變壓器是傳遞電能的主要部件，是輸變電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。變壓器一旦發(fā)生故障導(dǎo)致停電，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響[1]。鐵芯多點(diǎn)接地，是近年來(lái)變壓器事故多發(fā)原因之一；據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，鐵芯多點(diǎn)接地造成的故障占變壓器總事故中的第3 位。由此可見，變壓器鐵芯多點(diǎn)接地故障不可忽視。

  鐵芯多點(diǎn)接地故障初期，接地電流帶來(lái)的損耗很小，不易從空載損耗中發(fā)覺(jué)，一般通過(guò)測(cè)量絕緣電阻、監(jiān)測(cè)鐵芯接地電流、油色譜分析等技術(shù)手段進(jìn)行檢測(cè)。

 測(cè)量絕緣電阻是直接的方法，即在變壓器停電時(shí)，斷開鐵芯接地線，測(cè)量鐵芯對(duì)地絕緣電阻。若絕緣電阻為零或很低，則說(shuō)明可能存在鐵芯多點(diǎn)接地故障。此方法只能在停電下進(jìn)行，有很大局限性。

  監(jiān)測(cè)或檢測(cè)鐵芯接地電流，可在變壓器運(yùn)行時(shí)進(jìn)行。測(cè)量鐵芯接地引下線上流過(guò)的電流，電流過(guò)大，超過(guò)行標(biāo)規(guī)定的 100 mA，則預(yù)示著鐵芯可能存在多點(diǎn)接地的故障。

  變壓器油色譜分析也能檢測(cè)出鐵芯是否多點(diǎn)接地。鐵芯多點(diǎn)接地時(shí)，其油色譜中總烴含量通常超過(guò)GB 7252-2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》中規(guī)定的注意值 150 uL/L，且其中乙烯(C 2 H 4 )和甲烷(CH 4 )占較大比重，乙炔(C 2 H 2 )含量低。在鐵芯多點(diǎn)接地故障初發(fā)時(shí)期，油色譜變化不甚明顯，只有當(dāng)故障積累到一定程度時(shí)，色譜分析才有所顯現(xiàn)。

  因此，上述三種檢測(cè)手段中，測(cè)量鐵芯接地電流是為及時(shí)、有效的方法。

2. 變壓器鐵芯接地電流理論分析

  對(duì)比分析一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地故障時(shí)的電流特征，有助于提高鐵芯接地故障診斷能力。首先需了解變壓器鐵芯基本結(jié)構(gòu)、故障原因、接地電流產(chǎn)生機(jī)理。

2.1. 變壓器鐵芯結(jié)構(gòu)

  鐵芯是變壓器的基本部件，由鐵芯疊片、絕緣件、結(jié)構(gòu)件等構(gòu)成。

  鐵芯疊片是由磁導(dǎo)率很高的磁性鋼帶疊積或卷繞而成，高磁導(dǎo)率材料制造的鐵芯可使得全部磁通在鐵芯內(nèi)和兩個(gè)繞組交鏈，進(jìn)而使不同繞組能感應(yīng)出和匝數(shù)成正比的電壓。

  鐵芯結(jié)構(gòu)件由夾件、墊腳、撐板、拉帶、拉螺桿、壓釘?shù)炔考M成；結(jié)構(gòu)件可使得鐵芯疊片充分壓緊，形成完整牢固的結(jié)構(gòu)[6]。目前，大多數(shù)電力變壓器鐵芯為心式結(jié)構(gòu)，其典型結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

如圖 1 所示，上夾件的幾片之間通過(guò)夾緊螺桿 4 連接，下夾件亦如此；上夾件 5 和下夾件 7 通過(guò)拉螺桿 6 連接；下夾件和墊腳連接。在上鐵軛中插入接地片(銅帶)，即可使接地片與上夾件連接，進(jìn)而通過(guò)拉螺桿、下夾件、墊腳接地。

  對(duì)于容量更大的大型變壓器，通常將鐵芯接地片通過(guò)套管從變壓器油箱蓋引出，在外部接地。這種結(jié)構(gòu)的好處是在檢修試驗(yàn)時(shí)，可將外部接地線打開，通過(guò)測(cè)量絕緣電阻檢測(cè)鐵芯的絕緣狀態(tài)。變壓器正常運(yùn)行時(shí)，鐵芯必須有一點(diǎn)接地，否則懸浮電位產(chǎn)生間歇性擊穿放電會(huì)損傷鐵芯絕緣。

