500 kV变压器铁心接地引出线断线故障分析

刘江明，孙正竹，艾云飞，林成理，孙林涛

（1.国网浙江省电力公司检修分公司，杭州 311232；2.浙江省送变电工程公司，杭州 310016）

500 kV变压器铁心接地引出线断线故障分析

刘江明1，孙正竹2，艾云飞1，林成理2，孙林涛1

（1.国网浙江省电力公司检修分公司，杭州 311232；2.浙江省送变电工程公司，杭州 310016）

大型变压器运行时铁心夹件必须单点接地，当铁心夹件引出接地线断线后，会导致变压器铁心或夹件处于悬浮状态，并在运行条件下产生一定的悬浮电压，引起变压器故障。同时在铁心引出接地线断开后会导致夹件接地电流增大，但小于正常状态下的铁心夹件电流之和。在常规停电例行试验时铁心夹件绝缘电阻试验无法有效对铁心夹件断线进行判断分析。以构建铁心夹件二端口间的模型分析为基础，通过检测变压器铁心夹件两个端口的各电容量值，采用纵横分析法对变压器铁心夹件的连接状态进行更全面的判断分析。同时结合实际故障案例的论证分析，指出当前相关标准规程中关于变压器铁心夹件试验分析判断的不足。

变压器；铁心夹件；接地电流；悬浮电压；故障分析

0 引言

作为电网运行最核心的主设备，大型电力变压器（500 kV，750 kV，1 000 kV电压等级）是电网传输电能的枢纽，保证电力变压器安全可靠运行是保障电力系统可靠运行的必备条件。变压器故障的类型多种多样，引起故障的原因也非常复杂，变压器常见故障包括绕组故障、铁心故障、分接开关故障、引线故障、绝缘故障和密封故障。根据相关统计资料表明，铁心故障在变压器故障中占比处于第二位，达21.7%，如表1所示。

电力变压器在运行时，带电的绕组及引线与油箱之间构成不均匀强电场，铁心以及固定铁心的金属结构等零部件均处在该不均匀强电场中，高压绕组、低压绕组、铁心、夹件、油箱之间存在寄生电容，如果铁心不接地，则带电绕组将通过寄生电容的耦合作用使铁心对地产生一定的电位，即为悬浮电位。该悬浮电位的大小与变压器内部结构有关，当悬浮电位达到能够击穿其绝缘间隙时，便会在铁心与接地油箱之间产生局部断续性微量放电现象，长期作用下会引起绝缘劣化，导致变压器事故发生。因此国家标准规定，电力变压器铁心和金属结构部件必须可靠接地，对于500 kV电压等级变压器，则要求铁心和夹件通过套管从油箱上部引出并可靠接地。

表1 变压器各类故障统计

变压器正常运行时铁心要求单点接地，当出现多点接地时，则接地点之间构成闭合回路，在铁心内部磁通交链下形成环流。该环流会引起局部过热，导致变压器油分解劣化，特征气体含量超标，严重时会损坏铁心，导致变压器不能正常运行。

目前在变压器停电例行试验针对铁心夹件的检测项目中，只有铁心夹件绝缘电阻试验可以有效判断铁心夹件多点接地，但当变压器铁心或夹件内部引出线脱落或断线，则通过铁心夹件套管引出部位的绝缘电阻试验无法有效判断铁心夹件断线状态及其真实绝缘状态。查阅相关文献、技术资料、标准，如Q/GDW-2013《输变电设备状态检修规程》等，对于在运的变压器铁心夹件电容量测试并无相关要求。

1 铁心夹件二端口电容测试模型构建

1.1 铁心夹件正常引出模型分析

对于正常的主变压器（以下简称主变），铁心夹件需单独引出并接地，从铁心夹件的2个引出端口向主变内部进行物理结构分析并建立相关数学模型，如图1所示。当主变内部铁心和夹件正常引出时，铁心与夹件之间存在分布电容C1，铁心与内部其他结构存在分布电容C2，夹件与其他结构存在分布电容C3。

图1 正常状态下铁心夹件端口处模型

铁心夹件正常引出时，可以得出以下计算公式（以夹件为例，铁心相关计算类似）：

式中：C夹-地为当铁心引出不接地时外部可测的夹件对地电容；为铁心引出接地时外部可测的夹件对地电容；C夹-铁为夹件对铁心电容。

对于正常的A，B，C三相主变，内部结构和电容分布趋势较为一致，可有如下近似等效公式：

1.2 铁心或夹件引出线（内部）断线模型分析

以铁心为例进行分析，当铁心接地内部引出线脱落断线时，外部铁心套管处接地悬空，铁心处于悬浮状态；对于外部铁心夹件引出部位绝缘试验，所测铁心绝缘实际为铁心引出线部分对外壳之间的绝缘，该绝缘数据无法判断铁心夹件真实绝缘状态，可以构建如图2所示的模型进行分析计算。

