（高电压与绝缘技术专业论文）变压器铁芯多点接地在线监测系统的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文为满足电力系统对变压器铁芯状态检修的需要，在建立相应的变压器铁芯 模型基础上，提出了变压器铁芯多点接地在线监测系统的设计方案，并完成了系统 的整体设计。该监测系统集信号采集、通信、分析、计算、存储于一体，是在对监 测方法和基础理论的深入研究基础上，基于多层体系、串口通信与数据库技术进行 设计与开发的，具备实时波形显示、历史数据查询、自动手动投切限流电阻等功能， 并利用数据库技术管理原始数据。它的实际应用，对提高现有在线监测技术的应用 水平起到了良好的促进作用。 关键词：变压器，铁芯，在线监测 a b s t r a c t t om e e tt h en e e d so fc o n s i d e rm o n i t o r i n go fi r o nc o r e ，t h i st h e s i sp u t sf o r w a r dt h i s d e s i g np r o p o s a lo fo n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o rd e t e c t i n gm u l t i p o i n te a r t h i n gf a u l to f t r a n s f o r m e rc o r eb a s e do ne s t a b l i s h i n gc o r r e s p o n d i n gi r o nc o r em o d e ，a n dc o m p l e t e st h e w h o l ed e s i g n t h i ss y s t e mi n t e g r a t e ss i g n a la c q u i s i t i o n ，c o m m u n i c a t i o n ，a n a l y s i s ， s t o r a g et o g e t h e r , a n di sd e s i g n e db a s e do nm u l t i l a y e rs y s t e m ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o na n d d a t a b a s et e c h n o l o g ya f t e rm a k i n ga ni n d e p t hs t u d yo nt h em o n i t o r i n gm e t h o da n db a s i c t h e o r y t h es y s t e mp r o v i d e sr e a l t i m e w a v e f o r md i s p l a y i n g ，h i s t o r i c a ld a t ai n q u i r y , a u t o m a n u a ls w i t c h i n gc u r r e n t r e s i s t a n c ef u n c t i o n sa n ds oo n ，a n dm a k e su s eo fd a t a b a s e t e c h n o l o g yt om a n a g ep r i m a r yd a t a i t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o np l a y sag o o d r o l ei n e n h a n c i n gt h ee x i s t i n gl e v e lo f o n l i n em o n i t o r i n gt e c h n o l o g y g e n gj i a n g h a i ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db y ：p r o f il uf a n g e h e n g k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e r , i r o nc u r e ，o n - l i n em o n i t o r i n g 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文变压器铁芯多点接地在线监测系 统的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：纽盆垂 e t 期：丛：i ：盛 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：丛垒盏 e t 期：丑王丛 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 随着社会经济的发展，人类对电力的依赖程度越来越高，相应的对供电的可靠 性也提出了更高的要求。