  但鐵芯出現(xiàn)兩點(diǎn)以上接地時(shí)，不均勻電位會(huì)在接地點(diǎn)回路中形成環(huán)流，造成鐵芯局部過(guò)熱，嚴(yán)重時(shí)局部溫升增加出現(xiàn)燒熔，進(jìn)一步形成鐵芯疊片之間的短路故障，使鐵損變大，嚴(yán)重影響變壓器性能和正常工作。因此，鐵芯不允許存在多點(diǎn)接地情況。

2.2.  鐵芯接地故障原因

  統(tǒng)計(jì)資料和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，可能造成鐵芯接地故障的因素有以下幾點(diǎn)：

(1) 變壓器內(nèi)部雜質(zhì)影響。制造過(guò)程中內(nèi)部殘留的導(dǎo)電性懸浮物、油路中因軸承磨損引入的金屬粉末、加工時(shí)殘留的金屬焊渣，這些導(dǎo)電懸浮物在油流作用下，往往被堆積到儀器，使鐵芯與箱壁之間短接，造成多點(diǎn)接地。

(2) 結(jié)構(gòu)件與鐵芯非正常接觸，如上夾件碰油箱、夾件小托板碰鐵芯、穿心螺桿剛座套碰鐵芯、鋼墊腳與鐵芯之間的絕緣破損或受潮等。

(3) 工藝不良，導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形。如鐵芯本體易位變形、外部壓緊件變形翹曲等因素均可能導(dǎo)致多點(diǎn)接地故障。

2.3.  鐵芯接地電流理論分析

  變壓器鐵芯一點(diǎn)接地時(shí)，電流主要為電容電流。運(yùn)行時(shí)，由于繞組上存在運(yùn)行電壓、鐵芯接地，兩者之間的絕緣介質(zhì)中會(huì)流過(guò)一定電流。此電流為鐵芯接地電流的主要來(lái)源。由于靠近鐵芯的一般是低

壓繞組，其電壓對(duì)鐵芯接地電流貢獻(xiàn)，因此可根據(jù)低壓繞組的運(yùn)行電壓和低壓繞組對(duì)地電容來(lái)初步

估算單相變壓器的鐵芯接地電流大小。

  但對(duì)于三相一體的變壓器而言，由于三相運(yùn)行電壓互成角度，矢量和接近于零。此時(shí)，鐵芯接地電流主要來(lái)源于三相電壓不對(duì)稱分量和三相電壓中存在的諧波。由于三相電壓不對(duì)稱分量通常較小，此時(shí)電壓諧波對(duì)接地電流的貢獻(xiàn)凸顯出來(lái)。分析可知，在三相一體變壓器結(jié)構(gòu)的鐵芯接地回路中，大多數(shù)三相基波電壓疊加歸零，其歸零程度取決于基波電壓激勵(lì)下三相繞組與鐵芯間等效電容的對(duì)稱程度；三相諧波電壓疊加被放大，將導(dǎo)致鐵芯接地電流中含有豐富的諧波分量。基波下和 3 次諧波下鐵芯接地電流等效電路分析模型如圖 2 所示。高次諧波也可類似分析。

  變壓器鐵芯存在多點(diǎn)接地時(shí)，兩個(gè)接地點(diǎn)之間構(gòu)成了閉合回路。接地點(diǎn)發(fā)生在不同部位時(shí)，閉合回路中或多或少會(huì)交鏈部分主磁通或漏磁通，在回路中產(chǎn)生感應(yīng)環(huán)流。此時(shí)的接地電流主要為電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電勢(shì)在鐵芯硅鋼片薄膜電阻和金屬導(dǎo)體電阻上產(chǎn)生的電流。與單點(diǎn)接地類似，若變壓器為三相一體結(jié)構(gòu)，則此時(shí)接地電流中基波分量大多數(shù)仍被疊加歸零、3 次諧波仍被放大；若變壓器為單相結(jié)構(gòu)，則接地電流中仍將以基波分量為主。