基于ATP变压器铁芯多点接地建模仿真分析

基于ATP变压器铁芯多点接地建模仿真分析

张连聪张际明朱江王瑞虎罗刚

（中国南方电网云南电网公司保山供电局云南保山678000）

摘要：变压器是电力系统的“心脏”，铁芯是变压器的核心部件，一旦发生故障则会影响电力系统的稳定运行。而铁芯多点接地故障发生频率最高、危害最大的故障之一。基于此类问题，本文提出了一种基于ATP变压器铁芯多点接地建模仿真分析方法，然后建立了变压器仿真模型，并对其进行了计算分析，最后通过ATP建立了变压器单相、三相运行情况下的铁芯一点和多点接地模型，通过仿真分析可以有效分析出变压器发生多点接地故障时电流的变化，以及故障电流随着故障距离的变化规律，通过电流变化规律可以分析出变压器是否发生铁芯多点接地故障和判断故障发生的位置。

关键词：变压器；铁芯；多点接地；ATP建模

0引言

变压器作为电网的“心脏”，一旦发生故障导致停电将造成巨大的经济损失和社会影响，它的正常工作是确保电力系统优质、经济运行的保障。在电力系统的所有设备中，电力变压器相比其他设备的更容易出现故障。目前研究发现引发变压器故障的原因比较多，其中由绝缘接地问题导致的变压器故障比例较高，而铁芯多点接地故障约占铁芯绝缘事故30%~50%的比率，是近年来变压器事故多发原因之一，排到了电力变压器故障总和的第三位[2，3，4]。电力电力变压器在正常运行时，铁芯必须有一点可靠接地，如果铁芯由于某种原因在某位置出现另一点接地从而形成闭合回路，就会有环流，即造成了铁芯多点接地故障。一旦多点接地，直接影响着变压器的安全运行，一方面造成铁芯局部短路过热，严重时使得铁芯局部烧损，造成重大故障，需要更换铁芯硅钢片；另一方面由于铁芯的正常接地线产生环流，引起变压器局部过热，也可能产生放电性故障，严重影响变压器正常运行[1]。并且会伴随着诸多不利，包括铁芯局部过热、绝缘油劣化、气体继电器动作引起变压器跳闸等异常现象。由此可见，变压器铁芯多点接地问题不可小觑，研究其电流变化规律和实际工况中故障危害评估有着重要意义。

目前已存在许多种变压器铁芯多点接地检测的方法，比如气相色谱分析法、红外法、绝缘电阻法、电气法等。目前专家学者已经研究出一些建模分析方法，比如文献[5]提出了将铁芯均匀化建模方法，通过magnet仿真软件搭建出变压器铁芯的模型，给出了变压器铁芯不同位置多点接地短路时的电流密度情况，以此判断故障接地的位置。文献[6]运用有限元仿真方法建立了一种电网变压器多点接地的模型，基本阐述了铁芯两点接地时接地故障电流的规律。但该模型没有考虑夹件法线方向的短路情况，仿真模型不够立体直观等。并且目前这些测量方法大多需要现场测试，在线监测等方法测量接地线电流的大小，通过电流的大小才能判断是否存在多点接地故障，但是对于故障部位还得逐一排查，往往耗费人力物力，使恢复供电时间变长。

综上所述，本文针对存在的问题提出了一种基于ATP变压器铁芯多点接地建模仿真分析方法，本文的意义在于对变压器铁芯一点和多点接地进行建模，通过电流的变化规律来判断变压器是否故障，进而为故障位置预测、绝缘优化等提供参考。

1变压器铁芯多点接地类型和原因分析

本文提出了由应用层、传输层、检测层构成的3层体系架构。底层为检测层，检测光缆线路温度信息；中间层为传输层，对光缆线路温度信息进行传输；顶层为传输层，监视通信性能事件等，并触发测试[7]。

1.1变压器一点接地分析

图1.变压器截面示意图

Figure1.Schematicdiagramoftransformersection

变压器正常工作状态下会在内部形成一个较强的不均匀电场，该电场分布在高低压绕组及其引线与油箱之间，同时将铁芯及其固定铁芯的金属零部件结构包络在内。如图1所示，铁芯外引线离地的变压器在上述不均匀电场作用下，高压绕组跟低压绕组之间、低压绕组同铁芯及其金属构件之间、铁芯及其金属构件和大地之间都有着寄生电容的存在，寄生电容由于耦合作用会让铁芯及其金属构件形成对地电位，即所谓悬浮电位，悬浮电位大小的变化能影响到变压器安全工作。

所以，在变电站变压器实际运行中，需将其铁芯及其大型金属构件可靠接连至现场主接地网，才可以正常工作。在这种情况下，铁轭夹件和大地间的寄生电容被短路，让其处于低电位。从而只有绕组对铁轭及其夹件的寄生电容电流经过接地引线。从理论上来讲，变压器中铁芯及其金属构件在单点接地时，仅带电绕组对铁芯及其金属构件所产生的寄生电容电流几乎为零，但是因为在实际运行过程中，存在各绕组间电容难以彻底相同、三相电相位也难以完全对称等因素，正常接地情况下，接地线大多会出现小于100mA的微量电流。

