变压器铁芯多点接地故障.docx
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变压器铁芯多点接地故障
变压器铁芯多点接地故障
变压器铁芯多点接地故障
变压器铁芯多点接地是一种常见故障，统计资料表明，它在变压器总事故中占第三位。
因此，准确、及时地诊断与处理变压器铁芯多点接地故障，对保证变压器的安全运行具有重要意义。
一、铁芯正常时需要一点接地的原因
在变压器正常运行中，带电的绕组及引线与油箱间构成的电场为不均匀电场，铁芯和其他金属物件就处于该电场中。
图1-25示出了电厂电力变压器铁芯不接地对的断面示意图。
图1-25寄生电容分布图
由图可见，高压绕组与低压绕组之间、低层绕组与铁芯之间、铁芯与大地（变压器油箱）之间都存在着寄生电容，带电绕组将通过寄生电容的耦合作用使铁芯对地产生一定的电位，通常称为悬浮电位。
由于铁芯及其他金属构件所处的位置不同，具有的悬浮电位也不同，当两点之间的电位差达到能够击穿其间的绝缘时，使产生火花放电。
这种放电是断续的，放电后两点电位相同；但放电立即停止，然后再产生电位差，再放电……。
断续放电的结果使变压器油分解，长期下去，逐渐使变压器固体绝缘损坏，导致事故发生，显然是不允许的。
为避免上述情况发生，国家标准规定，电力变压器铁芯和较大金属零件均应通过油箱可靠接地。
20MVA及以上的电力变压器，其铁芯应通过套管从油箱上都引出并可靠接地。
具体做法是将变压器铁芯与变电站的接地系统可靠连接。
这样，铁芯与大地之间的寄生电容被短接，使铁芯处于零电位，这时在地线中流过的只是带电绕组对铁芯的寄生电容电流。
对三相变压器来说，由于三相结构基本对称，三相电压对称，所以三相绕组对铁芯的电容电流之和几乎等于零。
目前，广泛采用铁芯硅钢片间放一钢片的方法接地。
尽管每片之间有绝缘膜，仍然认为是整个铁芯接地。
从铁芯两端片可测得其电阻值，此电阻一般很小，仅为几欧到几十欧，在高电压电场中可视为通路，因而铁芯只需一点接地。
二、铁芯只能一点接地的原因
由上述可知，铁芯需要有一点接地，但不能有两点或多点接地。
铁芯两点连接时的电压如图l－26所示。
铁芯在额定激磁电压下，用电压表测量铁芯两端片间电压时，发现两端片间有电位差存在。
这个电位差是由于铁芯、电压表及导线所构成的回路与铁芯内滋通相交键而产生的。
因为交链的磁通数量相当于总磁通的1／2，所以这个电压的数值大体相当于匝电压的1／2。
图1-26铁芯两点连接时的电压
显然，当铁芯或其他金属构件有两点或两点似上接地时，则接地点间就会形成闭合回路，造成环流，有时可高达数十安。
例如，华中电网的某SFPB1--240000／220型和SFSL1--25000／110型变压器，其地线中的故障电流竟达到17～25A。
该电流会引起局部过热。
导致油分解，产生可燃性气体，还可能使接地片熔断，或烧坏铁芯，导致铁芯电位悬浮，产生放电，使变压器不能继续运行，这也是不允许的。
因此，铁芯必须接地，而且必须是一点接地。
三、铁芯正确接地方式
为了确保铁芯一点接地，对铁芯间无油道的变压器，其铁芯的正确接地方式有四种。
如图1－27所示.