变压器是电力系统的重要设备之一，随着近几年特高压输 变电技术的迅猛发展，其在电力系统中的地位也越来越重要：若由于某种原因发生 故障而导致停电，不仅电力部门自身损失惨重，而且用电部门也会遭受重大经济损 失，可见变压器影响着整个电力系统的可靠性及安全性。据有关统计资料表明，因 铁芯多点接地造成的事故，居变压器总事故中的第3 位【l 】，因此变压器铁芯多点接 地故障不容忽视。 变压器铁芯多点接地为普发性故障，虽然它能造成恶性循环的局部过热，但在 初期接地电流带来的损耗很小，不易从空载损耗中发觉1 2 】。正因如此，为了及早发 现变压器铁芯内部的故障隐患，电力运行部门已经把铁芯绝缘电阻的测量作为变压 器的预防性试验项目。实践证明，这种定期停电、离线情况下对电力变压器进行包 括铁芯绝缘电阻测试在内的综合诊断，确实起到一定的消除隐患作用，但也存在一 些明显的不足之处，主要表现在以下几个方面1 3 弓】： 1 停运检修使电力部门付出巨大的人力、物力代价，不仅给电能用户带来不便， 还存在着“维修过剩”的问题； 2 两次预防性试验之间的间隔时间较长，对于突发性的绝缘故障难以发现，存 在“维修不足”的问题； 3 试验条件和运行条件有差别，有些离线试验不能完全反映设备在运行条件下 的绝缘状况： 4 大修和停电试验时人为造成新的设备故障现象也时有发生。 事实上，国内外科技工作者和有关部门对这种定期维修和预防性试验的不足之 处早有认识，已纷纷致力于电气设备的在线监测和状态检修研究【鲫】。它的优点在于 可及时发现早期故障的征兆，使运行维护人员在故障处于萌芽状态时能够通过检测 手段及早消除隐患，从而避免恶性事故的发生，提高了维修质量和效率。随着传感 器技术、信号处理技术和计算机技术的发展与应用，作为状态检修基础的电气设备 在线监测技术得到了飞速发展，已成为绝缘检测中的一个重要组成部分，它将在很 多方面弥补仅依靠定期预防性试验带来的不足之处。通过对铁芯接地电流的在线监 测，准确判断铁芯的工作状况，从而有的放矢的在铁芯出现故障前及时进行维护， 不仅有效的提高了供电的可靠性，还降低了电力系统的运行费用，对保障电力变压 器的安全运行具有十分重要的意义。 1 华北电力大学硕士学位论文 1 2 变压器铁芯接地研究现状 变压器在正常运行时，带电线圈和引线产生不均匀电场，变压器铁芯及其它金 属件正处于这个电场中。变压器内部电场是一个不均匀电场，不但电力线形状特殊， 而且各点电位大小差异很大，铁芯及其它金属件( 夹件、线圈压板等) 因所处位置不 同会有不同的电位，当两点电位差达到能够击穿二者之间绝缘时便产生断续火花放 电( 放电后两点电位相同，停止放电：再产生电位差，再放电) ，断续放电会加速 变压器油分解和固体绝缘损坏，如长期下去，必将导致事故发生【l o d2 1 。为避免上述 情况，铁芯及其它金属件必须与油箱相接并一起接地，使它们均处于零电位，目前 普遍采用在铁芯硅钢片间插入一铜片的接地方法，尽管每片之间有绝缘膜，但仍可 认为是整个铁芯接地。 铁芯需要一点接地，但不能有两点或多点接地的情况。当铁芯两点连接时，所 产生的电压如图卜1 所示，在额定激励电压下，用电压表测量铁芯两端面间电压时， 发现两端面间有电位差存在，这个电位差是由于铁芯、电压表及导线所构成的回路 与铁芯内磁通相交链而产生的。 图卜1 铁芯电压测量图 其电压大小因两连接点相对位置而异。严格说来，铁芯磁通密度不均匀，靠近 内框磁路短、磁阻小；靠近外框磁路长、磁阻大。铁芯从内框向外框的磁场密度逐 渐减小。因此，从内框测得的电压要大于相应的从外框测得的电压。从极端测量情 况看，电压表两测量点越靠近，所交链磁通量越小，电压越低，当两点接触在铁芯 同一点时，电压几乎没有，这证明铁芯单点接地时，没有电位差无环流，而多点接 地时，有电位差出现环流【l “。 铁芯两点或多点接地时造成的环流，有时可达数十安甚至上百安培，这么大的 电流会引起铁芯局部过热，严重时会造成铁芯局部烧损；还可能使接地片熔断，导 致铁芯电位悬浮，产生放电性故障，因此铁芯必须接地且只能一点接地。 变压器铁芯出现多点接地故障原因众多、故障率很高、造成经济损失很大，为 此，许多变压器制造厂家与运行单位都非常重视铁芯多点接地故障研究工作，并从 2 华北电力大学硕士学位论文 变压器铁芯结构、检测手段、处理方式等方面提出了改进建议。 1 3 检验变压器铁芯多点接地故障的方法 目前，检测变压器铁芯是否多点接地的方法主要有三种，即测量铁芯绝缘电阻 法、测量铁芯接地电流的电气法和检测变压器绝缘油特性气体的色谱分析法。 ( 1 ) 绝缘电阻测量法 断开铁芯正常接地线，用2 5 0 0 v 兆欧表( 对运行年久的变压器可用1 0 0 0 v 兆欧 表) 测量铁芯对地电阻，如绝缘电阻为零或很低，则表明可能存在铁芯多点接地故 障【13 1 。 ( 2 ) 测量铁芯接地线中有无电流 可在变压器铁芯外引接地线上，用钳形表测量引线中是否有电流。变压器正常 运行时，因无电流回路形成，所以接地线上的电流很小，为毫安级，一般不超过o 1 a ； 当存在多点接地时，铁芯主磁通周围相当于有短路匝存在，流过的环流决定于故障 点与正常接地点的相对位置，即短路匝中包围磁通的多少，一般可达几十安培。