变压器铁心接地电流异常分析与处理

中国大唐集团科学技术研究院有限公司华中电力试验研究院的研究人员靳鹏超、王立楠，在2020年第3期《电气技术》杂志上撰文，针对引起电力变压器铁心接地电流异常的外部原因、内部原因、特殊原因进行了分析，针对三类原因采用接地电流测试、色谱分析、绝缘电阻三种方法对异常原因进行分析判别，采用限流电阻、电容冲击、电焊机、吊罩检查法对异常电流进行处理。

通过引下线绝缘破损、金属异物搭接、电容冲击法对故障进行定位处理、对运行中的变压器采用限流电阻法限制故障电流实际案例分析论证。保证变压器的正常运行。提出相关建议，对于变压器铁心接地电流运行维护具有重要的参考意义。

电力变压器正常工作时，变压器铁心、夹件通常一点接地。若铁心、夹件出现两点或两点以上的接地时，两点之间形成闭合回路，在变压器漏磁场的作用下，两点之间产生环流引起变压器局部过热，环流过大时引起铁心损耗增加，严重时造成铁心烧损，造成变压器非停事故发生。对于运行中的变压器接地电流DL/T 596—1996《电力设备预防性试验规程》规定变压器铁心接地电流运行中铁心接地电流一般不大于100mA。

1  接地引下线基本结构

变压器铁心、夹件引出线经变压器顶部套管引出后由绝缘瓷瓶支撑或绝缘胶皮包裹等方式引至变压器底部后接入主接地网实现铁心一点接地。具体如图1至图3所示，对于运行中变压器铁心接地电流需要定期进行测量，测量方式分别为人工手动测量、在线仪表测量等方式。

图1  顶部套管

图2  引下线 

图3  整体图片

2  外部原因

2.1  外部原因及其危害

1）引下线绝缘破损

变压器铁心、夹件引出线顶部套管绝缘破坏,铁心、夹件接地引下线外包绝缘破损等原因导致引下线与变压器箱体搭接接地，搭接点与引下线接地点之间构成外部闭合回路，闭合回路在变压器的漏磁场中感应出电流，导致铁心、夹件引下线电流异常。

2）金属异物搭接引下线

变压器大修时箱体上不慎丢落铁丝等金属物体搭接至铁心引下线与变压器外壳构成外部闭合回路，闭合回路在变压器的漏磁场中感应出电流，导致铁心、夹件引下线电流异常。

2.2  外部故障案例

1）案例1：引下线绝缘破损

变压器铁心、夹件引出线经顶部套管由变压器顶部引出，顶部套管受外力等原因破损，绝缘能力下降变为零,引起铁心引出线与外壳相连，形成临时接地点，如图4所示。变压器铁心引下线由绝缘护套包裹达到与变压器外壳绝缘的效果，外力破坏、自然风化等原因使绝缘护套破损，破损后铁心引下线铜排与变压器外壳搭接，形成临时接地点，如图5所示。

上述两种情况均会导致变压器铁心、夹件接地引下线在临时接地点与引线下接地点间形成闭合回路，闭合回路在变压器的漏磁场中感应出电流，导致铁心、夹件引下线电流异常，超出100mA标准要求值。

2）案例2：金属异物搭接引下线

某500kV变压器，该变压器铁心由四块监测电流表（从左向右分别为1、2、3、4号接地监测电流表）监测铁心接地引下线电流，如图6所示。电气点检巡检时发现该变压器2号接地监测电流表超过100mA，数值高达7566mA，如图7所示，4块电流表电流见表1。

图4  顶部套管破损 

图5  外包绝缘破损

图6  监测电流表 

图7  电流异常值

表1  铁心监测电流异常数值表

外部排查过程中发现变压器瓦斯继电器集气铜管与2号铁心引下线搭接，如图8所示，该搭接点与铁心引下线接地点构成闭合回路，闭合回路在变压器的漏磁场中感应出电流，导致2号监测电流表数值超出100mA标准要求值。电气人员身穿静电屏蔽服登上变压器，将上述搭接点打开后，电流由7566mA恢复正常3.72mA，如图9所示。