1.2变压器多点接地故障类型及原因

当变压器出现多点接地故障，则接地点之间便构成闭合回路，就等同于在铁芯两侧发生了短路现象，从而形成一定的短路电流。铁芯及夹件多余接地点的出现增加了闭合回路的数目，从而产生更大的接地回路环流。夹件多点接地基本相异于铁芯多点接地，它主要由漏磁通感应产生环流，接地电流往往不是很大，一般在几安培以下[12]。但是夹件上感应环流会受负荷变大时漏磁增加的影响而随之增大，同样会威胁变压器正常运行，严重者甚至会由此引发事故。当然有很多因素都会导致铁芯和夹件发生多点接地故障，变压器中各个环节都必须按照相关规定进行，包括变压器的制造、装配、检修和维护等，因为每一个环节的疏忽都有可能导致故障的发生。

常见铁芯及夹件多点接地类型和原因可归结为以下几类：

（1）变压器自身设计、工艺、质量原因造成的变压器铁芯多点接地。即内部绝缘空间不足，没有考虑设备尺寸，或内部残存在金属粉末和电焊残渣等，导致多点接地问题。

例如上铁轭在制造过程中长度过长，导致与油箱壁形成接触；或铁芯叠片夹紧时用力不均，导致边角形变、翘起而碰到夹件；或生产其壳体或散热器时，未将残存金属性粉末、残渣完全扫除干净，从而造成铁芯或其大型构件和外壳相连，变压器在长期工作后就会出现铁芯多点接地故障。

（2）运输或安装变压器时发生移位，也会导致多点接地。

例如在安装或运输时，由于相关人员的操作疏忽，变压器的铁芯会触碰到油箱或者夹件；

（3）变压器长期工作后，表面受潮、污秽、配件脱落等与铁轭叠片相碰均会形成接地。

例如变压器油箱产生油垢后黏附在铁芯或夹件的绝缘表面上，从而降低了绝缘材料自身电阻，导致电阻接地现象；

（4）变压器维护不到位造成的变压器铁芯多点接地。

例如变压器受潮严重导致内部铁芯、夹件和油箱底部生锈，生成的铁锈由于电磁场的影响，在铁芯和夹件绝缘表面越积越多，引发铁芯或夹件金属性永久接地[15]。

（5）变压器检修过程中，少许金属异物因疏忽或者误操作遗留在油箱内，致使铁芯叠片与箱体外壳短接，最终使变压器绝缘损坏，导致变压器故障。

以上五点便是导致变压器铁芯或夹件多点接地的常见原因，此外，某些金属零部件脱落也会造成多点接地故障。

2变压器仿真模型

本文运用电路模型、物理模型和数学模型中两种或两种以上的建模方式来建立了变压器模型。

电力变压器的原边绕组、副边绕组均可视为多个线圈匝的组合。载流I的圆形导线在其轴线上（距圆心为x处）的磁感应强度为：

（1）

式子中R为圆形导线的圆周半径，x为该点在轴线上到圆心的距离，令，称为该圆电流的磁矩，轴线上远处（时）的磁场为：

（2）

上式中磁场的方向沿圆电流面积的法线方向或圆电流磁矩的方向。

那么，圆电流在圆心（x＝0）处的磁场强度B为：

（3）

式（3）中为真空磁导率，其值大小为特斯拉·米/安培，或者亨利/米。

根据法拉第电磁感应定律，主磁通穿过原边、副边绕组每一匝线圈时，在原边绕组、副边绕组中形成的感应电动势、可以表示为

（4）

（5）

而漏磁通同样会在各自线圈中感应出漏磁电动势[11]，为了方便分析，本文仅讨论原边绕组的漏磁感应电动势。

若原边绕组每匝线圈的漏磁通是，那么相应漏磁通感应电动势有

（6）

式（6）中，为漏磁通感应电动势，=N1，为初级线圈漏磁通。

另一方面，容量越大的电力变压器在工作过程中，会产生越大的漏磁场。漏磁场的磁通闭合路径一部分经过铁芯，一部分穿过空气或夹件等固定构件。

除上述电磁数学关系外，电力变压器的建模还需考虑因素如下：

在变压器铁芯、夹件接电电流的检测中，变压器建模还要从变压器的相数、绕组数目、铁芯结构的方面去探讨，对于不同种类型的变压器，建立的模型当然也各不相同。本文采用了单相双绕组芯式电力变压器来建立变压器模型[10]。

其中变压器从铁芯结构上可分为每个绕组分别缠绕在独立的芯柱上的芯式变压器和变压器的两个绕组缠绕在相同的芯柱上的壳式变压器，芯式变压器、壳式变压器如示意图2所示。

图2芯式变压器和壳式变压器示意图

Figure2.Schematicdiagramofcore-typetransformerandshell-typetransformer

电力变压器模型按输入电流的等值频率可分为中低频模型、高频模型和宽频模型。表1包括了有关模型输入频段的大致范围，本文电力变压器采用中低频模型。

表2.1变压器模型按输入频率分类

3ATP铁芯接地建模与分析

利用ATP-EMTP搭建变压器铁芯多点接地模型，对变压器铁芯进行仿真分析。根据变压器的传统模型分析，如图3所示，建立铁芯多点接地模型，如图4所示。其原理是将铁芯分成n个小段，加上两个开关，当开关C闭合时，模拟铁芯两点接地。

