帶外殼后干式變壓器外殼內(nèi)部接地電纜的選型分析

郭峰

摘要：電氣接地故障是電力系統(tǒng)中最常見的一種電氣故障，系統(tǒng)短路時(shí)由于電氣設(shè)備的可接觸金屬外殼會帶故障電壓，為了確保故障電壓不會造成人身傷害，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中要求對電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分必須進(jìn)行有效接地以確保該故障電壓能降低至安全電壓以下。對于干式變壓器來說，由于其繞組和電氣接線端子均是裸露在外的，因此國家規(guī)范中均要求在大部分應(yīng)用場合其需要帶防護(hù)外殼，防護(hù)外殼起到了應(yīng)用現(xiàn)場電氣柵欄的作用。目前，大部分的變壓器外殼均采用鋼板結(jié)構(gòu)拼裝，為了防止環(huán)境腐蝕，鋼板外殼均會噴一定厚度的漆或做其他表面處理，且環(huán)境越是嚴(yán)酷的地方，鋼板表面的噴漆厚度越大，按照ISO要求，C4應(yīng)用環(huán)境下的外殼噴漆將達(dá)到280μm以上，這種情況下，外殼面板間因?yàn)槭锹菟ㄟB接的，其接觸面的接觸電阻就會變得很大，從而影響整個(gè)外殼的接地電阻。此外，由于變壓器外殼是通過多塊鋼板拼接起來的，如果某兩塊面板間的接觸電阻過大，在變壓器出現(xiàn)接地故障時(shí)兩塊面板上可能會產(chǎn)生超過安全電壓的故障電壓，威脅人身安全

關(guān)鍵詞：干式變壓器;外殼;內(nèi)部接地;電纜;

引言

為限制變壓器中性點(diǎn)不接地運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的過電壓，變壓器中性點(diǎn)通常裝設(shè)放電間隙。當(dāng)變壓器相鄰線路發(fā)生不對稱接地故障，同時(shí)變壓器低壓側(cè)含分布式風(fēng)電接入，風(fēng)電機(jī)組故障特性會影響線路繼電保護(hù)的動作性能。若保護(hù)不能及時(shí)斷開故障線路，分布式電源持續(xù)提供短路電流，可能引起變壓器中性點(diǎn)電壓升高，進(jìn)而擊穿間隙，改變系統(tǒng)零序回路。距離保護(hù)具有靈敏度高、動作情況受電網(wǎng)運(yùn)行方式變化影響小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于線路保護(hù)中，其中接地距離保護(hù)受零序回路影響較大，間隙擊穿可能影響其動作特性。

1干式變壓器防護(hù)外殼結(jié)構(gòu)

干式變壓器外殼可采用不銹鋼、鋁合金、鋼板等材質(zhì)，考慮到成本和機(jī)械強(qiáng)度的問題，大部分情況下，干式變壓器均采用鋼板噴漆結(jié)構(gòu)，根據(jù)外殼尺寸的大小不同，鋼板厚度可采用1.0mm、1.5mm或2.0mm，鋼板表面做噴漆或靜電噴粉處理，使得外殼有足夠的防腐能力，以適應(yīng)變壓器的使用環(huán)境。

2接地故障分析

對于中性點(diǎn)不接地的配電系統(tǒng)，發(fā)生單相接地故障時(shí)有以下特點(diǎn)：接在同一電源上的全系統(tǒng)都會出現(xiàn)零序電壓，接地線路與非接地線路都有零序電壓，無法進(jìn)行區(qū)分;非接地線路的零序電流為本線路自身對地電容電流，容性無功功率方向由母線流向線路;接地線路的零序電流由全網(wǎng)絡(luò)非接地設(shè)備對地電容電流之和，容性無功方向由線路流向母線。對于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的配電系統(tǒng)，發(fā)生單相接地故障時(shí)有以下特點(diǎn)：一般采用過補(bǔ)償運(yùn)行，接地流過的是感性電流，接地線路與非接地線路容性無功方向均由母線流向線路;其余特點(diǎn)基本與不接地系統(tǒng)基本相同。

