出口短路對變壓器的影響及預(yù)防措施

馮業(yè)鋒 咸日常 尹立忠

1.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 山東 淄博 255049；2.淄博電力公司 山東 淄博 255032；3.ABB濟南分公司 山東 濟南 250011

變壓器作為變電站的核心組件之一，對電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行起著舉足輕重的作用。只有對變壓器的故障和異常運行進行準(zhǔn)確的分析和判斷，采取及時有效的處理措施，才能保證電網(wǎng)的正常運行和對用戶的正常供電。近年來，許多變壓器事故是由于變壓器低壓側(cè)短路造成的，變壓器的抗短路能力是衡量變壓器性能的重要指標(biāo)，是保證電網(wǎng)中、低壓系統(tǒng)安全運行的必要條件。變壓器出口短路時，如果短路電流小，繼電保護快速動作并切除故障，對變壓器繞組的影響不大；如果短路電流過大，保護動作時間長，甚至拒動，則會對變壓器繞組造成嚴(yán)重影響，甚至損壞變壓器。另外，由于斷路器及相關(guān)自動裝置存在固有的動作時間，故障點不可能零時間切除，變壓器難免受到短路電流的沖擊，造成對變壓器的影響。因此，分析研究變壓器出口短路的預(yù)防措施是很有必要的。

1 變壓器出口短路的案例分析

河南平頂山市某煤礦31.5MVA、110kV變壓器（SFSZ8-31500/110）發(fā)生短路事故，重瓦斯保護動作，跳開主變壓器三側(cè)開關(guān)。造成了礦井全部停電，35kV供電系統(tǒng)癱瘓，嚴(yán)重影響了該煤礦的供電安全，主變壓器也因受強大的故障電流沖擊而損壞。吊罩檢查發(fā)現(xiàn)C相高壓線圈失圓，C相中壓繞組嚴(yán)重變形，并擠破圍板造成中、低壓繞組短路；C相低壓繞組被燒斷二股；B相低壓、中壓繞組嚴(yán)重變形。變壓器返廠大修，造成直接經(jīng)濟損失達幾十萬元。

1）事故經(jīng)過

2009年5月20日，13點20分該煤礦110kV主變35kV側(cè)過流保護動作，重合閘成功；17點41分35kV側(cè)再次過電流，重合閘動作，主變壓器重瓦斯保護跳主變壓器三側(cè)開關(guān)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)35kV線路距變電站不遠處B、C相間有放電燒損痕跡。事故發(fā)生的當(dāng)天有雷雨，事故發(fā)生前，曾多次發(fā)生10kV、35kV側(cè)線路單相接地。

2）事故原因分析

國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定110kV電力變壓器的短路容量為800MVA，應(yīng)能承受最大非對稱短路電流系數(shù)約為2.55。該變壓器所處電力系統(tǒng)中運行條件如下：

電網(wǎng)最大運行方式110kV三相出口短路的短路容量為1844MVA；

35kV三相出口短路為365MVA；

10kV三相出口短路為225.5MVA。

事故發(fā)生時，實際短路容量尚小于上述數(shù)值。據(jù)此計算變壓器應(yīng)能承受此次短路沖擊。當(dāng)時事故損壞的變壓器正與另一臺3150MVA/110kV變壓器并列運行，經(jīng)受同樣的短路沖擊，而另一臺變壓器卻未損壞。因此，事故分析認(rèn)為導(dǎo)致變壓器B、C相繞組嚴(yán)重變形并燒毀的原因是變壓器存在以下問題：

（1）經(jīng)吊罩檢查發(fā)現(xiàn)該變壓器撐條不齊且有位移。這樣大大降低了內(nèi)側(cè)中壓繞組承受輻向力和軸向力的能力，使繞組穩(wěn)定性降低。從事故中的C相中壓繞組輻向失穩(wěn)向內(nèi)彎曲的情況，可以考慮適當(dāng)增加撐條數(shù)目，以減小導(dǎo)線所受輻向彎曲應(yīng)力。

（2）變壓器繞組松散。高壓繞組輻向用手可以搖動5mm左右。理論分析可知，短路電流產(chǎn)生的電動力可分為輻向力和軸向力。外側(cè)高壓繞組受的輻向電磁力，從內(nèi)層值外層呈線性遞減，最內(nèi)層受的輻向力最大，兩倍于繞組所受的平均圓周力。當(dāng)繞組卷緊時，內(nèi)層導(dǎo)線受力后將一部分力轉(zhuǎn)移到外層，結(jié)果造成內(nèi)層導(dǎo)線應(yīng)力趨向減少，而外層導(dǎo)線應(yīng)力增大，內(nèi)應(yīng)力關(guān)系使導(dǎo)線上的作用力趨于均衡。內(nèi)側(cè)中壓繞組受力方向相反，但均衡作用的原理和要求一致。繞組如果松散，就起不到均衡作用，從而降低了變壓器的抗短路沖擊能力。

