變壓器鐵心多點(diǎn)接地檢測(cè)與絕緣恢復(fù)裝置研制朱良

詹樊+毛興

摘 要：為了能夠在電力變壓器運(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)出變壓器鐵心是否多點(diǎn)接地并實(shí)現(xiàn)絕緣恢復(fù)，防止多點(diǎn)接地故障影響變壓器的安全運(yùn)行進(jìn)而影響電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，該文通過(guò)對(duì)變壓器鐵心多點(diǎn)接地檢測(cè)及絕緣恢復(fù)技術(shù)的研究，借鑒現(xiàn)有成熟的絕緣電阻測(cè)試技術(shù)，系統(tǒng)化地提出了符合高壓試驗(yàn)安規(guī)要求的變壓器鐵心多點(diǎn)檢測(cè)與絕緣恢復(fù)裝置的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)實(shí)例分析驗(yàn)證了該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，證實(shí)了該裝置設(shè)計(jì)的合理性，具有一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：多點(diǎn)接地檢測(cè) 絕緣恢復(fù) 變壓器

中圖分類號(hào)：TM40 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）08（b）-0050-03

變壓器是電力系統(tǒng)中重要的設(shè)備之一，它的安全運(yùn)行和可靠供電直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也影響到廠礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和居民生活。其中變壓器鐵心多點(diǎn)接地故障直接影響變壓器的安全運(yùn)行。電力變壓器正常運(yùn)行時(shí)，鐵心必須有一點(diǎn)可靠接地。當(dāng)鐵心出現(xiàn)兩點(diǎn)以上接地時(shí)，鐵心間的不均勻電位會(huì)在接地點(diǎn)之間形成環(huán)流并造成鐵心多點(diǎn)接地發(fā)熱的故障，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成鐵心局部溫升增加、輕瓦斯動(dòng)作，甚至將會(huì)造成重瓦斯動(dòng)作而跳閘的事故[1]。

目前，針對(duì)運(yùn)行中鐵心出現(xiàn)多點(diǎn)接地故障的變壓器，對(duì)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(jìn)行處理，現(xiàn)場(chǎng)使用設(shè)備簡(jiǎn)陋，一般利用簡(jiǎn)易裝置進(jìn)行臨時(shí)組裝搭建，集成化、自動(dòng)化水平均較差，安全性和可靠程度低，尚無(wú)符合標(biāo)準(zhǔn)化管理要求的成套集成試驗(yàn)儀器或裝置。同樣地，目前也尚未見(jiàn)采用內(nèi)窺鏡作為輔助檢測(cè)、監(jiān)視手段的應(yīng)用或相關(guān)報(bào)道[2]。故該文針對(duì)上述缺陷，研究了一款變壓器鐵心多點(diǎn)接地檢測(cè)與絕緣恢復(fù)裝置。

1 變壓器鐵心多點(diǎn)接地檢測(cè)與絕緣恢復(fù)裝置簡(jiǎn)介

該文主要研制了一套符合高壓試驗(yàn)安規(guī)要求的集成試驗(yàn)裝置，該裝置具有鐵心絕緣狀態(tài)檢測(cè)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(cè)變壓器鐵心絕緣狀況和絕緣恢復(fù)。在變壓器檢修工作中，該裝置能夠通過(guò)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(diǎn)接地故障（燒斷次生接地回路），恢復(fù)一點(diǎn)接地狀態(tài)，提高鐵心構(gòu)件的絕緣性能，避免鐵心環(huán)流造成局部過(guò)熱甚至燒毀鐵芯。對(duì)于頑固性油泥，可與配備的專用內(nèi)窺鏡相配合，借助其他工具將其有效鏟除，將次生接地點(diǎn)斷開(kāi)，從而能夠恢復(fù)鐵心的一點(diǎn)接地狀態(tài)。

主要的所需設(shè)備清單如下：2 500 V絕緣電阻測(cè)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(fā)）、電容放電觸發(fā)裝置、集成控制臺(tái)以及專用內(nèi)窺鏡等，另含配套控制軟件一套。

該裝置的研究主要內(nèi)容包含：鐵心對(duì)地絕緣電阻的檢測(cè)及裝置的設(shè)計(jì)、鐵心絕緣恢復(fù)處理裝置（恒流灼燒、電容放電沖擊）的設(shè)計(jì)與研制、直流快速充電裝置的設(shè)計(jì)與研制、直流恒流大電流裝置的設(shè)計(jì)與研制、高壓電容放電沖擊裝置觸發(fā)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(duì)鐵心絕緣恢復(fù)處理技術(shù)參數(shù)（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(jìn)行自動(dòng)化及控制的設(shè)計(jì)。

