帶外殼后干式變壓器外殼內部接地電纜的選型分析

郭峰

摘要：電氣接地故障是電力系統中最常見的一種電氣故障，系統短路時由于電氣設備的可接觸金屬外殼會帶故障電壓，為了確保故障電壓不會造成人身傷害，相關標準中要求對電氣設備的外露可導電部分必須進行有效接地以確保該故障電壓能降低至安全電壓以下。對于干式變壓器來說，由于其繞組和電氣接線端子均是裸露在外的，因此國家規范中均要求在大部分應用場合其需要帶防護外殼，防護外殼起到了應用現場電氣柵欄的作用。目前，大部分的變壓器外殼均采用鋼板結構拼裝，為了防止環境腐蝕，鋼板外殼均會噴一定厚度的漆或做其他表面處理，且環境越是嚴酷的地方，鋼板表面的噴漆厚度越大，按照ISO要求，C4應用環境下的外殼噴漆將達到280μm以上，這種情況下，外殼面板間因為是螺栓連接的，其接觸面的接觸電阻就會變得很大，從而影響整個外殼的接地電阻。此外，由于變壓器外殼是通過多塊鋼板拼接起來的，如果某兩塊面板間的接觸電阻過大，在變壓器出現接地故障時兩塊面板上可能會產生超過安全電壓的故障電壓，威脅人身安全

關鍵詞：干式變壓器;外殼;內部接地;電纜;

引言

為限制變壓器中性點不接地運行時可能出現的過電壓，變壓器中性點通常裝設放電間隙。當變壓器相鄰線路發生不對稱接地故障，同時變壓器低壓側含分布式風電接入，風電機組故障特性會影響線路繼電保護的動作性能。若保護不能及時斷開故障線路，分布式電源持續提供短路電流，可能引起變壓器中性點電壓升高，進而擊穿間隙，改變系統零序回路。距離保護具有靈敏度高、動作情況受電網運行方式變化影響小等優點，被廣泛應用于線路保護中，其中接地距離保護受零序回路影響較大，間隙擊穿可能影響其動作特性。

1干式變壓器防護外殼結構

干式變壓器外殼可采用不銹鋼、鋁合金、鋼板等材質，考慮到成本和機械強度的問題，大部分情況下，干式變壓器均采用鋼板噴漆結構，根據外殼尺寸的大小不同，鋼板厚度可采用1.0mm、1.5mm或2.0mm，鋼板表面做噴漆或靜電噴粉處理，使得外殼有足夠的防腐能力，以適應變壓器的使用環境。

2接地故障分析

對于中性點不接地的配電系統，發生單相接地故障時有以下特點：接在同一電源上的全系統都會出現零序電壓，接地線路與非接地線路都有零序電壓，無法進行區分;非接地線路的零序電流為本線路自身對地電容電流，容性無功功率方向由母線流向線路;接地線路的零序電流由全網絡非接地設備對地電容電流之和，容性無功方向由線路流向母線。對于中性點經消弧線圈接地的配電系統，發生單相接地故障時有以下特點：一般采用過補償運行，接地流過的是感性電流，接地線路與非接地線路容性無功方向均由母線流向線路;其余特點基本與不接地系統基本相同。

3外殼面板等電位連接分析

配電變壓器的高壓側均為35kV及以下系統，按照《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》（GB/T50064—2014）中關于中性點接地的要求，35kV以下系統為非有效接地系統，單相接地故障電流很小，因此，本文不考慮高壓側接地電流的影響。參照《低壓配電設計規范》（GB50054—2011）中的要求，低壓單相接地故障引起的設備外露可導電部分的接觸電壓不可以超過50V。出于此原因，規范中要求采取各種措施降低設備接地處的接地電阻，以實現在任意情況下設備的接地故障電壓不超過50V，從而確保人身安全，因此電氣設備廠商在產品設計時必須確保設備的外露可導電部分能夠有效接地。把變壓器外殼想象為一個變壓器室，參照規范要求，該變壓器室需設一個總接地端子，總接地端子通常位于外殼的底座上，采用M12的接地螺栓或螺栓座作為外殼和變壓器的PE端子，變壓器本體和外殼的接地端子分別通過黃綠電纜連接到底座接地端子上，由于外殼噴漆后的接觸電阻增大，外殼與變壓器的總接地端子之間電阻比較大，當變壓器發生單相短路故障時，短路點與變壓器室的總接地端子之間的基礎電壓可能超過安全電壓，因此，每塊面板之間需要再做輔助等電位連接，使得面板之間形成有效電氣連接。因為配電變的外殼尺寸不大，所以面板用接地電纜或銅編織帶連接后的電阻很小，可以認為是一個等勢體，即人體的接觸電壓為零。

4干式變壓器常見故障

4.1聲音異常

聲音異常是干式變壓器運行過程中的常見故障之一，隨著變壓器運行時間增加和負荷逐步增大，變壓器難免超負荷運轉，導致其在運行過程中處于疲憊狀態，發出異常聲音。根據變壓器不同零件不同程度的受損情況，變壓器也會發出不同的聲音。以某電廠電力系統為例，維護人員在檢查變壓器運行過程中聽見變壓器做功時出現了多種聲音狀態，說明變壓器出現了故障，維護人員應首先判斷異常聲音部位，再根據異常聲音位置采取對應的解決措施。