a
b
c
d
图1-27铁芯的正确接地方式
（a）上下夹件间不绝缘而有吊螺杆时；（b）上下夹件间不绝缘时；（c）上下夹件间绝缘时；（d）上下夹件间绝缘而有接地套管时
（1）当上下夹件间有拉杆或拉板且不绝缘时，接地铜片连接到上夹件上，再由上夹件经吊螺杆接地，如图1－27（a）所示。
（2）若上下夹件间不绝缘，接地铜片从下夹件经地脚螺丝接地。
如图1-27（b）所示。
（3）当上下夹件间绝缘时，在上下铁轭的对称位置上各括一接地铜片连接夹件，由上夹件经铁芯片至下夹件再接地，如图1-27（c）所示。
要求接地片位置对称的目的，是为了避免铁芯两点接地。
（4）当采用接地套管时，铁芯经接地片至上夹件与接地套管连接接地。
如图1－27（d）所示。
四、铁芯故障的类型和原因
铁芯接地故障的原因主要有：
（1）接地片因施工工艺和设计不良造成短路。
（2）由于附件和外界因素引起的多点接地。
常见的故障类型有下述几种：
（1）铁芯碰壳、碰夹件。
安装完毕后，由于疏忽，未将油箱顶盖上运输用的稳（定位）钉翻转过来或拆除掉，导致铁芯与箱壳相碰；铁芯夹件肢板碰触铁芯柱；硅钢片翘曲触及夹件肢板；铁芯下夹件垫脚与铁轭间纸板脱落，垫脚与硅钢片相碰；温度计座套过长与夹件或铁轭、芯柱相碰等。
（2）穿芯螺栓钢座套过长与硅钢片短接。
（3）油箱内有异物，使硅钢片局部短路。
如山西某变电所的一台31500／110型电力变压器发生铁芯多点接地，吊罩发现在夹件与铁轭间有一把天柄螺丝起子；另一变电所一台60000/22O型电力变压器吊罩启发现有一根120mm长的铜丝；还有一个变电所台120000／220型电力变压器吊罩后在下夹件与铁轭之间找出一锅块；再如，东北某变电所的一台大型电力变压器发生铁芯多点接地，吊罩检查发现油箱底部有三段曲折型钢丝，钢丝的直径约0．31mm，长度分别为25、28、31mm。
（4）铁芯绝缘受潮或损伤，如底沉积油泥及水分，绝缘电阻下降，夹件绝缘、垫铁绝缘、铁盒绝缘（纸板或木块）受潮或损坏等，导致铁芯高阻多点接地。
（5）潜油泵轴承磨损，金属粉末进入油箱中，堆积在底部，在电磁引力作用下形成桥路，使下铁轨与垫脚或箱底接通，造成多点接地。
（6）运行维护差，不按期检修。
五、铁芯多点接地故障的诊断方法
变压器铁芯多点接地故障的诊断方法一般有以下两种：
（一）气相色谱分析法
这种方法是目前诊断大型电力变压器铁芯多点接地的最有效方法。
最常用的是IEC三比值法，有时也采用德国的四比值法。
1．三比值法
就是利用五种特征气体的三对比值。
来判渐变压器故障性质的方法。
在三比值法中，有3组编码组合数与变压器铁芯引起的故障有关，即0、2、0，0、2、1，0、2、2编码。
但是，常见的是0、2、2编码。
实践证明，用三比值法诊断变压器铁芯多点接地故障不失为一准确方法。
但是，诊断的经验表明，应用三比值法诊断变压器铁芯多点接地故障时存在以下两个问题：
（1）只有根据各组分含量的注意值或产气速率限值有理由判断变压器内部存在故障时，才能进一步用三比值法判断其故障性质，即当油中特征气体未达到注意值时，不能应用三比值法进行判断。
（2）在实际工作中。
有时不存在以上3种编码组合数，因而给判断故障性质造成不便。
此时可采用四比值法等。
2．四比值法
就是利用五种特征气体的四对比值，来判断故障的方法。
在四比值法中，以“铁件或油箱出现不平衡电流”一项来判断变压器铁芯多点接地故障，其准确度是相当高的。
其分析判据为
CH4/CH2=1～3
C2H6/C2H4＜1
C2H4/C2H6≥1
C2H2/C2H4＜0.5
其中CH4、H2、C2H6、C2H4、C2H2为被测充油设备中特征气体的含量。
满足判据条件即可判定为铁芯有多点接地故障。
同时，可通过气相色谱分析数据，计算出故障点的热平衡温度。
其计算公式可用日本月冈淑郎等人推荐的经验公式
T=3221gC2H4/C2H6+525（℃）
理论分析和实践都表明，铁芯多点接地时，其故障点或故障部分的渴度多在600～800℃之间。
