第18章 接地电流检测技术

目 录

第一节 变压器铁心接地电流检测技术 ........................................................................... 2

一、 变压器铁心接地电流检测概述 ............................................................................... 2 二、 变压器铁心接地电流检测基本原理 ....................................................................... 4

2.1变压器铁心接地基本知识 ......................................................................................... 4 2.2变压器铁心的接地形式 ............................................................................................. 7 2.3变压器铁心接地电流形成机理 ................................................................................. 9 2.4.变压器铁心接地电流测试设备组成及基本原理 ................................................... 11 三、 变压器铁心接地电流检测及诊断方法 ................................................................. 13

3.1现行铁心接地电流检测方法 ................................................................................... 13 3.2铁心接地电流的诊断标准 ....................................................................................... 17 3.3铁心接地电流检测的注意事项 ............................................................................... 17 四、 典型测试案例分析 ................................................................................................. 20

4.1铁心电流检测发现110kV主变铁心电流过大典型案例 ....................................... 20 4.2铁心接地电流检测发现多点接地典型案例 ........................................................... 23

第二节 电缆护层接地电流检测技术 ............................................................................. 25

一、 电缆护层接地电流检测概述 ................................................................................. 25 二、 电缆护层接地电流检测基本原理 ......................................................................... 26

2.1电力电缆接地基本知识 ........................................................................................... 26 2.2电力电缆护层接地电流形成机理 ........................................................................... 29 2.3.电力电缆护层接地电流测试设备组成及基本原理 ............................................... 32 三、 电缆护层接地电流检测检测及诊断方法 ............................................................. 33

3.1电缆护层接地电流检测方法 ................................................................................... 33 3.2 电缆护层接地电流的诊断标准 .............................................................................. 35 3.3 电缆护层接地电流检测的注意事项 ...................................................................... 35 四、 典型测试案例分析 ................................................................................................. 36

4.1电缆护层接地电流检测发现110kV电缆护层保护器击穿缺陷案例 ................... 36 4.2电缆护层接地电流检测发现110kV交联单心电缆护层破损缺陷案例 ............... 37

参考文献（自动编号） ....................................................................................................... 39

第X章 接地电流检测技术（冀北公司）

在电力系统中，接地是用来保护人身及电力、电子设备安全的重要措施。通常我们将接地分为工作接地、系统接地、防雷接地、保护接地，用他们来保护不同的对象。对于大型高压电气设备，如变压器、电力电缆、避雷器等设备因其内部结构设计或运行要求，也是通过接地来实现设备正常运行的要求，这几种接地形式从目的上来说是没有什么区别的，均是通过接地导体将过电压产生的过电流通过接地装置导入大地，从而实现保护的目的，而通过接地装置流入大地的电流会因设备运行状态的改变而发生改变，所以对于接地电流的测量可以直接或间接地反映设备运行状况。接地电流测试方法简单，但是却因设备种类不同，测试数据反映的意义大不相同，因篇幅所限，本章只针对变压器铁心及电缆护层的接地电流测试进行介绍。

第一节 变压器铁心接地电流检测技术

一、 变压器铁心接地电流检测概述

变压器铁心是变压器内部传递、变换电磁能量的主要部件，正常运行的变压器铁心必须接地，并且只能一点接地，对变压器的事故统计分析表明，铁心事故在变压器总事故中已占到了第三位，其中大部分是铁心多点接地引起，经检查证实的240台变压器故障中46台是由于铁心多点接地问题造成的。当铁心两点或多点接地时，在铁心内部会感应出环流，该电流可达数十甚至上百安培，会引起铁心局部过热，严重时会造成铁心局部烧损，还可能使接地片熔断，导致铁心电

位悬浮，产生放电性故障，严重威胁到变压器的可靠运行。目前，对于运行中变压器铁心多点接地故障的预防主要是通过对铁心接地电流的定期检测进行的，变压器铁心接地电流的检测对于变压器的安全运行具有非常重要的意义。

例如，某型号为SFPS-120000/220的变压器，油中溶解气体分析结果表明H2和总烃高，且气体增长速率与变压器运行负荷的关系不密切，测试铁心接地电流已达16A。经停电检查发现，内部铁心接地连片过长而跨接铁心，将铁心短接近1/10，造成铁心多点接地，接地连片烧断3/4。该隐患如未及时发现和消除，接地连片烧断后可能导致铁心失去地电位，从而造成严重的事故。

又如，某热电厂一台SSZ-120000/220变压器运行中检测铁心接地电流达500mA，超过规程规定的“不大于0.1A”的要求，为了确保变压器运行安全，不得不安排停电检修，进行铁心的绝缘试验，试验结果显示铁心绝缘良好，不存在多点接地，原铁心接地电流检测结果不准确，造成误停电，该台变压器的整个启停过程共经历3天时间，造成巨大经济损失。

目前，电力运行单位对于变压器铁心接地电流检测和监测的管理中，大都采取手持式钳形电流表进行检测以及加装铁心接地电流在线检测装置等方法，这些检测方法可以及时、便捷和较为准确的检测出变压器铁心的接地电流，除此之外，一些专用的铁心接地电流检测仪器和装置也越来越多的得到了推广和应用。对运行中的变压器进行铁心接地电流的检测和监测，能够及时发现铁心多点接地引起的接地电

流变化，是防范铁心多点接地故障的最直接、最有效的方法。

二、 变压器铁心接地电流检测基本原理 2.1变压器铁心接地基本知识

2.1.1铁心

铁心是变压器的主要部件之一，它构成了变压器的主磁路。变压器是依据电磁感应原理来工作的，一、二次绕组之间并没有电的直接联系，只有通过铁心形成磁的联系。利用变压器铁心可获得强磁场，增强一、二次绕组间的电磁联系，减少励磁电流。为了提高导磁系数和降低铁心涡流损耗，铁心用表面涂漆的硅钢片叠成。电工硅钢片很薄，变压器上目前一般用厚度为0.23～0.35mm的硅钢片。铁心是变压器内部电磁能量转换的媒介，把一次电路的电能转为磁能，又由此磁能转变为二次电路的电能。

