1. 引言
变压器是传递电能的主要部件，是输变电系统的关键设备之一，其运行状态直接影响电力系统的可靠性和安全性。变压器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[1] 。铁芯多点接地，是近年来变压器事故多发原因之一；据统计数据表明，铁芯多点接地造成的故障占变压器总事故中的第3位[2] 。由此可见，变压器铁芯多点接地故障不可忽视。
铁芯多点接地故障初期，接地电流带来的损耗很小，不易从空载损耗中发觉，一般通过测量绝缘电阻、监测铁芯接地电流、油色谱分析等技术手段进行检测。
测量绝缘电阻是最直接的方法，即在变压器停电时，断开铁芯接地线，测量铁芯对地绝缘电阻。若绝缘电阻为零或很低，则说明可能存在铁芯多点接地故障[3] 。此方法只能在停电下进行，有很大局限性。
监测或检测铁芯接地电流，可在变压器运行时进行。测量铁芯接地引下线上流过的电流，电流过大，超过行标规定的100 mA，则预示着铁芯可能存在多点接地的故障[4] 。
变压器油色谱分析也能检测出铁芯是否多点接地。铁芯多点接地时，其油色谱中总烃含量通常超过GB 7252-2001《变压器油中溶解气体分析和判断导则》中规定的注意值150 uL/L，且其中乙烯(C2H4)和甲烷(CH4)占较大比重，乙炔(C2H2)含量低[5] 。在铁芯多点接地故障初发时期，油色谱变化不甚明显，只有当故障积累到一定程度时，色谱分析才有所显现。
因此，上述三种检测手段中，测量铁芯接地电流是最为及时、有效的方法。
2. 变压器铁芯接地电流理论分析
对比分析一点接地和多点接地故障时的电流特征，有助于提高铁芯接地故障诊断能力。首先需了解变压器铁芯基本结构、故障原因、接地电流产生机理。
2.1. 变压器铁芯结构
铁芯是变压器的基本部件，由铁芯叠片、绝缘件、结构件等构成。
铁芯叠片是由磁导率很高的磁性钢带叠积或卷绕而成，高磁导率材料制造的铁芯可使得全部磁通在铁芯内和两个绕组交链，进而使不同绕组能感应出和匝数成正比的电压。
铁芯结构件由夹件、垫脚、撑板、拉带、拉螺杆、压钉等部件组成；结构件可使得铁芯叠片充分压紧，形成完整牢固的结构[6] 。目前，大多数电力变压器铁芯为心式结构，其典型结构如图1所示。
如图1所示，上夹件的几片之间通过夹紧螺杆4连接，下夹件亦如此；上夹件5和下夹件7通过拉
1：拉带，2：接地片，3：拉带，4：夹紧螺杆，5：上夹件，6：拉螺杆，7：下夹件，8、9：垫脚，10：绑扎带
Figure 1. Structure of 3-phase 3-limb transformer core
图1. 三相三柱心式变压器铁芯结构
螺杆6连接；下夹件和垫脚连接。在上铁轭中插入接地片(铜带)，即可使接地片与上夹件连接，进而通过拉螺杆、下夹件、垫脚接地。
对于容量更大的大型变压器，通常将铁芯接地片通过套管从变压器油箱盖引出，在外部接地。这种结构的好处是在检修试验时，可将外部接地线打开，通过测量绝缘电阻检测铁芯的绝缘状态[6] [7] 。
变压器正常运行时，铁芯必须有一点接地，否则悬浮电位产生间歇性击穿放电会损伤铁芯绝缘[6] [8] 。但铁芯出现两点以上接地时，不均匀电位会在接地点回路中形成环流，造成铁芯局部过热，严重时局部温升增加出现烧熔，进一步形成铁芯叠片之间的短路故障，使铁损变大，严重影响变压器性能和正常工作[9] 。因此，铁芯不允许存在多点接地情况。
2.2. 铁芯接地故障原因
统计资料和运行经验表明，可能造成铁芯接地故障的因素有以下几点：
(1) 变压器内部杂质影响。制造过程中内部残留的导电性悬浮物、油路中因轴承磨损引入的金属粉末、加工时残留的金属焊渣，这些导电悬浮物在油流作用下，往往被堆积到仪器，使铁芯与箱壁之间短接，造成多点接地[10] 。
(2) 结构件与铁芯非正常接触，如上夹件碰油箱、夹件小托板碰铁芯、穿心螺杆刚座套碰铁芯、钢垫脚与铁芯之间的绝缘破损或受潮等。
(3) 工艺不良，导致的结构变形。如铁芯本体易位变形、外部压紧件变形翘曲等因素均可能导致多点接地故障。
2.3. 铁芯接地电流理论分析
变压器铁芯一点接地时，电流主要为电容电流。运行时，由于绕组上存在运行电压、铁芯接地，两
者之间的绝缘介质中会流过一定电流。此电流为铁芯接地电流的主要来源。由于最靠近铁芯的一般是低压绕组，其电压对铁芯接地电流贡献最大，因此可根据低压绕组的运行电压和低压绕组对地电容来初步估算单相变压器的铁芯接地电流大小。
但对于三相一体的变压器而言，由于三相运行电压互成角度，矢量和接近于零。此时，铁芯接地电流主要来源于三相电压不对称分量和三相电压中存在的谐波。由于三相电压不对称分量通常较小，此时电压谐波对接地电流的贡献凸显出来。分析可知，在三相一体变压器结构的铁芯接地回路中，大多数三相基波电压叠加归零，其归零程度取决于基波电压激励下三相绕组与铁芯间等效电容的对称程度；三相谐波电压叠加被放大，将导致铁芯接地电流中含有丰富的谐波分量。基波下和3次谐波下铁芯接地电流等效电路分析模型如图2所示。高次谐波也可类似分析。
变压器铁芯存在多点接地时，两个接地点之间构成了闭合回路。接地点发生在不同部位时，闭合回路中或多或少会交链部分主磁通或漏磁通，在回路中产生感应环流。此时的接地电流主要为电磁感应产生的电势在铁芯硅钢片薄膜电阻和金属导体电阻上产生的电流。与单点接地类似，若变压器为三相一体结构，则此时接地电流中基波分量大多数仍被叠加归零、3次谐波仍被放大；若变压器为单相结构，则接地电流中仍将以基波分量为主。