該裝置的主要難點(diǎn)是交、直流高電壓輸出的安全切換、直流快速充電裝置的設(shè)計(jì)與直流大電流恒流電源的設(shè)計(jì)與研制。旨在研制一套符合高壓試驗(yàn)安規(guī)要求的集成試驗(yàn)裝置（根據(jù)實(shí)際構(gòu)成部件尺寸，預(yù)計(jì)為1或2個(gè)操作箱或試驗(yàn)臺(tái)），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(shí)，應(yīng)不影響和損壞其他支路。切換方式及機(jī)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單可靠，絕緣需有充分的保證，且占用空間不可過(guò)大。此外，對(duì)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(shí)，通常需多次反復(fù)處理，方可達(dá)到預(yù)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(yīng)1 000～5 000 V、10～0.5 μF電壓和電容量的參數(shù)跨度要求，且對(duì)充電參數(shù)和結(jié)果需能正確測(cè)量。而對(duì)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(shí)，通常認(rèn)為采用恒流處理效果較為理想，且需嚴(yán)格控制一次的灼燒時(shí)間（一般認(rèn)為3 s左右），防止灼燒范圍擴(kuò)大，裂解絕緣油或破壞鐵心對(duì)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(shù)：電流恒定0～40 A，連續(xù)可調(diào)，輸出電壓最高24 V（開(kāi)路電壓）。

2 變壓器鐵心多點(diǎn)接地檢測(cè)與絕緣恢復(fù)裝置研制

借鑒現(xiàn)有成熟的2 500 V絕緣電阻測(cè)試儀的技術(shù)，研制相應(yīng)的電路，設(shè)計(jì)鐵心絕緣檢測(cè)裝置。設(shè)計(jì)和研制直流快速充電電源（1 000～5 000 V）電路及裝置。設(shè)計(jì)和研制恒流充電電源（40 A、24 V）電路及裝置。設(shè)計(jì)1 000 V交流耐壓裝置。將4部分電路及裝置進(jìn)行合并設(shè)計(jì)。研制交直流及高電壓切換電路，切換機(jī)構(gòu)選型。研制控制、測(cè)量及顯示等部分和相關(guān)程序的編制。研究?jī)?nèi)窺鏡檢測(cè)到的鐵心多點(diǎn)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(guān)系。

該套裝置成套裝置系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，安全性和可靠性高，符合高壓試驗(yàn)安規(guī)的要求，且將成套裝置集成化、自動(dòng)化設(shè)計(jì)，集鐵心絕緣檢測(cè)、絕緣恢復(fù)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(shè)備，可實(shí)現(xiàn)多種輸出參數(shù)組合，配置靈活多樣，適應(yīng)范圍廣。此外，裝置還配備有專用內(nèi)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(huán)境溫度中，其能夠處于相對(duì)濕度較大的濕潤(rùn)環(huán)境中，可以在相對(duì)濕度5%～95%（產(chǎn)品內(nèi)部既不應(yīng)凝露，也不應(yīng)結(jié)冰）范圍內(nèi)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(yùn)輸過(guò)程中裝置在允許的環(huán)境溫度-40 ℃～+70 ℃，相對(duì)濕度不大于85%；在貯存中允許的環(huán)境溫度-25 ℃～+55 ℃，相對(duì)濕度不大于85%，在不施加任何激勵(lì)量的條件下，裝置不出現(xiàn)不可逆變化。裝置使用的場(chǎng)地需要符合GB/T 9361-2011中B類安全要求；不得出現(xiàn)超過(guò)GB/T 11287-2000規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為I級(jí)的振動(dòng)；不能發(fā)生GB/T 17742-2008規(guī)定的烈度為Ⅶ度的地震；使用地點(diǎn)必須無(wú)爆炸危險(xiǎn)的物質(zhì)，周圍介質(zhì)中不含有能腐蝕金屬、破壞絕緣和表面敷層的介質(zhì)及導(dǎo)電介質(zhì)，沒(méi)有嚴(yán)重的霉菌存在。

變壓器鐵心多點(diǎn)接地檢測(cè)與絕緣恢復(fù)成套試驗(yàn)裝置，其主要構(gòu)成部件及技術(shù)參數(shù)要求如下。另外，成套裝置中還應(yīng)包括電容放電觸發(fā)控制裝置、交直流、高低電壓輸出切換裝置以及集成控制臺(tái)和高壓導(dǎo)線等。其中，絕緣電阻測(cè)量?jī)x的量程為0～2 500 GΩ，其測(cè)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(xù)可調(diào)。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(xù)可調(diào)（恒流），輸出電壓在開(kāi)路時(shí)的最大值為24 V。其灼燒時(shí)間為單次0～3 s連續(xù)可調(diào)。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(nèi)可設(shè)定1 000 V、1 500 V、2 500 V、5 000 V的截止點(diǎn)，其輸出電流的要求為不小于200 mA。