在结构上，夹紧装置使铁心成为一个机械上完整的结构，而且在其上面套有带绝缘的绕组，支持着引线，并几乎安装了变压器内部的所有部件。

铁心的质量在变压器各部件中最大，在干式变压器中铁心的质量占总质量的50%左右；在油浸式变压器中，铁心所占质量的比例稍有下降，约为30%。

变压器的铁心（即磁导体）一般是框形闭合结构。其中套绕组的部分称为心柱，不套绕组只起闭合磁路作用的部分称为铁轭。现代铁心的心柱和铁轭在一个平面内，即为平面式铁心，新式的立体铁心呈三角形立体排列。

2.1.2铁心的种类

铁心有两大基本结构形式，即壳式和心式。它们的主要区别在于铁心与绕组的相对位置，即绕组被铁心包围时称为壳式；铁心被绕组包围时称为心式。

心式变压器的特点是绕组包围铁心，铁心处于器身内心，故称心式或内铁心，判断的标准是总有几个绕组的一边没有铁心或铁轭。而壳式变压器的特点是铁心包围绕组，任何一个绕组的两边一定有铁心或铁轭，铁心像一个外壳包围着绕组，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，可拆成小件到现场组装成整体变压器。

一般情况下，壳式铁心是水平放置的，心式铁心是垂直放置的。大容量的心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，但是它们仍保留心式结构的特点，因此它们虽有包围绕组的旁轭，仍属于心式结构。

2.1.3 铁心的接地形式

变压器在运行中，铁心以及固定铁心的金属结构、零件、部件等，均处在强电场中，在电场作用下，它具有较高的对地电位。如果铁心不接地，它与接地的部件、油箱等之间就会有电位差存在，在电位差的作用下，会产生断续的放电现象。另外，在绕组的周围，具有较强的磁场，铁心和零部件都处在非均匀的磁场中，它们与绕组的距离各不相等，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。铁心和金属构件上会产生悬浮电位差，电位

差虽然不大，但也能击穿很小的绝缘间隙，因而也会引起持续性的微量放电，这些现象都是不允许的，而且要检查这些断续放电的部位，是非常困难的。因此，必须将铁心以及固定铁心、绕组等的金属零部件，可靠地接地，使它们与油箱同处于地电位。

铁心是由许多层硅钢片叠积而成的，如果铁心有两点或两点以上接地，则铁心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。这些环流将引起空载损耗增大，铁心温度升高。当环流足够大时，将烧毁接地片产生故障。所以铁心必须一点接地，可靠的一点接地叫做铁心的正常接地。

所谓铁心一点接地，只是指其磁导体而言，其夹紧件不受此限。铁心片与夹紧件要绝缘的一个原因就是确保铁心一点接地。 为了防止产生较大的涡流，铁心的硅钢片相互之间是绝缘的，不可以将所有的硅钢片都接地，否则将造成较大的涡流而使铁心发热，通常铁心接地是将任意一片硅钢片接地即可。这是因为硅钢片之间虽然绝缘，但其绝缘电阻数值是很小的，不均匀的强电场和磁场，在硅钢片中感应的高压电荷，可以通过硅钢片，从接地处流向大地，将铁心的任一片硅钢片接地，那么，整个铁心也就都接地了。

对于大容量的变压器，由于其铁心直径较大，为了减少涡流损耗，常采用绝缘纸或石棉绳将铁心硅钢片隔成几组，此时铁心的正常接地必须先用适当的金属导体，将各组硅钢片联接成一个整体，再将其引出箱体与箱盖上接地线套管接牢。

2.2变压器铁心的接地形式

2.2.2正常接地的具体做法

(1)大型变压器铁心一点接地的做法

对于大型变压器通常采用将铁心的任一片硅钢片进行接地。铁心的硅钢片与上下夹件之间是用绝缘件隔开的，采用0.3mm厚的铜片插入上铁轭的任意两硅钢片之间，而铜片另一端与夹件连接，再引到箱盖上与箱上的接地小套管连接，就构成了铁心的一点接地。 对于高电压大容量的变压器铁心除按上述做法做好一点接地，引出至箱盖小套管上，以便进行接地电流的检测外，还必须做好与接地有关部件之间的绝缘加强措施，能从外部检测铁心与夹件间的绝缘状况，具体的措施和做法如下所述。

1)高电压大容量的变压器铁心和夹件都要分别用套管引至油箱外接地，为同时确保夹件不出现两点或多点异常接地，应在垫脚与箱底之间加强绝缘措施。

2)在器身上部定位装置与油箱间同样要可靠的加强绝缘，使二者之间不能相碰，有一定绝缘间隙，否则二者相碰将造成铁心两点或多点接地。

(2)中小型变压器铁心一点接地的做法

由于中小型变压器器身和油箱之间距离较小，对于这类铁心的一点接地做法与大型变压器铁心略有不同，应在上下铁轭任两片硅钢片之间各插入一片铜片进行接地，并且要使二片铜片位置放的要对称，使之处于同电位，如插入位置不对称，可能产生电位差，造成部分硅

钢片间形成局部短路，产生较大电流，引起铁心过热。

2.2.3变压器铁心的多点接地

正常运行的变压器铁心是一点接地的，此时流过铁心接地线中的电流是由于高、低压绕组对铁心存在的电容造成的。对于三相变压器，如果三相电压完全对称，理论上流过铁心接地线电流为零，但实测电流值一般在几毫安到几十毫安之间。对于单相运行的变压器，由于绕组与铁心之间的电容值很小（一般在几千pF），容抗很大，计算和实际测试表明，该电流值也在几十毫安以下。

