電力變壓器短路故障分析

徐春社 梁耀升 連美霞

（1.江蘇省宏源電力建設(shè)監(jiān)理公司，南京 210036；2.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司南寧局，南寧 530028；3.機(jī)械工業(yè)信息研究院，北京 100037）

變壓器正常運(yùn)行中由于受出口短路故障的影響，遭受損壞的情況及后果較為嚴(yán)重。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)，一些地區(qū)110kV及以上電壓等級(jí)的變壓器遭受短路故障電流沖擊直接導(dǎo)致?lián)p壞的事故，約占全部事故的50%以上，與前幾年統(tǒng)計(jì)相比呈大幅度上升的趨勢(shì)。這類故障的案例很多，特別是變壓器低壓出口短路形成的故障危害更大，一般要更換線圈，嚴(yán)重時(shí)可能要更換全部線圈，從而造成十分嚴(yán)重的后果和損失，因此，尤應(yīng)引起足夠的重視。

1 變壓器出口短路故障案例

近期，某變電站發(fā)生的一起 SFSZ10-240000/220kV變壓器出口短路事故，由于該變壓器遭受出口短路電流強(qiáng)大沖擊力的影響，致使低壓線圈受到的強(qiáng)烈的機(jī)械震動(dòng)力而形成匝間短路，造成變壓器損毀事故的發(fā)生，如圖1所示。

圖1 變壓器低壓線圈發(fā)生短路后損毀

該變壓器剛出廠運(yùn)行僅40余天，故障前運(yùn)行方式為220kV雙母單分段接線，出線7條；110kV為雙母接線并列運(yùn)行，出線6條；35kV為單母四分段，分列運(yùn)行。該主變帶 35kVⅣ母運(yùn)行，出線分別為29341線、29345線，均為高耗能負(fù)荷，采用避峰運(yùn)行方式，運(yùn)行時(shí)正常負(fù)荷為30MW。

保護(hù)動(dòng)作情況。故障開(kāi)始發(fā)生在變壓器區(qū)外低壓側(cè)A、B相間，約15ms后轉(zhuǎn)為三相短路故障；I套保護(hù)啟動(dòng)后約80ms，低壓側(cè)區(qū)外故障被切除；啟動(dòng)后186ms，C相差流達(dá)到1.21A，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

短路故障產(chǎn)生低壓線圈軸向電動(dòng)力，致使該臺(tái)變壓器低壓線圈上端壓緊結(jié)構(gòu)破壞。由于遭受機(jī)械沖擊力的影響，致使變壓器低壓線圈發(fā)生匝間短路而損毀。通過(guò)對(duì)故障錄波圖分析，此次低壓短路電流值低于技術(shù)協(xié)議要求。說(shuō)明該臺(tái)變壓器低壓線圈未能承受住此次短路電流電動(dòng)力的沖擊，變壓器制造設(shè)計(jì)的抗短路能力沒(méi)有滿足要求。a、c相發(fā)生匝間短路而損壞。故障后實(shí)測(cè)未損壞的低壓b相線圈存在約20mm未壓實(shí)的間隙；實(shí)測(cè)低壓三相未損壞的3/4線圈高度，得到數(shù)據(jù)為：a相1226mm，b相1225 mm，c相1220 mm。由此判斷三相低壓線圈均存在未壓實(shí)的情況，軸向高度尺寸控制工藝存在缺陷。壓緊結(jié)構(gòu)、壓板強(qiáng)度需進(jìn)一步改進(jìn)和加強(qiáng)。

該變壓器短路強(qiáng)度設(shè)計(jì) 2s內(nèi)低壓繞組的短路電流耐受值為 48.54kA；而此次外部短路沖擊的短路電流為 20kA，持續(xù)時(shí)間約 80ms。變壓器實(shí)際承受的短路電流遠(yuǎn)未達(dá)到該變壓器承諾的技術(shù)指標(biāo)。在故障電流遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)值的情況下發(fā)生損壞。 因此，確認(rèn)變壓器存在嚴(yán)重的設(shè)計(jì)、制造缺陷。

對(duì)于變壓器的熱穩(wěn)定及動(dòng)穩(wěn)定，在給定的條件下，仍以設(shè)計(jì)計(jì)算值為檢驗(yàn)的依據(jù)，但計(jì)算值與實(shí)際值誤差如何，尚缺乏研究與分析，一般情況下是以設(shè)計(jì)值大于變壓器實(shí)際承受能力為準(zhǔn)。目前逐步開(kāi)展的變壓器突發(fā)短路試驗(yàn)，為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)、工藝水平提供重要的依據(jù)。變壓器低壓側(cè)發(fā)生短路時(shí)，所承受的短路電流最大，而低壓線圈的結(jié)構(gòu)一般采用圓筒式或螺旋式多股導(dǎo)線并繞，為了提高線圈的動(dòng)穩(wěn)定能力，線圈內(nèi)多采用絕緣紙筒支撐，但有些廠家僅考慮變壓器的散熱能力，對(duì)于其動(dòng)穩(wěn)定，則只要計(jì)算值能夠滿足要求，便將支撐取消，于是當(dāng)變壓器遭受出口短路時(shí)，由于動(dòng)穩(wěn)定能力不足，而使線圈變形甚至損壞。

