500 kV變壓器鐵心接地引出線斷線故障分析

劉江明，孫正竹，艾云飛，林成理，孫林濤

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，杭州 311232；2.浙江省送變電工程公司，杭州 310016）

500 kV變壓器鐵心接地引出線斷線故障分析

劉江明1，孫正竹2，艾云飛1，林成理2，孫林濤1

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，杭州 311232；2.浙江省送變電工程公司，杭州 310016）

大型變壓器運行時鐵心夾件必須單點接地，當鐵心夾件引出接地線斷線后，會導致變壓器鐵心或夾件處于懸浮狀態(tài)，并在運行條件下產(chǎn)生一定的懸浮電壓，引起變壓器故障。同時在鐵心引出接地線斷開后會導致夾件接地電流增大，但小于正常狀態(tài)下的鐵心夾件電流之和。在常規(guī)停電例行試驗時鐵心夾件絕緣電阻試驗無法有效對鐵心夾件斷線進行判斷分析。以構(gòu)建鐵心夾件二端口間的模型分析為基礎(chǔ)，通過檢測變壓器鐵心夾件兩個端口的各電容量值，采用縱橫分析法對變壓器鐵心夾件的連接狀態(tài)進行更全面的判斷分析。同時結(jié)合實際故障案例的論證分析，指出當前相關(guān)標準規(guī)程中關(guān)于變壓器鐵心夾件試驗分析判斷的不足。

變壓器；鐵心夾件；接地電流；懸浮電壓；故障分析

0 引言

作為電網(wǎng)運行最核心的主設(shè)備，大型電力變壓器（500 kV，750 kV，1 000 kV電壓等級）是電網(wǎng)傳輸電能的樞紐，保證電力變壓器安全可靠運行是保障電力系統(tǒng)可靠運行的必備條件。變壓器故障的類型多種多樣，引起故障的原因也非常復雜，變壓器常見故障包括繞組故障、鐵心故障、分接開關(guān)故障、引線故障、絕緣故障和密封故障。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料表明，鐵心故障在變壓器故障中占比處于第二位，達21.7%，如表1所示。

電力變壓器在運行時，帶電的繞組及引線與油箱之間構(gòu)成不均勻強電場，鐵心以及固定鐵心的金屬結(jié)構(gòu)等零部件均處在該不均勻強電場中，高壓繞組、低壓繞組、鐵心、夾件、油箱之間存在寄生電容，如果鐵心不接地，則帶電繞組將通過寄生電容的耦合作用使鐵心對地產(chǎn)生一定的電位，即為懸浮電位。該懸浮電位的大小與變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，當懸浮電位達到能夠擊穿其絕緣間隙時，便會在鐵心與接地油箱之間產(chǎn)生局部斷續(xù)性微量放電現(xiàn)象，長期作用下會引起絕緣劣化，導致變壓器事故發(fā)生。因此國家標準規(guī)定，電力變壓器鐵心和金屬結(jié)構(gòu)部件必須可靠接地，對于500 kV電壓等級變壓器，則要求鐵心和夾件通過套管從油箱上部引出并可靠接地。

表1 變壓器各類故障統(tǒng)計

變壓器正常運行時鐵心要求單點接地，當出現(xiàn)多點接地時，則接地點之間構(gòu)成閉合回路，在鐵心內(nèi)部磁通交鏈下形成環(huán)流。該環(huán)流會引起局部過熱，導致變壓器油分解劣化，特征氣體含量超標，嚴重時會損壞鐵心，導致變壓器不能正常運行。

目前在變壓器停電例行試驗針對鐵心夾件的檢測項目中，只有鐵心夾件絕緣電阻試驗可以有效判斷鐵心夾件多點接地，但當變壓器鐵心或夾件內(nèi)部引出線脫落或斷線，則通過鐵心夾件套管引出部位的絕緣電阻試驗無法有效判斷鐵心夾件斷線狀態(tài)及其真實絕緣狀態(tài)。查閱相關(guān)文獻、技術(shù)資料、標準，如Q/GDW-2013《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修規(guī)程》等，對于在運的變壓器鐵心夾件電容量測試并無相關(guān)要求。