变压器铁心在多点接地的情况下接地线中的电流值决定于故障点与正常接地点的相对位置，即短路匝中包围磁通的多少及整个回路的阻抗。当铁心出现多点接地时，在额定激磁电压下，与故障回路铰链的磁通在回路中会感应出一个电动势，反应在接地线上就是电流的增加，此时的模型可表示为图1所示。

IV 图1 铁心两点接地时的电压

可以认为回路铰链的磁通最大为流过铁心的总磁通的 1/2，这样回路感应出的电动势也就近似等于绕组的每匝电压的1/2。对于我国目前最常采用的冷轧硅钢片而言，一般饱和磁密为1.9～2.0T。目前设计中铁心的最大磁通密度的选取范围为1.55～1.75T。对中、小型

变压器，一般为1.55～1.65T；对大型变压器，一般为1.7～1.75T。由此结合变压器的铁心几何结构可以计算得出大容量的变压器每匝电压值约为300V，故铁心多点接地回路中感应出的电动势约150 V，忽略大地和接地点的电阻，整个回路的电阻主要是由变压器铁心本体造成的，由于铁心是由涂有漆膜的硅钢片叠装组成，硅钢片的电阻与漆膜相比很小，实际上其电阻主要是由漆膜造成的，经测量其电阻值约为几十欧姆，因此在铁心多点接地回路中最大可能出现几安到几十安的电流。该故障电流会造成铁心局部过热，严重时会造成铁心局部温升增加、轻瓦斯动作，甚至会造成重瓦斯动作而跳闸的事故。长期运行会导致铁心局部烧熔，形成硅钢片间的短路故障，严重影响变压器的性能和正常工作。

2.3变压器铁心接地电流形成机理

2.3.1单相变压器

以三绕组变压器为例，铁心一点接地时，其高压、中压和低压绕组对铁心存在分布电容，这样流过铁心的电流是三绕组电流的叠加，其原理如图2所示。

高压绕组中压绕组低压绕组O低压绕组铁芯接地点中压绕组高压绕组铁芯

图2 铁心一点接地示意图

铁心一点接地的等效电路如图3所示，其中，CC-L、CL-M、CM-H

分别是铁心与低压绕组、低压绕组与中压绕组、中压绕组与高压绕组之间的分布电容，UH、UM、UL分别为高、中、低压绕组的电压，RM是铁心硅钢片表面绝缘膜的等效电阻、CM是铁心硅钢片表面绝缘膜的等效电容、RP是铁心硅钢片的等效电阻。

RMCMRPCC-LULCL-MUMCM-HUHO

图3 铁心一点接地等效电路图

高压、中压、低压绕组线圈对铁心的分布电容，可按同轴圆柱电容的公式进行计算：

cwe17.7weH1012 R1lnR2式中：

H为绕组平均高度(mm)； R1为内绕组外直径(mm)； R2为外绕组内直径(mm)。

根据具体变压器的结构尺寸可得出变压器绕组对铁心的等效电容，根据我国制造的大型电力变压器典型结构进行估算，其绕组对铁心的等效电容一般为几千pF。

通常变压器铁心是由硅钢片叠装而成，每片硅钢片表面均涂有绝缘漆膜，这样整个变压器铁心可以视为硅钢片表面绝缘漆膜的电阻与

电容并联后再与硅钢片的电阻串联。如硅钢片电阻率为0.5欧·米，其本身电阻可以忽略；绝缘漆膜电阻通常为几十欧姆，而其容抗为105欧姆级，则其电容也可以忽略，这样铁心的电阻可以等效为其表面绝缘漆膜的电阻。

因此，对于整个导电回路来说，回路阻抗为变压器绕组间电容的容抗与绝缘漆膜的电阻串联。因为容抗比电阻大很多，则整个回路阻抗可以视为绕组间电容的容抗值（约为几千pF），经计算可知由于电容效应流过铁心的电流一般在几十毫安以内。如我国电力行业标准DL/T 596《电力设备预防性试验规程》中，对电力变压器要求规定：“运行中铁心接地电流一般不大于0.1A”。

2.3.2三相变压器

由于变压器铁心结构基本对称，依次算出ABC三相的铁心接地电流，如果三相电压相位完全对称且各绕组间电容完全相等，则三相叠加后接地电流理论上应该为零，即

iiaibic0

但实际变压器在运行中，三相电压相位不可能完全对称、各绕组间电容也不可能完全相等，故实际的接地线中总会呈现出一定数值的接地电流，但是该数值会小于单相变压器的接地电流值，其测量值一般在1mA左右。

2.4.变压器铁心接地电流测试设备组成及基本原理 2.4.1装置主要技术指标

 采取抗干扰措施，当空间磁场干扰小于1A时，保证测量结果

达到测量精度要求。  测量导线直径：不小于30mm  电流量程：AC 10 mA～5A  电流分辨率： 0.1mA  测量精度：1%±3个字

 使用时间：一次电池充满后可连续使用4小时以上，可间断使用2~3天。

 电池寿命：可以循环充放电500次以上  温度范围：工作环境温度 -20～45℃  充电电源：AC220V±10%、20W 2.4.2装置硬件组成方案

装置的硬件部分主要由IO卡钳接口模块、AD采集模块、DSP数字信号处理模块以及ARM人机接口模块组成。

图4 铁心一点接地等效电路图

测量CT输出电流信号经过电流电压变换（I/V）后进行滤波以及量程（0.5A/10A）切换，输出电压信号至AD模块进行采样，补偿

CT与测量CT处理方式一样，AD转换后的数字信号由DSP模块进行处理，结果经数字滤波后得到测量结果，由ARM 控制在液晶模块显示。

三、 变压器铁心接地电流检测及诊断方法

变压器铁心多点接地故障，主要表现在油色谱数据呈内部高温过热特征、空载电流变化（三相不平衡）、铁心接地电流增大、铁心对地绝缘电阻降低或为零、异响、油温异常。

变压器铁心多点接地往往引起磁路的局部高温，因此油中溶解气体分析能够间接反映问题，但由于缺陷产生的特征气体在油中的扩散需要一定时间，试验规程中油色谱取样也有一定的周期，因此往往难以迅速地发现运行中的铁心多点接地故障。另外，铁心多点接地时，低电压下的空载试验可以发现空载电流异常，铁心对地绝缘电阻试验也可以发现绝缘电阻异常，从而有效地诊断铁心是否出现多点接地的情况，但都是停电试验，仅适用于发现异常后的确诊。异响和油温异常具有偶然性，且难以判断产生原因，因此并非较为可靠的方法。 与上述方法相比，在变压器运行中进行铁心接地电流的检测和监测，可以及时发现铁心多点接地造成的接地电流变化，因此按规程周期准确地测量铁心接地电流是防范铁心多点接地故障的最简单直接的方法。