通 过测量接地引线中有无电流，可以很准确地判断出铁芯有无多点接地故障o , t o l 。 ( 3 ) 色谱分析法 对变压器油中含气量进行气相色谱分析，是检测变压器铁芯是否多点接地较有 效的方法。发生铁芯多点接地故障的变压器，其油色谱通常有以下特征 1 4 , 1 5 】：总烃 含量超过“变压器油中溶解气体分析和判断导则”( g b 7 2 5 2 8 7 ) 规定的注意值 ( 1 5 0 1 t l l ) ，通常乙烯( c 2 h 4 ) 和甲烷( c 心) 占较大比重，乙炔( c 2 h d 含量低或不出现， 即未达到导则规定的注意值( 5 u l l ) 。当色谱分析结果出现乙炔超过导则规定注意 值时，则可认为该铁芯接地是动态接地故障。当色谱分析出现上述特征，并在铁芯 绝缘电阻为零或很低及铁芯接地线中有环流时，则可确定该变压器铁芯已发生多点 接地故障。 以上三种方法中，油色谱分析法应用最为广泛，技术上也很成熟，但投资较大， 并且只有当变压器油中所含特征气体达到注意值时才能进行判断，在故障不是很严 重时无法及时发现问题，存在滞后性，并且当特征气体的比值不是标准值时，很难 准确判断故障的类型；测量铁芯绝缘电阻法在现场中应用也较为广泛，但只能在变 压器停电检修时进行，操作上又存在一定的局限性；测量铁芯接地电流法是以上各 种方法中最迅速、最直接、最灵敏的方法，传统的方式是在铁芯接地端装设电流表， 依靠运行人员的巡视来发现问题，但这种方式无法及时发现故障也不能提供历史数 据来分析故障的发展过程，给故障的及时、有效解决带来很大困难。因此，设计一 套全天候实时监测变压器铁芯接地电流状况并可自动投入限流电阻的装置具有重 大的工程意义。 3 华北电力大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作 1 4 1 研究目标 本文为满足电力系统对变压器铁芯状态检修的需要，提出了变压器铁芯多点接 地在线监测系统的设计方案，该监测系统应满足以下功能：( 1 ) 监测系统的投入和 使用应不改变、不影响变压器的正常运行；( 2 ) 能够连续监测、记录和处理数据， 及时报警和故障诊断；( 3 ) 具有良好的抗干扰能力和合理的监测灵敏度；( 4 ) 系统 本身可靠性高，易于维护，适于室外长期运行( 5 ) 能够有效管理数据，人机界面 良好。 1 4 2 研究内容 基于以上考虑，本文需要完成以下几个方面的研究和工作： 1 铁芯接地电流理论分析 根据变压器铁芯实际结构，建立合适的铁芯数学模型，计算铁芯一点接地工作 电流及多点接地故障电流值，并分析随故障点不同故障电流的变化规律，为后续系 统设计提供理论支持。 2 系统硬件电路设计 根据铁芯接地在线监测系统的要求，设计包括电流传感器、滤波、放大、a d 转换、数据存储及控制在内的数据采集电路，为接地电流信号的监测和提取搭建一 个硬件平台。 3 系统软件设计 编程实现基于r s 2 3 2 串口的上下位机通信，使上位机能够控制下位机的运行， 并能接收到下位机采集的铁芯接地电流在线监测数据；建立接地电流在线监测数据 库，实现数据的存储、查询等功能，并采用l a b v i e w 开发一套变压器铁芯接地电 流分析软件。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章变压器铁芯接地电流计算 2 1 变压器铁芯的基本结构 铁芯是电力变压器的基本部件，由铁芯叠片、绝缘件和铁芯结构件等构成。铁 芯本体是由磁导率很高的磁性钢带组成，为使不同绕组能感应出和匝数成正比的电 压，需要两个绕组交链的磁通量相同，这就需要绕组内由磁导率很高的材料制造的 铁芯，尽量使全部磁通在铁芯内和两个绕组链合，并且使只和一个绕组交链的磁通 尽量少。 铁芯叠片由电工磁性钢带叠积或卷绕而成，铁芯结构件主要由夹件、垫脚、撑 板、拉带、拉螺杆和压钉等组成。结构件保证叠片的充分夹紧，形成完整而牢固的 铁芯结构。叠片和夹件、垫脚、撑板、拉带与拉板之间均有绝缘件。铁芯叠片引出 接地线接到夹件或通过油箱到外部可靠接地，不允许存在多点接地情况1 1 6 , 1 i ) 。 l2 34 r t、 _ r 。 ，t _ 嚣 臣。|邕i划 圈 1 剁l i i。l i i 川i i 、 ，i j i j l ll l i。j 川 illf i i i i l i i i i l i i i i i ii = i = 肌l 川 = = i l i 洲l ij i i l l i | i i i | 0i | i i i i iil i l | ：| 0 il 洲 i i l i l i l i i i 。 o i i l l i i 嚣土吐 | i吐划 冒、，ji 呐 j 旧 。 。削 ￥t j 5 6 7 图2 1 三相三柱心式变压器铁芯 1 一拉带2 一接地片3 一拉带4 一夹紧螺杆5 - - 上夹件 6 一拉螺杆7 - - 下夹件8 、9 一垫脚l o 一绑扎带 目前，我国制造的大中型变压器，铁芯大都经一只套管引至油箱体外部接地。 