基于電磁瞬態脈沖波形的變壓器鐵芯接地檢測法

王豐軍

(三門核電有限公司，浙江 臺州 317112)

0 引 言

國內干式變壓器鐵芯制造遵循國標采用一點接地方式[1]，國外部分干式變壓器廠家采用多點接地方式。某核電廠勵磁變壓器使用國外廠家干式變壓器，變壓器預維過程中發現某相變壓器鐵芯存在多點接地現象，為消除變壓器鐵芯多點接地，現場嘗試使用電磁波瞬態脈沖波形檢測出干式變壓器鐵芯接地點并予以消除。

1 原因分析及故障點范圍確認

發現鐵芯多點接地的勵磁變壓器為國外廠家的三相大型電力變壓器，每相有4個繞組、兩兩串聯后再并聯結構，鐵芯連接成口型形狀，上下前后由夾件固定，夾件穿心螺桿穿過鐵芯并采取絕緣結構，夾件采用多點與變壓器外殼連接接地。根據變壓器鐵芯結構分析，除鐵芯引出線接地點外，鐵芯接地點可能還包括夾件穿心螺桿接地、鐵芯與夾件接觸部位接地、鐵芯底部接地，接地原因可能為上述部位長期受潮降效或變壓器運行振動導致絕緣層破損[2]。鐵芯接地引出方式如圖1所示，由鐵芯左中右部位引出至接地點。

圖1 鐵芯接地引出方式

廠家在變壓器鐵芯與底部接觸面布置了絕緣紙，現場將變壓器鐵芯抬高抽出絕緣紙檢查無問題，利用絕緣板更換絕緣紙方式消除了鐵芯底部接地的可能性。

嘗試拆除夾件所有接地點，測量穿心螺桿絕緣，均大于10 GΩ，判斷穿心螺桿絕緣良好；在鐵芯中間接地引出片對地加9 V直流電壓測量電壓分布情況，初步判斷低壓側1/3厚度的鐵芯可能接地，接地點為低壓側鐵芯和夾件接觸；因無法確定接地點，嘗試使用一種電磁波瞬態脈沖波形方式查找接地的位置。

2 電磁波瞬態脈沖波形法故障點定位

2.1 電磁波瞬態脈沖波形法原理

電磁瞬態脈沖波在變壓器鐵芯中具有旋轉傳導的特性[3]，層間絕緣及硅鋼片對瞬態脈沖旋轉電場具有空間阻尼性，在層間絕緣及硅鋼片傳導過程中具備了漸變的屬性。當瞬態脈沖旋轉電場在鐵芯中衍射傳播，鐵芯絕緣分布式介電常數發生變化，瞬態脈沖旋轉電場采集的波形會發生相應變化[4]。瞬態脈沖旋轉電場脈沖靈敏度為ns級，在超高速采集狀態下通過瞬態脈沖電場可完全反映介質的輕微變化[5]。在三維對稱的測量基準點測量，健康時對稱側的分布式介電常數幾乎一樣，波形良好重合，接地時鐵芯故障點側在接地位置介電常數會有相應改變，對應波形在時域位置會有不重合的改變，通過波形分析可判斷出鐵芯的缺陷位置及接地狀態。

