變電站主變鐵芯多點接地故障分析與處理
變電站主變鐵芯多點接地故障分析與處理。
1 鐵芯接地故障狀況
預(yù)防性試驗結(jié)果為：
(1) 測量繞組連同套管的絕緣電阻、介損試驗和泄漏電流試驗均合格；
(2) 繞組直流電阻測量：最大相間不平衡系數(shù)高壓側(cè)為0.86%，中壓側(cè)為0.91%，低壓側(cè)為0.81%，測試結(jié)果合格；
(3) 絕緣油試驗合格；
(4) 測量鐵芯對地絕緣電阻：采用型號為5000 V的兆歐表測得鐵芯對地絕緣電阻為0MΩ，用萬用表測量為0.37MΩ。
2 鐵芯的接地方式
鐵芯是由許多層硅鋼片疊積而成，片間有一層很薄的絕緣膜，因此鐵芯不是一塊實體的金屬良導(dǎo)體，加之磁通在鐵芯內(nèi)部的分布以及漏磁通在外部的分布都不是絕對均勻的，其周圍的電場強度又各不相同，因此鐵芯兩側(cè)的電位不同。為避免變壓器存在懸浮電位，鐵芯及其夾件、墊腳既要與鐵芯一起接地又要與鐵芯絕緣。
鐵芯接地方式如圖1所示。圖1中(a)是一種最簡單的接地方式，在油箱內(nèi)部完成，在同一側(cè)的上軛和下軛插入接地銅帶，上軛接地片與上夾件相接，下軛接地片與下夾件相接再與墊腳相接而接地，上夾件是通過鐵芯而接地的。這種方式多用于中等容量或較小容量的變壓器。圖1中(b)是鐵芯接地片與上夾件連結(jié)，然后經(jīng)套管引出油箱外部再接地，下夾件與墊腳經(jīng)箱底接地，鐵芯與油箱間是絕緣的，這種結(jié)構(gòu)的上夾件不能與油箱接觸。圖1中(c)和(d)均用于鐵芯總厚度很大的大型變壓器，這種變壓器往往在疊片組中每隔一定厚度放置一層油隙，以改進散熱性能，或每隔一定厚度墊一層絕緣紙以降低渦流損耗。這時鐵芯被隔開成若干組，切斷了電容接地的路徑。為求得電位的盡可能均勻，要把各個被隔開的片組用∩形銅帶串聯(lián)起來。如鐵芯厚度很大時，采用(d)方式，即由中央部分接地，可使電位更均勻些。
圖1 變壓器鐵芯接地方式
3 鐵芯正常時必須一點接地的原因
在變壓器正常運行中，帶電繞組及引線與油箱間構(gòu)成的電場為不均勻電場，鐵芯和其它金屬構(gòu)件就處于該電場中。圖2示出了變壓器鐵芯不接地時的斷面示意。由圖2可見，高壓繞組與低壓繞組之間、低壓繞組與鐵芯之間、鐵芯與大地(變壓器油箱)之間都存在著寄生電容，帶電繞組將通過寄生電容的耦合作用使鐵芯對地產(chǎn)生一定的電位，通常稱為懸浮電位。由于鐵芯及其它金屬構(gòu)件所處的位置不同，具有的懸浮電位也不同，當兩點之間的電位差達到能夠擊穿其間的絕緣時，便產(chǎn)生火花放電，這種放電是斷續(xù)的，放電后兩點電位相同，但放電立即停止，然后再產(chǎn)生電位差，再放電……。斷續(xù)放電的結(jié)果使變壓器油分解，長期下去，逐漸使變壓器固體絕緣損壞，導(dǎo)致事故發(fā)生。為避免上述情況發(fā)生，國標規(guī)定，變壓器鐵芯和較大金屬零件均應(yīng)通過油箱可靠接地，20 000 kVA及以上的變壓器，其鐵芯應(yīng)通過套管從油箱上部引出并可靠接地。具體做法是將變壓器鐵芯與變電站的接地系統(tǒng)可靠連接。這樣，鐵芯與大地之間的寄生電容被短接，使鐵芯處于零電位，這時在地線中流過的只是帶電繞組對鐵芯的寄生電容電流。對三相變壓器來說，由于三相結(jié)構(gòu)基本對稱，三相電壓對稱，所以三相繞組對鐵芯的電容電流之和幾乎等于0。
圖2 寄生電容分布