图8  搭接点

图9  电流正常值

3  内部原因

3.1  铁心一点接地必要性及其多点接地的危害

变压器正常运行时，带电绕组周围存在交变的磁场，由于电磁感应和寄生电容的原因，带电绕组通过寄生电容的耦合作用使铁心及其金属构件对地产生悬浮电位。铁心和周围的金属构件距离不等则铁心与周围导体的电位不同，当两点电位差达到能够击穿两点绝缘时，会产生持续的局部放电。变压器油在持续放电过程中会逐渐劣化、绝缘性能降低，继续发展会演变成铁心过热，烧毁铁心导致事故发生。

为解决这种放电现象，铁心及其金属构件必须可靠一点接地。铁心及其金属构件与大地之间的寄生电容被短接，使铁心及其金属构件始终处于地电位。理论上接地电流应为零，但是实际情况下三相电压相位不可能完全对称、各相电容也不一样等原因接地引下线中会出现一定的电流，一般在十几个毫安左右。

铁心出现多点接地时，铁心间的不均匀电位就会在接地点之间形成环流，造成铁心局部过热，严重时，过热产生的气体会造成轻瓦斯保护动作，严重时会造成重瓦斯保护动作而引起跳闸事故的发生。局部铁心烧熔的形成铁心片间的短路故障，使变压器损耗增加，严重影响变压器的性能和正常工作。

3.2  变压器铁心多点接地故障的原因

1）铁心与外壳相连。铁心松动位移、金属构件遗留在铁心下部（螺丝帽、潜油泵轴承研磨掉的金属粉末及金属丝等）等原因均可造成铁心与外壳相连，形成铁心多点接地故障，造成铁心接地电流异常。

2）铁心与夹件相连。铁心片翘曲、金属异物、杂质等原因均可造成铁心与夹件直接或间接短路，形成铁心多点接地故障，造成铁心接地电流异常。

3.3  铁心接地电流异常判别方法

1）接地电流测试法

变压器铁心通过接地引下线单点接地，接地电流为毫安级别。铁心多点接地时，流过接地引下线的电流急剧增大，该电流的大小取决于故障点与正常接地点两者间的相对位置，即短路匝所包含磁链多少,最大电流可达数百安培。常用方法利用专用钳形电流表测量变压器铁心接地引下线上电流数值，判断变压器是否存在多点接地问题。

2）色谱分析法

变压器铁心存在多点接地时，变压器会呈现高温过热或中温过热现象。对变压器进行变压器油中的特征气体含量气相色谱分析，表现为总烃含量超过注意值（150?L/L），其中乙烯（C2H4）和甲烷（CH4）占较大比重，乙炔值含量低或没有变化，色谱三比值通常为“022”、“021”的现象。

3）绝缘电阻测试法

测量绝缘电阻是一种简单可行检测铁心是否存在多点接地的方法，检测时需先断开接地引下线，分别测量铁心、夹件对地的绝缘电阻来判断铁心、夹件是否存在多点接地故障。测量铁心对夹件的绝缘电阻值来判断两者是否存在搭接的情况。该方法无法检测到变压器铁心片间短路检测。

4）方法优缺点对比

3种方法进行优缺点比较见表2。

表2  3种方法优缺点比较

3.4  变压器铁心接地电流异常处理方法

1）限流电阻法

变压器铁心多点接地导致变压器铁心引下线电流增大，在保证设备安全、不停电情况下可在铁心引下线中串入合适的电阻（一般选取250～1000?），使接地引下线电流小于100mA，电阻的选择与故障情况下接地引下线开路电压有关，串入电阻时应注意限流电阻功率的大小，防止电阻发热烧断引起铁心引下线断开接地，铁心产生悬浮电位，故障进一步扩大。

2）电容冲击法

变压器出现铁心多点接地故障，不宜贸然进行吊罩处理。正常情况下受潮湿、场地条件的限制，变压器内部器件不能长时间暴露在空气中，而吊罩解体时间长，耗费大，对变压器经济运行有严重的影响，当变压器出现由金属毛刺、油垢、焊渣、铁锈等杂质引起的非永久性多点接地而发生接地电流异常时，可采用电容冲击法对变压器铁心进行放电冲击，电容冲击法是在断开铁心、夹件接地的情况下采用电容放电（一般不大于600V）、烧断故障接地点。