2.2 故障查找思路

2.2.1 變壓器鐵芯及夾件結構

變壓器鐵芯及夾件結構示意圖如圖2所示。

圖2 變壓器鐵芯及夾件結構示意圖

示意圖說明：

1) 鐵芯1側為無接地引線側，鐵芯2側為接地引線側。

2) HU為高壓側上夾件；HD為高壓側下夾件；LU為低壓側上夾件；LD為低壓側下夾件。

3) 夾件1端為無接地引線側，2端為接地引線側。

4) GH為鐵芯高壓側接地引線；G0為鐵芯中心點接地引線；GL鐵芯低壓側接地引線。

2.2.2 測試思路

1) 通過TCTA(大型電力變壓器鐵芯瞬態特性分析儀)電流脈沖測試GH與G0、GL與G0的波形比較判斷接地點在高壓側還是低壓側。

2) 通過TCVA(大型電力變壓器鐵芯電壓分布參數分析儀)電壓脈沖測試HU2與G0、LU2與G0的波形比較判斷接地點是否在上夾件。

3) 通過TCTA電流脈沖測試HD2與G0、LD2與G0的波形比較判斷接地點是否在下夾件。

4) 通過TCTA電流脈沖測試HD2與G0、LD2與G0的波形比較判斷接地點能量損耗量、對應故障點功率大小，定位故障點。

2.3 電磁波瞬態脈沖波形法故障定位過程及波形分析

試驗前，將鐵芯連接接地點斷開，將夾件與變壓器外殼連接接地點斷開。

2.3.1 高壓側與低壓側鐵芯TCTA具體電流脈沖波形分析

試驗方法：以勵磁變鐵芯中間接地片為參考點，高低壓側夾件接地引線TCTA比較。形成高低壓側鐵芯電流脈沖波形如圖3所示。

圖3 高低壓側鐵芯電流脈沖波形

電磁波發送途徑：黑色曲線為GH與G0作為發送點；灰色曲線為GL與G0作為發送點。

波形說明：

0：發送脈沖的起始時刻。

1：電磁波特性正常及異常有區別的時刻，即故障點距電磁波發送點的位置。

2：電磁波運動到鐵芯及夾件最遠端的時刻。

3：電磁波發射及反射的特征波位置處。

波形分析：黑色波表示高壓側鐵芯整體電磁能量轉換瞬態特性正常，灰色波表示低壓側鐵芯電磁能量轉換在近端1點位置存在一處損耗。

結論：低壓側鐵芯存在接地現象。

2.3.2 高壓側及低壓側上夾件TCTA具體電流脈沖波形分析

試驗方法：以勵磁變鐵芯中間接地片為參考點，高低壓側夾件接地引線TCTA比較。形成高低壓側上夾件電流脈沖波形如圖4所示。

圖4 高低壓側上夾件電流脈沖波形

電磁波發送途徑：黑色曲線為GH與HU2作為發送點；灰色曲線為GL與LU2作為發送點。

波形說明：

0：發送脈沖的起始時刻。

1：兩個上夾件回波位置，電磁波特性均正常無區別。

2：電磁波運動到夾件最遠端的時刻。

波形分析：黑色波表示高壓側上夾件與鐵芯整體電磁能量轉換特性正常，灰色波表示低壓側上夾件與鐵芯電磁能量轉換正常。

結論：高低壓側鐵芯上夾件瞬態特性正常。

2.3.3 高壓側與低壓側下夾件TCVA具體電壓脈沖波形分析：

試驗方法：以勵磁變鐵芯中間接地片為參考點，高低壓側夾件接地引線TCVA比較。形成高低壓側下夾件電壓脈沖波形如圖5所示

圖5 高低壓側下夾件電壓脈沖波形

電磁波發送途徑：黑色曲線為G0與LD2作為發送點；灰色曲線為G0與HD2作為發送點。

波形說明：

0：發送脈沖的起始時刻。

1：電磁波特性正常及異常有區別的時刻，即故障點距電磁波發送點的位置。初始負向波峰位置95 ns。

2：二次正向波峰位置145 ns。

3：二次負向波峰位置210 ns。

4：三次負向波峰位置410 ns。

波形分析：整個有效分析波過程時間窗口是400 ns，1號位置反映低壓側接地電阻起作用的時間位置，2號位置是有接地電阻的最大特征反射。灰色波表示高壓側下夾件與鐵芯整體電磁能量轉換特性正常，黑色波表示低壓側下夾件與鐵芯電磁能量轉換在近端1點位置存在一處異常。

結論：高壓側鐵芯下夾件正常，低壓側鐵芯下夾件存在異常。

2.3.4 高壓側與低壓側下夾件TCTA具體電流脈沖波形分析

試驗方法：以勵磁變鐵芯中間接地片為參考點，高低壓側夾件接地引線TCTA比較。形成高低壓側下夾件電流脈沖波形如圖6所示。

電磁波發送途徑：黑色曲線為G0與HD2作為發送點；灰色曲線為G0與LD2作為發送點。

波形說明：

0：發送脈沖的起始時刻。

1：電磁波特性正常及異常有區別的時刻，即故障點距電磁波發送點的位置，初始負向波峰位置95 ns。

2：二次正向波峰位置145 ns。

3：二次負向波峰位置210 ns。

波形分析：黑色波表示高壓側下夾件與鐵芯整體電磁能量轉換特性正常，灰色波表示低壓側下夾件與鐵芯電磁能量轉換在近端1點位置存在一處異常損耗。

結論：高壓側鐵芯下夾件正常，低壓側鐵芯下夾件存在輕微能量損耗，說明接地點功率損耗很小，接地電阻功率很小。

總結：根據上述試驗波形分析，確認接地故障區域為圖2示意圖(LD1)部位存在接地，即接地區域位于變壓器低壓側下部鐵芯遠離接地線引出點位置。

3 接地處理方案

根據上述波形分析，推測干式勵磁變鐵芯下夾件在靠近接地引線處存在小功率接地故障，采用中壓脈沖源作為燒穿源，進行電弧燒穿試驗。5 kV脈沖沖擊后，得到TCVA檢測波形如圖7所示。

圖7 高低壓側夾件TCVA檢測波形

勵磁變鐵芯中間接地片為參考點，高低壓側夾件接地引線TCVA比較情況時序說明。

黑色-高壓側，灰色-低壓側-5 kV脈沖沖擊過后。

0：時間刻度0位置。

1：初始負向波峰位置105 ns。

2：二次負向波峰位置220 ns。

3：三次負向波峰位置355 ns。

說明：整個有效分析波過程時間窗口是400 ns，1號位置高壓及低壓側夾件瞬態特性完全相同，接地點接觸問題完全排除；2號位置高壓及低壓側夾件瞬態特性基本相同，反映高壓側相比低壓側存在輕微衰減；3號位置反映高低壓側夾件與鐵芯瞬態特性大體相同，高壓側相比低壓側存在分布參數不連貫高阻特性。

勵磁變鐵芯中間接地引線與下夾件接地引線TCVA比較，黑色-高壓側，灰色-低壓側，5 kV脈沖沖擊后完全重合，判斷接地消失；用萬用表檢測接地直阻情況，直阻值接近3 000 kΩ，確認接地點故障消失。

4 結 語

由于本勵磁變壓器的特殊結構，鐵芯、夾件實際存在多處連接接地，電磁波瞬態脈沖波形檢測勵磁變壓器鐵芯接地雖然不能精確定位接地點，但可以大大縮小接地點估測范圍，也可以估量接地程度，具有一定的參考意義。