變壓器鐵心多點接地檢測與絕緣恢復裝置研制朱良

詹樊+毛興

摘 要：為了能夠在電力變壓器運行過程中檢測出變壓器鐵心是否多點接地并實現絕緣恢復，防止多點接地故障影響變壓器的安全運行進而影響電力系統的經濟效益，該文通過對變壓器鐵心多點接地檢測及絕緣恢復技術的研究，借鑒現有成熟的絕緣電阻測試技術，系統化地提出了符合高壓試驗安規要求的變壓器鐵心多點檢測與絕緣恢復裝置的設計方案。通過實例分析驗證了該裝置能夠實現預期目標，證實了該裝置設計的合理性，具有一定的社會經濟效益。

關鍵詞：多點接地檢測 絕緣恢復 變壓器

中圖分類號：TM40 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（b）-0050-03

變壓器是電力系統中重要的設備之一，它的安全運行和可靠供電直接關系到電力系統的經濟效益，同時也影響到廠礦企業的經濟效益和居民生活。其中變壓器鐵心多點接地故障直接影響變壓器的安全運行。電力變壓器正常運行時，鐵心必須有一點可靠接地。當鐵心出現兩點以上接地時，鐵心間的不均勻電位會在接地點之間形成環流并造成鐵心多點接地發熱的故障，嚴重時會造成鐵心局部溫升增加、輕瓦斯動作，甚至將會造成重瓦斯動作而跳閘的事故[1]。

目前，針對運行中鐵心出現多點接地故障的變壓器，對由于微小金屬異物或油泥造成的次生接地，通常采用電容沖擊放電或直流大電流灼燒法進行處理，現場使用設備簡陋，一般利用簡易裝置進行臨時組裝搭建，集成化、自動化水平均較差，安全性和可靠程度低，尚無符合標準化管理要求的成套集成試驗儀器或裝置。同樣地，目前也尚未見采用內窺鏡作為輔助檢測、監視手段的應用或相關報道[2]。故該文針對上述缺陷，研究了一款變壓器鐵心多點接地檢測與絕緣恢復裝置。

1 變壓器鐵心多點接地檢測與絕緣恢復裝置簡介

該文主要研制了一套符合高壓試驗安規要求的集成試驗裝置，該裝置具有鐵心絕緣狀態檢測功能、直流大電流恒流輸出灼燒功能、電容快速充電功能、電容電流沖擊功能及低壓（1 000 V）交流耐壓功能等多種功能，能夠很好地用于檢測變壓器鐵心絕緣狀況和絕緣恢復。在變壓器檢修工作中，該裝置能夠通過直流電流灼燒和（或）電容放電電流沖擊，消除由于微小金屬異物或油泥造成的變壓器鐵心多點接地故障（燒斷次生接地回路），恢復一點接地狀態，提高鐵心構件的絕緣性能，避免鐵心環流造成局部過熱甚至燒毀鐵芯。對于頑固性油泥，可與配備的專用內窺鏡相配合，借助其他工具將其有效鏟除，將次生接地點斷開，從而能夠恢復鐵心的一點接地狀態。

主要的所需設備清單如下：2 500 V絕緣電阻測試儀、40 A直流恒流電源裝置、1 000 V交流耐壓裝置、電流沖擊放電電容器組、6 kV直流大功率快速充電電源（直高發）、電容放電觸發裝置、集成控制臺以及專用內窺鏡等，另含配套控制軟件一套。

該裝置的研究主要內容包含：鐵心對地絕緣電阻的檢測及裝置的設計、鐵心絕緣恢復處理裝置（恒流灼燒、電容放電沖擊）的設計與研制、直流快速充電裝置的設計與研制、直流恒流大電流裝置的設計與研制、高壓電容放電沖擊裝置觸發機構的設計與研制和高低壓裝置輸出之間的安全可靠切換、交直流裝置輸出之間的安全可靠切換、對鐵心絕緣恢復處理技術參數（直流恒流灼燒電流、電容放電電流沖擊法的電壓值及電容量等）的選擇研究以及上述模塊組成成套裝置后進行自動化及控制的設計。

