一起110 kV變壓器鐵心多點(diǎn)接地故障的跟蹤分析與現(xiàn)場(chǎng)處理

何金海，江 波，姚文吉，謝 彬，趙劍雄，胡心平

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司黃石供電公司，湖北 黃石 435000；2.華能玉環(huán)電廠，浙江 玉環(huán) 317600；3.江蘇磐泰智能科技有限公司，江蘇 南京 210017）

0 引言

變壓器鐵心多點(diǎn)接地故障是變壓器常見的故障之一［1-8］。在變壓器鐵心多點(diǎn)接地后便產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)電磁回路，根據(jù)接地點(diǎn)位置的不同，交鏈磁通也有所不同［9-15］，這導(dǎo)致了該接地回路內(nèi)電壓和電流的不同，電流較大時(shí)會(huì)發(fā)熱危及變壓器絕緣，需要將多點(diǎn)接地現(xiàn)象用試驗(yàn)方法加以診斷確認(rèn)，并采取合理措施消除。

本文針對(duì)一臺(tái)110 kV變壓器，從鐵心多點(diǎn)接地故障的發(fā)現(xiàn)、臨時(shí)限制鐵心多點(diǎn)接地電流、接地故障消除等多方面進(jìn)行探討分析，提出一套完整可行的解決方案，并成功實(shí)踐。［16-19］

1 鐵心多點(diǎn)接地危害及發(fā)現(xiàn)手段

變壓器在正常運(yùn)行中，帶電的繞組及引線與油箱間構(gòu)成的電場(chǎng)為不均勻電場(chǎng)，鐵心及其金屬部件都處于該電場(chǎng)中。由于靜電感應(yīng)的電位各不相同，使鐵心及其金屬部件具有的懸浮電位也不相同，當(dāng)兩點(diǎn)之間的電位差達(dá)到能夠擊穿其間的絕緣時(shí)，便產(chǎn)生火花放電。這種放電能夠使變壓器的油分解，并損壞固體絕緣。為了避免這種情況，對(duì)鐵心及其金屬部件都必須進(jìn)行可靠的接地。

鐵心必須一點(diǎn)接地。當(dāng)鐵心或其他金屬構(gòu)件有兩點(diǎn)或兩點(diǎn)以上接地時(shí)，接地點(diǎn)間就會(huì)形成閉合回路，形成環(huán)流，該電流有時(shí)可以高達(dá)數(shù)十安培，會(huì)引起局部過熱，導(dǎo)致油分解，還可能使接地片熔斷，燒壞鐵心，這些都是不允許的。因此，鐵心必須接地，而且必須一點(diǎn)接地。

變壓器鐵心多點(diǎn)接地故障可根據(jù)鐵心接地電流、變壓器油色譜試驗(yàn)以及鐵心絕緣電阻等試驗(yàn)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。根據(jù)《DL/T596-2021 電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》，變壓器鐵心接地電流檢測(cè)周期為1 個(gè)月，110 kV變壓器油色譜試驗(yàn)周期為1 a，變壓器鐵心絕緣電阻試驗(yàn)周期為3 a，因此運(yùn)行中的變壓器往往最先通過鐵心接地電流試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鐵心多點(diǎn)接地故障，再通過變壓器油色譜試驗(yàn)及鐵心絕緣電阻等試驗(yàn)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

2 故障的發(fā)現(xiàn)

該變壓器2001年3月底投入使用，型號(hào)為SZ9-10000/110，額定電壓為110±8×1.25%/10.5 kV，空載損耗為12.4 kW，負(fù)載損耗為45.7 kW，阻抗電壓為9.82%。

2.1 帶電檢測(cè)

2021年8月運(yùn)維人員對(duì)某變壓器進(jìn)行鐵心接地電流測(cè)試，發(fā)現(xiàn)鐵心接地電流達(dá)到5 A，遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)值（0.1 A），初步判斷鐵心多點(diǎn)接地。隨即通知試驗(yàn)人員對(duì)變壓器進(jìn)行取油分析，發(fā)現(xiàn)油色譜個(gè)別組分含量增長的現(xiàn)象，其測(cè)試結(jié)果見表1。