外側(cè)高壓繞組所受的輻向電動力是使繞組導(dǎo)線沿徑向向外脹大，受到的是拉張力，表現(xiàn)為向外撐開；內(nèi)側(cè)中壓繞組所受的輻向電動力是使繞組導(dǎo)線沿徑向向內(nèi)壓縮，受到的是壓力，表現(xiàn)為內(nèi)擠壓。這與該變壓器的B、C相高、中壓繞組在事故中的結(jié)果一致。

（3）絕緣結(jié)構(gòu)的強度不高。該變壓器中、低壓繞組采用的是圍板結(jié)構(gòu)，而圍板本身較軟，經(jīng)真空干燥收縮后，高、中、低繞組之間呈空松的格局，為了提高承受短路的能力，宜在內(nèi)側(cè)繞組選用硬紙筒絕緣結(jié)構(gòu)。

2 變壓器出口短路對其本身的影響

在發(fā)生出口短路時，由于短路電流的沖擊，變壓器繞組在電動力和短路電流熱效應(yīng)的作用下將產(chǎn)生永久變形和絕緣燒損。繞組變形包括軸向和徑向尺寸的變化、器身位移、繞組扭曲、鼓包和匝間短路等。變壓器繞組變形后，有的會立即發(fā)生損壞事故，更多的是繼續(xù)運行一段時間，這段時間長短取決于變形的部位和變形的程度。這種變壓器已經(jīng)存在故障隱患，因為：

1）絕緣受到損傷，導(dǎo)致局部放電。當(dāng)遇到過電壓作用時，繞組便有可能發(fā)生匝間短路，導(dǎo)致變壓器絕緣擊穿事故；或者在正常運行電壓下，因局部放電的長期作用，使絕緣損傷部位逐漸擴大，最終導(dǎo)致變壓器發(fā)生絕緣擊穿事故。

2）繞組的機械性能降低。當(dāng)再次遭遇短路電流沖擊時，將承受不住巨大的電動力而發(fā)生事故。

3）變壓器繞組的絕緣強度因熱效應(yīng)而永久降低，在正常運行電壓下也可能發(fā)生擊穿。

4）累積效應(yīng)。變壓器一旦發(fā)生繞組變形，將導(dǎo)致累積效應(yīng)，出現(xiàn)惡性循環(huán)。

因此，對于繞組已經(jīng)變形但仍在運行的變壓器來說，雖然并不意味著立即發(fā)生絕緣擊穿事故，但根據(jù)變形情況，當(dāng)再次遭受并不大的過電流或者過電壓，甚至正常運行的鐵磁振動作用下，也可能導(dǎo)致絕緣擊穿事故。所以，在雷擊或突發(fā)事故中，很可能隱藏著繞組變形故障因素。

3 防止變壓器出口短路的技術(shù)措施

3.1 氣體色譜檢測

在變壓器故障診斷中，單靠電氣試驗方法往往很難發(fā)現(xiàn)某些局部故障和發(fā)熱缺陷，而通過變壓器油中氣體的色譜分析這種化學(xué)檢測的方法，對發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的某些潛伏性故障及其發(fā)展程度的早期診斷非常靈敏而有效，這已為大量故障診斷的實踐所證明。

在一般情況下，變壓器油中是含有溶解氣體的，新油含有的氣體最大值約為CO-100uL／L，CO2-35uL／L，H2-15uL／L，CH4-2.5uL／L。 運行油中有少量的CO和烴類氣體。但是，當(dāng)變壓器有內(nèi)部故障時油中溶解氣體的含量就大不相同了。變壓器內(nèi)部故障時產(chǎn)生的氣體及其產(chǎn)生的原因如表1所示。

根據(jù)色譜分析數(shù)據(jù)進行變壓器內(nèi)部故障診斷時，應(yīng)包括：

1）分析氣體產(chǎn)生的原因及變化。

2）判定有無故障及故障的類型。如過熱、電弧放電、火花放電和局部放電等。

3）判斷故障的狀況。如熱點溫度、故障回路嚴(yán)重程度以及發(fā)展趨勢等。

4）提出相應(yīng)的處理措施。如能否繼續(xù)運行，以及運行期間的技術(shù)安全措施和監(jiān)視手或是否需要吊心檢修等。若需加強監(jiān)視，則應(yīng)縮短下次試驗的周期。

3.2 減少空載變壓器拉合閘次數(shù)

空載變壓器拉合閘時，由于鐵芯中的磁場很快地消失，而磁場的速度變化，將在繞組中產(chǎn)生很高的電壓，這就可能使變壓器的絕緣薄弱處擊穿，同時變壓器合閘時可能產(chǎn)生很大的勵磁電流，這個電流會使繞組受到很大的機械應(yīng)力，造成繞組變形和絕緣損壞，因此空載變壓器拉合閘次數(shù)過多會影響使用壽命。