3外殼面板等電位連接分析

配電變壓器的高壓側(cè)均為35kV及以下系統(tǒng)，按照《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T50064—2014）中關(guān)于中性點(diǎn)接地的要求，35kV以下系統(tǒng)為非有效接地系統(tǒng)，單相接地故障電流很小，因此，本文不考慮高壓側(cè)接地電流的影響。參照《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50054—2011）中的要求，低壓單相接地故障引起的設(shè)備外露可導(dǎo)電部分的接觸電壓不可以超過50V。出于此原因，規(guī)范中要求采取各種措施降低設(shè)備接地處的接地電阻，以實(shí)現(xiàn)在任意情況下設(shè)備的接地故障電壓不超過50V，從而確保人身安全，因此電氣設(shè)備廠商在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)必須確保設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分能夠有效接地。把變壓器外殼想象為一個(gè)變壓器室，參照規(guī)范要求，該變壓器室需設(shè)一個(gè)總接地端子，總接地端子通常位于外殼的底座上，采用M12的接地螺栓或螺栓座作為外殼和變壓器的PE端子，變壓器本體和外殼的接地端子分別通過黃綠電纜連接到底座接地端子上，由于外殼噴漆后的接觸電阻增大，外殼與變壓器的總接地端子之間電阻比較大，當(dāng)變壓器發(fā)生單相短路故障時(shí)，短路點(diǎn)與變壓器室的總接地端子之間的基礎(chǔ)電壓可能超過安全電壓，因此，每塊面板之間需要再做輔助等電位連接，使得面板之間形成有效電氣連接。因?yàn)榕潆娮兊耐鈿こ叽绮淮?，所以面板用接地電纜或銅編織帶連接后的電阻很小，可以認(rèn)為是一個(gè)等勢體，即人體的接觸電壓為零。

4干式變壓器常見故障

4.1聲音異常

聲音異常是干式變壓器運(yùn)行過程中的常見故障之一，隨著變壓器運(yùn)行時(shí)間增加和負(fù)荷逐步增大，變壓器難免超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致其在運(yùn)行過程中處于疲憊狀態(tài)，發(fā)出異常聲音。根據(jù)變壓器不同零件不同程度的受損情況，變壓器也會發(fā)出不同的聲音。以某電廠電力系統(tǒng)為例，維護(hù)人員在檢查變壓器運(yùn)行過程中聽見變壓器做功時(shí)出現(xiàn)了多種聲音狀態(tài)，說明變壓器出現(xiàn)了故障，維護(hù)人員應(yīng)首先判斷異常聲音部位，再根據(jù)異常聲音位置采取對應(yīng)的解決措施。

4.2磁路部分故障

變壓器的磁路發(fā)生故障，包括以下情況：鐵芯、夾件及鐵軛中的故障。以下原因會導(dǎo)致磁路故障：（1）變壓器在運(yùn)行過程中由于各種原因造成多點(diǎn)接地，會導(dǎo)致鐵芯發(fā)熱，甚至跳閘。（2）硅鋼片直接絕緣損壞、產(chǎn)生較大渦流，渦流產(chǎn)生的熱量不但會增加鐵損，而且會使得變壓器溫度過高。

5減少干式變壓器故障的措施

5.1完善檢查預(yù)防工作

在電力系統(tǒng)的運(yùn)行中，通過開展高效的檢查與預(yù)防工作，能夠有效地避免電力變壓器出現(xiàn)故障的幾率。這就需要工作人員在開展工作的時(shí)候，應(yīng)該嚴(yán)格地按照檢查標(biāo)準(zhǔn)，提升檢修效率，降低電力企業(yè)的損失，保障電力企業(yè)的健康穩(wěn)定運(yùn)行。在開展變壓器檢測的時(shí)候，工作人員應(yīng)該將變壓器的運(yùn)作狀態(tài)列為受檢目標(biāo)，保證變壓器在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定。通過進(jìn)行定期檢測，能夠?qū)ψ儔浩鞯姆€(wěn)定運(yùn)行提供保障，一旦在檢測過程中出現(xiàn)故障，必須要及時(shí)的與檢修部門進(jìn)行聯(lián)系，同時(shí)針對性開展修理工作。在開展完善的檢查與預(yù)防工作下，能夠?qū)崿F(xiàn)故障風(fēng)險(xiǎn)率的降低，實(shí)現(xiàn)變壓器使用效率的提升。

5.2定期檢修

因變壓器內(nèi)部問題造成的變壓器異常所占比例較大，因此應(yīng)強(qiáng)化對變壓器的定期檢修，并且找出其中潛在的問題，并及時(shí)修復(fù)，這能避免變壓器在運(yùn)行中突發(fā)故障，從而把人力、物力等方面的損失降到最低。具體的檢修如下：第一，關(guān)于絕緣吸收比和直流電阻數(shù)據(jù)的檢測。第二，變壓器繞組、套管介損參數(shù)檢測及避雷設(shè)備是否有效接地檢測，看其是否符合要求。伴隨時(shí)代的發(fā)展，當(dāng)前的監(jiān)控技術(shù)日益完善，其能對變壓器進(jìn)行全面監(jiān)控，如果產(chǎn)生異常的話，則能及時(shí)告知相關(guān)人員，最大限度保證了變壓器的正常運(yùn)行。