《DL/T 722—2014 變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》中規(guī)定：油中總烴＞150 μL/L 或H2＞150μL/L或C2H2＞5 μL/L 應(yīng)引起注意，假如變壓器特征氣體超標(biāo)，應(yīng)采用三比值法進(jìn)行故障分析［20-21］。該變壓器油色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)未發(fā)現(xiàn)乙炔，說明變壓器內(nèi)部沒有放電現(xiàn)象，但總烴超標(biāo)，且利用三比值法分析編碼為012，由此推斷，變壓器出現(xiàn)了溫度高于700 ℃的高溫過熱現(xiàn)象，進(jìn)一步佐證了變壓器存在鐵心多點(diǎn)接地故障。

2.2 停電檢查

2021 年8 月3 日對(duì)該變壓器進(jìn)行停電試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器鐵心對(duì)地絕緣電阻為零，進(jìn)一步驗(yàn)證了變壓器鐵心多點(diǎn)接地。

由于當(dāng)時(shí)正值迎峰度夏，出于運(yùn)行需要，變壓器不能長時(shí)間停運(yùn)，為了判斷變壓器能否繼續(xù)投入運(yùn)行，針對(duì)該變壓器開展了其余診斷性試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目包含直流電阻、繞組變形、繞組介損及電容量和變壓器局放試驗(yàn)。

變壓器繞組變形試驗(yàn)結(jié)果如圖1-圖2所示，由圖1-圖2可知變壓器高壓繞組低頻段和低壓繞組中頻段均出現(xiàn)三相不一致現(xiàn)象，說明變壓器內(nèi)部等效電容和電感參數(shù)發(fā)生改變，有可能變壓器繞組發(fā)生移位造成分布電容發(fā)生改變或者墊塊松動(dòng)造成內(nèi)部電感發(fā)生改變。

圖2 變壓器低壓繞組變形Fig.2 Transformer low voltage winding deformation

但是變壓器繞組介損及電容量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電容量數(shù)據(jù)在合格范圍內(nèi)，如表2所示，說明變壓器繞組未發(fā)生明顯變形，可能只是鐵心多點(diǎn)接地，同時(shí)墊塊松動(dòng)造成繞組內(nèi)部分布電感發(fā)生改變，導(dǎo)致變壓器頻率響應(yīng)特性發(fā)生變化。

表2 繞組介損及電容量試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Winding dielectric loss and capacitance test data

隨后對(duì)變壓器進(jìn)行局放試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示，局放量為303 pC（注意值為300 pC），未明顯超標(biāo)。

圖3 處理前局放Fig.3 Pre-processing PD

考慮到變壓器油色譜試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)乙炔，同時(shí)其余停電試驗(yàn)數(shù)據(jù)均在合格范圍內(nèi)，結(jié)合當(dāng)時(shí)正值迎峰度夏，根據(jù)運(yùn)行需要，該變壓器停電試驗(yàn)后恢復(fù)送電。

3 臨時(shí)處理措施

鑒于變壓器帶缺陷運(yùn)行，隨時(shí)可能擴(kuò)大故障范圍，造成嚴(yán)重后果，運(yùn)行單位隨后立即組織相關(guān)技術(shù)人員制定下一步檢修方案，考慮到暫時(shí)無法長時(shí)間停電檢修，故先采取現(xiàn)場(chǎng)帶電測(cè)試接地回路的電氣參數(shù)和采取臨時(shí)限流措施。

由于該變壓器運(yùn)行中無法及時(shí)查找及消除異常接地點(diǎn)，所以無法采用停電處理的辦法。鑒于鐵心是多點(diǎn)穩(wěn)定的接地，現(xiàn)場(chǎng)采用在合理位置打開接地引下線串入300 Ω電阻的辦法來抑制接地電流，通過該方法將接地電流限制到滿足規(guī)程要求的0.1 A以下，使變壓器發(fā)熱水平下降，有效抑制油中氣體含量的增長，避免絕緣缺陷使故障擴(kuò)大而帶來嚴(yán)重?fù)p失。同時(shí)定期對(duì)環(huán)流和串聯(lián)電阻電壓進(jìn)行測(cè)量，實(shí)際測(cè)量環(huán)流為37.5 mA，鐵芯對(duì)地電壓12 V，色譜分析正常，之后一直跟蹤監(jiān)視變壓器油色譜數(shù)據(jù)，油色譜數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 油色譜跟蹤數(shù)據(jù)（單位：μL/L）Table 3 Oil chromatography tracking data(Unit:μL/L)