低壓線圈短路電流的軸向電動(dòng)力，產(chǎn)生線圈上彈的沖擊力，造成變壓器低壓線圈上端壓緊結(jié)構(gòu)破壞，線圈變形沖散，致使變壓器損毀，見(jiàn)圖2。

圖2 變壓器低壓線圈上端壓緊結(jié)構(gòu)破壞，線圈沖散變形

2 變壓器線圈變形原因分析

通過(guò)變壓器返廠解體檢查分析， 發(fā)現(xiàn)：

1）檢查油箱內(nèi)時(shí)發(fā)現(xiàn)2根斷裂的絕緣螺桿，為低壓線圈下部出線夾持處的螺栓掉落。

2）C、A相壓板及副壓板開(kāi)裂損壞嚴(yán)重；B相壓板開(kāi)裂，副壓板發(fā)生彎曲變形。

3）C、A相壓板及副壓板開(kāi)裂損壞嚴(yán)重，C相壓板內(nèi)徑側(cè)大面積開(kāi)裂，層壓紙板層間裂開(kāi)；B相壓板靠近低壓出線區(qū)約 1/3圓周有層壓紙板的層間開(kāi)裂，副壓板發(fā)生彎曲變形。

4）C、A相低壓線圈上部 11餅向上竄動(dòng)，軸向損壞嚴(yán)重；B相低壓線圈沒(méi)有發(fā)生損壞，但是 B相低壓線圈高度比高、中線圈低20mm。

5）三相低壓線圈沒(méi)有發(fā)生幅向變形。

6）三相中壓、高壓、調(diào)壓線圈沒(méi)有損壞。

分析認(rèn)為，致使該變壓器發(fā)生短路事故的原因主要是高低壓線圈高度不一致、線圈機(jī)械強(qiáng)度不夠、承受正常容許的短路電流沖擊能力和外部機(jī)械沖擊能力差。由于該變壓器低壓線圈端部低于壓緊端圈，空隙位置產(chǎn)生短路后的彈性沖擊力致使壓緊端圈破損，變壓器線圈損毀。

3 幾點(diǎn)體會(huì)與建議

1）加強(qiáng)對(duì)變壓器設(shè)備從選型、定貨、監(jiān)造、驗(yàn)收到投運(yùn)的全過(guò)程管理，明確變壓器專責(zé)人員及其職責(zé)。

2）220kV及以上電壓等級(jí)的變壓器應(yīng)強(qiáng)化質(zhì)量控制措施，明確監(jiān)造和驗(yàn)收職責(zé)，按變壓器駐廠監(jiān)造見(jiàn)證規(guī)范要求進(jìn)行監(jiān)造，監(jiān)造驗(yàn)收工作結(jié)束后，要求監(jiān)造人員在規(guī)定時(shí)間內(nèi)提交監(jiān)造總結(jié)，并作為變壓器原始資料存檔。

3）制造廠生產(chǎn)變壓器使用的主要原材料和附件必須符合定貨合同中技術(shù)協(xié)議的要求，的工廠檢驗(yàn)報(bào)告和生產(chǎn)廠家出廠試驗(yàn)報(bào)告；工廠試驗(yàn)時(shí)應(yīng)將供貨的套管安裝在變壓器上進(jìn)行試驗(yàn)；所有附件在出廠時(shí)均應(yīng)按實(shí)際使用方式整體預(yù)裝。

4）安裝、試驗(yàn)階段，投產(chǎn)時(shí)不遺留同類型問(wèn)題，如，進(jìn)一步改進(jìn)和加強(qiáng)壓緊結(jié)構(gòu)、壓板強(qiáng)度等。同時(shí)，按有關(guān)規(guī)定向制造廠索取做過(guò)突發(fā)短路試驗(yàn)變壓器的試驗(yàn)報(bào)告和抗短路能力動(dòng)態(tài)計(jì)算報(bào)告；在設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)前，應(yīng)取得所訂購(gòu)變壓器的抗短路能力計(jì)算報(bào)告。

5）大型變壓器在運(yùn)輸過(guò)程中必須按規(guī)范安裝具有時(shí)標(biāo)且有合適量程的三維沖擊記錄儀，到達(dá)安裝現(xiàn)場(chǎng)后，制造廠、運(yùn)輸部門(mén)和用戶三方人員應(yīng)共同驗(yàn)收，記錄數(shù)據(jù)和押運(yùn)記錄應(yīng)留檔。

6）加強(qiáng)變壓器運(yùn)行管理。嚴(yán)格執(zhí)行交接試驗(yàn)規(guī)程，對(duì)110kV及以上電壓等級(jí)變壓器在出廠和投產(chǎn)前應(yīng)做低電壓短路阻抗測(cè)試或用頻響法測(cè)試線圈變形以留原始記錄。220kV及以上電壓等級(jí)和120MVA及以上容量的變壓器在新安裝時(shí)必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)局部放電試驗(yàn)。220kV及以上電壓等級(jí)變壓器在大修后，也必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)局部放電試驗(yàn)。同時(shí)，加強(qiáng)變壓器油色譜分析和變壓器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，努力提高變壓器安全可靠運(yùn)行的能力。