带外壳后干式变压器外壳内部接地电缆的选型分析

郭峰

摘要：电气接地故障是电力系统中最常见的一种电气故障，系统短路时由于电气设备的可接触金属外壳会带故障电压，为了确保故障电压不会造成人身伤害，相关标准中要求对电气设备的外露可导电部分必须进行有效接地以确保该故障电压能降低至安全电压以下。对于干式变压器来说，由于其绕组和电气接线端子均是裸露在外的，因此国家规范中均要求在大部分应用场合其需要带防护外壳，防护外壳起到了应用现场电气栅栏的作用。目前，大部分的变压器外壳均采用钢板结构拼装，为了防止环境腐蚀，钢板外壳均会喷一定厚度的漆或做其他表面处理，且环境越是严酷的地方，钢板表面的喷漆厚度越大，按照ISO要求，C4应用环境下的外壳喷漆将达到280μm以上，这种情况下，外壳面板间因为是螺栓连接的，其接触面的接触电阻就会变得很大，从而影响整个外壳的接地电阻。此外，由于变压器外壳是通过多块钢板拼接起来的，如果某两块面板间的接触电阻过大，在变压器出现接地故障时两块面板上可能会产生超过安全电压的故障电压，威胁人身安全

关键词：干式变压器;外壳;内部接地;电缆;

引言

为限制变压器中性点不接地运行时可能出现的过电压，变压器中性点通常装设放电间隙。当变压器相邻线路发生不对称接地故障，同时变压器低压侧含分布式风电接入，风电机组故障特性会影响线路继电保护的动作性能。若保护不能及时断开故障线路，分布式电源持续提供短路电流，可能引起变压器中性点电压升高，进而击穿间隙，改变系统零序回路。距离保护具有灵敏度高、动作情况受电网运行方式变化影响小等优点，被广泛应用于线路保护中，其中接地距离保护受零序回路影响较大，间隙击穿可能影响其动作特性。

1干式变压器防护外壳结构

干式变压器外壳可采用不锈钢、铝合金、钢板等材质，考虑到成本和机械强度的问题，大部分情况下，干式变压器均采用钢板喷漆结构，根据外壳尺寸的大小不同，钢板厚度可采用1.0mm、1.5mm或2.0mm，钢板表面做喷漆或静电喷粉处理，使得外壳有足够的防腐能力，以适应变压器的使用环境。

2接地故障分析

对于中性点不接地的配电系统，发生单相接地故障时有以下特点：接在同一电源上的全系统都会出现零序电压，接地线路与非接地线路都有零序电压，无法进行区分;非接地线路的零序电流为本线路自身对地电容电流，容性无功功率方向由母线流向线路;接地线路的零序电流由全网络非接地设备对地电容电流之和，容性无功方向由线路流向母线。对于中性点经消弧线圈接地的配电系统，发生单相接地故障时有以下特点：一般采用过补偿运行，接地流过的是感性电流，接地线路与非接地线路容性无功方向均由母线流向线路;其余特点基本与不接地系统基本相同。

3外壳面板等电位连接分析

配电变压器的高压侧均为35kV及以下系统，按照《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》（GB/T50064—2014）中关于中性点接地的要求，35kV以下系统为非有效接地系统，单相接地故障电流很小，因此，本文不考虑高压侧接地电流的影响。参照《低压配电设计规范》（GB50054—2011）中的要求，低压单相接地故障引起的设备外露可导电部分的接触电压不可以超过50V。出于此原因，规范中要求采取各种措施降低设备接地处的接地电阻，以实现在任意情况下设备的接地故障电压不超过50V，从而确保人身安全，因此电气设备厂商在产品设计时必须确保设备的外露可导电部分能够有效接地。把变压器外壳想象为一个变压器室，参照规范要求，该变压器室需设一个总接地端子，总接地端子通常位于外壳的底座上，采用M12的接地螺栓或螺栓座作为外壳和变压器的PE端子，变压器本体和外壳的接地端子分别通过黄绿电缆连接到底座接地端子上，由于外壳喷漆后的接触电阻增大，外壳与变压器的总接地端子之间电阻比较大，当变压器发生单相短路故障时，短路点与变压器室的总接地端子之间的基础电压可能超过安全电压，因此，每块面板之间需要再做辅助等电位连接，使得面板之间形成有效电气连接。因为配电变的外壳尺寸不大，所以面板用接地电缆或铜编织带连接后的电阻很小，可以认为是一个等势体，即人体的接触电压为零。

4干式变压器常见故障

4.1声音异常

声音异常是干式变压器运行过程中的常见故障之一，随着变压器运行时间增加和负荷逐步增大，变压器难免超负荷运转，导致其在运行过程中处于疲惫状态，发出异常声音。根据变压器不同零件不同程度的受损情况，变压器也会发出不同的声音。以某电厂电力系统为例，维护人员在检查变压器运行过程中听见变压器做功时出现了多種声音状态，说明变压器出现了故障，维护人员应首先判断异常声音部位，再根据异常声音位置采取对应的解决措施。

