变压器铁心多点接地检测与绝缘恢复装置研制朱良

学术论文詹樊,毛兴 2017-11-13 10:22:34
    变压器是电力系统中重要的设备之一,它的安全运行和可靠供电直接关系到电力系统的经济效益,同时也影响到厂矿企业的经济效益和居民生活。其中变压器铁心多点接地故障直接影响变压器的安全运行。电力变压器正常运行时,铁心必须有一点可靠接地。当铁心出现两点以上接地时,铁心间的不均匀电位会在接地点之间形成环流并造成铁心多点接地发热的故障,严重时会造成铁心局部温升增加、轻瓦斯动作,甚至将会造成重瓦斯动作而跳闸的事故[1]。
    目前,针对运行中铁心出现多点接地故障的变压器,对由于微小金属异物或油泥造成的次生接地,通常采用电容冲击放电或直流大电流灼烧法进行处理,现场使用设备简陋,一般利用简易装置进行临时组装搭建,集成化、自动化水平均较差,安全性和可靠程度低,尚无符合标准化管理要求的成套集成试验仪器或装置。同样地,目前也尚未见采用内窥镜作为辅助检测、监视手段的应用或相关报道[2]。故该文针对上述缺陷,研究了一款变压器铁心多点接地检测与绝缘恢复装置。
    1 变压器铁心多点接地检测与绝缘恢复装置简介
    该文主要研制了一套符合高压试验安规要求的集成试验装置,该装置具有铁心绝缘状态检测功能、直流大电流恒流输出灼烧功能、电容快速充电功能、电容电流冲击功能及低压(1 000 V)交流耐压功能等多种功能,能够很好地用于检测变压器铁心绝缘状况和绝缘恢复。在变压器检修工作中,该装置能够通过直流电流灼烧和(或)电容放电电流冲击,消除由于微小金属异物或油泥造成的变压器铁心多点接地故障(烧断次生接地回路),恢复一点接地状态,提高铁心构件的绝缘性能,避免铁心环流造成局部过热甚至烧毁铁芯。对于顽固性油泥,可与配备的专用内窥镜相配合,借助其他工具将其有效铲除,将次生接地点断开,从而能够恢复铁心的一点接地状态。
    主要的所需设备清单如下:2 500 V绝缘电阻测试仪、40 A直流恒流电源装置、1 000 V交流耐压装置、电流冲击放电电容器组、6 kV直流大功率快速充电电源(直高发)、电容放电触发装置、集成控制台以及专用内窥镜等,另含配套控制软件一套。
该装置的研究主要内容包含:铁心对地绝缘电阻的检测及装置的设计、铁心绝缘恢复处理装置(恒流灼烧、电容放电冲击)的设计与研制、直流快速充电装置的设计与研制、直流恒流大电流装置的设计与研制、高压电容放电冲击装置触发机构的设计与研制和高低压装置输出之间的安全可靠切换、交直流装置输出之间的安全可靠切换、对铁心绝缘恢复处理技术参数(直流恒流灼烧电流、电容放电电流冲击法的电压值及电容量等)的选择研究以及上述模块组成成套装置后进行自动化及控制的设计。
    该装置的主要难点是交、直流高电压输出的安全切换、直流快速充电装置的设计与直流大电流恒流电源的设计与研制。旨在研制一套符合高压试验安规要求的集成试验装置(根据实际构成部件尺寸,预计为1或2个操作箱或试验台),因集成装置涉及最高交流1 000 V和直流5 000 V高压工作电路的切换,必须在确保安全、可靠切换的前提下,任一支路正常工作的同时,应不影响和损坏其他支路。切换方式及机构应简单可靠,绝缘需有充分的保证,且占用空间不可过大。此外,对于变压器铁心由于金属异物或油泥造成的次生接地,采用电容放电冲击(即电流冲击)时,通常需多次反复处理,方可达到预期效果。为此,要求充电装置需具备合理的较快的充电速度和输出容量,才能保证较高的处理效率,且需适应1 000~5 000 V、10~0.5 μF电压和电容量的参数跨度要求,且对充电参数和结果需能正确测量。而对于变压器铁心由于金属异物或油泥造成的次生接地,采用直流电流灼烧处理时,通常认为采用恒流处理效果较为理想,且需严格控制一次的灼烧时间(一般认为3 s左右),防止灼烧范围扩大,裂解绝缘油或破坏铁心对线包的主绝缘。因此,需研制直流大电流恒流输出电源,初定参数:电流恒定0~40 A,连续可调,输出电压最高24 V(开路电压)。
