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          淺淡變壓器鐵芯故障的診斷與排除

          2018/11/01

            近年來,隨著用電的工業化、商業化的出現,每年都在不斷提高電力系統的供電可靠性和供電質量。供電可靠性要得到真正意義上的提高,我們必須對構成電力網中三大部分進行關鍵性的提高。
            電力網是由送電、變電、發電構成的,我們之所以得到一個照明系統常用的220V電壓,中間是經過了發電廠、變電站、配電所的電力變壓器,發電機由于其本身絕緣限制,一般電壓等級在6kV、10kV,如果不通過升壓變壓器進行遠距離輸送電能的話,必然會導致功率損耗大,嚴重影響供電質量和可靠性,為了減少輸電線路在線路阻抗的作用下損耗過大的功率,我們采用電力變壓器對發電機的輸出電壓進行升壓。由于發電機的輸出功率是一定的,提高電壓等級就可以降低電流,當輸電線路上的電流降低,其有功耗損也得到一定的降低。電力變壓器不是永遠沒有故障,據統計,電力變壓器的故障占電氣設備總故障的30%,而且變壓器故障的多樣化造成查找困難,加上設備的限制,很多時候都是通過經驗判斷變壓器故障是由哪種原因造成,及時發現變壓器存在故障、及時排除故障可以延長變壓器的使用壽命,是提高供電可靠性的手段之一。
             
            一、變壓器的用途、分類與工作原理 
             
            (一)變壓器的用途 
            變壓器是利用電磁感應,以相同的頻率,在兩個或更多的繞組之間變換交換電壓或電流的一種靜止電氣設備。各種不同的用電設備常常需要不同電壓的電源,我們日常生活用的電燈、電器的工作電壓為220V;安全照明用燈的電壓為36V、24V或12V;三相交流電動機一般用380V電壓。從電力系統的角度來看,一個電力網將許多發電廠和用戶聯系在一起,分成主系統必須是統一的一種電壓等級,這也需要各種規格和容量的變壓器來連接各個系統。所以說電力變壓器是電力系統中不可缺少的一種電氣設備。
            在實際工作中,變壓器除了用來變換電壓外,還用來變換交流電流,交換阻抗,改變相位等。
            (二)變壓器的分類 
            變壓器有不同的使用條件、安裝場所,有不同的電壓等級和容量級別,有不同的結構形式和制冷方式,所以應按不同原則進行分類。
            1.按用途不同。變壓器分為電力變壓器,特種變壓器,儀用互感器、試驗用的高壓變壓器和調壓器等。
            2.按繞組構成不同。變壓器分為雙繞組,三繞組、多繞組變壓器和自耦變壓器。
            3.按鐵芯結構不同。變壓器分為芯式和殼式變壓器。
            4.按相數的不同。變壓器分為單相、三相、多相變壓器。
            5.按調壓方式不同。變壓器分為無勵磁調壓變壓器,有載調壓變壓器。
            6.按冷卻方式不同。變壓器分為干式變壓器、油浸自冷變壓器、油浸風冷變壓器、強迫油循環變壓器、強迫循環導向冷卻變壓器、充氣式變壓器。
            7.按線圈結構不同。變壓器分為單線圈變壓器、雙線圈變壓器、三線圈變壓器及多線圈變壓器。
            8.按中心點絕緣不同。變壓器分為全絕緣變壓器和半絕緣變壓器。
            (三)變壓器工作原理 
            變壓器的基本原理是電磁感應原理,現以單相雙繞組變壓器為例說明其基本工作原理(如上圖所示):當一次側繞組上加上電壓 1時,流過電流 1,在鐵芯中就產生交變磁通1,這些磁通稱為主磁通,在它作用下,兩側繞組分別感應電勢 1, 2,感應電勢公式為:E=4.44fNm。
            式中:E——感應電勢有效值;F——頻率;N——匝數;m——主磁通最大值。
            由于二次繞組與一次繞組匝數不同,感應電勢 1和 2大小也不同,當略去內阻抗壓降后,電壓 1和 2大小也就不同。
            當變壓器二次側空載時,一次側僅流過主磁通的電流( 0),這個電流稱為激磁電流。當二次側加負載流過負載電流 2時,也在鐵芯中產生磁通,力圖改變主磁通,但一次電壓不變時,主磁通是不變的,一次側就要流過兩部分電流,一部分為激磁電流 0,一部分用來平衡 2,所以這部分電流隨著 2變化而變化。當電流乘以匝數時,就是磁勢。
            上述的平衡作用實質上是磁勢平衡作用,變壓器就是通過磁勢平衡作用實現了一、二次側的能量傳遞。
             