产生高温的能量来源于两方面：
一是正常负载的磁通在铁芯故障部位的磁滞和涡流损耗。
二是两接地点间的环流在铁芯故障部位的有功损耗，后者往往占绝大部分。
【例4］某台SFZ7一25000/110型的主变压器,其铁芯外引接地。
1988年投入运行,交接和连年预防性试验（包括油色谱、常规试验）结果均正常。
1990年3月预试取油样色谱分析中发现油中特征气体较上次有异常，立即决定跟踪分析,几次取样数据如表1－8所示。
表1-8故障变压器主要色谱分析结果
气体
日期
H2
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
CO
CO2
C1+C2
1990.3.17
1990.6.13
1990.9.21
1990.10.5
9.0
9.5
12.0
14.0
5.0
23.0
29.0
9.0
18.0
33.0
47.0
98.0
174.0
0
57.0
178.0
54.0
75.0
2900
410
2375
3040
38.0
47.0
130
221
1.用故障产气速率分析
相对产气率为
可见，气体上升速度很快，且大于10％／mon，可认为设备有异常。
但《规程》中同时又指出“总烃含量低的设备不宜采用相对产气率进行判断”。
由于该主变压器前次测试结果，总烃为38PPm和47PPm，并不算高，因此尚需要跟踪。
然而在下次再复试时，总烃已显著增高，已不容忽视。
其相对产气速率为
所以有理由认为设备有异常。
2．用判断故障性质的三比值法来分析
上述比值范围编码为（0、2、2），由此推测，故障性质为“高于700℃高温范围的热故障”，用日本月冈淑郎等人推导的经验公式计算得
其估算温度也与上述结论相符。
3.用德国的四比值法分析
CH4/H2=29.0/14.0≈2.07（在1～3之间）
C2H6/CH4=18.0/29.0≈0.62＜1
C2H4/C2H6=174/18.0≈9.67≥3
C2H2/C2H4=0＜5
可见满足判据条件，可判定铁芯有多点接地故障。
综上分析，可以认为主变压器内部有故障，而且是铁芯多点接地故障。
为确定故障部位，又停电测试，分别测量了绕组介质损耗因数吃入绕组直流电阻和吸收比，其结果均正常。
由此可以进一步判定故障点不在电气口路和主绝缘部位。
于是，打开铁芯接地片，用万用表测量铁芯对地绝缘电阻，其值为零，从而进一步证实故障性质为铁芯多点接地引起的电弧放电。
最后，吊罩检查发现，有一根￠5mm、长16cm的圆铁芯与下夹铁短接，圆铁钉上已有几处烧伤痕迹。
取出铁钉后复测，铁芯与地间绝缘电阻恢复到800MΩ。
清除铁钉后，再进行真空脱气注油，迄今该变压器油气相色谱分析数据如表1－9所示，可见均小于正常值，因此，充分证明该主变压器内部故障已被彻底消除。
表1-9主变故障消除后色谱分析表（ppm）
气体
日期
H2
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
CO
CO2
C1+C2
1990．12．1
1991．3．5
4．2
4．0
1.1
2.2.4
1.1
0.2
3.2
2.0
0
0
9.0
340
175
5.4
4.6
现场诊断经验表明，如出现三比值法中不存在的编码组合时，可考察烃类各组分与总烃的比率关系。
表1－10列出了变压器铁芯接地时烃类各组分与总烃的比率范围的统计结果。
可见，在变压器铁芯发生多点接地时，C2H4占总烃的比率最高，达41．3％～68.4%是总烃的主要组成部分。
换而言之,当总烃中含有的C2H4占主要成分时,则可认为变压器有发生铁芯多点接地故障的可能。
表1-10变压器铁芯多点接地时烃类各组分与总烃的比率范围
组分
CZH4／（C1＋C2）
CH4／（C1+C2）
C2H6／（C1+C2）
C2H2／（C1+C2）
比率范围（%）
41．3～68．4
18．2～40.6
4.0～19.0
0～3．4
（二）电气法