5.3提升檢修人員技術(shù)水平

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，電力變壓器的構(gòu)造也更加復(fù)雜，為了更好的提升故障檢修的水平，必須要打造高水平的檢修隊(duì)伍，通過提升檢修人員的技術(shù)水平，應(yīng)對各種復(fù)雜的變壓器故障。電力企業(yè)想要獲得更好的發(fā)展，必須要強(qiáng)化對技術(shù)人員的培訓(xùn)，通過定期的開展相應(yīng)的技能培訓(xùn)，保障變壓器檢修工作的效率。對于電力企業(yè)而言，檢修人員的素質(zhì)，直接影響著自身的運(yùn)行的穩(wěn)定性，而在進(jìn)行檢修人員培養(yǎng)的過程中，不僅需要進(jìn)行先進(jìn)檢修工藝的培訓(xùn)，同時(shí)需要增強(qiáng)工作人員的道德作用，嚴(yán)格的按照相關(guān)的規(guī)章制度開展工作。

5.4日常維護(hù)

日常維護(hù)在變壓器的運(yùn)行中必不可少，進(jìn)行科學(xué)的維護(hù)管理能有效減少變壓器的故障發(fā)生率，如灰塵、污垢等會影響變壓器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不利于變壓器絕緣層的運(yùn)作，需對其及時(shí)清理。同時(shí)，應(yīng)檢查變壓器中的分接開關(guān)功能，對電氣連接器進(jìn)行加固，提高機(jī)械轉(zhuǎn)動的準(zhǔn)確性，有效解決螺栓松動而產(chǎn)生的變壓器異常情況。另外，如果在油液冷卻系統(tǒng)中出現(xiàn)生銹、管道阻塞等問題，則會影響變壓器的安全運(yùn)行，所以應(yīng)做好相關(guān)檢查工作。

6 外殼面板連接電纜的選擇

按照中性點(diǎn)與PE線之間的關(guān)系，低壓系統(tǒng)可分為TN、TT和IT系統(tǒng)，其中，TT系統(tǒng)和IT系統(tǒng)發(fā)生單相短路故障的電流都不大，本文只以TN系統(tǒng)的單相短路故障電流為例做分析。IEC標(biāo)準(zhǔn)中不允許在變壓器室或發(fā)電機(jī)室內(nèi)將中性點(diǎn)直接接地，還規(guī)定自變壓器（發(fā)電機(jī)）中性點(diǎn)引出的PEN線必須絕緣，并且只能在低壓配電盤內(nèi)一點(diǎn)與接地的PE母排連接而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)接地，在這點(diǎn)以外不得再在其他處接地，不然中性線將通過不正規(guī)的并聯(lián)通路而返回電源。由于變壓器沒有PE排，只在底座處布置有PE端子，相排和PE端子間的距離較大，導(dǎo)致其相保阻抗很大，當(dāng)?shù)蛪汗衽c變壓器的連接是電纜時(shí)，相線和PE線布置在同一電纜保護(hù)物內(nèi)，或當(dāng)?shù)蛪汗衽c變壓器之間采用銅排連接時(shí)，低壓柜內(nèi)部的相排和PE排通常布置在同一個(gè)水平或垂直面上，兩種情況下，低壓柜內(nèi)的相線和PE線布置都很規(guī)律，所以低壓柜內(nèi)的相保阻抗很小。因此，當(dāng)變壓器外殼內(nèi)部短路時(shí)，變壓器PE端子和低壓柜間的連接電纜很短，兩個(gè)設(shè)備的PE連接處處于同一電位，此時(shí)，短路故障電流大部分將通過低壓柜內(nèi)的PE回流到電源處形成接地故障回路，變壓器外殼面板上通過的電流很小，因此，外殼間連接電纜僅用于傳遞電位，選型時(shí)僅考慮導(dǎo)體的機(jī)械強(qiáng)度即可。

結(jié)束語

本文所述外殼面板間的連接方式從實(shí)際應(yīng)用來看大大降低了外殼的整體接地電阻，生產(chǎn)上也方便操作，可以滿足外殼有效接地的要求。在其他規(guī)范如挪威船級社規(guī)范中要求，框架、面板之間的連接導(dǎo)體可接受即可，因此，在工程使用中，相關(guān)設(shè)計(jì)人員可根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的接地連接方式。但對于噴漆保護(hù)或采用接觸墊片實(shí)現(xiàn)接地的方式，由于破壞漆后可能導(dǎo)致外殼面板的生銹腐蝕，筆者在此不推薦。

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