            二、變壓器鐵芯故障 
             
            (一)鐵芯故障的種類 
            鐵芯有兩大基本結構開式,即殼式和芯式,它們的主要區別在于磁路即鐵芯與繞組的相對位置,繞組被鐵芯包圍的稱為殼式;鐵芯被繞組包圍時稱為芯式。
            芯式變壓器特點是繞組包圍鐵芯,鐵芯處于器身內芯,故稱芯式或內芯式,判斷的標準是總有幾個繞組的一邊沒有鐵芯或鐵軛而殼式變壓器特點是鐵芯包圍繞組,故稱殼式變壓器或外鐵式變壓器。它主要用在家用視頻電器或特大型變壓器上,可拆分小件到現場組成整體變壓器,一般情況下殼式鐵芯是水平放置,芯式鐵芯是垂直放置的,大容量的芯式變壓器由于運輸高度所限、壓縮了上下鐵軛的高度,以增加旁軛的辦法增加磁路。將變壓器鐵芯做成單相三柱(一個芯柱)單相四柱(兩個芯柱)或三相五柱(三個芯柱)。它們仍保留芯式結構的特點,因此它們雖有包圍繞組的旁軛,仍屬于芯式結構。
            (二)鐵芯的結構 
            鐵芯的夾緊一般有兩種結構形式,一是鐵芯柱無孔綁扎及鐵軛上穿螺桿的結構,另一個是鐵芯柱無孔綁扎及鐵軛無孔的拉帶結構。(1)鐵芯的鋼夾緊裝置是使整個鐵芯構成一個整體的堅固結構,它的結構應能滿足如下要求:夾緊裝置一般做成框架式、此夾緊裝置的結構上要保證能承受鐵芯本體的緊力;(2)夾緊裝置在結構上應能通過各類絕緣件可靠地對繞組進行壓緊,支撐所有引線和裝置器身上的所有絕緣件及組件,并應具有器身在油箱中的定位結構和保證器身運輸中穩定的定位結構;(3)夾緊裝置與鐵芯相接觸的面一定要平整,且夾緊裝置不得有任何變形,以保證鐵芯能夠均勻受力,鐵芯片的邊緣應不出現翹起,鐵芯各處的“波浪”應保證最小,鐵芯勵磁時噪聲要符合標準要求;(4)為防止鐵芯多點接地,結構鋼件應用專門的絕緣件與鐵芯本體隔開;(5)夾緊裝置與鐵芯相接觸處必須有可靠的絕緣件隔開。
            (三)鐵芯接地 
            變壓器在運行中,鐵芯以及固定鐵芯的金屬結構零件、部件等,均處于在強電場中,在電場作用下,它具有較高的對地電位。如果鐵芯不接地,它與接地的夾件及油箱之間就會有電位差,在電位差的作用下,會產生斷續放電現象。另外,在繞組的周圍具有較強的磁場。鐵芯和零部件都處在非均勻的磁場中,它們與繞組的距離和不相等,所以各零部件被感應出來的電動勢大小也各不相等。彼此之間因而也存在著電位差,鐵芯和金屬構件上會產生懸浮電位差,電位差雖然不大但也能擊穿很小的間隙。因而也會引起持續性的微量放電,這些現象是不充許的,而要檢查這些不斷續放電的部位是非常困難的。因此,必須將鐵芯以及固定鐵芯等金屬零部件可靠接地,使它們與油箱同處于地電位。 
            鐵芯是由許多層硅鋼片疊積而成,如果鐵芯有兩點或兩點以上接地,則鐵芯中磁通變化時就會在接地回路中有感應環流,接地點越多環流回路也越多。此環流將引起空載損耗增大、鐵芯溫度升高,當環流足夠大時,將燒毀接地片產生故障,所以鐵芯必須一點接地。
          所謂鐵芯一點接地,只是指其磁導體而言,其夾件不受此限制。鐵芯片與夾緊件要絕緣的一個原因就是確保鐵芯一點接地。
            鐵芯的硅鋼片相互之間是絕緣的,這是為防止產生較大的渦流,因此切不可將所有的硅鋼片接地,否則將造成較大的渦流而使鐵芯發熱。么鐵芯的接地又是怎樣做的呢?通常是將鐵芯的任意一片硅鋼片接地。這是因為硅鋼片之間雖然絕緣,但其絕緣電阻極數值是很少的,不均勻的強電場和磁場在硅鋼片中感應的高壓負荷,可以通過硅鋼片從接地處流向大地,但卻能阻止渦流從一片流向另一片,所以若將鐵芯任一片硅鋼片接地,哪么,整個鐵芯也就都接地了。
             