3. 典型案例分析
为进一步分析铁芯接地电流特征，选取一些变电站进行实测分析。
变压器正常运行时，铁芯接地扁钢不能断开，只能利用穿芯式的电流传感器进行测量。铁芯接地电流一般为容性电流，正常情况下幅值较小，一般的穿芯传感器很难准确测量。此外，变电站母线和其他大电流导线的交变电流及高压导体的电晕、放电等会通过电磁场在信号系统中感应出干扰电流和干扰电压，严重影响测量精度。为了准确测量现场变压器铁芯接地电流，本文使用多铁芯自补偿钳型传感器，能够有效地解决了小电流情况下传感器测量结果误差大的问题，同时，采用双层铜屏蔽技术有效地解决了现场干扰对测量结果的影响。本文利用横河WT3000功率分析仪作为采集设备，有效的分析了铁芯接地电流谐波含量。
在湖北省境内合理的选取了各电压等级的典型变电站，并对其运行中的变压器铁芯接地电流进行测量。湖北省某110 kV变压器(图3)、220 kV变压器(图4)和500 kV变压器(图5)铁芯接地电流波形如图3至图5所示。
(a) 基波分析模型 (b) 3次谐波分析模型UA1、UB1、UC1为绕组基波等效电压，CA1、CB1、CC1为基波下等效电容；UA3、UB3、UC3为绕组3次谐波等效电压，C3为3次谐波下等效电容。I1、I3分别为铁芯接地电流基波分量、3次谐波分量
Figure 2. The equivalent circuit model of the core of three phase transformer
图2. 三相一体变压器的铁芯接地电流等效电路分析模型
Figure 3. Core grounding current waveform of a 110 kV transformer
图3. 某110 kV变压器铁芯接地电流波形
Figure 4. Core grounding current waveform of a 220 kV transformer
图4. 某220 kV变压器铁芯接地电流波形
Figure 5. Core grounding current waveform of a 500 kV transformer
图5. 某500 kV变压器铁芯接地电流
由图3至图5可以看出，110 kV和220 kV变压器铁芯接地电流幅值较小，但其谐波含量较大，而500 kV变压器铁芯接地电流幅值较大，主要以基波为主，几乎不含高次谐波。对不同电压等级变压器铁芯接地电流进行谐波分析，如表1所示。
由表1可以看出，500 kV变压器铁芯接地电流以基波为主，220 kV变压器铁芯接地电流谐波含量以3次谐波为主，而110 kV变压器铁芯接地电流谐波含量频率丰富，含3次、5次和7次谐波。变压器铁芯接地电流谐波含量与变压器结构有关，500 kV变压器是单相分体的变压器，而110 kV和220 kV变压器为三相一体的变压器。
当变压器铁芯接地正常时，其接地电流较小，一般不大于100 mA。当变压器铁芯存在多点接地时，铁芯内部由于各点电势不完全相同，若接地回路中交链了部分主磁通，会形成较大环流。以湖北省某220 kV变压器为例，该变压器为三相一体结构，其铁芯存在稳定的多点接地故障，变压器运行时，其铁芯接地电流波形如图6所示。
故障时变压器铁芯接地电流幅值为5.50 A，对其进行谐波分析，该波形基波频率为149.85 Hz，含量为99.36%。因此，当变压器铁芯存在多点接地时，电流幅值增大，且主要是3次谐波电流。
为了减小铁芯接地电流，某变电站对变压器铁芯接地装置进行改造，加装限流电阻，如图7所示。
加装铁芯接地限流电阻后，对运行中的变压器铁芯接地电流进行测量，其电流幅值明显减小，约为45.62 mA，电流波形如图所示。对该电流进行谐波分析，其基波电流频率为150.01 Hz，基波含量为99.75%。因此，对变压器铁芯接地装置加装限流电阻(图8)，只能降低铁芯接地电流的幅值，而对铁芯接地电流中谐波含量没有影响。
Table 1. Typical characteristics of core grounding current
表1. 铁芯接地电流典型特征
Figure 6. Core grounding current waveform of a transformer with multi-point grounding fault
图6. 变压器铁芯多点接地故障时的接地电流波形
Figure 7. Core grounding current limiting resistor
图7. 铁芯接地限流电阻
Figure 8. Core grounding current with limiting resistor
图8. 加装限流电阻后的铁芯接地电流
4. 结论
本文对变压器铁芯接地电流进行了理论分析，阐述了铁芯多点接地时，铁芯接地电流增大的原因。在湖北省境内开展了不同电压等级变电站铁芯接地电流测量的普测工作，发现某变电站铁芯接地电流较大，并对其进行改造，加装铁芯接地限流电阻，得到以下结论：
(1) 变压器铁芯接地电流谐波含量客观存在，其大小与变压器本体结构有关；
(2) 对变压器铁芯接地装置加装限流电阻，能明显降低铁芯接地电流幅值，但不会改变铁芯接地电流中的谐波含量。