若电力变压器在运行中,可在变压器铁芯外引接地套管的接地引下线上用钳形电流表测量引线上是否有电流。
也可在接地刀闸处接入电流表或串接地故障指示器。
正常情况下路匝存在,匝内流过环流,其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。
最大电流，此电流很大，为mA级（一般小于0.3A）,当存在接地故障后,铁芯主磁通周围相当于有短可达数百安培。
与变压器所带负荷情况也有关。
图1-28铁芯接地应急措施接线图MOA_金属氧化物避雷器（防止RX开路的后备保护）
图1-29判断铁芯故障点部位I1_上夹件接地回路中电流；I2_铁芯接地回路中电流
有的单位采用图1-28所示的原理接线图进行参数测定，其方法如下：
（1）正常运行时Q1、Q2关合。
（2）测试故障电流时，将电流表A两个端子接入，拉开Ql刀闸即可测量，测试完毕，合上Q1取下电流表A。
（3）测量接地电流时，在采取限流措施后，将Q2刀闸断开即可。
测试完毕后，合上Q2，取下毫安表恢复运行。
（4）测量铁芯开路电压（即铁芯在高电场中的悬浮电位）时，接人电压表，拉开Q1，即可读数，测试完毕后，合上Ql，取下电压表。
对于铁芯和上夹件分别引出油箱外接地的变压器，如图1－29所示。
如测出夹件对地电流为I1和铁芯对地电流为I2，根据经验可判断出铁芯故障的大致部位，其判断方法是：
I1=I2，且数值在数安以上时，夹件与铁芯有住接点；
I2》I1，I2数值在数安以上时，铁芯有多点接地；
I1》I2，I1数值在数安以上时，夹件碰壳
在采用钳形电流表测试电流时，应注意干扰。
测量时可先将钳形也流表紧靠接地线，读取第1次电流值，然后再将地线钳入，读取第2次电流值，两次差值即为实际接地电流。
1.停电电气测试分析法
停电后，进行电气测试的内容和方法如下。
（l）正确测量各级绕组的直流电阻。
若谷组数据未超标，且各相之间与历次测试数据之间相比较，无明显偏差。
变化规律基本一致，由此可排除故障部位在电气回路内（如分接开关接触不良，引线接触松动，套管导电杆两端引出线接触不良等）。
（2）为了更进一步核定是否为铁芯多点接地，可断开接地线，用2500V绝缘电阻表对铁芯接地套管测量绝缘电阻，由此判定铁芯是否接地以及接地程度。
对于无套管引出接地线的变压器。
色谱数据分析判断显得更为重要。
停电测试各绕组直流电阻，排除裸金属过热的可能性，从而确定变压器铁芯是否接地。
3．故障点具体位置的查找
通过上述测试分析，确定变压器铁芯存在多点接地故障后，便可进一步查找故障点的具体位置。
吊罩后，对于杂物引起的接地，较为直观，也比较容易处理。
但也有某些情况，停电吊罩后找不到故障点，为了能确切找到接地点，现场可采用如下方法：
（1）直流法。
将铁芯与夹件的连接片打开，在铁轭两侧的硅钢片上通6V的直流，然后用直流电压表依次测量各级硅钢片间的电压，如图1-30所示，当电压等于零或者表针指示反向时则可认为该处是故障接地点。
（2）交流法。
将变压器低压绕组接入220～380V交流电压，此时铁芯中有磁通存在。
如果有多点接地故障时，用毫安表测量会出现电流（铁芯和夹件的连接片应打开）。
用毫安表沿铁轭各级逐点测量，如图1－31所示，当毫安表中电流为零时，则该处为故障点。
这种测电流法比测电压法准确、直观。
图1-30检测电压的接线图
图1-31测量电流的接线图
若用上述两种方法，仍查不出故障点，最后可确定为铁芯下夹件与铁轭阶梯间的木块受潮或表面有油泥。
将油泥清理干净后，进行干燥处理，故障可排除。
一般对变压器油进行微水分析可发现是否受潮。
（3）铁芯加压法。
就是将铁芯的正常接地点断开，用交流试验装置给铁芯加电压，若故障点接触不牢固，在升压过程中会听到放电声，根据放电火花可观察到故障点。
当试验装置电流增大时，电压升不上去，没有放电现象，说明接地故障点很稳固，此时可采用下述的电流法。
（4）铁芯加大电流法。
也是将铁芯的正常接地点断开，用电焊机装置给铁芯加电流，其原理接线如图1-32所示。