專用內(nèi)窺鏡主要技術(shù)參數(shù)如下：其內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)的觀察方向?yàn)橹币?，焦距是固定的，其視?chǎng)角范圍為大于等于105°，景深范圍為5mm～∞。探頭有以下幾項(xiàng)參數(shù)：探頭的直徑為Φ10mm；其彎曲角度為≥120°；彎曲方向?yàn)樗南颍?60°全向觀察；其工作長(zhǎng)度為1～5 m，鏡頭控制的方式為手動(dòng)。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(wàn)，顯示屏為3.5時(shí)液晶顯示器可實(shí)現(xiàn)錄像拍照存儲(chǔ)功能，有內(nèi)置存儲(chǔ)介質(zhì)，可外置存儲(chǔ)介質(zhì)，可在以上存儲(chǔ)載體之間調(diào)出、復(fù)制、刪除圖形文件。系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)為：光源為可多級(jí)調(diào)整高亮度LED，存儲(chǔ)媒介為16G的SD卡，存儲(chǔ)格式可為JEPG圖片格式，也可為MPEG4視頻格式，其供電方式為內(nèi)置可充電電池。

3 變壓器鐵心多點(diǎn)接地檢測(cè)與絕緣恢復(fù)裝置實(shí)例分析

某電廠120 MVA、220 kV主變壓器（SFP8-120000/220）投運(yùn)中發(fā)現(xiàn)異常，停電后對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行絕緣檢查，先斷開(kāi)鐵心外引線的接地處，再通過(guò)鐵心外引線用250～2 500 V不同電壓等級(jí)的兆歐表?yè)u測(cè)鐵心絕緣電阻。

使用該裝置測(cè)量結(jié)果：變壓器鐵心對(duì)地絕緣電阻值最大不超過(guò)l kΩ，較預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)所測(cè)數(shù)據(jù)（30 MΩ/2 500 V、DC）有很大下降。

3.1 原因分析

運(yùn)行中，變壓器油中雜質(zhì)、析出油泥、纖維及其他具有導(dǎo)電性質(zhì)的懸浮物，在電磁場(chǎng)的作用下，極易附著在鐵心下部的絕緣硬紙板上，形成導(dǎo)電“小橋”，從而構(gòu)成鐵心多點(diǎn)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(shí)發(fā)現(xiàn)處理，極易形成穩(wěn)定的接地通道，造成鐵心局部過(guò)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(duì)鐵心沖擊放電，即利用其瞬間沖擊電流大的特點(diǎn)將接地點(diǎn)燒斷。處理時(shí)的具體步驟：先用放電棒接觸A點(diǎn)，合上電源開(kāi)關(guān)升壓，對(duì)電容C充電，同時(shí)觀察靜電電壓表PV，電壓應(yīng)控制在2 500 V以下。

當(dāng)電壓穩(wěn)定后，迅速將放電棒移至B點(diǎn)對(duì)鐵心放電，電容C儲(chǔ)存的電能通過(guò)鐵芯對(duì)故障接地電阻的沖擊作用將故障接地點(diǎn)燒斷。

故障處理過(guò)程中，當(dāng)把放電棒從A點(diǎn)移至B點(diǎn)時(shí)，從變壓器下部發(fā)現(xiàn)一聲清晰的放電聲，重復(fù)數(shù)次后無(wú)放電聲出現(xiàn)。當(dāng)用接地線碰觸鐵心外引線時(shí)，碰觸點(diǎn)有明顯的火花放電現(xiàn)象，證明鐵心對(duì)地的絕緣良好。將鐵心對(duì)地徹底放電后，再用250～2 500 V電壓兆歐表測(cè)量鐵心對(duì)地絕緣電阻，數(shù)值穩(wěn)定（>30 MΩ/2 500 V、DC），恢復(fù)到了故障前的絕緣水平，處理結(jié)果較為滿意[3-5]。

4 結(jié)語(yǔ)

該文針對(duì)電力變壓器運(yùn)行過(guò)程中常出現(xiàn)多點(diǎn)接地故障這種對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)有重大影響的情況，通過(guò)實(shí)例詳細(xì)介紹了計(jì)劃研制的符合高壓試驗(yàn)安規(guī)要求的一整套變壓器鐵心多點(diǎn)接地檢測(cè)與絕緣恢復(fù)集成實(shí)驗(yàn)裝置，其中包括裝置的組成，裝置研究難、重點(diǎn)，研究技術(shù)路線、創(chuàng)新點(diǎn)，具備較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

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