3.3 其他技術(shù)措施

1）在變壓器低壓側(cè)出口母線上加裝絕緣熱縮套。若出線采用硬母線，包括開關(guān)室內(nèi)高壓開關(guān)柜底部母排，全部加裝絕緣熱套管；若出線采用軟母線，適當(dāng)加大相見距離，并在變壓器出口接線樁頭和穿墻套管附近加裝絕緣熱縮套，這樣可以有效防止小動物等造成的變壓器近距離出口短路。

2）電力變壓器10kV或35kV側(cè)屬于小電流接地系統(tǒng)，所以要采取有效防止單相接地時發(fā)生諧振過電壓而引起絕緣擊穿造成變壓器的出口短路的措施。如在電壓互感器的二次開口三角側(cè)加裝消諧器；在電壓互感器的一次中性點對地加裝小電阻或者非線性消弧電阻；對電容電流超過規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)的，加裝消弧線圈，最好是加裝自動調(diào)諧消弧線圈。

3）對于變壓器中、低壓側(cè)的支柱瓷瓶，包括高壓開關(guān)柜內(nèi)瓷瓶，更換爬距較大的防污瓷瓶，或者涂刷常溫固化硅橡膠防污閃涂料，防止污閃造成變壓器出口短路。核算變壓器低壓側(cè)開關(guān)的開斷容量，防止因開斷容量不足引起開關(guān)爆炸，造成變壓器出口短路。

4）變壓器、母線及線路的避雷器采用性能更良好的氧化鋅避雷器，提高限制過電壓能力，減少過電壓引起變壓器出口短路。

5）變壓器的繼電保護，應(yīng)盡量實現(xiàn)微機化并雙重化，防止拒動和誤動；安裝母線差動保護、失靈保護，提高保護動作的可靠性、靈敏性和速動性；降低變壓器繞組通過短路電流的時間。

6）對于進線為雙電源備用電源自投的110kV變電站，要采取措施，防止備用電源自投對故障變壓器再次沖擊。對于新建變電站，選用短路阻抗高、抗出口短路能力強的變壓器，并采用合理的主接線方式，以降低短路電流。另外，還可以采用分裂變或者加裝電抗器等方法來降低短路電流。

4 防止變壓器出口短路的管理措施

1）科學(xué)合理的計算保護定值，消除“保護死區(qū)”，快速切除流過變壓器的故障電流。例如，對于變壓器的過流保護，應(yīng)縮短動作時間，在滿足與下一級保護配合的選擇性條件下，動作時間越短越好，最長不大于2S，以減小過電流對變壓器的沖擊時間。對于終端變電所，電源側(cè)線路保護定值也可延伸到終端變的變壓器內(nèi)部，以增加保護動作的可靠性。

2）加強變壓器的年檢以及繼電保護的定值校驗，確保其動作的正確性，杜絕故障時因保護拒動對變壓器造成的危害。

3）加強對變壓器出口處避雷器的預(yù)防試驗和運行保護，確保其對因雷擊等產(chǎn)生的過電壓的吸收，也防止避雷器損壞造成的變壓器出口短路。

4）每年安排變壓器紅外線普測，積極開展避雷器在線監(jiān)測、絕緣在線監(jiān)測、高壓開關(guān)SF6氣體在線監(jiān)測等項目，及時掌握設(shè)備運行狀況。

5）對新投運的變壓器和未作過變形測試的變壓器全部做一次變形測試，保留測試數(shù)據(jù)，這樣，在變壓器遭受出口短路沖擊后，可以此作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)判斷變壓器變形程度，認(rèn)定變壓器能否繼續(xù)運行。對未發(fā)生明顯繞組變形的變壓器，及時投入運行，以節(jié)省人力及物力，縮短檢修周期。

6）加強技術(shù)監(jiān)督工作，杜絕設(shè)備超周期運行，對室內(nèi)母線及瓷瓶定期清掃，及時進行耐壓試驗，確保設(shè)備絕緣良好。

7）巡視線路，發(fā)現(xiàn)長高的樹木及時砍伐，防止線路接地造成的變壓器出口短路或者引起的過電壓。加強電纜溝封堵，嚴(yán)防小動物進入開關(guān)室，避免小動物引起的單相接地造成變壓器的出口短路。

8）加強電網(wǎng)規(guī)劃、合理安排運行方式，限制短路電流，減小出口短路對變壓器的危害。

5 結(jié)論

變壓器在電力系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，加強變壓器本身抗短路能力以及預(yù)防變壓器出口短路顯得由其重要，因此生產(chǎn)廠家和運行部門應(yīng)當(dāng)采取切實可行的措施，提高變壓器的抗短路能力和變壓器的運行管理水平，以此來提高變壓器運行的安全可靠性。

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