图3变压器传统模型

Figure3.Traditionaltransformermodel

图4铁芯多点接地模型

Figure4.Multipointearthingmodelofironcore

本文分别建立了变压器运行分为单相运行和三相运行的仿真模型，对变压器铁芯多点接地进行了详细的分析。

3.1ATP建模下单相模型

本文在ATP软件中搭建了单相模型，如图5所示。

图5变压器单相接地模型

Figure5.Transformersingle-phasegroundingmodel

仿真时将变压器铁芯分为三段A1、A2和A3，仅有一点接地时，开关1，2打开；当发生两点接地，将开关1或2闭合，通过改变每段铁芯等值电阻和电抗参数来调整接地点的位置。正常铁芯一点接地时的电流如图所示：

图6变压器铁芯一点接地电流曲线

Figure6.Onepointgroundingcurrentcurveoftheironcoreofthetransformer

当铁芯正常一点接地时，电流均匀变化且不超过100mA。

设当T=0.3s时发生铁芯两点接地故障，此时铁心接地电流如图所示：

图7变压器铁芯两点接地电流曲线

Figure7.The2-pointgroundingcurrentcurveofthetransformercore

图7可以看出当0.3s铁芯两点接地故障时，电流突然增加，达到了800mA。通过分析，当铁心两点接地时，除正常接地点外，另一接地点位置变化，接地电流大小也随之变化，由于另一接地点的存在，使得铁芯部分被短接，被短接的比例S越大，两接地点之间的距离L越远，S=0表示仅为一点接地，0.3s发生两点接地，随着S的变化，铁芯中接地电流曲线变化如下：

图8接地电流随S变化曲线

Figure8.Changecurveofgroundcurrentwithdistance-S

图8中分析了当S分别为0.1，0.5，0.9，1时故障接地电流的变化曲线，由图可以看出接地电流随着距离S的变大而逐渐增大，表明接地电流的大小还与被短接的距离有关，被短接距离越大，节点电流越大。

因为变压器铁芯发生两点或多点接地都是将一部分铁芯短接，因而变压器铁芯发生多点接地可以等效为两地接地情况考虑。若先在t=0.2s发生两点接地，继而在t=0.4s时发生三点接地，根据接地位置的不同，以最大短接比例考虑：变压器铁芯中的电流变化如图所示：

（1）t=0.2s发生两点接地S=0.5，t=0.4s时发生三点接地S=0.3，由于t=0.2s时的铁芯短接比例较大，则t=0.4s时发生的三点接地不会对铁芯中接地电流产生影响，变压器铁芯中的电流变化如图所示：

（2）t=0.2s发生两点接地S=0.5，t=0.4s时发生三点接地S=0.8，由于t=0.3s时的铁芯短接比例较大，则t=0.4s时发生的三点接地会对铁芯中接地电流产生影响，变压器铁芯中的电流变化如图所示：

3.2ATP建模下三相模型

三相参数对称情况下，正常铁芯一点接地，铁芯中的接地电流理论值为零，实际为不平衡电流，两点及以上接地流过的电流远大于不平衡电流，以A相铁芯发生两相接地电流为例，ATP中的仿真模型如图：

图9变压器三相接地模型

Figure9.Three-phasegroundingmodeloftransformer

模型采用110kV网络参数，正常变压器铁芯一点接地时铁芯接地电流波形为：

图10变压器铁芯一点接地铁芯接地电流波形

Figure10.thegroundcurrentwaveformoftheone-pointgroundingcoreofthetransformer

变压器t=0.2s发生两点接地S=0.5，t=0.4s时发生三点接地S=0.8；

t=0.2s发生两点接地S=0.9，t=0.4s时发生三点接地S=0.98

对变压器分别进行了单相和三相的仿真分析，可以得出变压器一点接地时接地电流小于100mA，多点接地时铁芯接地电流远远大于100mA，且随着短路距离的增大而增大，因此工程实际中通过电流的

大小可以大概判断是否发生多点接地故障和故障点位置。

4总结

铁芯是变压器的核心部件，如果铁芯发生多点接地故障，则会影响整个电力系统的安全运行。基于此，本文分析了变压器铁芯多点接地故障的原因和类型，随后建立了变压器模型，最后基于ATP建模仿真软件对建立了变压器铁芯一点和多点接地的仿真模型，通过仿真分析可以得出变压器一点接地时接地电流小于100mA，多点接地时铁芯接地电流远远大于100mA，且随着短路距离的增大而增大，因此通过此方法可以探究不同接地位置发生故障时电流的变化规律，进而为进行故障位置预测提供参考

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