1 鐵心夾件二端口電容測試模型構(gòu)建

1.1 鐵心夾件正常引出模型分析

對于正常的主變壓器（以下簡稱主變），鐵心夾件需單獨引出并接地，從鐵心夾件的2個引出端口向主變內(nèi)部進行物理結(jié)構(gòu)分析并建立相關(guān)數(shù)學模型，如圖1所示。當主變內(nèi)部鐵心和夾件正常引出時，鐵心與夾件之間存在分布電容C1，鐵心與內(nèi)部其他結(jié)構(gòu)存在分布電容C2，夾件與其他結(jié)構(gòu)存在分布電容C3。

圖1 正常狀態(tài)下鐵心夾件端口處模型

鐵心夾件正常引出時，可以得出以下計算公式（以夾件為例，鐵心相關(guān)計算類似）：

式中：C夾-地為當鐵心引出不接地時外部可測的夾件對地電容；為鐵心引出接地時外部可測的夾件對地電容；C夾-鐵為夾件對鐵心電容。

對于正常的A，B，C三相主變，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電容分布趨勢較為一致，可有如下近似等效公式：

1.2 鐵心或夾件引出線（內(nèi)部）斷線模型分析

以鐵心為例進行分析，當鐵心接地內(nèi)部引出線脫落斷線時，外部鐵心套管處接地懸空，鐵心處于懸浮狀態(tài)；對于外部鐵心夾件引出部位絕緣試驗，所測鐵心絕緣實際為鐵心引出線部分對外殼之間的絕緣，該絕緣數(shù)據(jù)無法判斷鐵心夾件真實絕緣狀態(tài)，可以構(gòu)建如圖2所示的模型進行分析計算。

圖2 鐵心引出線斷線后鐵心夾件端口處模型

此時，鐵心外引線內(nèi)部斷開處至鐵心接地套管與夾件存在寄生電容C11，與主變內(nèi)部接地結(jié)構(gòu)存在寄生電容C21。構(gòu)建的模型中存在如下電容量關(guān)系式：

由于寄生電容C11和C21較小，導致當鐵心引出不接地時外部可測的夾件對地電容C夾-地與正常值比變化不大。當鐵心引出接地時外部可測的夾件對地電容和夾件對鐵心電容C夾-鐵與正常值對比則發(fā)生明顯變化。故采用綜合分析法通過比較C夾-地，和C夾-鐵電容量可以判斷鐵心夾件是否發(fā)生異常斷線。

1.3 鐵心或夾件多點接地模型

以鐵心為例進行分析，當變壓器內(nèi)部鐵心夾件發(fā)生多點接地時，例如鐵心內(nèi)部某部位靠接于夾件上（被短接，當與外殼靠接時則視被短接），則從鐵心夾件的2個引出端口向主變內(nèi)部進行物理結(jié)構(gòu)分析并建立相關(guān)數(shù)學模型，如圖3所示。

圖3 鐵心多點接地后鐵心夾件端口處模型

圖3中虛線表示鐵心內(nèi)部引出接于夾件上，由此可以得到如下計算公式：

1.4 鐵心斷線對夾件電流的影響分析與懸浮電位計算（以鐵心為例）

當變壓器鐵心內(nèi)部引出線脫落斷線后，鐵心處于懸浮狀態(tài)，在變壓器運行狀態(tài)下存在一定的懸浮電位，并可能存在斷續(xù)放電情況。在正常狀態(tài)下，變壓器內(nèi)部關(guān)系如圖4所示。

圖4 鐵心正常接地狀態(tài)下內(nèi)部模型

正常狀態(tài)下，由圖4可知I鐵-夾=0，三相平衡時，即可有IA鐵≈IB鐵≈IC鐵，IA夾≈IB夾≈IC夾。當鐵心處于懸浮狀態(tài)時，其內(nèi)部關(guān)系模型如圖5所示。