3.1现行铁心接地电流检测方法

电力运行单位在对铁心接地电流检测和监测的管理中，需要对准确性、及时性、便捷性和成本进行综合考虑。现有的变压器铁心接地

电流检测方法主要有普通钳形电流表直接测试、专用铁心接地电流检测仪、变压器铁心接地电流在线监测及限流装置以及钳形电流表差值法测量。

a) 普通钳形电流表直接测试

普通钳形电流表由于其体积小，使用方便、造价低而经常被用于铁心接地电流的测量，但是由于其抗干扰能力较差，并且精度往往不能满足要求，导致测试结果分散性大，不够准确。运行中的变压器周围存在的漏磁场，对铁心接地电流的测量有很大的影响，仅使用普通钳形电流表测量，没有有效的抗干扰措施，测量结果具有很大的随机性，无法准确反映和发现变压器早期缺陷，也可能误判造成不必要的停电，不能满足精益化和标准化管理的要求。

图5 普通钳形电流表测铁心接地电流原理图

图6 普通钳形电流表测铁心接地电流示意图

我国电力行业标准DL/T 596《电力设备预防性试验规程》中，对电力变压器要求规定：“运行中铁心接地电流一般不大于0.1A”。一般单相大型电力变压器正常运行情况下铁心接地电流通常为几十毫安，三相变压器由于三相电压相位基本对称，三相电流叠加后基本为零，考虑到其实际运行中的不完全对称性，正常运行的三相变压器铁心接地电流仅有1-2mA左右。然而在现场检测过程中，受到周围空间电磁场的影响，使用普通钳形电流表检测到的铁心接地电流往往在几十到几千毫安之间，如表1所示，干扰电流远大于真实的铁心接地电流，无法为铁心的运行情况提供判断依据。

表1 普通钳形电流表测得铁心接地电流值

变压器 铁心接地电流测试值（普通钳形电流表）/mA B站1号主变 L站1号主变 S站1号主变 S站2号主变 X站4号主变 56 432 33 12 396 其中L站1号主变和X站4号主变超标，停电后试验证明铁心绝缘良好，没有发生多点接地等现象，造成了不必要的停电。 b) 专用铁心接地电流检测仪

目前部分生产厂家针对变压器铁心接地电流研制了专用铁心接地电流检测仪，其检测基本原理与普通钳形电流表相同，但具有更高级的功能，例如可对接地电流的波形显示和存储，可将波形数据导入计算机，对离散的采样值进行傅氏变换，得出电流的基波幅值，再进行各种分析和处理。然而采用傅氏变换的方法并不能完全去除非整次谐波分量，尤其是对于低频分量的抑制作用很差，无法通过数值处理滤除干扰。因此，专用铁心接地电流检测仪的研究重点仅放在了滤波功

能的开发，在实现测量中的抗干扰功能并不理想。 c) 变压器铁心接地电流在线监测及限流装置

目前系统内已有少数变压器安装了铁心接地电流在线监测及限流装置，该装置通过在铁心接地串入检测电阻实时地、准确地监测铁心接地电流能及时发现多点接地故障并报警，同时自动投切合适的限流电阻，避免事故的进一步恶化。由于此类装置的成本较高，因此目前的覆盖范围仍非常有限。

图7变压器铁心接地电流在线监测及限流装置示意图

d) 钳形电流表差值法测量

由于空间磁场的随机性给接地线电流的测量带来了很大的干扰，在现场测量过程中又很难具备屏蔽空间磁场的条件，对接地电流的测量缺乏准确性，有的运行单位通过进行两次测量的方法，第一次将钳形电流表紧靠被测接地引下线边缘，但并不钳住接地线，读取一个电

流数据，该读数为漏磁场产生的干扰电流。第二次在同一位置用钳形电流表钳住接地引下线，读取第二个电流数据，该读数为铁心接地电流和漏磁通干扰电流之和，取两次读数之差为实际铁心接地电流。但是这种方法同样不够准确，因为漏磁场本身是非均匀场，两次测量的电流相位并不相同，不能仅取数值差作为铁心实际接地电流值。 综合考虑上述几种现行铁心电流检测方法，都可以满足对变压器铁心接地电流的检测，但是测量原理、精确程度以及使用要求各有侧重，因此在选择合适的测试设备时应加以考虑。于此同时，由于变压器周围存在较强的电磁场，对变压器铁心接地电流检测仪器的抗干扰性能提出了一定的要求，抗干扰性能已经成了铁心接地电流检测设备的关键技术。

3.2铁心接地电流的诊断标准

我国电力行业标准DL/T 596《电力设备预防性试验规程》中，对电力变压器要求规定：“运行中铁心接地电流一般不大于0.1A”。一般单相大型电力变压器正常运行情况下铁心接地电流通常为几十毫安，三相变压器由于三相电压相位基本对称，三相电流叠加后基本为零，考虑到其实际运行中的不完全对称性，正常运行的三相变压器铁心接地电流仅有1-2mA左右。然而在现场检测过程中，受到周围空间电磁场的影响，使用普通钳形电流表检测到的铁心接地电流往往在几十到几千毫安之间。