当电流逐渐增大，且铁芯故障援地点电阻大时，故障点温度升高很快，变压器油将分解而冒烟，从而可以观察到故障点部位。
故障点是否消除可用铁芯加压法验证。
图1-32电焊机装置给铁芯加电流原理接线图
Q1-400V,25A闸刀；Q2-压板；R1-可调电阻器500W,400Ω；R2-保护电阻；Lk-可调电感；Tr-电焊机
【例5】某局对220kV变压器取油样化验时,发现主变绝缘油总烃严重超过标准，达到910ppm，而且乙炔也超标，达到12ppm。
这说明变压器内部有高温过热性故障。
于是又由三个单位多次对主变压器进行绝缘材色谱分析，结果是总烃含量已达999ppm。
根据总烃含量增长的速率，通过三比值法分析，说明故障在迅速发展。
各次色谱分析结果如表1-11所示。
（1）故障点温度估计。
根据经验公式计算热点温度，估算为770～780℃；通过三比值计算，查表编码均为“0、2、2”，是高于700℃高温范围的热故障；乙炔含量的增加表明热点温度可能高于1000℃。
（2）故障点产气速率。
根据第3．4天的色谱分析，18h的绝对产气速率；总烃为97mL／h，乙炔为4．7mL／h；根据第5、6天的分析，23h的绝对产气速率：
总径为135mL／h，乙炔为5．LmL/h，乙烯为97．lmL／h。
表1－11变压器色谱分析结果（ppm）
取样日期
氢（H2）
甲烷（CH4）
乙烷（C2H6）
乙烯（C2H4）
乙炔（C2H4）
一氧化碳（CO2）
二氧化碳（CO2）
总烃（C1+C2）
第1天
第2天
第3天
第4天
第5天
第6天
32
63
54
57
66
64
158
213
214
225
245
250
110
131
131
133
145
145
630
643
735
781
876
846
12
12
13
16
20
23
154
239
204
206
246
265
2770
3408
3494
3486
3545
3887
910
999
1093
1155
1286
1264
（3）故障点部位估计。
从一氧化碳和二氧碳含量推断，故障未涉及固体绝缘，在所做的电气试验中未发现异常，也证实了主变绝缘未受损伤。
第一天的色谱分析中C2H2占氢烃总量为
而C2H4/C2H6＝846/145=5．8
根据资料推荐C2H2一般只占氢烃总量的2%以下,C2H4/C2H6的比值一般小于6。
所以油中乙炔含量比其他故障气体较小，C2H4/C2H6也小于6。
估计故障部位可能在变压器磁路。
根据对变压器9台潜油泵进行的油中溶解气体分析，结集与主体本体相同，也说明故障气源来源于变压器本体。
变压器吊钟罩检查时发现低压侧上夹件内衬加强铁斜边与上铁轭的下部阶梯形棱边距离不够，加上运行中的振动，使之在C相端处相碰，形成了故障接地点，如图1-33所示。
这样就与原来的接地点形成了环流发热。
图1·33铁芯的接地故障点
故障点在磁路部位，其检查结果证实了色谱分析和对故障部位的估计是正确的。
【例6】华中某电业局一台主变压器的型号为SFPSZ3一120000/220，运行中进行气相色谱分析时，发现有异常情况，其诊断过程如下：
1．色谱分析数据
表1-12列出了几次色谱分析结果，从5月30日和6月3目的数据看，总烃均大于注意值150ppm，其增长速度很快；而且CH4和C2H4为主导型成分，因此可判断为过热故障。
表1－12色谱分析结果
时间
油中组分（ppm）
说明
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
H2
CO
CO2
C1+C2
5月30日
6月3日
6月3日
6月14日
6月23日
240.5
290
290
26
23
107
147
149
21
19
297
355
373
47
43
0
0
0
0
0
41
12
58
58
0
0
686
1373
1031
83
790
709
1584
289
645
790
