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接地电流检测技术

RUSERredactedonthenightofDecember17,2020

接地电流检测技术

第X章接地电流检测技术（冀北公司）

在电力系统中，接地是用来保护人身及电力、电子设备安全的重要措施。

通常我们将接地分为工作接地、系统接地、防雷接地、保护接地，用他们来保护不同的对象。

对于大型高压电气设备，如变压器、电力电缆、避雷器等设备因其内部结构设计或运行要求，也是通过接地来实现设备正常运行的要求，这几种接地形式从目的上来说是没有什么区别的，均是通过接地导体将过电压产生的过电流通过接地装置导入大地，从而实现保护的目的，而通过接地装置流入大地的电流会因设备运行状态的改变而发生改变，所以对于接地电流的测量可以直接或间接地反映设备运行状况。

接地电流测试方法简单，但是却因设备种类不同，测试数据反映的意义大不相同，因篇幅所限，本章只针对变压器铁心及电缆护层的接地电流测试进行介绍。

第一节变压器铁心接地电流检测技术

一、变压器铁心接地电流检测概述

变压器铁心是变压器内部传递、变换电磁能量的主要部件，正常运行的变压器铁心必须接地，并且只能一点接地，对变压器的事故统计分析表明，铁心事故在变压器总事故中已占到了第三位，其中大部分是铁心多点接地引起，经检查证实的240台变压器故障中46台是由于铁心多点接地问题造成的。

当铁心两点或多点接地时，在铁心内部会感应出环流，该电流可达数十甚至上百安培，会引起铁心局部过热，严重时会造成铁心局部烧损，还可能使接地片熔断，导致铁心电位悬浮，产生放电性故障，严重威胁到变压器的可靠运行。

目前，对于运行中变压器铁心多点接地故障的预防主要是通过对铁心接地电流的定期检测进行的，变压器铁心接地电流的检测对于变压器的安全运行具有非常重要的意义。

例如，某型号为SFPS-120000/220的变压器，油中溶解气体分析结果表明H2和总烃高，且气体增长速率与变压器运行负荷的关系不密切，测试铁心接地电流已达16A。

经停电检查发现，内部铁心接地连片过长而跨接铁心，将铁心短接近1/10，造成铁心多点接地，接地连片烧断3/4。

该隐患如未及时发现和消除，接地连片烧断后可能导致铁心失去地电位，从而造成严重的事故。

又如，某热电厂一台SSZ-120000/220变压器运行中检测铁心接地电流达500mA，超过规程规定的“不大于”的要求，为了确保变压器运行安全，不得不安排停电检修，进行铁心的绝缘试验，试验结果显示铁心绝缘良好，不存在多点接地，原铁心接地电流检测结果不准确，造成误停电，该台变压器的整个启停过程共经历3天时间，造成巨大经济损失。

目前，电力运行单位对于变压器铁心接地电流检测和监测的管理中，大都采取手持式钳形电流表进行检测以及加装铁心接地电流在线检测装置等方法，这些检测方法可以及时、便捷和较为准确的检测出变压器铁心的接地电流，除此之外，一些专用的铁心接地电流检测仪器和装置也越来越多的得到了推广和应用。