3.3铁心接地电流检测的注意事项 3.3.1变压器漏磁场的干扰

当变压器的绕组带电后，绕组中就会有电流流过，在铁心中会产生磁通。铁心中由于励磁电压所产生的磁通称为主磁通，通过整个铁心与高压、中压和低压绕组相交链，其大小取决于励磁电压的数值。当变压器绕组中流过负载电流时，除了通过铁心与与高压、中压和低压绕组相交链的主磁通外，还有一个少量的仅与一个绕组交链，并且主要通过空气或绝缘油闭合的漏磁通，它的大小取决于负载电流的大小。漏磁场的分布如图4所示。

图8 变压器漏磁场分布示意图

漏磁通与主磁通的区别：首先铁心的材料硅钢片有饱和现象，主磁路的磁阻通常不是常数，所建立主磁通的电流和主磁通之间是非线性关系。而漏磁通的大部分磁路都是非铁磁性材料，所以漏磁路的磁阻是常数，产生漏磁通的电流和漏磁通是线性关系，其次主磁通在一、二次绕组中都会感应电动势，二次绕组接负载时就会输出功率，而漏磁通仅在一次绕组中感应电动势，不能传递能量，但是会引起变压器箱体等部位的涡流损耗、机械力效应等。

通常在工程设计上，主磁通和漏磁通具有下列关系：

suk%1000

uk%为变压器的阻抗电压，s为漏磁通，式中，通常为10%~20%，0为主磁通。

图4中，变压器内部的漏磁通很难做到完全屏蔽，特别是在变压器油箱未做磁屏蔽或者磁屏蔽不合理的情况下，变压器内部的漏磁通

s可能会通过箱体法兰等气隙处发散到箱体外部，由于气隙处的磁阻

很大，可能承受90%以上的磁场压降，因此发散至变压器箱体的磁场数值仍然是较为可观的，足以对铁心引下线处的磁场带来较大畸变，造成了铁心接地电流的测量不准确，这也正是给铁心接地电流测量带来误差的最主要的原因。

3.3.2现场检测过程中易受漏磁场干扰

变压器铁心接地电流的检测过程容易受到漏磁场的干扰，因此必须选择具有较强抗干扰性能的装置进行检测，使用普通钳形电流表和具有抗干扰性能的铁心接地电流检测装置对大型变压器的铁心接地电流进行了测试，其中典型的测试结果如下所示。 某变电站1号主变

变压器铁芯夹件引下线铁芯接地电流读数/mA060010090200300400500600050普通钳表mA抗干扰检测装置mA夹件接地电流读数/mA10070150200250测试仪表位置（距法兰）/mm0.90.34000.41004003000.3902000.32004320.416000.33000-2000.6200220-2000.30.5 夹件 普通钳表抗干扰检测mA 装置mA 70 0.3 90 0.3 160 0.4 220 0.6 200 0.5 测试位置 箱体法兰气隙上600mm处 箱体法兰气隙上400mm处 箱体法兰气隙上200mm处 箱体法兰气隙处 箱体法兰气隙下200mm处 铁心 普通钳表抗干扰检测mA 装置mA 90 0.9 100 0.4 300 0.3 432 0.3 300 0.3 可以看出，抗干扰性能是变压器铁心接地电流检测装置的一项至关重要的技术指标。

四、 典型测试案例分析

4.1铁心电流检测发现110kV主变铁心电流过大典型案例

2012年4月，国网公司某110kV变电站进行主变铁心接地电流测试时，发现主变运行铁心接地电流超过1A，超出标准值100mA,该主变型号为SZ9D-31500/110，投运于1997年6月。2012年4月，对该变压器铁心接地电流再次进行复测，电流在1.4A左右。2012年6月，主变停电，进行铁心接地回路改造，主变铁心改为引出后直接引下来接地，改造后，铁心绝缘电阻达到700MΩ，主变重新投入运行。

在2012年主变铁心接地电流巡检中发现，110kV1#主变铁心接

地电流达到1.4A，远远超出标准“铁心接地电流不超过0.1A”的要求。

2012年4月27日在现场进行仔细复测，1号主变外壳（左）和主变铁心（右）焊于槽钢上进行接地， 首先对接地情况进行分析，经过人为外接地，

图9 铁心一点接地等效电路图

铁心接地电流无变化，用双臂电桥对槽钢接地进行测量，数据为5ｍΩ。基本判定：铁心外部接地情况良好，接地电阻符合要求。

图10 铁心一点接地等效电路图

对铁心上部瓷瓶上端进行测量，测试电流依然为1.4A。基本判定：可以排除瓷瓶存在与外壳接地造成外部多点接地的可能性。

图11 铁心一点接地等效电路图

在上述槽钢接地出测的电流也为1.4A左右，综合图中外壳接地扁铁处测的电流也为1.4A，基本分析可能铁心本身接地电流确实超过1A，并且经过主变外壳接地、槽钢接地流入主地网构成回路。

油色谱试验情况，2012年3月底油色谱数据来看，反映过热现象的特征气体CH4和C2H4数据不明显，跟以往数据相比无明显变化。

不停电现场观察发现，铁心引出线在主变顶部引出后，先接于主

变顶部外壳上，再分支引到地面上接地。在现场进行铁心接地电流测试中，是把钳形电流表接于高于地面1.5米左右的铁心接地铝排上，该位置取到的电流除了真实铁心接地电流外，还有主变外壳接地回路引入的干扰电流等。由于当时负荷限制，主变暂时不能停电，现场采取了安装串入铁心接地限流表来限制铁心接地电流，复测铁心接地电流，已经减小到0.004A。2012年6月，1号主变停电，进行铁心接地回路改造，主变铁心改为引出后直接引下接地，改造后，铁心绝缘电阻达到700MΩ，1号主变正常投入运行。 4.2铁心接地电流检测发现多点接地典型案例

