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,来判断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

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岗淑郎等人推荐的经验公式

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温度多在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—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1-13所示。

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38×10-6和47×10-6,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,此时完全有理由认为设备有异常。

表1-13　故障变压器主要色谱分析结果(×10-6)

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”,用日本月岗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

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tanδ、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回路和主绝缘部位。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φ5mm、长16cm 的圆铁钉将铁芯与下夹铁短接,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800 MΩ。

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1-14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1-14　主变故障消除后色谱分析表(×10-6)

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1-15列出了变压器铁芯多点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1-15　变压器铁芯多点接地时烃类各组分与总烃的比率范围

(二) 电气法

1.带电电气测试分析法

(1)测量接地电流。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,此电流很小,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。最大电流可达数百安培。与变压器所带负荷情况也有关。

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Q1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,接入电压表,拉开Q1,即可读数,测试完毕后,合上Q1,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:

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);RX—限流电阻 (可调)

I1=I2,且数值在数安以上时,夹件与铁芯有连接点;

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。

当采用钳形电流表测试电流时,应注意干扰。消除干扰的方法是:

1)选择测量位置。由于变压器油箱高度的1/2处漏磁通较小,且与接地引下线平行,所以此处的漏磁通干扰最小。

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

2)采用差值法。测量时可首先将钳形电流表紧靠接地引下线边缘,且不钳住接地线,读取第一次电流值,即为漏磁通干扰电流;然后再将接地引下线钳入,读取第二次电流值,即为铁芯接地电流和漏磁通干扰电流之和,两次测量电流的差值即为铁芯实际接地电流。

3)采用抗干扰铁芯接地电流测试仪测试。测量时不用拆接地引线,只需将专用钳钳住接地引线即可准确地测出数据。

(2)超声波探测。若铁芯多点接地故障属于动态型,可用超声波探测故障点的位置。

2.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:

(1)正确测量各级绕组的直流电阻。若各组数据未超标,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 兆欧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。

(1)不吊罩查找铁芯多点接地故障。

1)用测量铁芯外引接地点的开路电压来确定铁芯多点接地部位。根据现场试验,如开路电压UK=25%UZ(UK为接地点的开路电压,UZ为该变压器绕组的匝间电压),则可判定故障接地点在铁芯的高压侧;若UK=14%UZ,则可判定故障点在下轭铁底部。若UK=73%UZ,则可判定故障点在铁芯窗口内表面处。

2)用变压器空载试验来检测铁芯多点接地。研究表明,对于铁芯完好的三相变压器,其单相空载损耗数值应符合下列两个规律:

①如图1-30所示,由于a、b和b、c两相磁路完全对称,所以a、b和b、c两相测得的空载损耗应近似相等,即Poab=Pobc,实测表明,两者的偏差一般在3%以下。

图1-30　三柱式铁芯单相空载试验线路和磁路

(a)试验线路;(b)磁路

②由于ca相的磁路较ab相的磁路长,所以ca相测得的空载损耗要比ab相或bc相的大,其增大的比例随铁芯的结构不同而不同。可用下式表示:

式中 K——由铁芯结构决定的系数。它可由下式估算

式中 H——铁芯窗高;

M0——三相铁芯柱中心距;

S1——铁芯柱截面积;

S2——铁轭截面积。

对于63kV及以下电压等级的变压器,K 值一般为1.3～1.4;对于110～220kV电压等级的变压器,K 值一般为1.4～1.5。

当单相空载试验测量结果不符合上述规律时,则说明变压器铁芯或绕组匝间存在故障或缺陷。

图1-31　五柱式铁芯单相空载试验磁路(a、b柱励磁)

对于铁芯为五柱式的磁路是相似的,均是二铁芯柱、二旁轭和上、下铁轭,如图1-31所示。所以三次测量的空载损耗和空载电流基本上是相同的。否则也说明变压器铁芯或绕组匝间存在故障或缺陷。