图2 铁心引出线断线后铁心夹件端口处模型

此时，铁心外引线内部断开处至铁心接地套管与夹件存在寄生电容C11，与主变内部接地结构存在寄生电容C21。构建的模型中存在如下电容量关系式：

由于寄生电容C11和C21较小，导致当铁心引出不接地时外部可测的夹件对地电容C夹-地与正常值比变化不大。当铁心引出接地时外部可测的夹件对地电容和夹件对铁心电容C夹-铁与正常值对比则发生明显变化。故采用综合分析法通过比较C夹-地，和C夹-铁电容量可以判断铁心夹件是否发生异常断线。

1.3 铁心或夹件多点接地模型

以铁心为例进行分析，当变压器内部铁心夹件发生多点接地时，例如铁心内部某部位靠接于夹件上（被短接，当与外壳靠接时则视被短接），则从铁心夹件的2个引出端口向主变内部进行物理结构分析并建立相关数学模型，如图3所示。

图3 铁心多点接地后铁心夹件端口处模型

图3中虚线表示铁心内部引出接于夹件上，由此可以得到如下计算公式：

1.4 铁心断线对夹件电流的影响分析与悬浮电位计算（以铁心为例）

当变压器铁心内部引出线脱落断线后，铁心处于悬浮状态，在变压器运行状态下存在一定的悬浮电位，并可能存在断续放电情况。在正常状态下，变压器内部关系如图4所示。

图4 铁心正常接地状态下内部模型

正常状态下，由图4可知I铁-夹=0，三相平衡时，即可有IA铁≈IB铁≈IC铁，IA夹≈IB夹≈IC夹。当铁心处于悬浮状态时，其内部关系模型如图5所示。

图5 铁心处于悬浮状态下内部模型

此时铁心、夹件、高压线圈、外壳接地间电容关系发生变化，I铁-夹增大（不等于0），由图5电流关系可得I夹和=I铁-夹+I铁，即外部检测到的夹件接地电流增大。I铁-夹增加的成分中容性电流较大，而阻性分量很小。由于铁心与夹件、线圈等部分的电容相对减小，从而导致I铁-夹＜I铁（正常），由此可以分析得出：

通过上述分析可以说明：变压器铁心断线运行时，在铁心夹件接地电流监测数据中，夹件电流相比正常相夹件电流大，但小于正常相铁心夹件电流之和。

当铁心处于悬浮状态时，由I铁=ωCU可得：

根据实际运行时的铁心夹件接地电流，可以计算得出容性电流。

根据三相变压器正常运行时铁心夹件接地电流相平衡关系，I夹（铁心正常接地）可由变压器正常相的夹件接地电流监测电流来进行估算。电容C1则可以由正常相的测试电容C夹-铁按照铁心夹件接地正常模型来进行估算，因此铁心处于悬浮状态时悬浮电压为：

2 变压器铁心断线案例监测分析

某变电站3号主变在进行铁心夹件接地电流检测时，发现A相主变铁心接地电流和B相、C相主变铁心电流相比偏小（几乎接近0），A相主变夹件接地电流和B相、C相主变夹件接地电流相比偏大。

2.1 监测数据

2.1.1 变压器铁心夹件接地电流监测数据

主变铁心夹件接地电流监测数据如表2所示。

2.1.2 油色谱试验数据

变压器A相运行监测的油色谱试验数据如表3所示，各项特征气体组分含量正常。

表2 主变铁心夹件接地电流监测数据 mA

表3 变压器A相油色谱试验数据 μL/L

2.1.3 铁心夹件绝缘电阻试验数据

对三相变压器铁心和夹件对地用绝缘电阻表1 000 V档测量绝缘电阻，铁心夹件绝缘电阻值符合相关标准要求，三相试验数据如表4所示。

表4 铁心和夹件对地绝缘测试 MΩ

2.1.4 铁心夹件相关电容量测量

对三相铁心和夹件相关电容量进行了测试，三相数据如表5所示。

2.2 试验数据分析

2.2.1 B相和C相铁心夹件相关分析

从监测的试验数据中可以看出：B相、C相铁心夹件电流基本一致，油色谱、铁心夹件绝缘正常，在测试的铁心夹件相关电容量关系中，存在CB夹-地≈CC夹-地，，CB夹-铁≈CC夹-铁关系，可判断B相、C相铁心夹件正常。

表5 介损tgδ及电容量测量

2.2.2 A相铁心夹件相关数据分析

从监测数据中可以看出，A相铁心电流相比B相、C相很小，约等于0，同时铁心夹件接地电流未见明显异常变化趋势，在三相铁心夹件监测数据中，存在 IB夹（IC夹）＜IA夹＜IB夹+铁（IC夹+铁）现象。