    2 变压器铁心多点接地检测与绝缘恢复装置研制
    借鉴现有成熟的2 500 V绝缘电阻测试仪的技术,研制相应的电路,设计铁心绝缘检测装置。设计和研制直流快速充电电源(1 000~5 000 V)电路及装置。设计和研制恒流充电电源(40 A、24 V)电路及装置。设计1 000 V交流耐压装置。将4部分电路及装置进行合并设计。研制交直流及高电压切换电路,切换机构选型。研制控制、测量及显示等部分和相关程序的编制。研究内窥镜检测到的铁心多点接地故障图像与采取直流电流灼烧和电容放电冲击处理效果之间的关系。
    该套装置成套装置系统化设计,安全性和可靠性高,符合高压试验安规的要求,且将成套装置集成化、自动化设计,集铁心绝缘检测、绝缘恢复处理和铁心交流耐压功能于一体。该装置拥有集成直流电流灼烧和电容放电冲击两种处理设备,可实现多种输出参数组合,配置灵活多样,适应范围广。此外,装置还配备有专用内窥镜,可辅助直观查看铁心故障接地情况及处理效果。
    正常工作条件:装置需处于-10 ℃~+40 ℃的环境温度中,其能够处于相对湿度较大的湿润环境中,可以在相对湿度5%~95%(产品内部既不应凝露,也不应结冰)范围内工作。该装置能够抗击8度的地震烈度,其水平加速度最大为 0.25 g,垂直加速度最大为0.125 g。在运输过程中装置在允许的环境温度-40 ℃~+70 ℃,相对湿度不大于85%;在贮存中允许的环境温度-25 ℃~+55 ℃,相对湿度不大于85%,在不施加任何激励量的条件下,装置不出现不可逆变化。装置使用的场地需要符合GB/T 9361-2011中B类安全要求;不得出现超过GB/T 11287-2000规定的严酷等级为I级的振动;不能发生GB/T 17742-2008规定的烈度为Ⅶ度的地震;使用地点必须无爆炸危险的物质,周围介质中不含有能腐蚀金属、破坏绝缘和表面敷层的介质及导电介质,没有严重的霉菌存在。
    变压器铁心多点接地检测与绝缘恢复成套试验装置,其主要构成部件及技术参数要求如下。另外,成套装置中还应包括电容放电触发控制装置、交直流、高低电压输出切换装置以及集成控制台和高压导线等。其中,绝缘电阻测量仪的量程为0~2 500 GΩ,其测量电压(输出)为DC 500 V、1 000 V、2 500 V。交流耐压装置的额定容量(输出)为1 200 VA,输出电压范围为0~1 200 V(±5%)连续可调。其额定电流为1 A,额定频率为50 Hz。直流恒流灼烧电源的额定功率为960 W,其输出电流为0~40 A连续可调(恒流),输出电压在开路时的最大值为24 V。其灼烧时间为单次0~3 s连续可调。放电冲击电容如表1所示。
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    直流快速充电电源的额定功率不小于1 200 W,其输出电压范围为0~6 kV,在此范围内可设定1 000 V、1 500 V、2 500 V、5 000 V的截止点,其输出电流的要求为不小于200 mA。