对运行中的变压器进行铁心接地电流的检测和监测，能够及时发现铁心多点接地引起的接地电流变化，是防范铁心多点接地故障的最直接、最有效的方法。

二、变压器铁心接地电流检测基本原理

变压器铁心接地基本知识

铁心

铁心是变压器的主要部件之一，它构成了变压器的主磁路。

变压器是依据电磁感应原理来工作的，一、二次绕组之间并没有电的直接联系，只有通过铁心形成磁的联系。

利用变压器铁心可获得强磁场，增强一、二次绕组间的电磁联系，减少励磁电流。

为了提高导磁系数和降低铁心涡流损耗，铁心用表面涂漆的硅钢片叠成。

电工硅钢片很薄，变压器上目前一般用厚度为～的硅钢片。

铁心是变压器内部电磁能量转换的媒介，把一次电路的电能转为磁能，又由此磁能转变为二次电路的电能。

在结构上，夹紧装置使铁心成为一个机械上完整的结构，而且在其上面套有带绝缘的绕组，支持着引线，并几乎安装了变压器内部的所有部件。

铁心的质量在变压器各部件中最大，在干式变压器中铁心的质量占总质量的50%左右；在油浸式变压器中，铁心所占质量的比例稍有下降，约为30%。

变压器的铁心（即磁导体）一般是框形闭合结构。

其中套绕组的部分称为心柱，不套绕组只起闭合磁路作用的部分称为铁轭。

现代铁心的心柱和铁轭在一个平面内，即为平面式铁心，新式的立体铁心呈三角形立体排列。

铁心的种类

铁心有两大基本结构形式，即壳式和心式。

它们的主要区别在于铁心与绕组的相对位置，即绕组被铁心包围时称为壳式；铁心被绕组包围时称为心式。

心式变压器的特点是绕组包围铁心，铁心处于器身内心，故称心式或内铁心，判断的标准是总有几个绕组的一边没有铁心或铁轭。

而壳式变压器的特点是铁心包围绕组，任何一个绕组的两边一定有铁心或铁轭，铁心像一个外壳包围着绕组，故称壳式变压器或外铁式变压器。

它主要用在家用视频电器或特大型变压器上，可拆成小件到现场组装成整体变压器。

一般情况下，壳式铁心是水平放置的，心式铁心是垂直放置的。

大容量的心式变压器由于运输高度所限，压缩了上下铁轭的高度，以增加旁轭的办法增加磁路，但是它们仍保留心式结构的特点，因此它们虽有包围绕组的旁轭，仍属于心式结构。

铁心的接地形式

变压器在运行中，铁心以及固定铁心的金属结构、零件、部件等，均处在强电场中，在电场作用下，它具有较高的对地电位。

如果铁心不接地，它与接地的部件、油箱等之间就会有电位差存在，在电位差的作用下，会产生断续的放电现象。

另外，在绕组的周围，具有较强的磁场，铁心和零部件都处在非均匀的磁场中，它们与绕组的距离各不相等，所以各零部件被感应出来的电动势大小也各不相等，彼此之间因而也存在着电位差。

铁心和金属构件上会产生悬浮电位差，电位差虽然不大，但也能击穿很小的绝缘间隙，因而也会引起持续性的微量放电，这些现象都是不允许的，而且要检查这些断续放电的部位，是非常困难的。

因此，必须将铁心以及固定铁心、绕组等的金属零部件，可靠地接地，使它们与油箱同处于地电位。

铁心是由许多层硅钢片叠积而成的，如果铁心有两点或两点以上接地，则铁心中磁通变化时就会在接地回路中有感应环流。

接地点越多，环流回路也越多。

这些环流将引起空载损耗增大，铁心温度升高。

当环流足够大时，将烧毁接地片产生故障。

所以铁心必须一点接地，可靠的一点接地叫做铁心的正常接地。

所谓铁心一点接地，只是指其磁导体而言，其夹紧件不受此限。

铁心片与夹紧件要绝缘的一个原因就是确保铁心一点接地。

为了防止产生较大的涡流，铁心的硅钢片相互之间是绝缘的，不可以将所有的硅钢片都接地，否则将造成较大的涡流而使铁心发热，通常铁心接地是将任意一片硅钢片接地即可。

这是因为硅钢片之间虽然绝缘，但其绝缘电阻数值是很小的，不均匀的强电场和磁场，在硅钢片中感应的高压电荷，可以通过硅钢片，从接地处流向大地，将铁心的任一片硅钢片接地，那么，整个铁心也就都接地了。

对于大容量的变压器，由于其铁心直径较大，为了减少涡流损耗，常采用绝缘纸或石棉绳将铁心硅钢片隔成几组，此时铁心的正常接地必须先用适当的金属导体，将各组硅钢片联接成一个整体，再将其引出箱体与箱盖上接地线套管接牢。

变压器铁心的接地形式

正常接地的具体做法

（1）大型变压器铁心一点接地的做法

对于大型变压器通常采用将铁心的任一片硅钢片进行接地。

铁心的硅钢片与上下夹件之间是用绝缘件隔开的，采用厚的铜片插入上铁轭的任意两硅钢片之间，而铜片另一端与夹件连接，再引到箱盖上与箱上的接地小套管连接，就构成了铁心的一点接地。

对于高电压大容量的变压器铁心除按上述做法做好一点接地，引出至箱盖小套管上，以便进行接地电流的检测外，还必须做好与接地有关部件之间的绝缘加强措施，能从外部检测铁心与夹件间的绝缘状况，具体的措施和做法如下所述。

1）高电压大容量的变压器铁心和夹件都要分别用套管引至油箱外接地，为同时确保夹件不出现两点或多点异常接地，应在垫脚与箱底之间加强绝缘措施。

2）在器身上部定位装置与油箱间同样要可靠的加强绝缘，使二者之间不能相碰，有一定绝缘间隙，否则二者相碰将造成铁心两点或多点接地。

（2）中小型变压器铁心一点接地的做法

由于中小型变压器器身和油箱之间距离较小，对于这类铁心的一点接地做法与大型变压器铁心略有不同，应在上下铁轭任两片硅钢片之间各插入一片铜片进行接地，并且要使二片铜片位置放的要对称，使之处于同电位，如插入位置不对称，可能产生电位差，造成部分硅钢片间形成局部短路，产生较大电流，引起铁心过热。