圖5 鐵心處于懸浮狀態(tài)下內(nèi)部模型

此時鐵心、夾件、高壓線圈、外殼接地間電容關(guān)系發(fā)生變化，I鐵-夾增大（不等于0），由圖5電流關(guān)系可得I夾和=I鐵-夾+I鐵，即外部檢測到的夾件接地電流增大。I鐵-夾增加的成分中容性電流較大，而阻性分量很小。由于鐵心與夾件、線圈等部分的電容相對減小，從而導致I鐵-夾＜I鐵（正常），由此可以分析得出：

通過上述分析可以說明：變壓器鐵心斷線運行時，在鐵心夾件接地電流監(jiān)測數(shù)據(jù)中，夾件電流相比正常相夾件電流大，但小于正常相鐵心夾件電流之和。

當鐵心處于懸浮狀態(tài)時，由I鐵=ωCU可得：

根據(jù)實際運行時的鐵心夾件接地電流，可以計算得出容性電流。

根據(jù)三相變壓器正常運行時鐵心夾件接地電流相平衡關(guān)系，I夾（鐵心正常接地）可由變壓器正常相的夾件接地電流監(jiān)測電流來進行估算。電容C1則可以由正常相的測試電容C夾-鐵按照鐵心夾件接地正常模型來進行估算，因此鐵心處于懸浮狀態(tài)時懸浮電壓為：

2 變壓器鐵心斷線案例監(jiān)測分析

某變電站3號主變在進行鐵心夾件接地電流檢測時，發(fā)現(xiàn)A相主變鐵心接地電流和B相、C相主變鐵心電流相比偏?。◣缀踅咏?），A相主變夾件接地電流和B相、C相主變夾件接地電流相比偏大。

2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)

2.1.1 變壓器鐵心夾件接地電流監(jiān)測數(shù)據(jù)

主變鐵心夾件接地電流監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示。

2.1.2 油色譜試驗數(shù)據(jù)

變壓器A相運行監(jiān)測的油色譜試驗數(shù)據(jù)如表3所示，各項特征氣體組分含量正常。

表2 主變鐵心夾件接地電流監(jiān)測數(shù)據(jù) mA

表3 變壓器A相油色譜試驗數(shù)據(jù) μL/L

2.1.3 鐵心夾件絕緣電阻試驗數(shù)據(jù)

對三相變壓器鐵心和夾件對地用絕緣電阻表1 000 V檔測量絕緣電阻，鐵心夾件絕緣電阻值符合相關(guān)標準要求，三相試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 鐵心和夾件對地絕緣測試 MΩ

2.1.4 鐵心夾件相關(guān)電容量測量

對三相鐵心和夾件相關(guān)電容量進行了測試，三相數(shù)據(jù)如表5所示。

2.2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.2.1 B相和C相鐵心夾件相關(guān)分析

從監(jiān)測的試驗數(shù)據(jù)中可以看出：B相、C相鐵心夾件電流基本一致，油色譜、鐵心夾件絕緣正常，在測試的鐵心夾件相關(guān)電容量關(guān)系中，存在CB夾-地≈CC夾-地，，CB夾-鐵≈CC夾-鐵關(guān)系，可判斷B相、C相鐵心夾件正常。

表5 介損tgδ及電容量測量

2.2.2 A相鐵心夾件相關(guān)數(shù)據(jù)分析

從監(jiān)測數(shù)據(jù)中可以看出，A相鐵心電流相比B相、C相很小，約等于0，同時鐵心夾件接地電流未見明顯異常變化趨勢，在三相鐵心夾件監(jiān)測數(shù)據(jù)中，存在 IB夾（IC夾）＜IA夾＜IB夾+鐵（IC夾+鐵）現(xiàn)象。

