基于电磁瞬态脉冲波形的变压器铁芯接地检测法

王丰军

(三门核电有限公司，浙江 台州 317112)

0 引 言

国内干式变压器铁芯制造遵循国标采用一点接地方式[1]，国外部分干式变压器厂家采用多点接地方式。某核电厂励磁变压器使用国外厂家干式变压器，变压器预维过程中发现某相变压器铁芯存在多点接地现象，为消除变压器铁芯多点接地，现场尝试使用电磁波瞬态脉冲波形检测出干式变压器铁芯接地点并予以消除。

1 原因分析及故障点范围确认

发现铁芯多点接地的励磁变压器为国外厂家的三相大型电力变压器，每相有4个绕组、两两串联后再并联结构，铁芯连接成口型形状，上下前后由夹件固定，夹件穿心螺杆穿过铁芯并采取绝缘结构，夹件采用多点与变压器外壳连接接地。根据变压器铁芯结构分析，除铁芯引出线接地点外，铁芯接地点可能还包括夹件穿心螺杆接地、铁芯与夹件接触部位接地、铁芯底部接地，接地原因可能为上述部位长期受潮降效或变压器运行振动导致绝缘层破损[2]。铁芯接地引出方式如图1所示，由铁芯左中右部位引出至接地点。

图1 铁芯接地引出方式

厂家在变压器铁芯与底部接触面布置了绝缘纸，现场将变压器铁芯抬高抽出绝缘纸检查无问题，利用绝缘板更换绝缘纸方式消除了铁芯底部接地的可能性。

尝试拆除夹件所有接地点，测量穿心螺杆绝缘，均大于10 GΩ，判断穿心螺杆绝缘良好；在铁芯中间接地引出片对地加9 V直流电压测量电压分布情况，初步判断低压侧1/3厚度的铁芯可能接地，接地点为低压侧铁芯和夹件接触；因无法确定接地点，尝试使用一种电磁波瞬态脉冲波形方式查找接地的位置。

2 电磁波瞬态脉冲波形法故障点定位

2.1 电磁波瞬态脉冲波形法原理

电磁瞬态脉冲波在变压器铁芯中具有旋转传导的特性[3]，层间绝缘及硅钢片对瞬态脉冲旋转电场具有空间阻尼性，在层间绝缘及硅钢片传导过程中具备了渐变的属性。当瞬态脉冲旋转电场在铁芯中衍射传播，铁芯绝缘分布式介电常数发生变化，瞬态脉冲旋转电场采集的波形会发生相应变化[4]。瞬态脉冲旋转电场脉冲灵敏度为ns级，在超高速采集状态下通过瞬态脉冲电场可完全反映介质的轻微变化[5]。在三维对称的测量基准点测量，健康时对称侧的分布式介电常数几乎一样，波形良好重合，接地时铁芯故障点侧在接地位置介电常数会有相应改变，对应波形在时域位置会有不重合的改变，通过波形分析可判断出铁芯的缺陷位置及接地状态。