5 华北电力大学硕士学位论文 这是因为电力变压器在正常运行时，绕组周围存在电场，而铁芯和夹件等其它金属 构件均处于该电场中且具有不同的电位。若铁芯不可靠接地，则当两点电位差达到 能够击穿二者之间绝缘时便产生断续火花放电而损坏变压器内部固体及油绝缘，并 最终导致事故发生，因此变压器铁芯必须有一点接地；但是，如果变压器铁芯由于 某种原因在某位置处出现另一点接地时，则两接地点间会形成一个闭合回路，其中 交链的磁通将在回路中感应出环流而造成铁芯的局部过热，严重时会造成局部烧损 或发生放电性故障，即变压器铁芯多点接地故障【i 引。 以下是本文以一台型号为s f p s z 8 - - 1 2 0 0 0 0 2 2 0 的电力变压器为实例，对铁芯 一点接地工作电流及多点接地故障电流的定量分析过程，该台变压器的基本信息如 表2 1 所示： 表2 - 1 变压器基本信息 型号 s f p s z 8 一1 2 0 0 0 0 2 2 0 3 相 5 0 h z 户外使用 额定容量1 2 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 6 0 0 0 0k v a 额定电压 2 2 0 1 2 1 ，1 0 5k v 冷却方式o d a f o d a n o n a n 联结组标号 y n ，y n 0 ，d l1 。 2 2 变压器铁芯一点接地工作电流 要计算变压器铁芯一点接地工作电流值，应先分别计算出a 、b 、c 三相各相 单独存在时的铁芯一点接地电流值( 本文统称为单相接地电流) ，再将三相迭加， 迭加后的电流值称为三相接地电流值，亦即铁芯一点接地工作电流。 以变压器的a 相为例，铁芯心柱外依次包围有低压绕组、中压绕组及高压绕组， 联结组标号依次为d 1 1 、y n 0 、y n ，铁芯一点接地时的示意图如下所示1 9 五1 】： 图2 - 2 铁芯一点接地示意图 6 华北电力大学硕士学位论文 2 2 1 介质的等值介电常数 油浸式变压器通常采用复合绝缘，如油纸及油与隔板均为复合绝缘。在进行电 容计算前，应先计算复合绝缘的等值介电常数。 线圈间、线圈与铁芯间的等值介电常数，按串联电容器公式进行计算 2 2 - 2 4 ，即 生 ：l + - ! l + j l dmds z d ；sy d y 口d 口 铲i 互j a w 五 蹦老+ 去+ 者， ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中 以、乱、m r 匝绝缘、油隙和绝缘纸筒的厚度( r a m ) = 砚+ 田+ 啦广- 线圈间的绝缘厚度( m m ) 晚、d ，、皿广- 匝绝缘、油隙和绝缘纸筒的平均直径( m m ) d 订一线圈间绝缘的平均直径( m m ) 跏8 ，、如广- 一匝绝缘、油隙和绝缘纸筒的相对介电常数，e 产3 5 ，8 ，= 2 2 ，勋= 4 4 表2 - 2 变压器的结构参数 结构参数高压一中压( m m )中压一低压( m m )低压一铁芯( m m ) 高压绕组为纠结 低压绕组为d 型接 式，y n 接法，额定 中压绕组为y n 0 型接 法，额定电压1 0 5 k v , 电压2 2 0 k v ，每只线 法，额定电压1 2 1 k v , 每只线圈1 段总匝 圈2 x 5 0 段，总匝数 每只线圈1 0 0 段，总匝 匝绝缘厚度( 口= ) 数3 7 3 匝，每匝绝缘漆 数5 6 匝每段匝数1 6 6 7 匝，每匝绝缘漆匝。每匝绝缘漆厚 厚度：1 9 5 m m ，总 厚度：1 3 5 r a m ，总厚 度：o 4 5 r a m ，总厚 度以： 厚度啦：度啦： 1 3 5 5 = 6 7 5 1 9 5 2 5 = 4 8 7 50 4 5 1 = 0 4 5 油隙厚度( 唧) 5 83 61 3 纸筒厚度( d 茹 1 283 线圈间的绝缘厚度( 4 d 8 7 55 0 7 51 6 4 5 匝绝缘平均直径( 助 1 4 9 1 51 1 4 4 59 2 3 油隙平均直径( d ，) 1 3 2 2 31 0 1 3 58 7 4 纸简平均直径( 巩) 1 3 1 2 81 0 0 4 38 6 1 线圈绝缘平均直径( d 。) 1 4 2 1 51 l o o 58 9 9 5 将表2 - 2 中的数据代入式( 2 2 ) 中可得： 7 华北电力大学硕士学位论文 表2 - 3 介质的等值介电常数 高压一中压中压一低压低压一铁芯 介质的等值介电常数s 。 2 6 62 3 5 2 3 8 2 2 2 径向几何电容计算 变压器线圈的几何电容，有线圈之间的电容、线圈对铁芯的电容、线圈对油箱 的径向电容以及和线饼间的轴向电容，线圈对铁芯和对油箱的电容又称为线圈的对 地电容。径向几何电容按同心圆柱电容器公式计算。 1 ) 低压绕组一铁芯( q c ) 线圈对铁芯的几何电容，可按同心圆柱电容器公式计算： q 。= 警= 警p f ( 2 - 3 ) r 。r 。 式( 2 3 ) 中，8 。为低压线圈与铁芯之间介质的等值介电系数，已知为2 3 8 ；日 为低压线圈的轴向高度；r ，为低压线圈的内半径：尼为铁芯的外接圆半径，为8 4 0 m m 。 