变压器铁心多点接地分析及实例

郭逢建

（中山ABB变压器有限公司，广东 中山 528449）

0 引 言

电力变压器铁心作为主磁通的载体，是绕组间能量传递的主要部件，连同夹紧铁心的夹件和铁心外包围的绕组，组成变压器油箱内部的器身。整个油箱内部处于很强的电磁场，故内部的金属结构件，主要是铁心和夹件需要单独引出接地，否则会引起铁心或夹件形成悬浮电位，产生内部放电故障，危急变压器安全。铁心或夹件在设计生产时都是单点引出接地。如果发生铁心多点接地，在多个接地点间将通过共同的接地地电位形成闭合回路。典型的铁心多点接地故障是铁心与夹件之间导通，通过铁心和夹件接地线在接地点形成回路。多点接地形成的回路中因包络磁通（主要为主磁通）在回路中造成环流，将造成铁心局部或整体过热、加速绝缘件老化、绝缘油分解及变压器内部绝缘下降等危害，同时也进一步加剧多点接地的故障。严重时会造成接地线熔断，铁心或夹件形成悬浮电位，产生内部放电故障。

根据文献可知，变压器铁心故障在运行中是较为常见的故障[1]，需要及时分析处理，以免故障扩大化。

本文对铁心多点接地的原理进行分析，总结各种多点接地的情况，并针对一起油色谱异常及变压器铁心多点接地故障的实例，提出解决方案，保障变压器正常运行，为铁心多点接地故障的分析解决提供参考。

1 铁心多点接地原理分析

铁心是最常见的多点接地故障的部件，而铁心多点接地最常见的现场是夹件或拉杆和铁心之间的绝缘存在薄弱点而存在导通，导通点也通过夹件接地，导致铁心上存在两个接地点，两个接地点之间通过夹件和铁心接地线形成回路，而回路包络了（部分）主磁通从而在回路中形成电动势而形成环流。需注意，如果是夹件或拉杆与铁心导通而形成的铁心多点接地，则在接地点附近测得的铁心接地电流和夹件接地电流是相同的[2]。

铁心接地线和夹件接地线通常在铁心顶部或者铁心下部直接引出油箱，离线圈都较远，故回路中通常不包含漏磁通，或者包含很小一部分漏磁通，再加上变压器最大电流时的最大漏磁通也远小于主磁通，故一般在多点接地回路中，感应电动势仅考虑主磁通。

当铁心出现多点接地，两个接地点之间的电流流过铁心内部或表面。（1）铁心内部的电流通过片间的电容耦合导通，如果硅钢片漆膜合格，那么其内部的片间绝缘电阻非常大，而片间的容性阻抗也较大（对于工频电流），约数十至数百欧姆；如果两个接地点相隔较远，铁心片间几乎不能流通工频电流。（2）铁心表面通过剪切的毛刺搭接使得片间导通[3]。铁心片在剪切特别是纵剪后，剪切毛刺将片与片之间搭接而导通。这种搭接的表面电阻视剪切工艺而定，如果剪切毛刺非常低，则铁心电阻值较高，也可以降低铁心的额外空载损耗；如果剪切毛刺较高，则铁心表面电阻较低。根据生产过程中的测量统计，铁心表面电阻为数十欧姆值至数百欧姆。

1.1 内拉杆绝缘与铁心接地在同侧

拉杆绝缘与铁心接地在同侧。这种情况的感应电动势最大，其示意图如图1所示。铁心接地点为A，且和铁窗内拉杆绝缘在同一侧，夹件接地点为C，外拉杆与左右夹件连接导通。铁心与内拉杆之间因绝缘薄弱而导通的点命名为B，B点也被认为是铁心的第二个接地点。如果B点与A点在同一侧，则环流回路为A点→地电位→C点→B点→A点，此时的回路包络了几乎所有的铁心主磁通。

图1 内拉杆绝缘与A点同侧、A点与B点同侧

回路中的感应电动势为：

其中，Bm为铁心的磁密峰值，单位为T；f为频率，单位Hz；A为铁心有效截面积，单位cm2。

式（1）与线圈匝电势计算相同，在此情况下的铁心多点接地，环路内的感应电动势最大约等于线圈匝电势。

实际上，B点的位置是随机的，如果B点的位置往右移动到A点的对侧，A点和B点间的电流有两条通路，一条是沿着铁心上表面，另一条是沿着铁心下表面，那么回路中包络的主磁通等效于A-B连线以上铁心面积中磁通，即约为主磁通的一半，那么回路中感应电动势约为匝电势的一半，如图2所示。