【例5】 某火电厂型号为SF—31500/110 的#2主变压器空载试验的测量结果如表1-16和表1-17所示。由测量数据可知:①空载损耗明显增大;②不符合上述规律。说明变压器铁芯或绕组存在故障或缺陷 (绕组匝间短路故障还可通过其他方法,如负载试验等进行区别)。后来又用其他方法检查,确定为铁芯故障。

表1-16　空载损耗测量结果

表1-17　K值表

【例6】 某变电所型号为SSPB1—360000/242的主变压器,采用五柱式铁芯。单相空载试验的测量结果如表1-18、表1-19所示。

表1-18　空载损耗测量结果(kW)

注 再次测量分别在投运后不久和吊芯前进行的。

表1-19　K值表

由表中数据可知:①K2、K3不符合上述规律;②当短路a相铁芯柱时,其损耗为最小。综上两点说明a相铁芯柱存在大面积铁芯短路故障,c相较轻 (由色谱分析已判定为铁芯故障)。解体发现,a、c相铁芯有三处故障点,其中a相铁芯上部及下部各有一处,c相铁芯下部有一处。

【例7】 某变电所型号为SFSZ—20000/110的主变压器,由色谱分析判断为磁路部分的局部过热。为确定过热故障点的部位,做了单相空载试验,测得各相空载损耗为Poab=20k W;Pobc=18.2kW;Poca=30kW。由此计算出K 值分别为K1=Poca/Poab=1.5;K2=Poca/Pobc=1.65;K3=Poab/Pobc=1.099。根据这些数据可诊断出故障点在铁芯的a相芯柱或靠近a相芯柱的铁轭处。吊罩检查发现故障点在下铁轭ab芯柱间穿螺栓的钢座套与铁芯之间。是金属异物搭桥引起的铁芯多点接地。

【例8】 某110kV主变压器,根据色谱分析初步诊断为磁路过热性故障。为进一步确定故障性质与部位,又进行空载试验,试验发现空载电流增大了21%,空载损耗增长了8.5%,且ab相损耗比bc相损耗大8%～10%,大大超过3%的要求。试验后,又重做包括变比试验在内的整组电气试验,均符合要求,而铁芯绝缘电阻值为零。因此,可以确定该主变压器故障为铁芯多点接地故障。该主变压器在4年前大修时曾发现ab相下铁轭硅钢片鼓包碰到穿芯螺杆使铁芯接地。虽经处理,由于运行中机械力作用,可能使其夹件松动,再次形成了多点接地。经吊罩检查、测量确定,下夹件与铁芯之间绝缘不合格,现场处理方法是加垫绝缘垫块。

现场经验表明,若测出的空载损耗比原来大10k W 左右,则可判定接地故障在铁芯窗口内。

值得指出的是,进行空载试验时要避免剩磁的影响。表1-20给出了某台进口变压器退磁前后的测量结果。可见剩磁有一定影响。变压器退磁的方法如下:

1)Y 接线。可采用在中性点与相间通直流的方法,应先做A、C相,最后做B相的退磁。

2)D 接线。可采用先在AC 加直流,使A 相退磁,然后在BC 加直流,使C 相退磁,最后在AB加直流,使B相退磁的方法。

表1-20中的变压器为高厂变,其联结组别为D,d0,d0,故退磁线路如图1-32所示。具体步骤是:

1)用调压器升压,使电流达到10A,然后调节调压器,使电流平缓地减至最小值。

2)改变电流极性,再次升压使电流达到8A,然后调节调压器,使电流平缓地减至最小值。如此循环,每次使电流减小2A,并改变相与相的极性。最后一个循环中,电流升至0.2A。

表1-20　退磁前后变压器空载损耗测量结果

注 退磁前后的数据均为现场测量值。

图1-32　变压器退磁接线示意图

必须注意的是,变压器绕组电感很大,电流减至最小值时并不为零,此时仍有一个较小的电流,断口此电流时将会在断口处产生高压,必须引起足够的重视。应当在断开回路前将变压器绕组短接。

(2)吊罩查找铁芯多点接地故障。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入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1-33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。

图1-33　检测电压的接线图

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1-34 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1-34　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1-35所示。当电流逐渐增大,且铁芯故障接地点电阻大时,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1-35　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;TA—电流互感器