表2 4 各线圈内外径具体数值 高压( r a m )中压( r a m )低压( m m ) 线圈高度1 7 8 7 m m1 8 1 l m m1 7 8 7 m m 线圈内外径内径1 3 8 2 r a m ，外径内径1 0 4 7 m m ，外径内径8 8 7 m m 。外径 1 6 0 l m m1 2 4 2 m m9 5 9 m m 将相关数据代入式( 2 - 3 ) 中可得：c 工c = 4 3 6 0p f 工频下阻抗模： z l - c 。丽12 而磊i 石l 丽i 矿2 7 3 1 0 5 q 2 ) 中压绕组一低压绕组( c u - l ) 线圈之间的几何电容按下式计算： c “- l = 警= 警p f ( 2 - 4 ) r ，lr 。1 式中，邬。为线圈之间介质的等值介电常数，已知为2 3 5 ；r 们为中压线圈的内 半径，r 。j 为低压线圈的外半径；日为两线圈的平均高度。 将相关数据代k ( 2 4 ) 式可得：c m l 2 6 7 2p f 工频下阻抗模：i 乙一c f 。去2 丽砑i 乏丽2 1 2 1 0 6 o 3 ) 高压绕组一中压绕组( c 0 脚 8 华北电力大学硕士学位论文 线圈之间的几何电容按下式计算： c 。= 警= 警p f ( 2 _ 5 ) 凡l“r “ 式中，为线圈之间介质的等值介电常数，已知为2 6 6 ；冠订为高压线圈的内 半径，r 。，为中压线圈的外半径；日为两线圈的平均高度。 将相关数据代入( 2 - 5 ) 式可得：c x u = 2 4 8 6p f 工频下阻抗模：i z n - u = 磊1 = 而面寂西函1 石驴= 1 3 1 0 6 q 2 2 3 铁芯阻抗分析 变压器铁芯由各级硅钢片叠积而成，每片硅钢片的表面均涂有绝缘膜，这样整 个铁芯的阻抗就由硅钢片和绝缘膜的性能共同决定。 ( 1 ) 硅钢片电阻 随着含硅量的增高，硅钢片的电阻率也升高。含硅量在o 2 5 5 0 范围内时， 为了计算硅钢片的电阻率，可采用下列公式【2 5 】： p = 1 3 2 5 + 1 1 3 s i ( 2 6 ) 表2 - 5 硅钢片电阻率 含硅量( ) o 2 5 1 5 1 5 2 82 8 3 83 8 4 8 电阻率( 欧厘米) 2 5 3 55 06 0 变压器制造业普遍采用的冷轧晶粒取向磁化钢片的含硅量为2 8 4 8 ，故 其硅钢片的电阻率为5 0 6 0 q m m 即为0 5 o 6 n - m 。 ( 2 ) 绝缘膜电阻 层间电阻是描述电工钢片( 带) 表面绝缘膜性能的一个参数，其定义为： 1 r s = a ( - i 1 ) ( 2 - 7 ) 式( 2 - 7 ) 中： 足r 一层间电阻，q m m 2 片 彳l o 个极头的总面积( = 1 0 0 0m m 2 ) ，一- 6 次测试电流的平均值( a ) 试品尺寸：长4 0 0 r a m ，宽1 5 0 r a m 层问阻抗测试范围：1 0 4 1 0 5q m m 2 ，片 单面绝缘膜厚度：2 3 u m 9 华北电力大学硕士学位论文 硅钢片厚度：0 3 0 m m 根据层间电阻的测量数据可推得涂层的电阻率： 设层间电阻为6 x 1 0 4 q m m 2 片，试品面积s = 4 0 0 * 1 5 0 = 6 x 1 0 4 t u r n 2 ， 则试品体积电阻为 r = 丽6 x 1 0 4 小p ；= p 蒜 ( 2 _ s ) 推得p = 1 1 0 4 q m 层 图2 3 硅钢片层间电阻试验线路( 硅钢片试样取4 0 0 1 5 0 r a m ) 现以这台变压器的铁轭为例，计算其阻抗值。因为整个铁轭的阻抗为其绝缘膜 电阻与硅钢片电阻的串联，故应分别计算出各部分电阻值。铁轭横截面为图2 4 a 所 示的多级圆形截面，左右部分各有1 6 级硅钢片，每级硅钢片结构如图2 4 b 所示。 因为单独测量每一级绝缘膜厚度有一定的困难，这里采用一种近似的方法：认为铁 芯叠片系数砌为每级硅钢片中硅钢片本身实际所占厚度，其余为绝缘膜所占厚度， 由于目前硅钢片质量的不断提高，铁芯加工、捆扎工艺的不断改进，使得砌的值 已可取到o 9 6 o 9 7 2 6 】，甚至更高的值，这里取磊= 9 6 5 。 图2 4 a 铁轭横截面图2 4 b 铁轭硅钢片结构 1 0 8 弋 i l 华北电力大学硕士学位论文 表2 - 5 铁轭各级硅钢片绝缘电阻列表 硅钢片电阻 级数 b ( m m )l ( m m )级厚( m m )面积( m m 2 )绝缘膜电阻( q ) ( q ) l3 8 02 8 8 02 0 69 5 0 0 0 07 5 8 9 50 0 0 0 1 3 7 23 6 02 8 4 07 38 9 2 8 0 02 8 6 1 80 0 0 0 0 5 2 33 6 02 8 4 07 38 9 2 8 0 02 8 6 1 80 0 0 0 0 5 2 43 3 02 8 0 05 0 58 1 5 1 0 02 1 6 8 40 0 0 0 0 3 9 53 3 02 8 0 05 0 58 1 5 1 0 02 1 6 8 4 0 0 0 0 0 3 9 6 3 0 5 2 7 7 0 3 3 7 5 1 