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浅淡变压器铁芯故障的诊断与排除

2018/11/01

  近年来,随着用电的工业化、商业化的出现,每年都在不断提高电力系统的供电可靠性和供电质量。供电可靠性要得到真正意义上的提高,我们必须对构成电力网中三大部分进行关键性的提高。
  电力网是由送电、变电、发电构成的,我们之所以得到一个照明系统常用的220V电压,中间是经过了发电厂、变电站、配电所的电力变压器,发电机由于其本身绝缘限制,一般电压等级在6kV、10kV,如果不通过升压变压器进行远距离输送电能的话,必然会导致功率损耗大,严重影响供电质量和可靠性,为了减少输电线路在线路阻抗的作用下损耗过大的功率,我们采用电力变压器对发电机的输出电压进行升压。由于发电机的输出功率是一定的,提高电压等级就可以降低电流,当输电线路上的电流降低,其有功耗损也得到一定的降低。电力变压器不是永远没有故障,据统计,电力变压器的故障占电气设备总故障的30%,而且变压器故障的多样化造成查找困难,加上设备的限制,很多时候都是通过经验判断变压器故障是由哪种原因造成,及时发现变压器存在故障、及时排除故障可以延长变压器的使用寿命,是提高供电可靠性的手段之一。
   
  一、变压器的用途、分类与工作原理 
   
  (一)变压器的用途 
  变压器是利用电磁感应,以相同的频率,在两个或更多的绕组之间变换交换电压或电流的一种静止电气设备。各种不同的用电设备常常需要不同电压的电源,我们日常生活用的电灯、电器的工作电压为220V;安全照明用灯的电压为36V、24V或12V;三相交流电动机一般用380V电压。从电力系统的角度来看,一个电力网将许多发电厂和用户联系在一起,分成主系统必须是统一的一种电压等级,这也需要各种规格和容量的变压器来连接各个系统。所以说电力变压器是电力系统中不可缺少的一种电气设备。
  在实际工作中,变压器除了用来变换电压外,还用来变换交流电流,交换阻抗,改变相位等。
  (二)变压器的分类 
  变压器有不同的使用条件、安装场所,有不同的电压等级和容量级别,有不同的结构形式和制冷方式,所以应按不同原则进行分类。
  1.按用途不同。变压器分为电力变压器,特种变压器,仪用互感器、试验用的高压变压器和调压器等。
  2.按绕组构成不同。变压器分为双绕组,三绕组、多绕组变压器和自耦变压器。
  3.按铁芯结构不同。变压器分为芯式和壳式变压器。
  4.按相数的不同。变压器分为单相、三相、多相变压器。
  5.按调压方式不同。变压器分为无励磁调压变压器,有载调压变压器。
  6.按冷却方式不同。变压器分为干式变压器、油浸自冷变压器、油浸风冷变压器、强迫油循环变压器、强迫循环导向冷却变压器、充气式变压器。
  7.按线圈结构不同。变压器分为单线圈变压器、双线圈变压器、三线圈变压器及多线圈变压器。
  8.按中心点绝缘不同。变压器分为全绝缘变压器和半绝缘变压器。
  (三)变压器工作原理 
  变压器的基本原理是电磁感应原理,现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理(如上图所示):当一次侧绕组上加上电压 1时,流过电流 1,在铁芯中就产生交变磁通1,这些磁通称为主磁通,在它作用下,两侧绕组分别感应电势 1, 2,感应电势公式为:E=4.44fNm。
  式中:E——感应电势有效值;F——频率;N——匝数;m——主磁通最大值。
  由于二次绕组与一次绕组匝数不同,感应电势 1和 2大小也不同,当略去内阻抗压降后,电压 1和 2大小也就不同。
  当变压器二次侧空载时,一次侧仅流过主磁通的电流( 0),这个电流称为激磁电流。当二次侧加负载流过负载电流 2时,也在铁芯中产生磁通,力图改变主磁通,但一次电压不变时,主磁通是不变的,一次侧就要流过两部分电流,一部分为激磁电流 0,一部分用来平衡 2,所以这部分电流随着 2变化而变化。当电流乘以匝数时,就是磁势。
  上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用,变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。
   
