變壓器近區(qū)短路故障的分析及預防

季凌武

（溫州電力局，浙江 溫州 325000）

在電力系統(tǒng)的各種設備中，變壓器是比較昂貴而且很重要的設備之一，運行中遭受近區(qū)短路時損壞的幾率較大，約占全部損壞事故的40%以上。截至2009年8月，對溫州電網運行的173臺變壓器進行統(tǒng)計，共發(fā)生了135次近區(qū)短路。

因此，如何防止和降低變壓器近區(qū)短路的危害有著十分重要的現(xiàn)實意義。通過對變壓器短路故障損壞基本理論的分析，提出了若干防止和降低變壓器近區(qū)短路危害的措施。

1 變壓器近區(qū)短路后的影響分析

1.1 近區(qū)短路故障

變壓器的短路故障主要指變壓器出口短路、內部短路引線或繞組間對地短路及相與相之間發(fā)生的短路而導致的故障，其危害包含動穩(wěn)定破壞和熱穩(wěn)定破壞。動穩(wěn)定破壞又可分初期的沖擊破壞和振動破壞。沖擊破壞的過程指從短路的初始時刻到暫態(tài)分量基本衰減完畢；而振動破壞貫穿整個短路過程，并且破壞性隨時間的延長而增大。熱穩(wěn)定破壞會使變壓器絕緣材料嚴重受損，甚至造成變壓器擊穿或損毀。整個故障過程的形成包括外部短路—內部機械變形—內部絕緣擊穿，其危害性隨時間延長而增大。

1.2 動穩(wěn)定分析

軸向漏磁與繞組中電流相互作用產生輻向電動力，輻向漏磁與繞組中電流相互作用產生軸向電動力。而且這種電動力具有時變特性，包含暫態(tài)分量和穩(wěn)態(tài)分量。電流頻率為50 Hz時，短路電動力為每秒100次沖擊的周期性變化力。

輻向電動力使內線圈受壓力，外線圈受拉力，最后將使主空道絕緣距離擴大。當電動應力大于導線抗張應力時，則線圈變形、匝絕緣斷裂。安匝平衡時，軸向電動力僅受端部邊界條件影響，由磁力線彎曲產生，上下比較對稱，在軸向上合力基本為零；安匝不平衡時，因不平衡漏磁的輻向分量引起軸向電動力，其大小和合力的方向隨安匝不平衡情況而變。

根據左手定則，短路電動力為：

短路電流可按下式計算[1]：

式中：I1d為穩(wěn)態(tài)短路電流有效值；α為短路時電壓初相角；Rd為短路等值電阻；Ld為高低壓繞組漏電抗系數(shù)；w為角頻率。

另外，變壓器的漏磁場比較復雜，不僅其大小是一個時變函數(shù)，而且在短路過程中隨繞組的振動，漏磁場在空間的分布也是時變的。如果忽略繞組振動引起的空間變化對漏磁場影響，可先根據短路穩(wěn)態(tài)電流值求出漏磁密B0，再求出時變磁密Bt。因此可求出各導線的軸向和輻向短路電動力為：

式中：B0為與短路穩(wěn)態(tài)電流；I1d為對應的磁密；R為各導線的圓環(huán)半徑。由于磁感應強度B0與電流成正比，故短路電動力與電流的平方成正比。

1.3 熱穩(wěn)定分析

變壓器線圈在短路電流作用下溫度會迅速升高，均勻物體發(fā)熱冷卻方程可計算短路時線圈達到的最高平均溫度為[1]：

式中：θ0為線圈起始溫度；J為短路電流密度；t為持續(xù)時間。

通過上述分析可知，通過變壓器的穩(wěn)態(tài)短路電流密度大小是影響變壓器短路故障損壞的關鍵參數(shù)之一。正因如此，變壓器在遭受出口和近區(qū)短路時，故障損壞的幾率較大。因此，做好防止主變壓器近區(qū)短路事故的防范措施很有必要。