8 2 5 1 5 3 6 30 0 0 0 0 2 8 7 3 0 5 2 7 7 0 3 37 5 1 8 2 51 5 3 6 30 0 0 0 0 2 8 82 7 52 7 4 03 26 7 7 8 7 51 6 5 2 20 0 0 0 0 3 0 92 7 52 7 4 03 26 7 7 8 7 51 6 5 2 20 0 0 0 0 3 0 1 02 4 52 7 5 02 76 1 3 7 2 51 5 3 9 80 0 0 0 0 2 8 1 l 2 4 5 2 7 5 0 2 76 1 3 7 2 51 5 3 9 80 0 0 0 0 2 8 1 22 1 52 7 5 02 2 55 4 5 0 2 5 1 4 4 4 9 0 0 0 0 0 2 6 1 32 1 52 7 5 02 2 55 4 5 0 2 51 4 4 4 90 0 0 0 0 2 6 1 41 9 52 7 0 02 64 8 8 4 7 51 8 6 2 90 0 0 0 0 3 4 1 51 9 52 7 0 02 54 8 8 4 7 51 8 6 2 90 0 0 0 0 3 4 1 61 9 5 2 7 0 0 2 6 4 8 8 4 7 5 1 8 6 2 9 0 0 0 0 0 3 4 由上表可以看出，绝缘膜的电阻值要比硅钢片本身的电阻大很多，故两者相串 联时可忽略硅钢片本身电阻，即认为绝缘膜电阻就是铁轭电阻。对铁芯心柱等其它 部分的计算，虽然结构有所不同，但其电阻值也均为几十欧姆。 2 2 4 单相接地电流 考虑到实际变压器绕组中采取了一些静电保护措施( 静电屏、静电环) 和改进了 绕组的结构( 纠结、内屏蔽电容) 等一系列均压措施后2 7 1 ，可近似认为绕组间等效径 向几何电容在纵向上是均匀分布的，如图2 5 中所示，在绕组x 点的出高度内，分 布电容为： c u 一胃。警出( 2 - 9 ) 同理： q 。= 1 c l r m 出c 。- l = 等疵( 2 - 1 0 ) 华北电力大学硕士学位论文 疆翠甲 图2 5 分布电容示意图 图2 5 的等效电路图如下所示 图2 - 6 等效电路 图2 - 6 中，c 乱、q w 、c m f t 分别是铁芯与低压绕组、低压与中压绕组、中压与 高压绕组之间的分布电容，觇、翰分别是低、中、高压绕组电压，凰是铁芯 硅钢片表面绝缘膜等效电阻。 已知在长期工作电压( 5 0 h z ) 作用下，绕组上的电压分布按绕组上的匝数安排( 即 按线匝的电感) 来分布，故电压沿线圈的最终分布的电压分布方程为 材= - “f f s i n ( 1 0 0 m 一妒) ( 2 - 1 1 ) j 整个回路阻抗值为绕组间径向电容的容抗与绝缘膜电阻的串联。因为容抗( 1 0 5 数量级) 较绝缘膜电阻( 几十欧姆) 大很多，故整个回路阻抗为绕组间电容的容抗。 从绕组底部向顶端积分，可得铁芯正常一点接地时单相接地电流为 f = ( w a ) g u s i n ( 2 a f t 埘o 。) 压+ q r 2 u rs i n ( 2 n f l ) h d x ( 2 - 1 2 ) 0 式( 2 - 1 2 ) 中： 1 2 华北电力大学硕士学位论文 。揣一5 帽z ，u u = 1 1 0 k v u l 司n 5w 将式( 2 1 2 ) 整理可得： i = 2 3 5 s m ( 1 0 0 m 一3 3 0 0 ) + 3 9 s i n ( 1 0 0 n t ) m a( 2 1 3 ) 上述建模及计算是针对y n 、y n o 、d 1 1 这种绕组联结方式进行的，对其它绕组 联结形式的计算，只是在模型建立及参数上稍有不同，计算方法与上述方法相同。 2 2 5 三相接地电流 在己计算出单相接地电流的基础上，只要把各单相接地电流迭加就可得到三相 接地电流值，亦即铁芯一点接地工作电流值。 图2 7 铁芯三相接地电流等效电路图 依次算出a 、b 、c 三相各自的单相接地电流，如果三相电压相位完全对称且 各绕组间电容相等，则三相叠加后接地电流理论上应该为零，即 f 。= 2 3 5 s i n ( 1 0 0 m - 3 3 0 0 ) + 3 9 s i n ( 1 0 0 n t )( 2 - 1 4 ) i b = 2 3 5 s i n ( 1 0 0 n t 一9 0 0 ) + 3 9 s i n ( 1 0 0 m 一1 2 0 0 ) ( 2 - 1 5 ) c = 2 3 5 s i n ( 1 0 0 n t 一2 1 0 0 ) + 3 9 s i n ( 1 0 0 m + 1 2 0 0 ) ( 2 - 1 6 ) 故 f = i 。+ + i 。= 0 ( 2 1 7 ) 但变压器在实际运行中，由于三相电压相位不可能完全对称、各绕组间电容也 不可能完全相等以及漏磁通等原因，接地线中总会呈现出一定数值的接地电流，测 量值大概在几个至十几个毫安之间。 2 3 变压器铁芯多点接地故障电流、 多点接地按性质可分为铁芯部件自身绝缘缺陷和外物入侵两类。铁芯部件安装 缺陷如穿心螺栓、压环压钉等处的绝缘破坏，铁轭与夹件短路，心柱与其它部件短 1 3 华北电力大学硕士学位论文 路等。