摘要：电力变压器在运行过程中，带电的绕组和油箱之间存在电场，铁芯和夹件等金属构件处于电场之中，由于电容分布不均匀，场强各异，若铁芯没有可靠接地，则存在对地悬浮电位，产生铁芯对地的充放电现象，破坏固体绝缘和油的绝缘强度；若铁芯一点接地，即消除了铁芯悬浮电位的可能；但当铁芯出现两点或以上多点接地时，铁芯间的不均匀电位就会在接地点之间形成短路环流，造成铁芯局部过热；严重时，因过热变压器内部产生大量气体，引起轻瓦斯发信，甚至导致重瓦斯动作而使变压器开关跳闸，中断对外供电，近年来，贵州、广西等地都发生过因铁芯接地故障造成重瓦斯保护动作，从而使220kV变压器停电的事故，其损失惨重；同时环流过热还会烧熔局部铁芯硅钢片，使相邻硅钢片间的绝缘漆膜烧坏，引起硅钢片片间局部短路，使故障点扩大，变压器铁损变大，严重影响变压器的性能和正常运行，甚至发展到修复时，不得不更换硅钢片的严重程度。
关键词：铁芯；电容分布不均；场强各异；悬浮电位；充放电现象；短路环流；轻瓦斯；重瓦斯；变压器停电
引言
现代大型变压器，由于制造工艺质量、运输、安装和运行维护等原因，在变压器运行过程中，铁芯接地故障往往时有发生，且在变压器各类故障中占相当的比例，不容忽视。对变压器的事故统计分析表明，铁芯事故在变压器总事故中已占到了第三位，而铁芯的故障的产生，大部分是由于铁芯多点接地引起的。目前常用的检测手段是对设备的绝缘油采样后进行气体色谱分析和用钳形电流表测量变压器铁芯外引接地套管的接地下引线的电流，来推断并发现潜伏性故障，是保证大型电力变压器安全运行和正常维护的主要手段。
然而，这样的监测手段不仅浪费人力物力，而且无法长时间连续监测铁芯接地电流的变化，不能及时掌握变压器铁芯接地电流的发展趋势。同时，《电力安全规程》规定使用钳形电流表测量时应戴绝缘手套，站在绝缘垫上，不得触及其他设备，以防止短路和接地。由此可见，测量工作中有一定的危险性，遇到故障情况时，如果操作不当易造成人身伤害事故。另外，根据《防止电力生产事故的二十五项重点要求》（2014 版）的 12.2.18 条款：铁芯、夹件通过小套管引出接地的变压器，应将接地引线引至适当位置，以便在运行中监测接地线中有无环流，当运行中环流异常变化，应尽快查明原因，严重时应采取措施及时处理，电流一般控制在 100mA 以下。由此可见，变压器铁芯接地电流的测量精度要求较高且要求测量仪器要具有强电磁干扰能力。
因此需要一种连续在线监测系统，不仅能够长时间对变压器铁芯接地电流进行连续监测，同时又无须人员的参与，有效避免人员操作过程中的危险因素。另外，在检测铁芯多点接地现象时，能够区分微弱的接地故障电流与强电磁环境干扰等，同时具备有效的高精度实时对比数据和在线分析功能。
1 变压器铁芯接地电流在线监测技术
近些年来，随着传感器技术、信号处理技术和计算机技术的应用发展，变压器铁芯接地电流在线监测技术得到了广泛的关注。通过安装在变压器铁芯接地点上的铁芯接地电流在线监测装置，可实现对铁芯接地电流进行连续或周期性自动检测，当电流达到报警限值时，装置自动发出告警信号。该项技术能够及时发现铁芯多点接地故障的早期征兆，实现对故障能够做到早预防、早处理，弥补了仅靠定期预防性试验和使用钳形表运行人员监测带来的不足之处，并为变压器的状态检修提供可靠的大数据和技术支持。
1.1 变压器铁芯接地电流在线监测装置组成原理
变压器铁芯接地电流在线监测装置由电流传感器、信号采集与处理电路、显示与通信接口等组成。装置采用高精度、抗强电磁干扰的零磁通穿芯式电流传感器得到，能够及时准确的反映铁芯、夹件接地电流大小的电信号，该信号经过自动量程转换及滤波回路后得到比较精确的信号，再由18位高速A/D转换获得数字信号，进入CPU后，CPU根据程序将当前的全电流、基波电流值轮换显示在装置的LED数码管上。在线监测装置对铁芯接地电流进行连续、实时、在线监测，并把所有历史数据进行本地存储，同时，采用遵循 MODBUS RTU协议的485通讯方式，方便与上位机进行通信，也可以通过4-20mA的模拟量输出与电厂监控系统通讯。当监测电流达到报警限值时，发出相应的告警信息和信号，并可实现APP随时随地查看运行数据，告警信息在后台监控系统显示和相应的管理人员接到告警手机短信。
1.2 变压器铁芯接地电流监测装置的安装示意图
变压器铁芯接地电流监测装置的安装示意图
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1.3 变压器铁芯接地电流监测系统网络图
变压器铁芯接地电流监测系统网络图