2.2 故障查找思路

2.2.1 变压器铁芯及夹件结构

变压器铁芯及夹件结构示意图如图2所示。

图2 变压器铁芯及夹件结构示意图

示意图说明：

1) 铁芯1侧为无接地引线侧，铁芯2侧为接地引线侧。

2) HU为高压侧上夹件；HD为高压侧下夹件；LU为低压侧上夹件；LD为低压侧下夹件。

3) 夹件1端为无接地引线侧，2端为接地引线侧。

4) GH为铁芯高压侧接地引线；G0为铁芯中心点接地引线；GL铁芯低压侧接地引线。

2.2.2 测试思路

1) 通过TCTA(大型电力变压器铁芯瞬态特性分析仪)电流脉冲测试GH与G0、GL与G0的波形比较判断接地点在高压侧还是低压侧。

2) 通过TCVA(大型电力变压器铁芯电压分布参数分析仪)电压脉冲测试HU2与G0、LU2与G0的波形比较判断接地点是否在上夹件。

3) 通过TCTA电流脉冲测试HD2与G0、LD2与G0的波形比较判断接地点是否在下夹件。

4) 通过TCTA电流脉冲测试HD2与G0、LD2与G0的波形比较判断接地点能量损耗量、对应故障点功率大小，定位故障点。

2.3 电磁波瞬态脉冲波形法故障定位过程及波形分析

试验前，将铁芯连接接地点断开，将夹件与变压器外壳连接接地点断开。

2.3.1 高压侧与低压侧铁芯TCTA具体电流脉冲波形分析

试验方法：以励磁变铁芯中间接地片为参考点，高低压侧夹件接地引线TCTA比较。形成高低压侧铁芯电流脉冲波形如图3所示。

图3 高低压侧铁芯电流脉冲波形

电磁波发送途径：黑色曲线为GH与G0作为发送点；灰色曲线为GL与G0作为发送点。

波形说明：

0：发送脉冲的起始时刻。

1：电磁波特性正常及异常有区别的时刻，即故障点距电磁波发送点的位置。

2：电磁波运动到铁芯及夹件最远端的时刻。

3：电磁波发射及反射的特征波位置处。

波形分析：黑色波表示高压侧铁芯整体电磁能量转换瞬态特性正常，灰色波表示低压侧铁芯电磁能量转换在近端1点位置存在一处损耗。

结论：低压侧铁芯存在接地现象。

2.3.2 高压侧及低压侧上夹件TCTA具体电流脉冲波形分析

试验方法：以励磁变铁芯中间接地片为参考点，高低压侧夹件接地引线TCTA比较。形成高低压侧上夹件电流脉冲波形如图4所示。

图4 高低压侧上夹件电流脉冲波形

电磁波发送途径：黑色曲线为GH与HU2作为发送点；灰色曲线为GL与LU2作为发送点。

波形说明：

0：发送脉冲的起始时刻。

1：两个上夹件回波位置，电磁波特性均正常无区别。

2：电磁波运动到夹件最远端的时刻。

波形分析：黑色波表示高压侧上夹件与铁芯整体电磁能量转换特性正常，灰色波表示低压侧上夹件与铁芯电磁能量转换正常。

结论：高低压侧铁芯上夹件瞬态特性正常。

2.3.3 高压侧与低压侧下夹件TCVA具体电压脉冲波形分析：

试验方法：以励磁变铁芯中间接地片为参考点，高低压侧夹件接地引线TCVA比较。形成高低压侧下夹件电压脉冲波形如图5所示

图5 高低压侧下夹件电压脉冲波形

电磁波发送途径：黑色曲线为G0与LD2作为发送点；灰色曲线为G0与HD2作为发送点。

波形说明：

0：发送脉冲的起始时刻。

1：电磁波特性正常及异常有区别的时刻，即故障点距电磁波发送点的位置。初始负向波峰位置95 ns。

2：二次正向波峰位置145 ns。

3：二次负向波峰位置210 ns。

4：三次负向波峰位置410 ns。

波形分析：整个有效分析波过程时间窗口是400 ns，1号位置反映低压侧接地电阻起作用的时间位置，2号位置是有接地电阻的最大特征反射。灰色波表示高压侧下夹件与铁芯整体电磁能量转换特性正常，黑色波表示低压侧下夹件与铁芯电磁能量转换在近端1点位置存在一处异常。

结论：高压侧铁芯下夹件正常，低压侧铁芯下夹件存在异常。

2.3.4 高压侧与低压侧下夹件TCTA具体电流脉冲波形分析

试验方法：以励磁变铁芯中间接地片为参考点，高低压侧夹件接地引线TCTA比较。形成高低压侧下夹件电流脉冲波形如图6所示。

电磁波发送途径：黑色曲线为G0与HD2作为发送点；灰色曲线为G0与LD2作为发送点。

波形说明：

0：发送脉冲的起始时刻。

1：电磁波特性正常及异常有区别的时刻，即故障点距电磁波发送点的位置，初始负向波峰位置95 ns。

2：二次正向波峰位置145 ns。

3：二次负向波峰位置210 ns。

波形分析：黑色波表示高压侧下夹件与铁芯整体电磁能量转换特性正常，灰色波表示低压侧下夹件与铁芯电磁能量转换在近端1点位置存在一处异常损耗。

结论：高压侧铁芯下夹件正常，低压侧铁芯下夹件存在轻微能量损耗，说明接地点功率损耗很小，接地电阻功率很小。

总结：根据上述试验波形分析，确认接地故障区域为图2示意图(LD1)部位存在接地，即接地区域位于变压器低压侧下部铁芯远离接地线引出点位置。

3 接地处理方案

根据上述波形分析，推测干式励磁变铁芯下夹件在靠近接地引线处存在小功率接地故障，采用中压脉冲源作为烧穿源，进行电弧烧穿试验。5 kV脉冲冲击后，得到TCVA检测波形如图7所示。

图7 高低压侧夹件TCVA检测波形

励磁变铁芯中间接地片为参考点，高低压侧夹件接地引线TCVA比较情况时序说明。

黑色-高压侧，灰色-低压侧-5 kV脉冲冲击过后。

0：时间刻度0位置。

1：初始负向波峰位置105 ns。

2：二次负向波峰位置220 ns。

3：三次负向波峰位置355 ns。

说明：整个有效分析波过程时间窗口是400 ns，1号位置高压及低压侧夹件瞬态特性完全相同，接地点接触问题完全排除；2号位置高压及低压侧夹件瞬态特性基本相同，反映高压侧相比低压侧存在轻微衰减；3号位置反映高低压侧夹件与铁芯瞬态特性大体相同，高压侧相比低压侧存在分布参数不连贯高阻特性。

励磁变铁芯中间接地引线与下夹件接地引线TCVA比较，黑色-高压侧，灰色-低压侧，5 kV脉冲冲击后完全重合，判断接地消失；用万用表检测接地直阻情况，直阻值接近3 000 kΩ，确认接地点故障消失。

4 结 语

由于本励磁变压器的特殊结构，铁芯、夹件实际存在多处连接接地，电磁波瞬态脉冲波形检测励磁变压器铁芯接地虽然不能精确定位接地点，但可以大大缩小接地点估测范围，也可以估量接地程度，具有一定的参考意义。