  二、变压器铁芯故障 
   
  (一)铁芯故障的种类 
  铁芯有两大基本结构开式,即壳式和芯式,它们的主要区别在于磁路即铁芯与绕组的相对位置,绕组被铁芯包围的称为壳式;铁芯被绕组包围时称为芯式。
  芯式变压器特点是绕组包围铁芯,铁芯处于器身内芯,故称芯式或内芯式,判断的标准是总有几个绕组的一边没有铁芯或铁轭而壳式变压器特点是铁芯包围绕组,故称壳式变压器或外铁式变压器。它主要用在家用视频电器或特大型变压器上,可拆分小件到现场组成整体变压器,一般情况下壳式铁芯是水平放置,芯式铁芯是垂直放置的,大容量的芯式变压器由于运输高度所限、压缩了上下铁轭的高度,以增加旁轭的办法增加磁路。将变压器铁芯做成单相三柱(一个芯柱)单相四柱(两个芯柱)或三相五柱(三个芯柱)。它们仍保留芯式结构的特点,因此它们虽有包围绕组的旁轭,仍属于芯式结构。
  (二)铁芯的结构 
  铁芯的夹紧一般有两种结构形式,一是铁芯柱无孔绑扎及铁轭上穿螺杆的结构,另一个是铁芯柱无孔绑扎及铁轭无孔的拉带结构。(1)铁芯的钢夹紧装置是使整个铁芯构成一个整体的坚固结构,它的结构应能满足如下要求:夹紧装置一般做成框架式、此夹紧装置的结构上要保证能承受铁芯本体的紧力;(2)夹紧装置在结构上应能通过各类绝缘件可靠地对绕组进行压紧,支撑所有引线和装置器身上的所有绝缘件及组件,并应具有器身在油箱中的定位结构和保证器身运输中稳定的定位结构;(3)夹紧装置与铁芯相接触的面一定要平整,且夹紧装置不得有任何变形,以保证铁芯能够均匀受力,铁芯片的边缘应不出现翘起,铁芯各处的“波浪”应保证最小,铁芯励磁时噪声要符合标准要求;(4)为防止铁芯多点接地,结构钢件应用专门的绝缘件与铁芯本体隔开;(5)夹紧装置与铁芯相接触处必须有可靠的绝缘件隔开。
  (三)铁芯接地 
  变压器在运行中,铁芯以及固定铁芯的金属结构零件、部件等,均处于在强电场中,在电场作用下,它具有较高的对地电位。如果铁芯不接地,它与接地的夹件及油箱之间就会有电位差,在电位差的作用下,会产生断续放电现象。另外,在绕组的周围具有较强的磁场。铁芯和零部件都处在非均匀的磁场中,它们与绕组的距离和不相等,所以各零部件被感应出来的电动势大小也各不相等。彼此之间因而也存在着电位差,铁芯和金属构件上会产生悬浮电位差,电位差虽然不大但也能击穿很小的间隙。因而也会引起持续性的微量放电,这些现象是不充许的,而要检查这些不断续放电的部位是非常困难的。因此,必须将铁芯以及固定铁芯等金属零部件可靠接地,使它们与油箱同处于地电位。 
  铁芯是由许多层硅钢片叠积而成,如果铁芯有两点或两点以上接地,则铁芯中磁通变化时就会在接地回路中有感应环流,接地点越多环流回路也越多。此环流将引起空载损耗增大、铁芯温度升高,当环流足够大时,将烧毁接地片产生故障,所以铁芯必须一点接地。
所谓铁芯一点接地,只是指其磁导体而言,其夹件不受此限制。铁芯片与夹紧件要绝缘的一个原因就是确保铁芯一点接地。
  铁芯的硅钢片相互之间是绝缘的,这是为防止产生较大的涡流,因此切不可将所有的硅钢片接地,否则将造成较大的涡流而使铁芯发热。么铁芯的接地又是怎样做的呢?通常是将铁芯的任意一片硅钢片接地。这是因为硅钢片之间虽然绝缘,但其绝缘电阻极数值是很少的,不均匀的强电场和磁场在硅钢片中感应的高压负荷,可以通过硅钢片从接地处流向大地,但却能阻止涡流从一片流向另一片,所以若将铁芯任一片硅钢片接地,哪么,整个铁芯也就都接地了。
   