2012年，国网公司某110kV变电站2号主变进行铁心接地电流测试中发现，2号主变铁心接地电流达到12.7A，严重超过标准值，经电科院复测，铁心接地电流值分别为12.9A和14.7A。

检测分析方法：

（1）油色谱试验与铁心接地电流检测

2012年分别对该变压器进行油色谱检测，数据如下：

表2 普通钳形电流表测得铁心接地电流值

CH4C2H6C2H2C2H4总烃检测序号 H2（μl/L） （μl/L） （μl/L） （μl/L） （μl/L） （μl/L） 1 348 108 7.93 612 178 1076 2 442.7 128 8.8 728.4 336.9 1308 3 528.7 154.6 13.5 917.2 328.2 1614 数据显示，总烃、乙炔均超过注意值，且乙烯(C2H4)、甲烷(CH4)占较大比重，另经三比值法分析，故障类型为高于700℃的高温过热。结合铁心接地电流检测数值超标的情况，判断为铁心多点接地，引起的内部过热缺陷。

（2）停电处理

2号主变停电，试验人员对2号主变进行了铁心绝缘电阻测试，绝缘电阻值偏低，证明了2号主变铁心确实存在多点接地。考虑该变压器运行年限较长，可能油泥淤积在变压器底部造成多点接地，因此对铁心进行了大电流冲击。经过冲击之后，再次测量铁心绝缘电阻，出现如下现象：绝缘电阻值开始逐渐增加，达到一定数值后，听到变压器内部有放电声，绝缘电阻值骤然下降，之后又逐渐增长重复上述过程。停电处理确定了铁心多点接地故障，且接地点不易被大电流冲断。

（3）吊罩检查

2号主变在试验大厅进行吊罩检查。经检修人员仔细检查，发现C相铁心与绕组上压板之间有一根长2cm的细铁棒，并且铁心片上有明显放电痕迹，如下图所示。

上压板 细铁棒 放电点 图12 铁心一点接地等效电路图

取下细铁棒后，测试铁心绝缘电阻，恢复正常。由此判断，铁心接地电流异常增大、色谱异常的原因皆由此引起。重新投运后测量铁心接地电流数值为0.9mA，无异常，铁心多点接地故障消除。

第二节 电缆护层接地电流检测技术

一、 电缆护层接地电流检测概述

电力电缆作为电力系统的主要传输设备，其运行状态直接影响系统的安全性。为了抑制电缆金属护层中的感应电压，电缆护层必须接地。但如果接地方式不正确，电缆外护套发生破损，或者电缆屏蔽层发生断裂破损时，电缆护层接地电流都会发生变化，将对电缆输电线路带来两大主要危害：其一是大大降低电缆输送电力的能力(约三分之一左右)，其二是引起金属护套发热使主绝缘降低，缩短电缆的正常运行寿命。因此，通过对电缆护层接地电流的带电检测或在线监测

可以发现安装过程中接地方式的错误、交叉互联系统中接线的错误，发现电缆护层多点接地、屏蔽层断裂等缺陷。电缆金属护层接地电流测试作为电缆状态检修的重要检测项目之一，具有重要意义。

国家电网公司状态检修试验规程将电缆护层接地电流带电检测作为电缆的日常巡检项目之一，在国网公司系统内已经实际开展多年。实践证明，电缆护层接地电流检测是检查电缆接地系统是否正常的有效手段。目前一般采用便携式大口径钳形电流表对电缆护层电流进行带电测试，也有部分单位研究并安装在线监测装置开展电缆护层接地电流的持续在线监测。

二、 电缆护层接地电流检测基本原理 2.1电力电缆接地基本知识

电力安全规程规定，电气设备非带电的金属外壳都要接地，因此对于目前常用的交联聚乙烯电缆（后面简称XLPE电缆）的铝包或金属屏蔽层都要接地。通常，35kV及以下电压等级的电缆大多数是三心电缆，一般都采用两端接地方式，这是因为这些电缆在正常运行中，流过三个线心的电流总和为零，在铝包或金属屏蔽层外基本上没有磁链，因此在铝包或金属屏蔽层两端基本上没有感应电压，采用两端接地方式不会有感应电流流过铝包或金属屏蔽层。

电压超过35kV的电缆大多数采用单心结构，单心电缆的线心与金属屏蔽的关系，可看作一个变压器的初级绕组。当单心电缆线心通过电流时就会有磁力线交链铝包或金属屏蔽层，使它的两端出现感应电压。感应电压的大小与电缆线路的长度和流过导体的电流成正比，

电缆很长时，护层上的感应电压叠加起来可达到危及人身安全的程度，在线路发生短路故障，遭受操作误差电压或雷电冲击时，屏蔽上会形成很高的感应电压，甚至可能击穿外护套绝缘。此时如果仍将铝包或金属屏蔽层两端三相互联接地，则铝包或金属屏蔽层将会出现很大的环流，其值可达线心电流的50-95%，形成较大损耗，并且使铝包或金属屏蔽层发热，这不仅浪费了大量电能，而且降低了电缆的载流量，并加速了电缆绝缘老化，因此单心电缆一般不采用两端接地。

目前，电缆常见的接地方式主要有三种，即单端接地、双端接地和交叉互联接地。

（1）单端接地方式

单端接地方式如图13所示，主要适用于短距离无中间接头不分段单心电缆线路。单端接地通过一端直接接地，另一端接保护器接地的方式，使电缆护层的接地电流不形成回路而得到限制。但对于长距离输电线路，接保护器接地的一侧会感应出较大的电压，有可能引起连接处金属护层外部绝缘的破坏，从而通过大地形成回路。

图13 电缆单端接地

（2）双端接地方式

双端接地方式如图14所示，由于电缆护层两端均直接接地，电

缆护层与大地形成完整回路，这种方法使电缆金属护层上感应电压近似为零，但是电缆护层上始终有接地电流流过，会引起电缆护层的发热，产生附加损耗，甚至破坏电缆外部绝缘，缩短电缆使用寿命。