820
94
85
不合格
不合格
8个油泵部位的油的分析数据
检修后送电前主变压器油的分析数据
送电3天后主变压器的分析数据
根据国家标准《变压器油中溶解气体分析和判断导则》（GB7252_87）中的三比值法，其编码组合为“0、2、l”。
所以可进一步判断故障性质为300～700℃中等温度范围的热故障。
根据判断故障性质的三比值法可知，铁芯局部发热是导致这种热故障的原因之一。
而重点对铁芯进行检测。
2．绝缘测试
通过测试发现铁芯有接地现象，其对地绝缘电阻只有2Ω。
由上述分析可以初步判断故障发生在铁芯部分，因此进行通电检查，以确定故障点。
3．查找故障点
（1）直流法。
由于变压器停运后，不吊罩，放尽油，从人孔进入壳内进行检查时未能发现故障点。
而吊罩检查仍未发现故障点，故先采用直流法测试。
如图1－34所示，将12～24V直流电压加在铁芯上，使各点产生电压降，用一个检流计沿铁芯的各个位置查找故障点。
测试棒沿铁芯移动，观察表计正负值大小变化。
表针指示值为零时，即为故障点所在位置。
越过故障点继续往前测试时，仪表指示数为负值。
利用这个方法虽然找到了故障区，但未找到故障点的确切位置。
图1-34直流压降法查的故障点
图1-35用交流电弧法检查铁芯故障位置
（2）交流电弧法。
为了寻找故障的确切位置，采用通入交流电的办法，使之在故障点处产生电弧，其接线如图l－35所示。
测试中施加的交个电压数值为20～30V，铁芯对铁轭的电阻力2Ω，电流为10～15A，可以产生较强的电弧。
当将交流电压加在铁轭和铁芯上后，即发现放电点，有明显的电弧火花，并有放电声音和白色的烟。
经两次通电检查后，查出故障点的确切位置在220kV侧上角，C相外侧铁芯侧柱上部，铁芯与铁轭之间的一块绝缘木板顶部中间。
故浮点之所以在铁芯与铁轭中间空隙处的一个油道内，估计变压器运行时油中有一导电异物从铁芯顶部经油道间隙掉到此处，使铁芯与铁轭短路，烧坏胶本绝缘板，形成接地，产生局部放电和过热。
经修理后，铁芯与铁轭之间的绝缘电阻由原来的2Ω上升到140Ω，恢复正常。
【例7】华北某供电公司一台主变压器，其型号为SJ一5600／35，按公司规定每半年进行一次色谱分析，其结果如表1－13所示。
表l－13色谱分析结果
日期
油中组分（ppm）
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
H2
CO
CO2
C1+C2
1990年3月29日
1990年9月7日
1991年3月25日
1991年5月7日
5.0
23.0
29.0
9.0
18.0
33.0
49.0
100.0
178.0
9.0
9.0
12.0
14.0
57.0
178.0
54.0
75.0
2901.0
410.0
2374.0
3043.0
38.0
49.0
132.0
225.0
由表中1991年3月25日的色谱分析结果可知，总烃值没有超过注意值150ppm，所以会认为该变压器是正常的。
但是总烃的相对产气速率为
=（132-49）/49X（1/6.6）X100%=25.6（%/mon）
其值大于10％,故可认为该变压器有异常。
然而，《规程》中又提到，对总烃起始含量很低的设备不宜采用此判据。
由于该变压器前两次的分析结果的总烃分别为38、49ppm，可以认为起始含量不高。
所以容易忽视上述色谱分析结果。
而认为变压器正常。
对于经验丰富的试验工作者。
会抓住这个捕捉变压器故障的关键时刻，采用多种方法进行细致的分析判断。
例如，采用三比值法判断为高于700℃高温范围的热故障。
采用西德的四比值法判断为铁件或油箱出现不平衡电流。
因此可以认为这台变压带是不正常的。
5月7日的分析结果仍证明了上述结论是正确的，而且总烃超过注意值，其相对产气速率还在增长。
说明该台变压器确有故障。
吊芯检查发现，
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