2.2.3 A相铁心断线异常铁心悬浮电位求解

根据以上分析，A相铁心内部引出线脱落，铁心处于悬浮状态，在变压器运行状态下存在一定的悬浮电位。在监测的夹件接地电流中存在IB夹（IC夹）＜IA夹＜IB夹+铁（IC夹+铁）现象，原因即为铁心、夹件、高压线圈、外壳接地间电容关系发生变化，导致夹件电流增大，但小于正常铁心夹件电流之和。对于处于悬浮状态的铁心可以根据式（15），I夹（铁心正常接地）取62 mA，C夹-铁取47 710 pF，则A相铁心悬浮电压为：

在铁心对地、铁心对夹件绝缘均良好情况下，3号主变A相铁心悬浮电压（1 135 V）未引起导致主变油色谱特征气体数据异常的放电情况。

3 A相主变铁心夹件现场检查处理

结合停电检修对3号主变A相进行铁心夹件现场检查处理，打开铁心夹件引出部位的检修手孔，发现A相主变铁心内部引出线已脱落，引出线连接片平躺于铁心上部，铁心处于悬浮状态。

检查发现，铁心引出线连接螺丝松动，原因可能是该部位在安装时力矩不足，引出线端部设计存在缺陷，铁心引出线在长期运行振动下，逐步从连接部位脱离。现场检查确认完毕后，对脱落的铁心引出线采用力矩扳手（力矩60）进行紧固恢复。恢复后，对铁心夹件进行绝缘电阻试验，铁心对地、夹件对地、铁心对夹件绝缘电阻均大于10 000 Ω，符合要求。

4 结语

当前相关标准如Q/GDW 1168-2013《输变电设备状态检修试验规程》、GB 50150-2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》中，关于变压器铁心夹件检测项目要求相对比较单一，未明确要求进行铁心夹件电容量检测，对于铁心夹件真实状态判断存在不足之处。

对于变压器铁心内部引出接地线脱落断线后，由于铁心夹件绝缘电阻试验无法有效进行判断分析，因此可通过检测铁心夹件2个端口的各种电容量，采用纵横分析法可以更全面地判断铁心夹件的状态。

[1]陈化钢．电力设备异常运行及事故处理手册[M]．北京：中国水利水电出版社，2009．

[2]Q/GDW 1168-2013输变电设备状态检修试验规程[S]．北京：中国电力出版社，2014.

[3]GB 50150-2006电气装置安装工程电气设备交接试验标准[S]．北京：中国计划出版社，2007.

[4]李林发.变压器铁芯接地故障的分析和处理[J].变压器，2002，39（5）∶45-46．

[5]仇明.电力变压器铁心接地故障的分析及处理[J].变压器，2011，48（5）∶72-74．

[6]孙松，杨阳，姜华.变压器铁芯接地故障的诊断与处理[J].湖南电力，2008，28（5）∶46-48.

[7]GB/T 6451-2015油浸式电力变压器技术参数和要求[S]．北京：中国标准出版社，2015.

[8]GB/T 501-2006电力变压器试验导则[S]．北京：中国标准出版社，2006.

[9]何文林，邵先军，赵寿生，等.面向对象的运行中变压器抗短路能力评估方法与应用研究[J].浙江电力，2016，35（7）∶1-7.

[10]李晨，王文浩，孙翔，等.特大型变压器现场局部放电试验的设备配置及工程实践[J].浙江电力，2016，34（5）∶27-31.

（本文编辑：徐 晗）

Analysis on Grounding Lead Wire Breakage of 500 kV Transformer Core

LIU Jiangming1，SUN Zhengzhu2，AI Yunfei1，LIN Chengli2，SUN Lintao1
（1.State Grid Zhejiang Maintenance Branch Company，Hangzhou 311232，China；2.Zhejiang Electric Transmission and Transformation Engineering Corporation，Hangzhou 310016，China）

Core and clamp of large transformer must be grounded at one point when it is running.If the ground wire of core clamp breaks，the core or clamp may keep floating and generate certain floating voltage under the running condition，and hence results in transformer fault In the meantime，clamp grounding current may rise and it is less than the sum of the normal core and clamp current.In the routine outage test，the core and clamp insulation resistance test can not effectively judge the state of the core and clamp when it is broken.In this paper，based on the model of the core and clamp，the capacitance value of the core and clamp is measured，and the connection state of the transformer core and clamp is analyzed by using the vertical and horizontal analysis.Combined with the real fault case，the paper presents the shortages in analysis and judge of transformer core and clamp test in existing standards and procedures.

transformer；core and clamp；grounding current；floating voltage；fault analysis

TM407

B

1007-1881（2017）02-0038-05

2016-12-01

刘江明（1978），男，高级工程师，高级技师，主要从事高电压试验、研究和管理工作。