图14 电缆双端接地

（3）交叉互联接地方式

目前，国内外的单心高压电力电缆大部分采用图15所示的三段式交叉互联接地方式。交叉互联接地即将三段电缆线路三相单心电缆金属护层经同轴电缆、交叉互联箱进行交叉换位连接。由于三相电缆护层上的感应电压相位相差120°且大小近似相等，通过三相电缆护层的串联即可使三段的感应电压相互中和，从而总的感应电压控制在合理范围之内。因此较单端接地和双端接地方式而言，交叉互联接地方式可以有效地减小和抑制护层接地电流，减小电缆的附加损耗，增加电缆的使用寿命。但是交叉互联接地方式接线比较复杂，因此现在多用于中长距离输电电缆接地。

图15 电缆交叉互联接地

交叉互联方式接地时，假定每个小段长度均相同，电缆为大品字形等间距排列，且三相电缆上流过的电流均相等，如果将电缆线路在每个接地点位置进行移相，此时三段串联的电缆上感应电压相位均相差120°且幅值相等，因此护层中的感应电压就会完全中和，使得整个回路上没有感应电压和接地电流，这种情况也可称为完全换位。但是，由于实际施工中电缆通道往往无法满足品字形敷设的条件，或者由于施工地理条件的原因，电缆段长也无法实现完全等长。另外，在电缆线路的改造和扩建工程中，老电缆与新电缆的连接，段长也无法保持一致，这些均会造成投运后电缆护层接地电流的偏大。

同时，根据以上三种连接方式又衍生出许多改进型的连接方式，如分段交叉互联、改进型分段交叉互联、连续型交叉互联和混合型系统。

2.2电力电缆护层接地电流形成机理

2.2.1电力电缆结构中的金属部分

电缆结构中的金属部分包括心线、金属屏蔽层、金属护层、金属铠装层等（并不是在所有电缆中都同时具有这几种金属层），各层材

料及作用见表3。

表3 XLPE电缆中的金属部分及作用

名称 导体（心线） 金属屏蔽层 金属护层 金属铠装层 材料 铜/铝 铜带/铜丝 铅/铝/钢 钢带/钢丝 作用 载流 通过电容电流、感应电流，屏蔽电场 阻止水分潮气等有害物质侵入绝缘层 增加电缆抗拉、抗压的机械强度 2.2.2电力电缆护层感应电动势的产生

对于三心电缆，因三根心线在同一个金属护层内，当三相电流基本平衡时，三相合成电流接近于零，合成磁通也接近于零。此时金属护层上感应电动势很小，可以忽略不计。只有在非对称短路时，破坏了三相电流的对称性，合成磁通不再等于零，金属护层上才会有不平衡感应电动势产生。

对于单心电缆，当心线流过交变电流时，交变电流的周围会产生交变磁场，形成与电缆回路相交链的磁通，其必然与电缆的金属护层相交链，金属护层上将会产生感应电动势。

2.2.3电力电缆护层接地电流的产生

电缆护层接地线上的电流主要由感应电流、电容电流、泄漏电流3部分组成。感应电流由金属层的感应电动势作用在金属层的自阻抗、接地点间的导通电阻、接地线的电阻等阻抗上形成，感应电流的大小与感应电动势成正比，与回路中的总阻抗成反比，当电缆护层仅单点接地时，感应电流为零。电容电流由工作电压作用在导体与金属护层间电容上而产生，与电缆长度、电缆截面尺寸、工作电压等因素有关。

泄漏电流为工作电压作用在电缆主绝缘层的绝缘电阻上产生，绝缘正常时泄漏电流幅值极小，通常可以忽略不计。

2.2.4 电力电缆护层接地电流异常的原因

（1）交叉互联换位出现错误。电缆接地系统中,一组完整的交叉互联段内交叉互联换位次序应该前后一致,即同时为“A→B→C→A”或者“A→C→B→A”。若交叉互联换位次序错误，则金属护层内环流将变得很大。

（2）单端接地系统的不接地端意外接地。单端接地系统的不接地端与地之间通常安装有护层保护器,有时由于安装疏忽,使得护层保护器被短接,造成单端接地系统的不接地端意外接地,系统的接地方式也由单端接地变成了两端直接接地。

（3）护层保护器击穿。正常情况下,接地系统内护层保护器是绝缘的。运行过程中,系统若受到雷过电压和操作过电压冲击,护层保护器可能被击穿,并形成通路,使系统接地方式发生改变。

（4）外护套老化。部分老旧电缆运行时间长,外护套老化严重,绝缘水平降低,出现了实际的多点接地。

（5）外护套损伤。电缆在运行过程中产生热蠕动或其他原因,使电缆外护套存在局部硌伤缺陷。

（6）同路径其他电缆的影响。同路径敷设的其他电缆与三相电缆之间存在互感,在三相电缆上引起的感应电压不同,由此带来金属护层环流异常。

（7）电缆线路改造的影响。由于电网建设使电缆需要切改,或者

由于电缆线路与其他地下管线发生冲突,电缆局部需要迁改,使得原本平衡的交叉互联系统被破坏。

（8）隧道内积水或人为破坏,导致接地系统被破坏。 2.3.电力电缆护层接地电流测试设备组成及基本原理 2.3.1 测试设备组成

通常采用便携式大口径钳形电流表进行带电检测，测量电缆护层接地线上流过的电流。目前市场上常见的针对电缆护层接地电流测试的钳形电流表除常规功能外，通常还具有多组数据存储、历史数据查询、保存、打印等高级功能。常见测试仪器实物如图5，其关键技术参数如下：