4.2磁路部分故障

变压器的磁路发生故障，包括以下情况：铁芯、夹件及铁轭中的故障。以下原因会导致磁路故障：（1）变压器在运行过程中由于各种原因造成多点接地，会导致铁芯发热，甚至跳闸。（2）硅钢片直接绝缘损坏、产生较大涡流，涡流产生的热量不但会增加铁损，而且会使得变压器温度过高。

5减少干式变压器故障的措施

5.1完善检查预防工作

在电力系统的运行中，通过开展高效的检查与预防工作，能够有效地避免电力变压器出现故障的几率。这就需要工作人员在开展工作的时候，应该严格地按照检查标准，提升检修效率，降低电力企业的损失，保障电力企业的健康稳定运行。在开展变压器检测的时候，工作人员应该将变压器的运作状态列为受检目标，保证变压器在运行过程中的稳定。通过进行定期检测，能够对变压器的稳定运行提供保障，一旦在检测过程中出现故障，必须要及时的与检修部门进行联系，同时针对性开展修理工作。在开展完善的检查与预防工作下，能够实现故障风险率的降低，实现变压器使用效率的提升。

5.2定期检修

因变压器内部问题造成的变压器异常所占比例较大，因此应强化对变压器的定期检修，并且找出其中潜在的问题，并及时修复，这能避免变压器在运行中突发故障，从而把人力、物力等方面的损失降到最低。具体的检修如下：第一，关于绝缘吸收比和直流电阻数据的检测。第二，变压器绕组、套管介损参数检测及避雷设备是否有效接地检测，看其是否符合要求。伴随时代的发展，当前的监控技术日益完善，其能对变压器进行全面监控，如果产生异常的话，则能及时告知相关人员，最大限度保证了变压器的正常运行。

5.3提升检修人员技术水平

随着科学技术的快速发展，电力变压器的构造也更加复杂，为了更好的提升故障检修的水平，必须要打造高水平的检修队伍，通过提升检修人员的技术水平，应对各种复杂的变压器故障。电力企业想要获得更好的发展，必须要强化对技术人员的培训，通过定期的开展相应的技能培训，保障变压器检修工作的效率。对于电力企业而言，检修人员的素质，直接影响着自身的运行的稳定性，而在进行检修人员培养的过程中，不仅需要进行先进检修工艺的培训，同时需要增强工作人员的道德作用，严格的按照相关的规章制度开展工作。

5.4日常维护

日常维护在变压器的运行中必不可少，进行科学的维护管理能有效减少变压器的故障发生率，如灰尘、污垢等会影响变压器的正常运转，不利于变压器绝缘层的运作，需对其及时清理。同时，应检查变压器中的分接开关功能，对电气连接器进行加固，提高机械转动的准确性，有效解决螺栓松动而产生的变压器异常情况。另外，如果在油液冷却系统中出现生锈、管道阻塞等问题，则会影响变压器的安全运行，所以应做好相关检查工作。

6 外壳面板连接电缆的选择

按照中性点与PE线之间的关系，低压系统可分为TN、TT和IT系统，其中，TT系统和IT系统发生单相短路故障的电流都不大，本文只以TN系统的单相短路故障电流为例做分析。IEC标准中不允许在变压器室或发电机室内将中性点直接接地，还规定自变压器（发电机）中性点引出的PEN线必须绝缘，并且只能在低压配电盘内一点与接地的PE母排连接而实现系统接地，在这点以外不得再在其他处接地，不然中性线将通过不正规的并联通路而返回电源。由于变压器没有PE排，只在底座处布置有PE端子，相排和PE端子间的距离较大，导致其相保阻抗很大，当低压柜与变压器的连接是电缆时，相线和PE线布置在同一电缆保护物内，或当低压柜与变压器之间采用铜排连接时，低压柜内部的相排和PE排通常布置在同一个水平或垂直面上，两种情况下，低压柜内的相线和PE线布置都很规律，所以低压柜内的相保阻抗很小。因此，当变压器外壳内部短路时，变压器PE端子和低压柜间的连接电缆很短，两个设备的PE连接处处于同一电位，此时，短路故障电流大部分将通過低压柜内的PE回流到电源处形成接地故障回路，变压器外壳面板上通过的电流很小，因此，外壳间连接电缆仅用于传递电位，选型时仅考虑导体的机械强度即可。

结束语

本文所述外壳面板间的连接方式从实际应用来看大大降低了外壳的整体接地电阻，生产上也方便操作，可以满足外壳有效接地的要求。在其他规范如挪威船级社规范中要求，框架、面板之间的连接导体可接受即可，因此，在工程使用中，相关设计人员可根据实际情况选择合适的接地连接方式。但对于喷漆保护或采用接触垫片实现接地的方式，由于破坏漆后可能导致外壳面板的生锈腐蚀，笔者在此不推荐。

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