該裝置的主要難點是交、直流高電壓輸出的安全切換、直流快速充電裝置的設計與直流大電流恒流電源的設計與研制。旨在研制一套符合高壓試驗安規要求的集成試驗裝置（根據實際構成部件尺寸，預計為1或2個操作箱或試驗臺），因集成裝置涉及最高交流1 000 V和直流5 000 V高壓工作電路的切換，必須在確保安全、可靠切換的前提下，任一支路正常工作的同時，應不影響和損壞其他支路。切換方式及機構應簡單可靠，絕緣需有充分的保證，且占用空間不可過大。此外，對于變壓器鐵心由于金屬異物或油泥造成的次生接地，采用電容放電沖擊（即電流沖擊）時，通常需多次反復處理，方可達到預期效果。為此，要求充電裝置需具備合理的較快的充電速度和輸出容量，才能保證較高的處理效率，且需適應1 000～5 000 V、10～0.5 μF電壓和電容量的參數跨度要求，且對充電參數和結果需能正確測量。而對于變壓器鐵心由于金屬異物或油泥造成的次生接地，采用直流電流灼燒處理時，通常認為采用恒流處理效果較為理想，且需嚴格控制一次的灼燒時間（一般認為3 s左右），防止灼燒范圍擴大，裂解絕緣油或破壞鐵心對線包的主絕緣。因此，需研制直流大電流恒流輸出電源，初定參數：電流恒定0～40 A，連續可調，輸出電壓最高24 V（開路電壓）。

2 變壓器鐵心多點接地檢測與絕緣恢復裝置研制

借鑒現有成熟的2 500 V絕緣電阻測試儀的技術，研制相應的電路，設計鐵心絕緣檢測裝置。設計和研制直流快速充電電源（1 000～5 000 V）電路及裝置。設計和研制恒流充電電源（40 A、24 V）電路及裝置。設計1 000 V交流耐壓裝置。將4部分電路及裝置進行合并設計。研制交直流及高電壓切換電路，切換機構選型。研制控制、測量及顯示等部分和相關程序的編制。研究內窺鏡檢測到的鐵心多點接地故障圖像與采取直流電流灼燒和電容放電沖擊處理效果之間的關系。

該套裝置成套裝置系統化設計，安全性和可靠性高，符合高壓試驗安規的要求，且將成套裝置集成化、自動化設計，集鐵心絕緣檢測、絕緣恢復處理和鐵心交流耐壓功能于一體。該裝置擁有集成直流電流灼燒和電容放電沖擊兩種處理設備，可實現多種輸出參數組合，配置靈活多樣，適應范圍廣。此外，裝置還配備有專用內窺鏡，可輔助直觀查看鐵心故障接地情況及處理效果。

正常工作條件：裝置需處于-10 ℃～+40 ℃的環境溫度中，其能夠處于相對濕度較大的濕潤環境中，可以在相對濕度5%～95%（產品內部既不應凝露，也不應結冰）范圍內工作。該裝置能夠抗擊8度的地震烈度，其水平加速度最大為 0.25 g，垂直加速度最大為0.125 g。在運輸過程中裝置在允許的環境溫度-40 ℃～+70 ℃，相對濕度不大于85%；在貯存中允許的環境溫度-25 ℃～+55 ℃，相對濕度不大于85%，在不施加任何激勵量的條件下，裝置不出現不可逆變化。裝置使用的場地需要符合GB/T 9361-2011中B類安全要求；不得出現超過GB/T 11287-2000規定的嚴酷等級為I級的振動；不能發生GB/T 17742-2008規定的烈度為Ⅶ度的地震；使用地點必須無爆炸危險的物質，周圍介質中不含有能腐蝕金屬、破壞絕緣和表面敷層的介質及導電介質，沒有嚴重的霉菌存在。

變壓器鐵心多點接地檢測與絕緣恢復成套試驗裝置，其主要構成部件及技術參數要求如下。另外，成套裝置中還應包括電容放電觸發控制裝置、交直流、高低電壓輸出切換裝置以及集成控制臺和高壓導線等。其中，絕緣電阻測量儀的量程為0～2 500 GΩ，其測量電壓（輸出）為DC 500 V、1 000 V、2 500 V。交流耐壓裝置的額定容量（輸出）為1 200 VA，輸出電壓范圍為0～1 200 V（±5%）連續可調。其額定電流為1 A，額定頻率為50 Hz。直流恒流灼燒電源的額定功率為960 W，其輸出電流為0～40 A連續可調（恒流），輸出電壓在開路時的最大值為24 V。其灼燒時間為單次0～3 s連續可調。放電沖擊電容如表1所示。