3）电焊机法

变压器出现铁心多点接地故障时，搭接点是虚接，电阻较大。将铁心正常接地断开，可利用电焊机给铁心加大电流（40A），当铁心电流逐渐升高的同时，电阻在大电流的作用下，持续一段时间后，故障点温度升高，烧断故障点，达到解决故障点虚接的目的。

4）吊罩检查法

针对变压器内部长时间存在铁心多点接地故障，可结合大修对变压器进行吊罩检查，吊罩后变压器内部构造直观暴露在面前，降低内部故障的排查难度，可以进行彻底的故障点搜索定位，吊罩后变压器可采用试验的方法对变压器多点接地故障点进行定位，可采用绝缘电阻表逐个对变压器夹件、铁心、穿心螺杆等测量其绝缘电阻值，根据绝缘电阻的大小判断故障位置。但是吊罩历时长，增加了维护成本。

3.5  内部故障案例

1）电容冲击法解决故障案例

某220kV变压器，试验人员在进行铁心绝缘电阻试验时，发现绝缘为零。将铁心、夹件接地解开后，使用万用表测量铁心与夹件之间电阻，其阻值不稳定，在25?至7000?之间变化。现场通过起停油泵、敲击变压器本体不同部位等方法对铁心、夹件间阻值进行观察，发现其阻值受油流及变压器本身振动而变化。判断变压器铁心与夹件间有金属异物搭接。

随后变压器厂家对变压器进行内检，未发现异常情况。随后采用电容冲击法对变压器夹件进行冲击，在进行第6次和第7次冲击试验时，电容器与放电杆之间火花消失，变压器内部放电声音消失。连接铁心、夹件金属性异物已被电容放电的能量分开，故障排除。电容冲击试验数据见表3。

表3  电容冲击试验数据

2）限流电阻法解决故障案例

某220kV变压器，运行过程中使用钳形电流表测量铁心、夹件接地电流均为21A，铁心与夹件之间存在金属异物搭接，搭接点与接地引下线接地点间构成闭合回路，闭合回路在交变磁场中产生环流。

为防止电流过大烧损铁心，现场采用限流电阻法，在夹件与接地间串接滑动变阻器，对环流进行限制，如图10所示。滑动变阻器调到630Ω。铁心、夹件引下线接地电流被控制到32.5mA（要求小于100mA）如图11所示。运行中对该变压器铁心、夹件接地电流情况进行了持续跟踪监测，接地电流一直为32.5mA，稳定运行至今。

图10  限流电阻

图11  限流后电流值

4  特殊原因

高电压等级三相分体变压器，由于变压器特殊的结构差异引起变压器铁心引下线电流大于100mA。标准GB/T 24846—2018《1000kV交流电气设备预防性试验规程》中规定：运行中铁心及夹件接地电流一般不大于300mA，因变压器结构原因造成接地电流超过300mA的，应加以说明。

某500kV三相分体变压器，夹件引下线电流8mA，铁心引下线电流自投运以来一直处于230mA，运行中监测该电流，没有增长趋势，稳定运行至今。

特高压1000kV三相分体变压器，出厂试验数据铁心电流320mA左右，夹件电流90mA左右，变压器稳定运行。特殊变压器铁心、夹件电流数据见表4。

表4  特殊变压器铁心、夹件电流数据

5  结论

文中通过研究与分析变压器出现铁心电流异常的原因、判别方法、处理方法三方面，通过实际案例对该问题进行分析处理，对于处理变压器铁心电流异常建议如下。

• 1）分析变压器铁心接地电流异常原因应优先采用特殊原因、外部原因、内部原因的顺序分析异常原因类别。

• 2）结合现场实际情况，综合判断。优先采用接地电流测试法、色谱分析法、绝缘电阻测试法的顺序对异常原因进行判断。

• 3）确认铁心接地电流异常原因后优先采用限流电阻法、电容冲击法、吊罩检查法的顺序对故障进行检查处理。