第二类是金属异物入侵，如安装时异物遗留在变压器内，如钢刷的断毛，起 重机的钢丝绳断股脱落，还有金属丝、焊渣等，当变压器运行时在电磁场作用下， 这些金属异物被竖起，造成铁芯与油箱底部短路。 由于变压器铁芯多点接地故障有许多种类型，这里选择了其中一种比较典型的 “铁轭与夹件短路”故障类型加以讨论。 2 3 1 变压器夹件结构 以大容量心式变压器夹件为例，其有以下几个特点【1 6 1 ： ( 1 ) 为减小夹件的损耗，夹件制成板式结构。夹件没有支板。基本是一个腹板， 其上每相焊四处有加强铁的压钉座供压紧绕组用。 ( 2 ) 上夹件用夹件下的拉带和夹件上的撑板夹紧上铁轭。 ( 3 ) 下夹件用夹件上的拉带和夹件下的垫脚夹紧下铁轭。 ( 4 ) 上夹件和下夹件通过拉板连接。 ( 5 ) 大容量变压器通过夹件在油箱中定位。 8 )b ) 图2 - 8 大容量变压器铁轭的夹紧 a ) 上铁轭夹紧结构 1 一接地片2 一撑板3 - - 上夹件4 一上铁轭5 一钢拉板 6 一铁轭拉带7 一铁芯柱8 - - 铁芯柱绑扎带9 一上夹件 b ) 下铁轭夹紧结构 1 一铁芯柱z 一钢拉板3 一铁芯柱绑扎带4 一下夹件 5 一垫脚6 一下铁轭7 一铁轭拉带 大型变压器通常在铁芯的上铁轭中插入接地片( 铜带) ，接地片和上夹件连接， 铁芯的上夹件和下夹件通过拉板连接，上夹件通过其上部的撑板连接，下夹件通过 1 4 华北电力大学硕士学位论文 垫脚连接，垫脚与箱底绝缘，然后将铁芯接地片通过套管从变压器油箱盖引出，在 变压器油箱外部接地。图2 8 中所示的铁芯拉带必须和铁芯叠片绝缘，在变压器的 一侧和夹件连接，另一侧绝缘，不能在两侧和夹件连接，因为如果在两侧连接，通 过上部撑板或下部垫脚会形成短路圈。 2 3 2 多点接地电流计算 根据实际变压器中铁芯拉带绝缘螺栓( 绝缘垫、绝缘管) 的位置，可以分两种情 况考虑，即绝缘螺栓在拉带左侧和右侧两种情况【2 引。 2 3 2 1 绝缘螺栓在拉带左侧 曲上铁轭碰到夹板 仍以这台型号为s f p s z 8 1 2 0 0 0 0 2 2 0 的电力变压器为例，其铁轭横截面可以 分成左右对称的两部分，各有1 6 级硅钢片，从右至左依次给各级编号为1 3 2 。 图2 - 9 中左侧黑色螺栓为拉带的绝缘螺栓，铁芯接地片放置在第3 l 级硅钢片上， 即放置在铁轭截面的左侧部分。假设故障接地点在第3 级硅钢片上，则两个接地点 会通过夹件撑板和铁轭本身形成一个导电回路。图中虚线表示环流路径，其可以分 为上下对称的两部分，如果环流只从铁芯最上边的路径流过，在忽略铁芯外部漏磁 通的情况下，回路交链的磁通几乎为零；如果环流只从铁芯最下边的路径通过，回 路交链的磁通几乎为两接地点o p 问通过的所有磁通。在考虑所有路径后，可以近 似认为回路交链的磁通为两接地点o p 问硅钢片通过的所有磁通的1 2 。 图2 - 9 多点接地电流路径 这样，便可根据公式 。一4 4 4 f x b m a z 1 0 4 q 2 2 一 计算出感应电压，其中 1 5 被甬娆触目毒赣数 图2 1 0 多点接地电流变化曲线 ( 2 1 8 ) 华北电力大学硕士学位论文 卜5 0 h z ：占k 铁芯的磁密，取1 7 t ；4 r 一回路的有效截面积，c m 2 回路电阻r 是第3 3 l 级硅钢片绝缘膜电阻( 胄j ，r “r s ：) 与金属导体电阻r 的 串联r = r 3 + r 4 + + r s l + r ，由于金属导体电阻值r 很小，可认为绝缘膜电阻就是回 路总电阻，即r = r 3 + + + r 3 i 。 根据欧姆定律 f = 吉 ( 2 - 1 9 ) l 便可以算出多点接地故障电流值。 对于故障接地点在其它级数硅钢片上的情况，计算方法相同，且随着故障接地 点所在级数的不同，回路铰链的磁通及回路的电阻均发生变化，因此故障电流值也 会有所不同，图2 一l o 所示为随故障接地点所在级数不同多点接地电流的变化曲线。 b ) 上铁轭碰到拉带 如果上铁轭碰到拉带，回路所包围的磁通就有所不同，如图2 - 1 1 所示： 图2 - 1 1 接地电流路径 戗雠所趟暾 图2 1 2 接地电流变化曲线 图中虚线表示环流路径，仍假设故障接地点在第3 级硅钢片上，此时包围的磁 通为第3 3 l 级硅钢片通过磁通的1 1 2 再加上l 3 级硅钢片包围的全部磁通，而回 路电阻仍为第3 3 l 级硅钢片绝缘膜电阻的串联，故此时感应电流会较上一种情况 变大。 对于故障接地点在其它级数硅钢片上的情况，计算方法相同，且随着故障接地 点所在级数的不同，回路铰链的磁通及回路的电阻均发生变化，因此故障电流值会 有所不同，图2 1 2 示出随故障点所在级数不同多点接地电流的变化曲线。 2 3 2 2 绝缘螺栓在拉带右侧 a ) 上铁轭碰到夹板 这种情况与绝缘螺栓在拉带左侧2 3 1 a ) 相同。 b ) 上铁轭碰到拉带 1 6 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 3 中虚线表示环流路径。