            三、變壓器鐵芯故障診斷 
             
            (一)鐵芯多點接地的常見原因與表現特征 
            統計資料表明,變壓器鐵芯多點接地故障在變壓器總事故中占第三位,主要原因是變壓器在現場裝配及施工中不慎,遺落金屬異物,造成多點接地或鐵軛與夾件短路,芯柱與夾件相碰等。鐵芯接地故障可以根據以下三方面的征兆作出判斷: 
            1.鐵芯局部過熱,使鐵芯損耗增加,甚至燒壞。
            2.過熱造成的溫升,將使變壓器油分解,產生的氣體溶于油中,引發絕緣油性能下降。
            3.油中氣體不斷增加并析出(電弧放電故障時,氣體析出量較之更快),可能導致氣體繼電器動作而使變壓器跳閘。
            鐵芯多點接地時,正常接地點和故障接地點之間形成一個閉合回,當主磁通穿過這一回路時會感應電流,此電流在兩接地點和鐵芯的環路中流動,形成環流。環流使鐵芯局部過熱,導致與之接觸的絕緣油分解產生氣體,并溶于變壓器油中,取油樣抽出氣體做色譜分析試驗,檢測出特征氣體(如H2,CH4,C2H2,C2H6,C2H2等,每次接地取兩組數據)是判斷鐵芯接地的依據。
            (二)鐵芯多點接地的檢查方法 
            1.采用抽油樣,進行氣相色譜分析。當變壓器發生故障時,為區分故障類別,可取油樣對油中含氣量及組分進行色譜分析。(1)色譜分析中如氣體中的甲烷(CH4)及烯烴組分含量較高,而一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)氣體含量和以往相比變化不大,或含量正常,則說明鐵芯過熱,鐵芯過熱可能是由于多點接地所致;(2)色譜分析中當出現乙炔(C2H2),說明鐵芯已出現間歇性多點接地。
            2.采用交流電流表測量接地線有無電流。因變壓器鐵芯接地導線和外引的接地套管相連接,利用其外引接地套管,接入電流表,測量地線上有無電流。變壓器鐵芯正常接地時(一點接地),因無電流回路形成,接地電流很少(在1A以下)或等于零;當鐵芯出現多點接地時,鐵芯主磁通周圍有短路匝存在,匝內將有環流流通,其環流包圍的多少取決于磁通被包圍多少而定,一般可達幾十安培。利用測量地線中有無電流存在可以正確地判斷鐵芯有無多點接地故障。
            3.交流法測定多點接地故障。交流法測量,是用電流表測量接地系統中有無交流電流存在。測量方法是先給變壓器低壓繞組施加220~380V的交流電壓,測量鐵芯中產生磁通。打開鐵芯和夾件的連接片,用交流毫安表(或萬用表的mA檔)的兩接線電筆,沿鐵軛各行逐點測量,當mA表中有電流值顯示,說明鐵芯接地正常,只有一點接地;當毫安中指針指示為零(毫安表中無電流讀數),說明被測處鐵芯疊片為接地故障。
            4.直流法測定多點接地故障。先將鐵芯與夾件的連接片打開,在鐵軛兩側的硅鋼片上施加6V直流電壓,接著用直流電壓表(或萬用表直流電壓檔)依次測量各級鐵芯疊片間的電壓,當電壓表的指針在零位,讀數為0,或指針指示反向,則可認為被測處是故障接地點。
             
