提高500 kV油浸式變壓器鐵芯及夾件接地電流測(cè)量精度的方法

董 小 強(qiáng)， 李 超

(雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

在水電站諸多設(shè)備中，主變壓器是除發(fā)電機(jī)組外的重要電氣設(shè)備，變壓器鐵芯及夾件發(fā)生故障，直接影響到變壓器甚至整個(gè)水電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。變壓器正常運(yùn)行時(shí)，鐵芯及固定部件、繞組的金屬結(jié)構(gòu)部件等，均處在強(qiáng)電場(chǎng)中，在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，容易產(chǎn)生對(duì)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(diǎn)接地，以防止鐵芯及夾件多點(diǎn)接地故障時(shí)產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致局部鐵芯過(guò)熱，鐵芯局部過(guò)熱而導(dǎo)致絕緣油分解，造成輕瓦斯動(dòng)作甚至重瓦斯動(dòng)作跳閘，更有甚者，會(huì)造成主變嚴(yán)重?fù)p壞。為了掌握變壓器鐵芯、夾件運(yùn)行情況及降低鐵芯及夾件多點(diǎn)接地故障發(fā)生率，我們需要對(duì)變壓器的鐵芯及夾件接地情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。

1 變壓器常見(jiàn)的監(jiān)測(cè)方法

由于監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)對(duì)變壓器長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)積累，變壓器鐵芯及夾件運(yùn)行情況主要可以通過(guò)以下三種監(jiān)測(cè)手段來(lái)分析判斷：

1.1 變壓器絕緣油分解氣體監(jiān)測(cè)

對(duì)于500 kV油浸式變壓器來(lái)說(shuō)，通過(guò)監(jiān)測(cè)變壓器運(yùn)行絕緣油中氣體含量是否超標(biāo)及氣體產(chǎn)生速率來(lái)判斷變壓器內(nèi)部故障，根據(jù)《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)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(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，500 kV變壓器運(yùn)行中設(shè)備油中氣體含量注意值見(jiàn)表1：

可以通過(guò)取油樣進(jìn)行氣體分析或者采用油色譜在線監(jiān)測(cè)手段來(lái)分析變壓器絕緣油氣相色譜，還包括氣體產(chǎn)生速率，采用三比值等方法分析能夠判斷變壓器內(nèi)部故障，但通常很難判斷鐵芯及夾件多點(diǎn)接地故障。

1.2 變壓器鐵芯及夾件絕緣電阻測(cè)試

對(duì)于500 kV油浸式變壓器來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)解開(kāi)變壓器鐵芯及夾件接地連線，然后測(cè)量絕緣電阻，測(cè)量數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)判斷變壓器鐵芯及夾件多點(diǎn)接地故障。此監(jiān)測(cè)方法簡(jiǎn)單有效，但是需要變壓器停電才能實(shí)施，尤其是對(duì)大型變壓器來(lái)說(shuō)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(cè)試

對(duì)于500 kV油浸式變壓器來(lái)說(shuō)，還可以通過(guò)測(cè)量變壓器鐵芯及夾件接地電流來(lái)分析判斷，規(guī)范《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 596-1996)中表5變壓器關(guān)于鐵芯絕緣電阻要求：“運(yùn)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(fā)生故障時(shí)會(huì)增大甚至可能達(dá)到數(shù)十安培級(jí)別。因此，測(cè)量變壓器鐵芯及夾件接地電流，通過(guò)電流大小及與歷史數(shù)據(jù)對(duì)比可以判斷變壓器鐵芯及夾件運(yùn)行故障情況，此方法簡(jiǎn)單直接有效。

當(dāng)然變壓器鐵芯及夾件運(yùn)行監(jiān)測(cè)還可以輔助變壓器熱點(diǎn)監(jiān)測(cè)及局部放電測(cè)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(jù)磁場(chǎng)畢奧-薩伐爾定律可以在其它因素不變的情況下，某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度與距離的平方成反比。變壓器本身就是一個(gè)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(cè)量變壓器鐵芯及夾件接地電流時(shí)，常規(guī)手持鉗形電流表會(huì)受到磁場(chǎng)干擾而測(cè)不準(zhǔn)。

2 提高變壓器鐵芯及夾件接地電流監(jiān)測(cè)精度的方法

綜合以上分析，變壓器鐵芯及夾件接地運(yùn)行情況各種監(jiān)測(cè)手段各有所長(zhǎng)，但都有一定局限性。本文就針對(duì)變壓器鐵芯及夾件接地電流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問(wèn)題，如何提高測(cè)量精度，擬采取如下措施：