图2 内拉杆绝缘与A点同侧、A点与B点对侧

如果B点的位置移动到铁心上部，即外拉杆与铁心上部硅钢片在B点导通，则回路等效包络的磁通更小，理论上可以接近于0，此时的回路感应电动势变得更小。

回路中的感应电动势取决于B点的位置，A点和B点的连线以上的部分磁通量决定了电动势大小。

因高低压侧夹件通过外拉杆连接导通，夹件接地点位置不影响回路包络的磁通量。

1.2 内拉杆绝缘与铁心接地在对侧

拉杆绝缘与铁心接地在对侧，这种情况的感应电动势相当小，其示意图如图3所示。铁心接地点为A，且和铁窗内拉杆绝缘在对侧，夹件接地点为C，外拉杆与左右夹件连接导通。如果铁心与内拉杆之间的导通点B与A点在对侧，则环流回路为A点→地电位→C点→B点→A点，此时的回路等效包络了几乎一半的铁心主磁通，那么感应电动势为匝电势的一半。

如果B点的位置往左移动到A点的对侧，那么回路中等效包络的磁通（AB连线之上的部分）越来越小，最小可以接近于0。B点位置也可能在铁心上部，即外拉杆与铁心上部导通，则回路中包络的磁通为A-B连线以上的部分。但是无论B点位置在哪里，回路中包络的磁通不超过主磁通的一半，即回路中的感应电动势不超过匝电势的一半。

图3 内拉杆绝缘与A点对侧、A点与B点对侧

1.3 内拉杆双侧绝缘

部分变压器设计中，内拉杆与夹件是双侧绝缘。这种设计可以避免内拉杆与铁心导通而造成多点接地。

如果外拉杆与夹件双侧绝缘，则铁心第二个接地点B点只可能出现在夹件与铁心间的导通点；如果外拉杆与夹件单侧绝缘，则铁心B点可能出现在夹件与铁心间的导通点，也可能出现在外拉杆与铁心上部之间。B点只能出现在铁心的上部或者中部，在此情况下，最严酷的多点接地状况是B点在铁心接地点A的对侧，如图4所示，回路中等效包络的主磁通为A-B连线以上铁心面积中磁通，则回路中最大的感应电动势为一半的匝电势。

图4 内拉杆双绝缘，A点与B点对侧

1.4 内拉杆双侧绝缘，铁心接地点A在中间

如果铁心接地点A设置在铁心中部，假设铁心截面为近似圆形，则环流回路中包络的最大主磁通等效于主磁通的1/4，如图5所示。这种情况下的铁心环流回路感应电动势最小，相应环流也可能最小。

图5 内拉杆双绝缘，A点在中部

2 铁心多点接地实际案例

某220 kV电站主变，型号SSZ10-180000/220，投运约3个月后在油中检查出乙炔含量2.7 ppm，且总烃比上次检查突然升高。三比值法推测为油中放电，故对变压器接地电流进行测量，发现铁心和夹件接地电流均为6.5 A。因此，判断铁心与夹件之间存在绝缘薄弱点，使铁心多点接地形成环流。

因变压器不能停电，无法对故障点进行排查及处理，故采取临时处理措施，在铁心和夹件接地线回路中串入电阻以限制铁心接地电流至0.1 A以下。

如果按照最严酷的情况，环流回路中的感应电动势为线圈匝电势，约210 V。但是实际上，铁心窗内拉带采用环氧玻璃丝带，没有采用金属导电材质，故在铁窗内是不存在铁心与夹件导通点的，导通点只可能出现铁窗外。根据章节1的分析，这种情况下的铁心多点接地中，环流回路最大感应电动势约为匝电势的一半，即105 V。需要将环流降至标准规定的0.1 A，如果不考虑环路中其他的电阻，则需要加入电阻值1 050 Ω。

实际上，在铁心多点接地的处理中，通常加入数十至数百欧姆的阻值都可将环流限制在0.1 A下，因为环流中已经存在阻抗，特别是铁心片本身具有电阻值。

铁心两个接地点之间的电流流过铁心内部或表面，铁心内部的电流通过片间的电容耦合导通，而铁心表面则通过剪切的毛刺搭接使得片间导通[3]。如果硅钢片漆膜合格，那么其内部的片间绝缘电阻非常大，而片间的电容性的阻抗也较大（对于工频电流），约数十至数百欧姆；如果两个接地点相隔较远，铁心片间几乎不能流通工频电流。铁心片件通过剪切毛刺搭接的表面电阻则为数十欧姆至数百欧姆。

按照最大可能的感应电动势105 V，需要总阻抗1 050 Ω才能将电流限制在0.1 A以下，而生产过程中测量出的铁心表面电阻为530 Ω，则环流回路中需要增加的阻抗最小为1050-530=520 Ω。

实际上，需要串入的电阻值可能更小，因为电动势可能远小于105 V。故选择可调电阻的装置串入铁心接地回路，如图6所示。可以先投入较低电阻值，如果电流降低幅度不够，则再增加投入较高的电阻值。

图6 铁心接地线路串入电阻

3 结 论

（1）铁心多点接地环流回路中的电动势受拉杆或拉板绝缘结构的影响，理论上最大不超过线圈匝电势。

（2）如果铁窗内拉杆与两侧夹件均绝缘，那么理论上最大的环流回路电动势不超过匝电势的一半。

（3）实际应用中，考虑最大可能的电动势，也综合考虑环流回路中实际的电阻值，可以正确地选择串入电阻值，以降低铁心接地电流，满足标准。