4 缺陷處理

4.1 試用電容充放電法消除接地點(diǎn)

考慮到處理流程的合理性和高效性，先采取電容充放電法將可能存在的懸浮物在電場(chǎng)作用下形成的導(dǎo)電小橋或尖端毛刺消除。在對(duì)鐵心進(jìn)行沖擊試驗(yàn)后，接地現(xiàn)象仍未消除，鐵心對(duì)地的絕緣電阻值仍為0，說明該方法不適用于該變壓器鐵心多點(diǎn)接地的消除。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)吊罩處理

為了徹底解決主變鐵心多點(diǎn)接地問題，在負(fù)荷較小時(shí)對(duì)該主變進(jìn)行吊罩檢查，變壓器內(nèi)部整體如圖4所示。

圖4 吊罩后主變整體圖Fig.4 Overall view of main transformer after lifting the cover

檢查發(fā)現(xiàn)A 相線圈處夾件變形碰到鐵心上鐵軛，造成鐵心多點(diǎn)接地，如圖5所示。

圖5 夾件碰鐵心上鐵軛Fig.5 The clip touches the iron yoke on the iron core

因夾件變形，A、B相線圈處于自由狀態(tài)，頂壓絕緣塊已不起作用，如圖6所示。

圖6 A、B相線圈處于自由狀態(tài)Fig.6 Phase A and B coils in free state

4.3 故障處理方法

對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行分析后，采取了如下消除措施：

1）將夾件調(diào)平，消除鐵芯多點(diǎn)接地。

2）墊塊恢復(fù)，固定A、B相繞組。

3）對(duì)有裂紋的層壓木進(jìn)行更換。

檢修后的夾件與上鐵軛恢復(fù)正常，如圖7所示。

圖7 檢修后的鐵心與上鐵軛Fig.7 Iron core and upper iron yoke after overhaul

故障消除后進(jìn)行交接試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)均在合格范圍內(nèi)，其中鐵心對(duì)地絕緣電阻為14 000 MΩ，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)值。

繞組變形試驗(yàn)結(jié)果如圖8-圖9 所示，由圖可知變壓器高低壓繞組變形曲線完全重合，說明變壓器繞組變形故障已完全解決。

圖8 處理后高壓繞組變形圖Fig.8 Deformation diagram of high voltage winding after treatment

圖9 處理后低壓繞組變形圖Fig.9 Deformation diagram of low-voltage winding after treatment

隨后進(jìn)行變壓器局放試驗(yàn)，局放結(jié)果如圖10 所示，最大局放量為90.2 pC（注意值為300 pC），局放結(jié)果也說明問題已完全解決。

圖10 處理后局放Fig.10 PD after processing

5 結(jié)語

1）根據(jù)《DL/T596-2021 電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》，變壓器鐵心接地電流檢測(cè)周期為1 個(gè)月，注意值為100 mA。帶電檢測(cè)發(fā)現(xiàn)鐵心多點(diǎn)接地故障時(shí)，可采用氣相色譜法和監(jiān)視接地電流、電壓來跟蹤監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)明顯增大時(shí)，要立即申請(qǐng)停電試驗(yàn)，通過電容量變化率、繞組變形、局放試驗(yàn)等多種手段判斷故障嚴(yán)重程度。

2）對(duì)變壓器鐵心多點(diǎn)接地，可采取安裝限流電阻的方式作為臨時(shí)過渡措施，對(duì)接地電流抑制效果理想，可有效避免短時(shí)無法停電檢修而導(dǎo)致故障范圍擴(kuò)大。

3）為提高檢修效率，處理變壓器鐵心多點(diǎn)接地故障應(yīng)采取先易后難的措施，即先不吊罩，通過電容沖擊法等方法消除故障，若故障仍未消除，則再安排吊罩檢修。

4）變壓器受沖擊后，要注意及時(shí)對(duì)變壓器取油做色譜分析，并監(jiān)視鐵心接地電流，防止變壓器夾件受沖擊產(chǎn)生變形造成鐵心多點(diǎn)接地。對(duì)于金屬異物造成的鐵芯接地故障，進(jìn)行吊罩檢查，可以發(fā)現(xiàn)問題。