这种情况下与绝缘螺栓在拉带左侧2 3 1 b ) 时 导电路径有所不同，但回路所包围的磁通仍是o p 间硅钢片包围磁通的i 2 ，在金属 导体电阻与硅钢片绝缘膜电阻相比可忽略时，随故障点所在级数不同多点接地电流 的变化曲线仍如图2 - 1 0 ( 图2 - 1 4 ) 所示： 图2 - 1 3 接地电流路径 2 4 结论及建议 嘲嘣鼬栅倍舞蠡 图2 1 4 接地电流变化曲线 根据以上计算，总结出以下几点结论： ( 1 ) 当出现铁芯多点接地故障时，接地电流并不一定会超过规程规定的1 0 0 m a ， 因此这种小电流多点接地故障不易被及早发现，但却留下了故障隐患。 ( 2 ) 多点接地电流不一定会通过铁芯外引接地线形成回路。如图2 - 9 、2 - l l 、2 1 3 所示，铁芯碰到上夹件时接地电流只是在变压器铁芯及上夹件内部流动，铁芯接地 片引出线中几乎没有电流流过；只有当铁芯碰到油箱时，接地片引出线中才会有电 流流过。 ( 3 ) 如果铁芯接地片与铁轭拉带的绝缘螺栓位于铁轭截面的同一侧，则当发生铁 芯碰到上夹板或拉带时，多点接地电流会有很大不同。如图2 1 0 、2 1 2 所示，铁芯 接地片与铁轭拉带绝缘螺栓均位于铁轭截面左侧部分，对同一级硅钢片来说，碰到 上夹板时电流只有几个毫安，而碰到拉带时电流会有几十安培，相差很大；而如果 铁轭拉带绝缘螺栓位于铁轭截面右侧，如图2 1 4 所示，对同一级硅钢片来说，不管 碰到上夹件还是拉带，接地电流都只有几个毫安，安全性有了很大提高。 结合上述结论，给出了在实际变压器中合理安装铁芯接地片的几点建议： ( 1 ) 单独设置一条铁芯夹件外引接地线。因为如果发生铁芯碰到上夹件这种故障 类型造成多点接地故障时，接地电流只是在铁芯及夹件内部流动，铁芯外引接地线 中没有电流流过，会导致工作人员误认为铁芯没有发生故障，长此下去会逐渐烧损 变压器铁芯。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 铁芯接地片放置在铁轭横截面的中间位置。这样放置，不论铁轭拉带的绝 缘螺栓在何位置以及故障接地点在何位置，回路的感应电压最大只有匝电压的l 4 。 这时的最大接地电流只有几个安培，较铁芯接地片放置在其它位置时要小很多。 1 8 华北电力大学硕士学位论文 3 1 系统简介 第三章系统硬件电路设计 为满足电力系统对电气设备状态检修的需要，设计了变压器铁芯多点接地在线 监测系统。本系统是一个集信号采集、通信、分析、存储于一体的电气设备状态在 线监测系统，是在对监测方法和基础理论的深入研究基础上，基于多层体系、串口 通信与数据库技术进行设计与开发的。它的实际应用，对提高现有在线监测技术的 应用水平起到了良好的促进作用。 3 1 1 系统工作流程 系统主要由电流传感器、信号预处理单元、a d 采样单元、单片机、r s 2 3 2 通 信接1 ：3 及限流电阻等组成，其工作流程为：首先用电流传感器将接地电流信号转换 为电压信号；得到的电压信号经预处理单元的调理及a d 单元的采样后进入单片机； 单片机对信号进行滤波及基波分量计算后，再经通信接口把数据上传至上位机做进 一步的信号处理；当系统检测到基波分量值超过0 1 a 后，会自动手动在铁芯接地 线中投入一定的限流电阻，以暂时将接地电流限制在规程之内。 待电信 上 检流号 数 位 测传预 据 机 信感处 采 号器理 集 分 析 图3 - 1 系统流程图 整个监测系统可分为下位机和上位机两部分，其中下位机是整个系统的工作平 台，包括硬件电路和下位机软件，其工作在变电站现场，主要完成接地电流信号的 提取、数据的处理、监测参数的显示、历史数据的保存、固态继电器的控制等功能； 上位机是采用l a b v i e w 语言编写的数据管理系统，主要完成数据的传输、显示、 保存、查询等功能，安装在便携式计算机上，在现场可利用r s 2 3 2 串口实现与下位 机的通信。 该系统所监测的参数包括日期时间、接地电流大小、投入的限流电阻值和系统 工作模式等数据，这些数据可以在下位机的前面板上显示出来，同时也通过r s 2 3 2 串口上传至主控室微机内：在上位机的控制下，下位机可向上位机上传实时数据， 也可上传保存在下位机存储器中的历史数据，上位机获得数据后可以进行实时波形 显示，历史数据查询以及初步的故障诊断。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 3 1 2 系统安装 本监测系统采用直接将下位机安装在变压器器身上的独立式监测结构，其安装 图如图3 2 所示： 周 水泥地面扳 = 图3 - 2 系统安装图 安装过程也特别简单：只需把铁芯的外引接地线暂时打开，将一端接到系统的 “接入”套管端，另一端接到“导出”套管端即可。 图3 - 3 系统体系结构 2 0 华北电力大学硕士学位论文 3 1 3 系统前面板设计 在变电站现场，直接面对运行人员的是下位机的前面板，运行人员可以通过前 面板上的l c d 显示屏直观的掌握铁芯的工作状态，并可通过控制前面板上的按键对 监测系统进行一定的操作。 图3 - 4 a 设计效果图 表3 - 1 前面板功能 图3 4 b 实际效果图 按键功能 “复位”键 系统工作不正常时，按下“复位”键可重新启动系统 “手动自动”键 “自动”和“手动”