4.2磁路部分故障

變壓器的磁路發生故障，包括以下情況：鐵芯、夾件及鐵軛中的故障。以下原因會導致磁路故障：（1）變壓器在運行過程中由于各種原因造成多點接地，會導致鐵芯發熱，甚至跳閘。（2）硅鋼片直接絕緣損壞、產生較大渦流，渦流產生的熱量不但會增加鐵損，而且會使得變壓器溫度過高。

5減少干式變壓器故障的措施

5.1完善檢查預防工作

在電力系統的運行中，通過開展高效的檢查與預防工作，能夠有效地避免電力變壓器出現故障的幾率。這就需要工作人員在開展工作的時候，應該嚴格地按照檢查標準，提升檢修效率，降低電力企業的損失，保障電力企業的健康穩定運行。在開展變壓器檢測的時候，工作人員應該將變壓器的運作狀態列為受檢目標，保證變壓器在運行過程中的穩定。通過進行定期檢測，能夠對變壓器的穩定運行提供保障，一旦在檢測過程中出現故障，必須要及時的與檢修部門進行聯系，同時針對性開展修理工作。在開展完善的檢查與預防工作下，能夠實現故障風險率的降低，實現變壓器使用效率的提升。

5.2定期檢修

因變壓器內部問題造成的變壓器異常所占比例較大，因此應強化對變壓器的定期檢修，并且找出其中潛在的問題，并及時修復，這能避免變壓器在運行中突發故障，從而把人力、物力等方面的損失降到最低。具體的檢修如下：第一，關于絕緣吸收比和直流電阻數據的檢測。第二，變壓器繞組、套管介損參數檢測及避雷設備是否有效接地檢測，看其是否符合要求。伴隨時代的發展，當前的監控技術日益完善，其能對變壓器進行全面監控，如果產生異常的話，則能及時告知相關人員，最大限度保證了變壓器的正常運行。

5.3提升檢修人員技術水平

隨著科學技術的快速發展，電力變壓器的構造也更加復雜，為了更好的提升故障檢修的水平，必須要打造高水平的檢修隊伍，通過提升檢修人員的技術水平，應對各種復雜的變壓器故障。電力企業想要獲得更好的發展，必須要強化對技術人員的培訓，通過定期的開展相應的技能培訓，保障變壓器檢修工作的效率。對于電力企業而言，檢修人員的素質，直接影響著自身的運行的穩定性，而在進行檢修人員培養的過程中，不僅需要進行先進檢修工藝的培訓，同時需要增強工作人員的道德作用，嚴格的按照相關的規章制度開展工作。

5.4日常維護

日常維護在變壓器的運行中必不可少，進行科學的維護管理能有效減少變壓器的故障發生率，如灰塵、污垢等會影響變壓器的正常運轉，不利于變壓器絕緣層的運作，需對其及時清理。同時，應檢查變壓器中的分接開關功能，對電氣連接器進行加固，提高機械轉動的準確性，有效解決螺栓松動而產生的變壓器異常情況。另外，如果在油液冷卻系統中出現生銹、管道阻塞等問題，則會影響變壓器的安全運行，所以應做好相關檢查工作。

6 外殼面板連接電纜的選擇

按照中性點與PE線之間的關系，低壓系統可分為TN、TT和IT系統，其中，TT系統和IT系統發生單相短路故障的電流都不大，本文只以TN系統的單相短路故障電流為例做分析。IEC標準中不允許在變壓器室或發電機室內將中性點直接接地，還規定自變壓器（發電機）中性點引出的PEN線必須絕緣，并且只能在低壓配電盤內一點與接地的PE母排連接而實現系統接地，在這點以外不得再在其他處接地，不然中性線將通過不正規的并聯通路而返回電源。由于變壓器沒有PE排，只在底座處布置有PE端子，相排和PE端子間的距離較大，導致其相保阻抗很大，當低壓柜與變壓器的連接是電纜時，相線和PE線布置在同一電纜保護物內，或當低壓柜與變壓器之間采用銅排連接時，低壓柜內部的相排和PE排通常布置在同一個水平或垂直面上，兩種情況下，低壓柜內的相線和PE線布置都很規律，所以低壓柜內的相保阻抗很小。因此，當變壓器外殼內部短路時，變壓器PE端子和低壓柜間的連接電纜很短，兩個設備的PE連接處處于同一電位，此時，短路故障電流大部分將通過低壓柜內的PE回流到電源處形成接地故障回路，變壓器外殼面板上通過的電流很小，因此，外殼間連接電纜僅用于傳遞電位，選型時僅考慮導體的機械強度即可。

結束語

本文所述外殼面板間的連接方式從實際應用來看大大降低了外殼的整體接地電阻，生產上也方便操作，可以滿足外殼有效接地的要求。在其他規范如挪威船級社規范中要求，框架、面板之間的連接導體可接受即可，因此，在工程使用中，相關設計人員可根據實際情況選擇合適的接地連接方式。但對于噴漆保護或采用接觸墊片實現接地的方式，由于破壞漆后可能導致外殼面板的生銹腐蝕，筆者在此不推薦。

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