变压器铁心的多点接地

正常运行的变压器铁心是一点接地的，此时流过铁心接地线中的电流是由于高、低压绕组对铁心存在的电容造成的。

对于三相变压器，如果三相电压完全对称，理论上流过铁心接地线电流为零，但实测电流值一般在几毫安到几十毫安之间。

对于单相运行的变压器，由于绕组与铁心之间的电容值很小（一般在几千pF），容抗很大，计算和实际测试表明，该电流值也在几十毫安以下。

变压器铁心在多点接地的情况下接地线中的电流值决定于故障点与正常接地点的相对位置，即短路匝中包围磁通的多少及整个回路的阻抗。

当铁心出现多点接地时，在额定激磁电压下，与故障回路铰链的磁通在回路中会感应出一个电动势，反应在接地线上就是电流的增加，此时的模型可表示为图1所示。

图1铁心两点接地时的电压

可以认为回路铰链的磁通最大为流过铁心的总磁通的1/2，这样回路感应出的电动势也就近似等于绕组的每匝电压的1/2。

对于我国目前最常采用的冷轧硅钢片而言，一般饱和磁密为～。

目前设计中铁心的最大磁通密度的选取范围为～。

对中、小型变压器，一般为～；对大型变压器，一般为～。

由此结合变压器的铁心几何结构可以计算得出大容量的变压器每匝电压值约为300V，故铁心多点接地回路中感应出的电动势约150V，忽略大地和接地点的电阻，整个回路的电阻主要是由变压器铁心本体造成的，由于铁心是由涂有漆膜的硅钢片叠装组成，硅钢片的电阻与漆膜相比很小，实际上其电阻主要是由漆膜造成的，经测量其电阻值约为几十欧姆，因此在铁心多点接地回路中最大可能出现几安到几十安的电流。

该故障电流会造成铁心局部过热，严重时会造成铁心局部温升增加、轻瓦斯动作，甚至会造成重瓦斯动作而跳闸的事故。

长期运行会导致铁心局部烧熔，形成硅钢片间的短路故障，严重影响变压器的性能和正常工作。

变压器铁心接地电流形成机理

单相变压器

以三绕组变压器为例，铁心一点接地时，其高压、中压和低压绕组对铁心存在分布电容，这样流过铁心的电流是三绕组电流的叠加，其原理如图2所示。

图2铁心一点接地示意图

铁心一点接地的等效电路如图3所示，其中，CC-L、CL-M、CM-H分别是铁心与低压绕组、低压绕组与中压绕组、中压绕组与高压绕组之间的分布电容，UH、UM、UL分别为高、中、低压绕组的电压，RM是铁心硅钢片表面绝缘膜的等效电阻、CM是铁心硅钢片表面绝缘膜的等效电容、RP是铁心硅钢片的等效电阻。

图3铁心一点接地等效电路图

高压、中压、低压绕组线圈对铁心的分布电容，可按同轴圆柱电容的公式进行计算：

式中：

H为绕组平均高度（mm）；

R1为内绕组外直径（mm）；

R2为外绕组内直径（mm）。

根据具体变压器的结构尺寸可得出变压器绕组对铁心的等效电容，根据我国制造的大型电力变压器典型结构进行估算，其绕组对铁心的等效电容一般为几千pF。

通常变压器铁心是由硅钢片叠装而成，每片硅钢片表面均涂有绝缘漆膜，这样整个变压器铁心可以视为硅钢片表面绝缘漆膜的电阻与电容并联后再与硅钢片的电阻串联。

如硅钢片电阻率为欧·米，其本身电阻可以忽略；绝缘漆膜电阻通常为几十欧姆，而其容抗为105欧姆级，则其电容也可以忽略，这样铁心的电阻可以等效为其表面绝缘漆膜的电阻。

因此，对于整个导电回路来说，回路阻抗为变压器绕组间电容的容抗与绝缘漆膜的电阻串联。

因为容抗比电阻大很多，则整个回路阻抗可以视为绕组间电容的容抗值（约为几千pF），经计算可知由于电容效应流过铁心的电流一般在几十毫安以内。

如我国电力行业标准DL/T596《电力设备预防性试验规程》中，对电力