2.1 采用霍爾感應(yīng)原理測(cè)量接地電流

根據(jù)霍爾電流傳感器工作原理可知，開(kāi)環(huán)的霍爾電流傳感器采用的是霍爾直放式原理，閉環(huán)的霍爾電流傳感器采用的是磁平衡原理。所以，閉環(huán)式在響應(yīng)時(shí)間跟精度上要比開(kāi)環(huán)式好。開(kāi)環(huán)和閉環(huán)都可以監(jiān)測(cè)交流電，一般開(kāi)環(huán)式適用于大電流監(jiān)測(cè)，閉環(huán)式適用于小電流監(jiān)測(cè)見(jiàn)圖1。

圖1 常見(jiàn)霍爾感應(yīng)原理示意圖

此方法相對(duì)于傳統(tǒng)手持鉗形電流表，可以有效提高接地電流測(cè)量精度，但是方法需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)傳感器，成本相對(duì)較高，不具有普遍性。

2.2 采用羅氏線圈測(cè)量接地電流

羅氏線圈是一種常見(jiàn)交流電流測(cè)量傳感器，直接套在變壓器鐵芯及夾件接地導(dǎo)體上，根據(jù)電磁感應(yīng)及安培環(huán)路定理，羅氏線圈輸出感應(yīng)電壓與一次電流變化率成正比，通過(guò)微積分的逆運(yùn)算可以將輸出電壓還原為輸入電流成正比的電壓信號(hào)，通過(guò)此信號(hào)測(cè)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(cè)量原理示意圖

此方法相對(duì)于普通電流互感器，由于羅氏線圈沒(méi)有鐵芯，不存在飽和問(wèn)題，可用于變化大的電流測(cè)量，也適合故障情況下鐵芯及夾件接地電流測(cè)量，但感應(yīng)電壓信號(hào)相對(duì)電流互感器較弱，非常容易受外部雜散磁場(chǎng)干擾，因此，提高測(cè)量精度，可以考慮采用加強(qiáng)磁屏蔽或?yàn)V波的測(cè)量裝置，如采用金屬纖維混紡布料屏蔽測(cè)量裝置或者配套使用優(yōu)先數(shù)字量輸出積分器即可。

2.3 采用雙電流互感器測(cè)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(fā)生故障時(shí)，會(huì)增大甚至可達(dá)到數(shù)十安培級(jí)別，一般電流互感器很難準(zhǔn)確測(cè)量正常和故障時(shí)電流，因此，必須選用既能測(cè)量毫安級(jí)別電流也能測(cè)量安培級(jí)別電流的互感器才能提高測(cè)量精度。為此，采用雙電流互感器，一個(gè)測(cè)量小電流，一個(gè)測(cè)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(cè)量原理示意圖

為減少磁場(chǎng)的影響，通過(guò)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(lèi)似材料來(lái)屏蔽測(cè)量裝置，以提高測(cè)量精度。

3 結(jié) 語(yǔ)

在智能水電站快速發(fā)展的今天，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的推廣應(yīng)用，在傳統(tǒng)水電站機(jī)電設(shè)備運(yùn)營(yíng)管理基礎(chǔ)上，引入智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估、趨勢(shì)分析及檢修維護(hù)輔助決策等，解放人員勞動(dòng)力，提高設(shè)備可靠性，提高經(jīng)濟(jì)效益，成為水電站的發(fā)展趨勢(shì)。本文通過(guò)對(duì)500 kV油浸式變壓器鐵芯及夾件接地電流測(cè)量原理、方法及如何提高測(cè)量精度進(jìn)行了分析，對(duì)比各種測(cè)量方式的優(yōu)缺點(diǎn)，從而改進(jìn)相對(duì)于手持鉗形表測(cè)量的方法，以提高接地電流測(cè)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(dāng)然，提高變壓器鐵芯及夾件接地電流測(cè)量精度的方法還有很多，如人工測(cè)量加強(qiáng)測(cè)量?jī)x器保管和維護(hù)，也可以延長(zhǎng)儀器使用時(shí)間，從而提高測(cè)量精度等等。隨著技術(shù)的不斷提高，尤其是智能水電站的發(fā)展，各種智能監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)運(yùn)而生，堅(jiān)信變壓器鐵芯及夾件接地電流高精度的測(cè)量方法會(huì)越來(lái)越多，越來(lái)越好。