2 防止變壓器近區(qū)短路的措施

（1）變壓器的中低壓側加裝絕緣熱縮套。對中、低壓側電壓等級是35 kV及以下的變壓器，只要其出線采用的是硬母線，可以從變壓器出口接線樁頭一直到開關柜的母線（包括開關室內高壓開關柜底部母排），全部加裝絕緣熱縮套。如果采用的是軟母線，可在變壓器出口接線樁頭和穿墻套管附近加裝絕緣熱縮套。這樣可有效防止小動物等造成的變壓器出口短路。同時提高線路安全走廊和安全距離要求的標準，重視電纜的安裝檢修質量（因電纜頭爆炸大多相當于母線短路）。目前，溫州電網絕大部分變電所已執(zhí)行該項措施，因引線而發(fā)生的短路故障明顯降低。

（2）對變壓器的中、低壓側為35 kV或10 kV電壓等級的變壓器，由于其中性點屬于小電流接地系統(tǒng)，所以要采取有效措施防止單相接地時發(fā)生諧振過電壓，從而引起絕緣擊穿，造成變壓器的出口短路。防止單相接地時發(fā)生諧振過電壓的措施有：電壓互感器的二次開口三角加裝消諧器、電壓互感器的一次中性點對地加裝小電阻或者非線性消諧電阻、采用四壓變等。而對電容電流超過規(guī)程標準的，則加裝消弧線圈或者自動調協(xié)消弧線圈。

（3）將變壓器中低壓側的開關更換為開斷容量更大的開關，防止因開斷容量不足引起開關爆炸造成的變壓器出口短路。同時提高對開關質量的要求，防止故障時開關拒動。

（4）優(yōu)化運行方式。確定運行方式要核算短路電流，并限制短路電流的危害。對于短路電流過大的母線，犧牲一定的可靠性，采取分裂運行的方式；或采取增設備用電源自投裝置后開環(huán)運行，以減少短路時的電流和簡化保護配置；220 kV及以上電壓等級的變壓器盡量不直接帶10 kV的地區(qū)電力負荷等。

（5）提高運行管理水平。首先要防止誤操作造成的短路沖擊；要加強變壓器的適時監(jiān)測和檢修，及時監(jiān)測變壓器的變形程度，保證變壓器的安全運行。加強變電所內運行巡視和線路巡視，發(fā)現(xiàn)長高的樹木等及時砍伐，防止線路接地造成的變壓器出口短路或者引起的過電壓。

3 降低變壓器近區(qū)短路危害的措施

為了減少近區(qū)短路對變壓器的危害，還有必要采取降低近區(qū)短路危害的措施：比如在主變的中性點加裝電抗器，限制接地短路電流；在主變的低壓側串聯(lián)電抗器，以限制短路電流，同時通過優(yōu)化選型，選用能順利通過短路試驗的變壓器并合理確定變壓器的容量，合理選擇變壓器的短路阻抗。以上措施可以在一定程度上降低短路電流，從而降低近區(qū)短路故障所產生的熱效應和動效應，降低對主變的損害。

另外，從繼電保護專業(yè)考慮，需要采取措施優(yōu)化保護配置，提高保護故障切除的可靠性，縮短近區(qū)短路的切除時間，以減輕近區(qū)短路危害。對抗外部短路強度較差的變壓器，對于系統(tǒng)短路跳閘后的自動重合或強行投運，應關注其不利的因素。因此，應根據短路故障是否能瞬時自動消除的概率，對架空短線（如2 km以內）或電纜線路取消使用自動重合閘，或適當延長合閘間隔時間，以減少因重合閘失敗而帶來的危害。采用備自投裝置的變電所，應采取可靠措施，防止近區(qū)短路故障。

4 結語

近幾年電網發(fā)展速度十分迅速，各級電網的短路電流呈不斷增長趨勢，這也加劇了變壓器在近區(qū)短路時所承受的沖擊。溫州地區(qū)又處臺風多發(fā)地帶，臺風季節(jié)發(fā)生變壓器近區(qū)短路的風險大大增加，而變壓器的繞組變形又具有累積效應。因此，在做好防止和降低變壓器近區(qū)短路危害措施的同時，也要加強對變壓器的技術監(jiān)督，尤其是對變壓器繞組變形的檢測。

[1] 路長柏，朱英浩.電力變壓器計算[M].黑龍江：黑龍江科學技術出版社，1986.

[2] 史振華，楊波.主變近區(qū)短路試驗后電氣試驗的探討[J].電力學報,2005，20（3）∶277-279.