地絕緣電阻。若絕緣電阻為零或很低，則說明可能存在鐵芯多點接地故障。此方法只能在停電下進行，有很大局限性。

  監測或檢測鐵芯接地電流，可在變壓器運行時進行。測量鐵芯接地引下線上流過的電流，電流過大，超過行標規定的 100 mA，則預示著鐵芯可能存在多點接地的故障。

  變壓器油色譜分析也能檢測出鐵芯是否多點接地。鐵芯多點接地時，其油色譜中總烴含量通常超過GB 7252-2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》中規定的注意值 150 uL/L，且其中乙烯(C 2 H 4 )和甲烷(CH 4 )占較大比重，乙炔(C 2 H 2 )含量低。在鐵芯多點接地故障初發時期，油色譜變化不甚明顯，只有當故障積累到一定程度時，色譜分析才有所顯現。

  因此，上述三種檢測手段中，測量鐵芯接地電流是最*及時、有效的方法。

2. 變壓器鐵芯接地電流理論分析

  對比分析一點接地和多點接地故障時的電流特征，有助于提高鐵芯接地故障診斷能力。首先需了解變壓器鐵芯基本結構、故障原因、接地電流產生機理。

2.1. 變壓器鐵芯結構

  鐵芯是變壓器的基本部件，由鐵芯疊片、絕緣件、結構件等構成。

  鐵芯疊片是由磁導率很高的磁性鋼帶疊積或卷繞而成，高磁導率材料制造的鐵芯可使得全部磁通在鐵芯內和兩個繞組交鏈，進而使不同繞組能感應出和匝數成正比的電壓。

  鐵芯結構件由夾件、墊腳、撐板、拉帶、拉螺桿、壓釘等部件組成；結構件可使得鐵芯疊片充分壓緊，形成完整牢固的結構[6]。目前，大多數電力變壓器鐵芯為心式結構，其典型結構如圖 1 所示。

如圖 1 所示，上夾件的幾片之間通過夾緊螺桿 4 連接，下夾件亦如此；上夾件 5 和下夾件 7 通過拉螺桿 6 連接；下夾件和墊腳連接。在上鐵軛中插入接地片(銅帶)，即可使接地片與上夾件連接，進而通過拉螺桿、下夾件、墊腳接地

  對于容量更大的大型變壓器，通常將鐵芯接地片通過套管從變壓器油箱蓋引出，在外部接地。這種結構的好處是在檢修試驗時，可將外部接地線打開，通過測量絕緣電阻檢測鐵芯的絕緣狀態。變壓器正常運行時，鐵芯必須有一點接地，否則懸浮電位產生間歇性擊穿放電會損傷鐵芯絕緣。

  但鐵芯出現兩點以上接地時，不均勻電位會在接地點回路中形成環流，造成鐵芯局部過熱，嚴重時局部溫升增加出現燒熔，進一步形成鐵芯疊片之間的短路故障，使鐵損變大，嚴重影響變壓器性能和正常工作。因此，鐵芯不允許存在多點接地情況。

2.2.  鐵芯接地故障原因

  統計資料和運行經驗表明，可能造成鐵芯接地故障的因素有以下幾點：

(1) 變壓器內部雜質影響。制造過程中內部殘留的導電性懸浮物、油路中因軸承磨損引入的金屬粉末、加工時殘留的金屬焊渣，這些導電懸浮物在油流作用下，往往被堆積到儀器，使鐵芯與箱壁之間短接，造成多點接地。

(2) 結構件與鐵芯非正常接觸，如上夾件碰油箱、夾件小托板碰鐵芯、穿心螺桿剛座套碰鐵芯、鋼墊腳與鐵芯之間的絕緣破損或受潮等。

(3) 工藝不良，導致的結構變形。如鐵芯本體易位變形、外部壓緊件變形翹曲等因素均可能導致多點接地故障。

2.3.  鐵芯接地電流理論分析

  變壓器鐵芯一點接地時，電流主要為電容電流。運行時，由于繞組上存在運行電壓、鐵芯接地，兩者之間的絕緣介質中會流過一定電流。此電流為鐵芯接地電流的主要來源。由于最靠近鐵芯的一般是低

壓繞組，其電壓對鐵芯接地電流貢獻最大，因此可根據低壓繞組的運行電壓和低壓繞組對地電容來初步

估算單相變壓器的鐵芯接地電流大小。

  但對于三相一體的變壓器而言，由于三相運行電壓互成角度，矢量和接近于零。此時，鐵芯接地電流主要來源于三相電壓不對稱分量和三相電壓中存在的諧波。由于三相電壓不對稱分量通常較小，此時電壓諧波對接地電流的貢獻凸顯出來。分析可知，在三相一體變壓器結構的鐵芯接地回路中，大多數三相基波電壓疊加歸零，其歸零程度取決于基波電壓激勵下三相繞組與鐵芯間等效電容的對稱程度；三相諧波電壓疊加被放大，將導致鐵芯接地電流中含有豐富的諧波分量。基波下和 3 次諧波下鐵芯接地電流等效電路分析模型如圖 2 所示。高次諧波也可類似分析。

  變壓器鐵芯存在多點接地時，兩個接地點之間構成了閉合回路。接地點發生在不同部位時，閉合回路中或多或少會交鏈部分主磁通或漏磁通，在回路中產生感應環流。此時的接地電流主要為電磁感應產生的電勢在鐵芯硅鋼片薄膜電阻和金屬導體電阻上產生的電流。與單點接地類似，若變壓器為三相一體結構，則此時接地電流中基波分量大多數仍被疊加歸零、3 次諧波仍被放大；若變壓器為單相結構，則接地電流中仍將以基波分量為主。