大型电力变压器是电网传输的枢纽设备, 而变压器故障类型多种多样。铁心(夹件)故障在变压器故障中占比处于第二位, 达21.7%^[1-3]。变压器运行时, 铁心和夹件等构件对地会产生悬浮电位, 大到一定程度时会对绕组或地放电。因此, 变压器的铁心和夹件必须进行有效接地^[4-5]。但铁心和夹件多点接地可能带来一系列的危害, 如铁心和夹件局部过热、烧坏; 变压器油分解, 引发绝缘油性能下降; 导致气体继电器动作而使变压器跳闸^[6]。因此, 开展变压器铁心和夹件多点接地故障的分析研究对于保证电力系统安全、可靠运行具有重要意义。

2019年6月24日, 某变电站500 kV ODFS-334000/500型主变压器(以下简称“主变”, 容量334 MW, 出厂日期为2017年12月1日, 投运日期为2018年6月20日, 采用无励磁调压方式)C相铁心接地电流存在从2~25 mA不同程度的跳变, 最大甚至达到安培级。

为阻止故障进一步恶化, 在系统暂时不允许停电检查的情况下, 2019年7月20日, 采用在外引铁心接地回路上串接电阻的临时应急措施来限制接地回路的环流^[7]。当主变A相和B相铁心接地电流降至合格范围0.1 A^[8]以内时, C相铁心接地电流降至接近零。

C相铁心和夹件的接地电流检测数据如表 1所示。

表 1 C相铁心及夹件接地电流检测数据 单位: mA

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检测日期	接地电流
	铁心	夹件
2019-03-21	26.5	123.7
2019-06-22	23.8	125.0
2019-07-18	20.0	171.0
2019-07-20	6.0	126.0
2020-03-27	0	115.0

对该主变进行油色谱试验时, 发现2019年7月30日出现微量乙炔(C₂H₂), 历次跟踪检测详细检测数据如表 2所示。

表 2 主变油色谱历次跟踪检测数据 单位: μL/L

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检测日期	H2	CO	CO2	CH4	C2H4	C2H6	C2H2	总烃
2019-01-09	5.97	89.32	196.90	1.18	0.09	0.15	0	1.42
2019-06-22	6.37	113.75	261.72	1.49	0.12	0.16	0	1.77
2019-07-30	4.90	107.70	270.71	1.43	0.14	0.20	0.06	1.83
2019-12-24	4.91	156.58	297.38	2.63	0.19	0.29	0	3.11
2020-02-18	7.03	193.80	304.96	2.64	0.22	0.33	0	3.19

对该主变的铁心和夹件接地电流进行高频局放检测、超声局放检测及红外检测, 均未见异常。

该主变的铁心及夹件引出接线排至变压器底部共有10个小支撑绝缘子, 现场利用高精度钳形电流表分别对铁心及夹件引出接线排各支撑绝缘子进行接地电流测试, 未见异常现象。这表明各支撑绝缘子的绝缘性能良好, 与外壳无短接情况。从本体上方的铁心及夹件引出小磁套附近接线排处直接检测接地电流, 所得检测数据与接地引下线处检测数据相比也无明显变化。对该主变其他部位进行检查也未发现铁心和夹件接地排与主变壳体有接触现象, 铁心和夹件接地排之间无短接情况。初步怀疑该主变的铁心接地电流不稳定是由于主变内部的铁心接地存在虚接或接触不良的情况。

正常情况下, 该型主变的铁心和夹件经引出线进行外部单点接地, 从铁心和夹件两个引出端口进行物理结构分析并建立相关数学模型。当铁心和夹件正常引出时, 内部高压绕组对铁心和夹件存在集总参数电容C_铁心和C_夹件, 铁心和夹件之间利用绝缘材料进行绝缘隔离, 存在集总参数电容C_{铁心-夹件}, 铁心和夹件外部接地等电位, 故I_{铁心-夹件}为零。铁心和夹件接地电气原理如图 1所示。