直流快速充電電源的額定功率不小于1 200 W，其輸出電壓范圍為0～6 kV，在此范圍內可設定1 000 V、1 500 V、2 500 V、5 000 V的截止點，其輸出電流的要求為不小于200 mA。

專用內窺鏡主要技術參數如下：其內部光學系統的觀察方向為直視，焦距是固定的，其視場角范圍為大于等于105°，景深范圍為5mm～∞。探頭有以下幾項參數：探頭的直徑為Φ10mm；其彎曲角度為≥120°；彎曲方向為四向，360°全向觀察；其工作長度為1～5 m，鏡頭控制的方式為手動。在圖像采集及顯示方面，圖片采集的分辨率高于640×480，像素為42萬，顯示屏為3.5時液晶顯示器可實現錄像拍照存儲功能，有內置存儲介質，可外置存儲介質，可在以上存儲載體之間調出、復制、刪除圖形文件。系統相關參數為：光源為可多級調整高亮度LED，存儲媒介為16G的SD卡，存儲格式可為JEPG圖片格式，也可為MPEG4視頻格式，其供電方式為內置可充電電池。

3 變壓器鐵心多點接地檢測與絕緣恢復裝置實例分析

某電廠120 MVA、220 kV主變壓器（SFP8-120000/220）投運中發現異常，停電后對變壓器鐵芯進行絕緣檢查，先斷開鐵心外引線的接地處，再通過鐵心外引線用250～2 500 V不同電壓等級的兆歐表搖測鐵心絕緣電阻。

使用該裝置測量結果：變壓器鐵心對地絕緣電阻值最大不超過l kΩ，較預防性試驗時所測數據（30 MΩ/2 500 V、DC）有很大下降。

3.1 原因分析

運行中，變壓器油中雜質、析出油泥、纖維及其他具有導電性質的懸浮物，在電磁場的作用下，極易附著在鐵心下部的絕緣硬紙板上，形成導電“小橋”，從而構成鐵心多點接地通道。需要指出的是：該次接地故障不同于金屬焊渣、金屬絲等雜物，以及接地金屬夾件與鐵心短接所引起的金屬性回路，而是有一定電阻值的。若不能及時發現處理，極易形成穩定的接地通道，造成鐵心局部過熱甚至將鐵心燒損。

3.2 處理方法

鐵心故障的處理是采用圖1所示的大電容C充電后對鐵心沖擊放電，即利用其瞬間沖擊電流大的特點將接地點燒斷。處理時的具體步驟：先用放電棒接觸A點，合上電源開關升壓，對電容C充電，同時觀察靜電電壓表PV，電壓應控制在2 500 V以下。

當電壓穩定后，迅速將放電棒移至B點對鐵心放電，電容C儲存的電能通過鐵芯對故障接地電阻的沖擊作用將故障接地點燒斷。

故障處理過程中，當把放電棒從A點移至B點時，從變壓器下部發現一聲清晰的放電聲，重復數次后無放電聲出現。當用接地線碰觸鐵心外引線時，碰觸點有明顯的火花放電現象，證明鐵心對地的絕緣良好。將鐵心對地徹底放電后，再用250～2 500 V電壓兆歐表測量鐵心對地絕緣電阻，數值穩定（>30 MΩ/2 500 V、DC），恢復到了故障前的絕緣水平，處理結果較為滿意[3-5]。

4 結語

該文針對電力變壓器運行過程中常出現多點接地故障這種對社會經濟有重大影響的情況，通過實例詳細介紹了計劃研制的符合高壓試驗安規要求的一整套變壓器鐵心多點接地檢測與絕緣恢復集成實驗裝置，其中包括裝置的組成，裝置研究難、重點，研究技術路線、創新點，具備較好的社會經濟效益。

參考文獻

[1] 林俊山，尤毅峰.變壓器鐵心多點接地故障的處理[J].福建電力與電工，2000，20（4）：42-45.

[2] 張鵬.變壓器鐵心多點接地處理及早期發現[J].變壓器，2007，44（5）：56-57.

[3] 張庚，孟玲梅.變壓器鐵心多點接地故障及其診斷[J].華北電力技術，2011，37（2）：37-39.

[4] 左文啟，顧淵博，葉洪波.變壓器鐵心多點接地問題的研究及實例分析[J].變壓器，2010，47（2）：49-53.

[5] 仇明.電力變壓器鐵心接地故障的分析與處理[J].變壓器，2011，48（5）：72-74.