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1.4 变压器铁芯接地电流在线监测系统的功能作用
通过检测变压器从运行开始以来全部的电流曲线，通过对数据的分析，可以预测变压器铁芯接地电流的趋势。实时在线监测变压器的运行状态，依据先进的在线分析，及时分析变压器的运行状态，科学管理，合理调整负荷延长变压器寿命，并能减少非计划停运和运行事故。
装置设置两级报警限值（预警限和报警限），电流超过预警限值时主动通过通信接口上传数据，超过报警限值时装置本地发光报警信号并通过通信报警；解决了铁芯接地电流检测靠运行人员采用钳形表手工测量不能实时检测，浪费人力物力，精度差，受强电磁干扰、外界环境影响大等缺点；不仅提高了工作效率和人员安全，减轻了工作运行人员的劳动强度，还为变压器状态检修策略提供了大量精确、及时、完整的数据信息，对变压器可能发生的一些故障，提供了有力的全面的数据依据。
2 案例分析
2.1 案例A
利用变压器油中气体在线监测技术，是发现变压器故障的有效方法之一。它是通过定性、定量分析变压器油中的气体来发现铁芯接地故障，根据《变压器油中溶解气体和判断导则》，故障有如下特征：总烃超过150UL/L；出现特征气体乙烯C2H4、甲烷CH4；若乙炔C2H2出现，且超过导则规定的5UL/L，则可能是动态接地故障；总烃产生速率超过导则规定的注意值0.5ml/h，且C2H2的产生速率急剧上升，则变压器可能存在铁芯多点接地故障。
2017年01月28日，贵州某电厂1#主变铁芯接地电流不断变化，从6~8mA迅速上升到6000多mA；相关技术人员迅速赶到现场使用钳形表测量后证实确为位6000~7000mA，进一步检查标明变压器存在铁芯接地故障缺陷。此时查看变压器油气在线监测系统，并没有特别异常的气体数据产生，运行人员决定重点关注，加强监测，并随时进行主变测温，结果2月20日才出现油气在线监测数据变化，反应变压器铁芯出现接地。
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变压器油气在线监测数据折线图
根据上图可以看出，反应铁芯接地的甲烷、乙烯均已产生，但其含量在3月5日前一直平稳，没有明显上升。判断贴芯动态接地的特征气体乙炔C2H2含量一直没有发生变化。而直到3月5号，该主变铁芯多点接地故障运行40多天后，出现“局部高温热故障”，相应油气在线监测装置才越限告警，总烃超标并上升趋势明显，各特征气体含量明显上升。
根据上述实例可以看出，变压器油气在线监测系统可以准确反映铁芯接地故障，但是反应周期过长，约20~30天，而主变铁芯多点接地故障长期运行十分危险，一旦碰上恶劣运行（高温连续运行，过负荷，雷雨天气），可能会使故障进一步恶化，造成事故扩大，而增加变压器铁芯接地电流在线监测后可以对铁芯接地故障快速预警，早期发现，配合变压器油气在线监测系统做出准确及时的故障判断。
2.1 案例B
2018年05月，广西桂林，某220kV变电站1号主变，安装了变压器铁芯接地在线监测，该主变故障接地电流突升至1300mA，装置发出告警，运行人员对故障现象跟踪，从历史记录中发现，从装置投入运行到11月7日7时50分，该主变的接地电流始终在160mA左右，处于非悬浮多点接地状态。对此，该变电站采取了油流冲洗处理。11月8日12时主变恢复运行，装置监测记录中反映出接地电流为1mA。
3 变压器装设芯接地电流在线监测装置益处
变压器作为电厂的核心设备，虽然配有多重保护，但由于内部结构复杂，可能出现内部绝缘受潮或受损、箱体内异物、油箱油泥沉积等引起铁芯多点接地故障，为避免铁芯接地故障恶化转为更大故障，加装变压器铁芯接地电流在线监测装置非常有必要，也是个重要的监测手段。
通过对铁芯接地电流进行准确、实时监测，能够及时了解到铁芯的工作状况或早期故障征兆，使得运行维护人员在故障处于萌芽阶段时能够及早处理，从而提高了维修质量和效率，避免了恶性事故的发生。
参考文献：
[1] TCEC 142-2017 变压器油中溶解气体在线监测装置运行导则.
[2] DLT 572-2010 电力变压器运行规程.
[3] DLT 573-2010 电力变压器检修导则.
[4] GB 7252.2001 变压器油中溶解气体分析和判断导则 .
[5] 国家能源局关于印发《防止电力生产事故的二十五项重点要求》的通知（国能安全[2014]161号）.
论文作者:陶林1,李作庆2
论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/15
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