图 1 铁心和夹件接地电气原理示意

对该主变在2019年3月—7月的铁心和夹件接地电流数据记录进行分析。详细数据趋势如图 2所示。

图 2 铁心和夹件接地电流趋势

由图 2可以看出, 当铁心电流偏大时, 夹件电流也较大。铁心接地电流平均值约为10 mA, 夹件接地电流平均值约为119 mA。当铁心接地电流为零时, 可以认为该电流不包含铁心和夹件之间的循环电流, 而此时夹件接地电流约为112 mA, 结合夹件接地电流平均值, 可得铁心接地电流值为119-112=7 mA。这与实测铁心接地电流平均值10 mA接近, 并且7月份大部分测量数据均符合该规律。由此可知, 当铁心电流较大时, 铁心与夹件间存在循环电流。

在现场模拟铁心和夹件多点接地情况, 分别设置以下3种状态。

(1) 铁心接地引下线一点与本体外壳短接, 测得铁心接地引下线短接点上方电流为11 mA(与未短接前所测接地电流值一致), 而短接点下方所测电流为2 366 mA;

(2) 夹件接地引下线一点与本体外壳短接, 夹件接地引下线短接点上方所测电流为115 mA(与未短接前所测接地电流值一致), 短接点下方所测电流为2 565 mA;

(3) 铁心和夹件接地引下线相互短接, 短接点上方铁心电流为10 mA, 夹件电流为115 mA(与未短接前各自所测接地电流值一致); 短接点下方铁心电流为106.5 mA, 夹件电流为216.4 mA, 短接点以下铁心和夹件电流相角差为180°。

综合上述铁心及夹件接地电流检测数据和模拟结果, 可基本判断故障原因为: 该主变铁心与夹件之间绝缘材料的绝缘性能受损, 有可能是在生产制造过程中因生产工艺不良或运输过程中操作不当所造成的, 在运行一段时间后绝缘材料的性能急剧下降或铁心引出线安装过程中安装不牢固, 导致了该主变C相铁心引出线存在虚接或多点接地的情况。

主变停电后, 对铁心和夹件进行绝缘试验, 发现铁心和夹件的绝缘电阻无异常。排油后, 对主变内部铁心和夹件引出系统及各油道连接片压接情况进行检查, 未发现其引出系统存在多点接地或接地不良、松动、接触不良等异常情况。

对主变铁心和夹件附近系统进行进一步检查, 夹件磁屏蔽安装结构示意图如图 3所示。

图 3 夹件磁屏蔽安装结构示意

检查后发现, 主变主柱低压侧上部夹件磁屏蔽端部存在不同程度的绝缘破损及碳化痕迹, 且尖角处存在轻微碳化痕迹, 如图 4所示。

图 4 夹件磁屏蔽破损

判断主变铁心接地电流不稳定的原因为: 当变压器运行时, 磁屏蔽中有漏磁通过, 自身会产生振动, 振动导致磁屏蔽的硅钢片与铁心之间的间隙缩小, 产生断续连接的现象。现场磁屏蔽包扎所采用的2层(2×0.075 mm)丹尼森纸较薄, 引起了端部位置的绝缘破损。因磁屏蔽已有一点与夹件连接, 故导致了铁心与夹件间发生两点接地, 最终体现为铁心接地与夹件间出现环流。

对主变存在外绝缘破损的夹件磁屏蔽进行更换, 在各夹件磁屏蔽靠近铁心部位的端部位置加包3层(3×0.2 mm)耐热皱纹纸增强绝缘后复装, 在铁轭与夹件磁屏蔽之间增加1层或2层2 mm绝缘纸板, 增加两者物理绝缘, 以降低漏磁引起的变压器杂散损耗来避免局部过热。绝缘纸板放置位置如图 5所示, 绝缘处理效果如图 6所示。

图 5 2 mm绝缘纸板放置位置示意

图 6 绝缘处理效果

处理后连续监测一个月, 并每天记录该主变铁心和夹件接地电流数据, 数据未见异常且较稳定, 油色谱数据也未见异常。

本次故障仅体现在铁心接地电流不稳定及油色谱出现过微量C₂H₂。该情况在实际检测巡视中较容易忽略。主变主柱低压侧上部夹件磁屏蔽端部已存在不同程度的绝缘破损及碳化痕迹, 这说明主变内部已经积累了一定的放电能量, 如果不加以控制极有可能导致放电量激增, 进而导致主变重瓦斯动作, 主变跳闸。

在后续的变压器巡视及油色谱试验中, 对主变铁心和夹件接地电流进行持续跟踪, 对油色谱数据尤其是C₂H₂含量数据进行有效把控, 可较早、较准确地发现变压器铁心和夹件多点接地故障。