5)红外诊断法。正常运行的油浸式变压器的绕组和铁芯在油箱中部,四周充满变压器油,其内部即使出现局部故障而发热,由于油的冷却、扩散作用,尤其是当铁芯故障不太严重时,一般在油箱外部也不会显露出来。因此无法形成局部明显异常的特征性热现象图。当吊罩后,在器身裸露的状态下,施加一定的空载励磁电压后再进行红外扫描,根据热象特征可以对油浸变压器的铁芯有无多点接地故障做出诊断。

【例9】 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910×10-6,而且乙炔也超标,达到12×10-6。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油色谱分析,结果是总烃含量已达999×10-6。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1-21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天、4天的色谱分析,18h 的绝对产气速率:总烃为97m L/h,乙炔为4.7m L/h;根据第5 天、6 天的分析,23h的绝对产气速率:总烃为135 m L/h,乙炔为5.1m L/h,乙烯为97.1m L/h。

表1-21　变压器色谱分析结果(×10-6)

(3)故障点部位估计。从一氧化碳和二氧化碳含量推断,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1天的色谱分析中C2H2占氢烃总量为

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,结果与主体本体相同,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1-36所示。这样就与原来的接地点形成了环流发热。

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10】 华中某电业局一台主变压器的型号为SFPSZ3—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

图1-36　铁芯的接地故障点

表1-22列出了几次色谱分析结果,从5月30日和6 月3 日的数据看,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。

根据国家标准《变压器油中溶解气体分析和判断导则》(GB 7252—87)中的三比值法,其编码组合为“0、2、1”,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。

表1-22　色谱分析结果

如图1-37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1-37　直流压降法查找故障点

(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1-38所示。测试中施加的交流电压数值为20～30V,铁芯对铁轭的电阻为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。

图1-38　用交流电弧法检查铁芯故障位置

故障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,烧坏胶木绝缘板,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11】 华北某供电公司一台主变压器,其型号为SJ—5600/35,按公司规定每半年进行一次色谱分析,其结果如表1-23所示。

表1-23　色谱分析结果

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150×10-6,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

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38×10-6、49×10-6,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器是不正常的。

1991年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,铁芯存在多点接地故障,下轭铁突出的硅钢片已将铁芯与垫脚间的绝缘刺破。

【例12】 东北某电业局改造增容的一台8F—24000/66电力变压器。自完成交接试验项目后,于当天投入运行。投运1天后,变压器温升达30℃,箱壳焊接线以上很热,个别部位烫手,而焊接线以下温度较低。投运1天后的油色谱分析结果如表1-24所示。

表1-24　色谱分析结果

1.从总烃的产气速率来考察故障的发展趋势绝对产气率为

产气速率大于注意值,表明变压器故障点消耗的能量不容忽视。

2.从温度计算值来看故障特点

由温度计算值可知,变压器内部有比较严重的发热故障存在。发热部位在散热器中心上部,由此推断铁芯或夹件与箱壳上部有相碰之处,或铁芯有两点接地,由于铁芯被短路,涡流损耗造成铁芯发热,使油温上升。

3.从检查性空载试验来看故障情况

空载试验采用单相法。空载电流I0%=0.88%,比出厂值I0%=0.465%大91.4%;空载损耗P0=30.1k W,比出厂值P0=25.02k W 大20%。每相损耗PA=13.8k W,明显增大;PB=4.1k W,PC=11.495k W,稍增大。

再从空载电流来看,第一次ab相励磁电流为15.3A,第二次为8.8A,明显下降,可推断接地故障为活动性金属体所致。

由以上试验推断该变压器铁芯有两点或多点接地故障。吊芯后发现:

(1)温度计座与上夹件相碰,且被撞弯,上夹件有明显被碰挤的划痕,如图1-39所示。

图1-39　温度计座与上夹件相碰

(2)用绝缘电阻表测铁芯绝缘时,又发现铁芯下部还有一处接地,绝缘电阻为0 MΩ;用万用表测量为4.5Ω。

对上述故障点进行处理后,温升、色谱分析结果及空载试验结果均正常。