            四、鐵芯多點接地故障的排除方法 
             
            (一)變壓器不能停運時的臨時排除方法 
            1.對有外接地線的變壓器,當發生多點接地故障,若測得故障電流較大時,先可臨時斷開地線,使變壓器處于無接地(正常一點接地)狀態下運行。采取此種措施應注意的是要加強對運行的變壓器的監視,以防故障點臨時消失后使鐵芯出現懸浮電位。
            2.當檢測和判定的多點接地故障接地不實,屬于不穩定型??刹扇≡诠ぷ鹘拥鼐€中串入一滑線電阻,將電流限制在1A以下。具體做法是先將正常工作接地線打開,分別用電壓表及電流表測出電壓及電流,根據歐姆定律求出電阻R,即R=U/I,從而來確定電阻容量的大小;滑線電阻先取好后,將其串接在工作接地線中。
            3.加強監視,可經常取油樣進行色譜分析,判定故障點的產氣速率大小,如產氣速率緩慢,變壓器可繼續運行;若產氣速率較快,為防止故障擴大,應退出運行,組織檢修。
            4.移接正常接地線位置,當多點接地故障點位置檢測中已確認,又無法處理,可采取將鐵芯的正常工作接地片移至故障點同一位置,用以較大幅度地減少環流。
            (二)變壓器停運后的修理措施 
            1.對修后未將箱蓋上定位銷翻轉或除去,造成多點接地的,應將箱蓋上定位銷翻轉過來或除掉,使其不構成多點接地。除掉定位銷(或翻過來)后,應進一步檢查其它原因造成多點接地故障現象,如有應予以排除。
            2.因夾件肢板距芯柱太近,使翅起的疊片與其相碰。則應調整夾件肢板和扳直翹起的疊片,使兩者間距離符合絕緣間隙標準。
            3.由于鐵軛螺桿襯套過長,應在檢修中將其擰下,鋸去一段使其與疊片不相碰。
            4.對于夾件墊腳與鐵軛間的絕緣紙板脫落或破損者,應接絕緣規范要求,更換一定厚度的新紙板。
            5.對于鐵軛螺桿絕緣管損壞而造成的多點接地,應及時更換新的絕緣管。
            6.檢修或更換箱蓋上的溫度計座套,使其與上夾件或鐵軛、旁住間距離符合規定要求,杜絕相碰造成多點接地。
            7.清除油箱內油中或器身中落入的金屬異物,以消除由其構成的接地故障。
            8.消除油箱底部及下夾件與鐵軛間木墊快上的油泥污物,對變壓器油進行真空干燥處理,消除水分及潮氣,提高絕緣電阻值。
            9.由于鐵芯疊片局部生銹或絕緣漆皮、氧化膜層脫落,可拆下這部分疊片,補涂硅鋼片漆,使片間有良好的絕緣層;當原硅鋼片質量有問題,表面不平度,凹凸不平坑密布,片間絕緣較差,又無法修復時,只好更換這部分鐵芯疊片。
            10.對于因多點接地故障燒斷了正常工作接地線,應按標準更換。

            11.對于因多點接地造成木夾件燒壞或鐵芯過熱嚴重而燒毀,均按標準要求,予以更換。

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