2.2.3 A相鐵心斷線異常鐵心懸浮電位求解

根據(jù)以上分析，A相鐵心內(nèi)部引出線脫落，鐵心處于懸浮狀態(tài)，在變壓器運行狀態(tài)下存在一定的懸浮電位。在監(jiān)測的夾件接地電流中存在IB夾（IC夾）＜IA夾＜IB夾+鐵（IC夾+鐵）現(xiàn)象，原因即為鐵心、夾件、高壓線圈、外殼接地間電容關(guān)系發(fā)生變化，導致夾件電流增大，但小于正常鐵心夾件電流之和。對于處于懸浮狀態(tài)的鐵心可以根據(jù)式（15），I夾（鐵心正常接地）取62 mA，C夾-鐵取47 710 pF，則A相鐵心懸浮電壓為：

在鐵心對地、鐵心對夾件絕緣均良好情況下，3號主變A相鐵心懸浮電壓（1 135 V）未引起導致主變油色譜特征氣體數(shù)據(jù)異常的放電情況。

3 A相主變鐵心夾件現(xiàn)場檢查處理

結(jié)合停電檢修對3號主變A相進行鐵心夾件現(xiàn)場檢查處理，打開鐵心夾件引出部位的檢修手孔，發(fā)現(xiàn)A相主變鐵心內(nèi)部引出線已脫落，引出線連接片平躺于鐵心上部，鐵心處于懸浮狀態(tài)。

檢查發(fā)現(xiàn)，鐵心引出線連接螺絲松動，原因可能是該部位在安裝時力矩不足，引出線端部設(shè)計存在缺陷，鐵心引出線在長期運行振動下，逐步從連接部位脫離?，F(xiàn)場檢查確認完畢后，對脫落的鐵心引出線采用力矩扳手（力矩60）進行緊固恢復?；謴秃?，對鐵心夾件進行絕緣電阻試驗，鐵心對地、夾件對地、鐵心對夾件絕緣電阻均大于10 000 Ω，符合要求。

4 結(jié)語

當前相關(guān)標準如Q/GDW 1168-2013《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》、GB 50150-2006《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標準》中，關(guān)于變壓器鐵心夾件檢測項目要求相對比較單一，未明確要求進行鐵心夾件電容量檢測，對于鐵心夾件真實狀態(tài)判斷存在不足之處。

對于變壓器鐵心內(nèi)部引出接地線脫落斷線后，由于鐵心夾件絕緣電阻試驗無法有效進行判斷分析，因此可通過檢測鐵心夾件2個端口的各種電容量，采用縱橫分析法可以更全面地判斷鐵心夾件的狀態(tài)。

[1]陳化鋼．電力設(shè)備異常運行及事故處理手冊[M]．北京：中國水利水電出版社，2009．

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（本文編輯：徐 晗）

Analysis on Grounding Lead Wire Breakage of 500 kV Transformer Core

LIU Jiangming1，SUN Zhengzhu2，AI Yunfei1，LIN Chengli2，SUN Lintao1
（1.State Grid Zhejiang Maintenance Branch Company，Hangzhou 311232，China；2.Zhejiang Electric Transmission and Transformation Engineering Corporation，Hangzhou 310016，China）

Core and clamp of large transformer must be grounded at one point when it is running.If the ground wire of core clamp breaks，the core or clamp may keep floating and generate certain floating voltage under the running condition，and hence results in transformer fault In the meantime，clamp grounding current may rise and it is less than the sum of the normal core and clamp current.In the routine outage test，the core and clamp insulation resistance test can not effectively judge the state of the core and clamp when it is broken.In this paper，based on the model of the core and clamp，the capacitance value of the core and clamp is measured，and the connection state of the transformer core and clamp is analyzed by using the vertical and horizontal analysis.Combined with the real fault case，the paper presents the shortages in analysis and judge of transformer core and clamp test in existing standards and procedures.

transformer；core and clamp；grounding current；floating voltage；fault analysis

TM407

B

1007-1881（2017）02-0038-05

2016-12-01

劉江明（1978），男，高級工程師，高級技師，主要從事高電壓試驗、研究和管理工作。