  三、变压器铁芯故障诊断 
   
  (一)铁芯多点接地的常见原因与表现特征 
  统计资料表明,变压器铁芯多点接地故障在变压器总事故中占第三位,主要原因是变压器在现场装配及施工中不慎,遗落金属异物,造成多点接地或铁轭与夹件短路,芯柱与夹件相碰等。铁芯接地故障可以根据以下三方面的征兆作出判断: 
  1.铁芯局部过热,使铁芯损耗增加,甚至烧坏。
  2.过热造成的温升,将使变压器油分解,产生的气体溶于油中,引发绝缘油性能下降。
  3.油中气体不断增加并析出(电弧放电故障时,气体析出量较之更快),可能导致气体继电器动作而使变压器跳闸。
  铁芯多点接地时,正常接地点和故障接地点之间形成一个闭合回,当主磁通穿过这一回路时会感应电流,此电流在两接地点和铁芯的环路中流动,形成环流。环流使铁芯局部过热,导致与之接触的绝缘油分解产生气体,并溶于变压器油中,取油样抽出气体做色谱分析试验,检测出特征气体(如H2,CH4,C2H2,C2H6,C2H2等,每次接地取两组数据)是判断铁芯接地的依据。
  (二)铁芯多点接地的检查方法 
  1.采用抽油样,进行气相色谱分析。当变压器发生故障时,为区分故障类别,可取油样对油中含气量及组分进行色谱分析。(1)色谱分析中如气体中的甲烷(CH4)及烯烃组分含量较高,而一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)气体含量和以往相比变化不大,或含量正常,则说明铁芯过热,铁芯过热可能是由于多点接地所致;(2)色谱分析中当出现乙炔(C2H2),说明铁芯已出现间歇性多点接地。
  2.采用交流电流表测量接地线有无电流。因变压器铁芯接地导线和外引的接地套管相连接,利用其外引接地套管,接入电流表,测量地线上有无电流。变压器铁芯正常接地时(一点接地),因无电流回路形成,接地电流很少(在1A以下)或等于零;当铁芯出现多点接地时,铁芯主磁通周围有短路匝存在,匝内将有环流流通,其环流包围的多少取决于磁通被包围多少而定,一般可达几十安培。利用测量地线中有无电流存在可以正确地判断铁芯有无多点接地故障。
  3.交流法测定多点接地故障。交流法测量,是用电流表测量接地系统中有无交流电流存在。测量方法是先给变压器低压绕组施加220~380V的交流电压,测量铁芯中产生磁通。打开铁芯和夹件的连接片,用交流毫安表(或万用表的mA档)的两接线电笔,沿铁轭各行逐点测量,当mA表中有电流值显示,说明铁芯接地正常,只有一点接地;当毫安中指针指示为零(毫安表中无电流读数),说明被测处铁芯叠片为接地故障。
  4.直流法测定多点接地故障。先将铁芯与夹件的连接片打开,在铁轭两侧的硅钢片上施加6V直流电压,接着用直流电压表(或万用表直流电压档)依次测量各级铁芯叠片间的电压,当电压表的指针在零位,读数为0,或指针指示反向,则可认为被测处是故障接地点。
   
  四、铁芯多点接地故障的排除方法 
   
  (一)变压器不能停运时的临时排除方法 
  1.对有外接地线的变压器,当发生多点接地故障,若测得故障电流较大时,先可临时断开地线,使变压器处于无接地(正常一点接地)状态下运行。采取此种措施应注意的是要加强对运行的变压器的监视,以防故障点临时消失后使铁芯出现悬浮电位。
  2.当检测和判定的多点接地故障接地不实,属于不稳定型。可采取在工作接地线中串入一滑线电阻,将电流限制在1A以下。具体做法是先将正常工作接地线打开,分别用电压表及电流表测出电压及电流,根据欧姆定律求出电阻R,即R=U/I,从而来确定电阻容量的大小;滑线电阻先取好后,将其串接在工作接地线中。
  3.加强监视,可经常取油样进行色谱分析,判定故障点的产气速率大小,如产气速率缓慢,变压器可继续运行;若产气速率较快,为防止故障扩大,应退出运行,组织检修。
  4.移接正常接地线位置,当多点接地故障点位置检测中已确认,又无法处理,可采取将铁芯的正常工作接地片移至故障点同一位置,用以较大幅度地减少环流。
  (二)变压器停运后的修理措施 
  1.对修后未将箱盖上定位销翻转或除去,造成多点接地的,应将箱盖上定位销翻转过来或除掉,使其不构成多点接地。除掉定位销(或翻过来)后,应进一步检查其它原因造成多点接地故障现象,如有应予以排除。
  2.因夹件肢板距芯柱太近,使翅起的叠片与其相碰。则应调整夹件肢板和扳直翘起的叠片,使两者间距离符合绝缘间隙标准。
  3.由于铁轭螺杆衬套过长,应在检修中将其拧下,锯去一段使其与叠片不相碰。
  4.对于夹件垫脚与铁轭间的绝缘纸板脱落或破损者,应接绝缘规范要求,更换一定厚度的新纸板。
  5.对于铁轭螺杆绝缘管损坏而造成的多点接地,应及时更换新的绝缘管。
  6.检修或更换箱盖上的温度计座套,使其与上夹件或铁轭、旁住间距离符合规定要求,杜绝相碰造成多点接地。
  7.清除油箱内油中或器身中落入的金属异物,以消除由其构成的接地故障。
  8.消除油箱底部及下夹件与铁轭间木垫快上的油泥污物,对变压器油进行真空干燥处理,消除水分及潮气,提高绝缘电阻值。
  9.由于铁芯叠片局部生锈或绝缘漆皮、氧化膜层脱落,可拆下这部分叠片,补涂硅钢片漆,使片间有良好的绝缘层;当原硅钢片质量有问题,表面不平度,凹凸不平坑密布,片间绝缘较差,又无法修复时,只好更换这部分铁芯叠片。
  10.对于因多点接地故障烧断了正常工作接地线,应按标准更换。

  11.对于因多点接地造成木夹件烧坏或铁芯过热严重而烧毁,均按标准要求,予以更换。

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