鐵芯兩點接地時的電壓如圖3所示。鐵芯在額定激磁電壓下，測量鐵芯兩端片間電壓時，發(fā)現(xiàn)兩端片間有電位差存在。這個電位差是由于鐵芯、電壓表及導(dǎo)線所構(gòu)成的回路與鐵芯內(nèi)磁通相交鏈而產(chǎn)生的。因為交鏈的磁通量相當于總磁通的1/2，所以這個電壓的數(shù)值大體相當于匝間電壓的1/2。顯然，當鐵芯或其它金屬構(gòu)件有兩點或兩點以上接地時，則接地點間就會形成閉合回路，造成環(huán)流，有時高達數(shù)10 A。該電流會引起局部過熱，導(dǎo)致油分解，產(chǎn)生可燃氣體，還可能使接地片熔斷，或燒壞鐵芯，導(dǎo)致鐵芯電位懸浮，產(chǎn)生放電，使變壓器不能繼續(xù)運行。因此，鐵芯必須接地，而且必須是一點接地。
圖3 鐵芯兩點接地時的電壓
4 鐵芯多點接地故障的分析及處理
現(xiàn)場測試值表明：各項電氣絕緣試驗結(jié)果和高中低壓繞組的直流電阻結(jié)果都正常。解開鐵芯外引接地線，檢查鐵芯對地絕緣，接地電阻為0MΩ。用萬用表測量僅為0.37MΩ。又結(jié)合近幾次取樣結(jié)果，進行油中溶解氣體的分析判斷，結(jié)果表明油色譜監(jiān)測結(jié)果正常。
為此，拓普電氣初步分析認為主變鐵芯對地存在間隙性的接地故障，該故障是由于懸浮物在電磁場作用下形成的導(dǎo)電小橋造成的。因為潛油泵軸承磨損，金屬粉末進入油箱中，堆積在底部，在電磁引力作用下形成橋路，會使鐵軛與墊腳或箱底接通，造成多點接地；鐵芯絕緣受潮或損傷，箱底沉積油泥及水分，絕緣電阻下降，夾件、墊鐵、鐵盒絕緣(紙板或木塊)受潮或損壞等，會導(dǎo)致鐵芯高阻多點接地。
對這種情況，可采用電容沖擊放電法來進行排除。圖4為電容充放電電路，使用時首先合雙向開關(guān)K到1側(cè)，用直流高壓發(fā)生器對電容C充電，充電后快速把開關(guān)K合到2側(cè)，對變壓器故障點放電。對1號主變實施了第一次沖擊，有間歇地反復(fù)進行了7次沖擊后，測試鐵芯對地絕緣電阻為550MΩ，鐵芯接地故障得到了消除。
信息整理：揚州拓普電氣科技有限公司
1 鐵芯接地故障狀況
預(yù)防性試驗結(jié)果為：
(1) 測量繞組連同套管的絕緣電阻、介損試驗和泄漏電流試驗均合格；
(2) 繞組直流電阻測量：最大相間不平衡系數(shù)高壓側(cè)為0.86%，中壓側(cè)為0.91%，低壓側(cè)為0.81%，測試結(jié)果合格；
(3) 絕緣油試驗合格；
(4) 測量鐵芯對地絕緣電阻：采用型號為5000 V的兆歐表測得鐵芯對地絕緣電阻為0MΩ，用萬用表測量為0.37MΩ。
2 鐵芯的接地方式
鐵芯是由許多層硅鋼片疊積而成，片間有一層很薄的絕緣膜，因此鐵芯不是一塊實體的金屬良導(dǎo)體，加之磁通在鐵芯內(nèi)部的分布以及漏磁通在外部的分布都不是絕對均勻的，其周圍的電場強度又各不相同，因此鐵芯兩側(cè)的電位不同。為避免變壓器存在懸浮電位，鐵芯及其夾件、墊腳既要與鐵芯一起接地又要與鐵芯絕緣。
鐵芯接地方式如圖1所示。圖1中(a)是一種最簡單的接地方式，在油箱內(nèi)部完成，在同一側(cè)的上軛和下軛插入接地銅帶，上軛接地片與上夾件相接，下軛接地片與下夾件相接再與墊腳相接而接地，上夾件是通過鐵芯而接地的。這種方式多用于中等容量或較小容量的變壓器。圖1中(b)是鐵芯接地片與上夾件連結(jié)，然后經(jīng)套管引出油箱外部再接地，下夾件與墊腳經(jīng)箱底接地，鐵芯與油箱間是絕緣的，這種結(jié)構(gòu)的上夾件不能與油箱接觸。圖1中(c)和(d)均用于鐵芯總厚度很大的大型變壓器，這種變壓器往往在疊片組中每隔一定厚度放置一層油隙，以改進散熱性能，或每隔一定厚度墊一層絕緣紙以降低渦流損耗。這時鐵芯被隔開成若干組，切斷了電容接地的路徑。為求得電位的盡可能均勻，要把各個被隔開的片組用∩形銅帶串聯(lián)起來。如鐵芯厚度很大時，采用(d)方式，即由中央部分接地，可使電位更均勻些。