    专用内窥镜主要技术参数如下:其内部光学系统的观察方向为直视,焦距是固定的,其视场角范围为大于等于105°,景深范围为5mm~∞。探头有以下几项参数:探头的直径为Φ10mm;其弯曲角度为≥120°;弯曲方向为四向,360°全向观察;其工作长度为1~5 m,镜头控制的方式为手动。在图像采集及显示方面,图片采集的分辨率高于640×480,像素为42万,显示屏为3.5时液晶显示器可实现录像拍照存储功能,有内置存储介质,可外置存储介质,可在以上存储载体之间调出、复制、删除图形文件。系统相关参数为:光源为可多级调整高亮度LED,存储媒介为16G的SD卡,存储格式可为JEPG图片格式,也可为MPEG4视频格式,其供电方式为内置可充电电池。
    3 变压器铁心多点接地检测与绝缘恢复装置实例分析
    某电厂120 MVA、220 kV主变压器(SFP8-120000/220)投运中发现异常,停电后对变压器铁芯进行绝缘检查,先断开铁心外引线的接地处,再通过铁心外引线用250~2 500 V不同电压等级的兆欧表摇测铁心绝缘电阻。
    使用该装置测量结果:变压器铁心对地绝缘电阻值最大不超过l kΩ,较预防性试验时所测数据(30 MΩ/2 500 V、DC)有很大下降。
    3.1 原因分析
    运行中,变压器油中杂质、析出油泥、纤维及其他具有导电性质的悬浮物,在电磁场的作用下,极易附着在铁心下部的绝缘硬纸板上,形成导电“小桥”,从而构成铁心多点接地通道。需要指出的是:该次接地故障不同于金属焊渣、金属丝等杂物,以及接地金属夹件与铁心短接所引起的金属性回路,而是有一定电阻值的。若不能及时发现处理,极易形成稳定的接地通道,造成铁心局部过热甚至将铁心烧损。
    3.2 处理方法
    铁心故障的处理是采用图1所示的大电容C充电后对铁心冲击放电,即利用其瞬间冲击电流大的特点将接地点烧断。处理时的具体步骤:先用放电棒接触A点,合上电源开关升压,对电容C充电,同时观察静电电压表PV,电压应控制在2 500 V以下。
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    当电压稳定后,迅速将放电棒移至B点对铁心放电,电容C储存的电能通过铁芯对故障接地电阻的冲击作用将故障接地点烧断。
    故障处理过程中,当把放电棒从A点移至B点时,从变压器下部发现一声清晰的放电声,重复数次后无放电声出现。当用接地线碰触铁心外引线时,碰触点有明显的火花放电现象,证明铁心对地的绝缘良好。将铁心对地彻底放电后,再用250~2 500 V电压兆欧表测量铁心对地绝缘电阻,数值稳定(>30 MΩ/2 500 V、DC),恢复到了故障前的绝缘水平,处理结果较为满意[3-5]。
    4 结语
    该文针对电力变压器运行过程中常出现多点接地故障这种对社会经济有重大影响的情况,通过实例详细介绍了计划研制的符合高压试验安规要求的一整套变压器铁心多点接地检测与绝缘恢复集成实验装置,其中包括装置的组成,装置研究难、重点,研究技术路线、创新点,具备较好的社会经济效益。
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参考文献
[1]林俊山,尤毅峰.变压器铁心多点接地故障的处理[J].福建电力与电工,2000,20(4):42-45.
[2]张鹏.变压器铁心多点接地处理及早期发现[J].变压器,2007,44(5):56-57.
[3]张庚,孟玲梅.变压器铁心多点接地故障及其诊断[J].华北电力技术,2011,37(2):37-39.
[4]左文启,顾渊博,叶洪波.变压器铁心多点接地问题的研究及实例分析[J].变压器,2010,47(2):49-53.
[5]仇明.电力变压器铁心接地故障的分析与处理[J].变压器,2011,48(5):72-74.
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