采取抗干扰措施，当空间磁场干扰小于1A时，保证测量结果达到测量精度要求

 测量导线直径：50mm  电流量程：AC 10 mA～100 A  电流分辨率：1 mA  测量频宽：DC-20kHz

 使用时间：一次电池充满后可连续使用4小时以上，可间断使用2-3天

 电池寿命：可以循环充放电500次以上  温度范围：工作环境温度 -20～45℃

2.3.2 测试仪器基本原理

钳形电流表按结构和工作原理的不同，分为整流系和电磁系两类。整流系钳形电流表只能用于交流电流的测量，而电磁系钳形电流表可以实现交、直流两用测量。电磁系钳形电流表主要由电流互感器、整流电路、磁电系电流表、量程转换开关及测量电路组成。电流互感器的铁心为钳形结构，它分为固定部分和活动部分，且置于电流互感器的前端，其中的活动部分与扳手联动；当握紧扳手时，电流互感器的铁心便可以张开，这样被测电流的导线不必切断就可以穿过铁心的缺口，然后放松手使铁心闭合，这时通过电流的导线相当于电流互感器的一次线圈，则二次线圈中将出现感应电流，和二次线圈相连的电流表指针就发生偏转，从而指示被测电流的数值。量程转换开关及切换电路可实现钳形电流表的多量程电流测量。

三、 电缆护层接地电流检测检测及诊断方法 3.1电缆护层接地电流检测方法

3.1.1 测量方法

通常采用手持式大口径钳形电流表，钳套在电缆护层接地线上来测量护层的接地电流，测量原理如图16所示，现场测量接线如图17

所示。

图16 电缆护层接地电流测量原理图

图17 电缆护层接地电流现场测试图

3.1.2 注意事项

使用钳形电流表测量时，应注意钳形电流表的电压等级和电流值档位。测量时，应戴绝缘手套，穿绝缘鞋，要特别注意人体头部与带电部分保持足够的安全距离。

电流表钳口套入导线前应充调节好量程，不应在套入后再调节量程。因为仪表本身电流互感器在测量时副边是不允许断路的。当套入后发现量程选择不合适时，应先把钳口从导线中退出，然后才可调节量程。

电流表钳口套入导线后，应使钳口完全密封，并使导线处于正中，否则会因漏磁严重而使所测数值不正确。 3.2 电缆护层接地电流的诊断标准

电缆护层接地电流测试开展时间相对不长，对测试结果的判断，目前尚无明确统一的判据。对于测量结果，可参考以下标准及规定，结合实际进行分析判断：

国家电网公司《输变电设备状态检修试验规程》（Q/GDW 1168-2013）规定：接地电流<100A，且接地电流与负荷比值<20%。

国家电网公司《电缆状态评价导则》中，电缆护层接地电流评价项不扣分的条件是：接地电流绝对值小于100A，且不超过负荷电流的20%，且单相接地电流最大值与最小值之比小于3。

北京市电力公司规定，金属护层环流不超过负荷电流的10%，与投运初期值相比不应有明显变化。 3.3 电缆护层接地电流检测的注意事项

对电缆护层接地电流的判断应视不同接地方式具体分析，电缆投运初期和后期日常巡视的侧重点也应不同，不能套用同一个标准。分析数据时，要结合电缆线路的负荷情况以及接地电流异常的发展变化趋势，综合分析判断。

（1）对于电缆护层单端接地方式，接地电流主要为电容电流，不应随负荷电流变化而变化，单心电缆的三相接地电流应基本相等，电流绝对值不应与负荷电流比较，而应当与设计值或计算值比较，偏差较大时应查明原因。

（2）对于电缆护层两端接地方式，接地电流主要为感应电流，其大小与负荷电流近似成正比。当三相非正三角形布置时，单心电缆的三相接地电流会有差别（边相比中相大），但最大值与最小值之比

应小于2，接地电流的绝对值应不超过负荷电流的10%，否则应采取措施，如改为电缆护层单端接地或交叉互联系统等。

（3）对于交叉互联系统，正常情况下应当三相平衡且数值都不大，当接地电流大于负荷电流的10%或三相差别较大时，应检查交叉互联接线是否错误，分段是否合理。

（4）在电缆投运初期测量中，应重点分析是否存在电缆安装、设计错误；在日常巡视中，应注重与初期值的比较，有较大差异时，应查找电缆外护套绝缘及电缆接地系统故障。

四、 典型测试案例分析

4.1电缆护层接地电流检测发现110kV电缆护层保护器击穿缺陷案例

某单位110kV电缆新投运不久，检测人员对电缆交叉互联箱保护器进行护层接地电流和红外成像测温，发现该保护器已击穿（如图18所示），更换保护器并恢复至原状态后再次对护层接地电流进行测量，检测未见异常。

检测到接地电流异常数据如下表：

测试地点 相序 A相 直/斜 1号中间头交叉互联箱 B相 直/斜 C相 直/斜 D 测量值 77.1A/99.6A 99.3A/86.5A 86.4A/76.6A 8.24mA

更换保护器后，接地电流恢复正常，测量数据如下：

测试地点 1号中间头交叉互联箱 B相 直/斜 7.06A/10.82A 相序 A相 直/斜 测量值 4.74A/7.06A

C相 直/斜 D 10.82A/4.77A 2.46A

图18 电缆中间接头接地箱内护层保护器击穿损坏

4.2电缆护层接地电流检测发现110kV交联单心电缆护层破损缺陷案例

某单位对所辖的110kV及以上交联单心电缆开展护层接地电流带电检测，在检测中发现某条电缆B相护层电流值为18A，A、C相电缆护层电流值＜1A。

随后立即进行停电检查，发现B相用1000V兆欧表测得数值为0，其他两相为200兆欧，初步认定为电缆B相护层损坏，金属护层直接接地。在对电缆线路摸排中，发现距站内GIS电缆终端68米处一电缆支架尖端将电缆外护套扎破，如图19所示。修补后，用1000V兆欧表测得数值为200兆欧，护层接地电流恢复正常。

图19 电缆外护套被电缆支架扎破

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