圖1 變壓器鐵芯接地方式
3 鐵芯正常時必須一點接地的原因
在變壓器正常運行中，帶電繞組及引線與油箱間構(gòu)成的電場為不均勻電場，鐵芯和其它金屬構(gòu)件就處于該電場中。圖2示出了變壓器鐵芯不接地時的斷面示意。由圖2可見，高壓繞組與低壓繞組之間、低壓繞組與鐵芯之間、鐵芯與大地(變壓器油箱)之間都存在著寄生電容，帶電繞組將通過寄生電容的耦合作用使鐵芯對地產(chǎn)生一定的電位，通常稱為懸浮電位。由于鐵芯及其它金屬構(gòu)件所處的位置不同，具有的懸浮電位也不同，當兩點之間的電位差達到能夠擊穿其間的絕緣時，便產(chǎn)生火花放電，這種放電是斷續(xù)的，放電后兩點電位相同，但放電立即停止，然后再產(chǎn)生電位差，再放電……。斷續(xù)放電的結(jié)果使變壓器油分解，長期下去，逐漸使變壓器固體絕緣損壞，導(dǎo)致事故發(fā)生。為避免上述情況發(fā)生，國標規(guī)定，變壓器鐵芯和較大金屬零件均應(yīng)通過油箱可靠接地，20 000 kVA及以上的變壓器，其鐵芯應(yīng)通過套管從油箱上部引出并可靠接地。具體做法是將變壓器鐵芯與變電站的接地系統(tǒng)可靠連接。這樣，鐵芯與大地之間的寄生電容被短接，使鐵芯處于零電位，這時在地線中流過的只是帶電繞組對鐵芯的寄生電容電流。對三相變壓器來說，由于三相結(jié)構(gòu)基本對稱，三相電壓對稱，所以三相繞組對鐵芯的電容電流之和幾乎等于0。
圖2 寄生電容分布
鐵芯兩點接地時的電壓如圖3所示。鐵芯在額定激磁電壓下，測量鐵芯兩端片間電壓時，發(fā)現(xiàn)兩端片間有電位差存在。這個電位差是由于鐵芯、電壓表及導(dǎo)線所構(gòu)成的回路與鐵芯內(nèi)磁通相交鏈而產(chǎn)生的。因為交鏈的磁通量相當于總磁通的1/2，所以這個電壓的數(shù)值大體相當于匝間電壓的1/2。顯然，當鐵芯或其它金屬構(gòu)件有兩點或兩點以上接地時，則接地點間就會形成閉合回路，造成環(huán)流，有時高達數(shù)10 A。該電流會引起局部過熱，導(dǎo)致油分解，產(chǎn)生可燃氣體，還可能使接地片熔斷，或燒壞鐵芯，導(dǎo)致鐵芯電位懸浮，產(chǎn)生放電，使變壓器不能繼續(xù)運行。因此，鐵芯必須接地，而且必須是一點接地。
圖3 鐵芯兩點接地時的電壓
4 鐵芯多點接地故障的分析及處理
現(xiàn)場測試值表明：各項電氣絕緣試驗結(jié)果和高中低壓繞組的直流電阻結(jié)果都正常。解開鐵芯外引接地線，檢查鐵芯對地絕緣，接地電阻為0MΩ。用萬用表測量僅為0.37MΩ。又結(jié)合近幾次取樣結(jié)果，進行油中溶解氣體的分析判斷，結(jié)果表明油色譜監(jiān)測結(jié)果正常。
為此，拓普電氣初步分析認為主變鐵芯對地存在間隙性的接地故障，該故障是由于懸浮物在電磁場作用下形成的導(dǎo)電小橋造成的。因為潛油泵軸承磨損，金屬粉末進入油箱中，堆積在底部，在電磁引力作用下形成橋路，會使鐵軛與墊腳或箱底接通，造成多點接地；鐵芯絕緣受潮或損傷，箱底沉積油泥及水分，絕緣電阻下降，夾件、墊鐵、鐵盒絕緣(紙板或木塊)受潮或損壞等，會導(dǎo)致鐵芯高阻多點接地。
對這種情況，可采用電容沖擊放電法來進行排除。圖4為電容充放電電路，使用時首先合雙向開關(guān)K到1側(cè)，用直流高壓發(fā)生器對電容C充電，充電后快速把開關(guān)K合到2側(cè)，對變壓器故障點放電。對1號主變實施了第一次沖擊，有間歇地反復(fù)進行了7次沖擊后，測試鐵芯對地絕緣電阻為550MΩ，鐵芯接地故障得到了消除。
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