變壓器繞組變形失穩(wěn)分析

吳長(zhǎng)波

（國(guó)網(wǎng)能源寶清煤電化有限公司，黑龍江 雙鴨山 155660）

一臺(tái)雙卷油浸式變壓器，在一次廠用電短路事故中燒損，停電修復(fù)花費(fèi)了很長(zhǎng)時(shí)間，造成發(fā)電量損失價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變壓器本身的價(jià)格。此變壓器1992年投入運(yùn)行，事故前處于正常供電狀態(tài)，在啟動(dòng)大容量設(shè)備時(shí)，10kV母線絕緣對(duì)地?fù)舸?，弧光引起母線三相短路，變壓器 10kV低壓側(cè)進(jìn)線開(kāi)關(guān)發(fā)生觸頭燃熔、粘連，保護(hù)動(dòng)作又未能直接跳開(kāi)此變壓器高壓側(cè)進(jìn)線開(kāi)關(guān)，使故障切除時(shí)間延長(zhǎng)達(dá)3s之久。吊芯發(fā)現(xiàn)高低壓繞組嚴(yán)重變形，低壓繞組有一處絕緣擊穿，繞組上下有竄動(dòng)，墊板損壞，壓環(huán)碎裂。本文通過(guò)短路電流在變電器繞組上的作用力，使繞組發(fā)生變形失穩(wěn)的過(guò)程和原因的分析，提出預(yù)防變壓器繞組變形失穩(wěn)措施。

1 短路時(shí)繞組電磁力分析

在發(fā)生短路事故時(shí)，作用在變壓器繞組上的短路電磁力一方面隨短路電流的大小不斷變化；另一方面在短路電磁力的作用下，繞組及其支撐結(jié)構(gòu)不是靜止不動(dòng)的，在這個(gè)過(guò)程中，變壓器繞組要承受輻向電磁力與軸向電磁力聯(lián)合作用，使繞組沿軸向上下振動(dòng)，同時(shí)輻向拉伸力使外側(cè)繞組直徑增大，輻向壓縮力使內(nèi)側(cè)繞組直徑減小，這必然會(huì)引起漏磁場(chǎng)也隨著發(fā)生變化，而漏磁分布的改變又將引起繞組受力也隨著發(fā)生變化。由于保護(hù)未能及時(shí)切除此變壓器，這種不斷變化的短路電磁力作用時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)變壓器繞組變形破壞力就越大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在短路引起的繞組損壞事故中，輻向壓縮力比輻向拉伸力更有破壞性，往往是繞組絕緣擊穿的主要原因。

通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，此變壓器繞組除其外部嚴(yán)重變形外，與鐵心窗口接觸處的內(nèi)側(cè)繞組也有嚴(yán)重的變形、且有擊穿現(xiàn)象。這一方面是由于鐵心窗口內(nèi)部區(qū)域的漏磁場(chǎng)比鐵心窗口外部區(qū)域的漏磁場(chǎng)要強(qiáng)，所以此部分繞組所受的短路電磁力相對(duì)比較大；另一方面是由于鐵心窗口內(nèi)部的繞組軸向壓緊比較薄弱，因此繞組相應(yīng)部位變形比較大。

查找此變壓器跳閘記錄，從投運(yùn)以來(lái)已經(jīng)發(fā)生過(guò)兩次短路保護(hù)動(dòng)作跳閘事故。在本次短路事故中，因繞組支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，發(fā)生輻向失穩(wěn)變形，使繞組相間和對(duì)地、匝間絕緣強(qiáng)度都隨著失穩(wěn)而發(fā)生了改變，其中匝絕緣強(qiáng)度變化最大（即絕緣層可能會(huì)出現(xiàn)破裂），出現(xiàn)絕緣擊穿。如保護(hù)不能及時(shí)切除故障電流，將會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致更嚴(yán)重的局部繞組擊穿。

2 引起輻向失穩(wěn)的主要原因

圖1是變壓器繞組在輻向短路電磁力作用下輻向失穩(wěn)的典型形式。

圖1

引起變壓器繞組輻向失穩(wěn)變形因素很多，主要有以下幾個(gè)方面：

1）制造廠在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有充分考慮適當(dāng)?shù)陌踩６?，使?shí)際繞組承受的輻向穩(wěn)定力，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)短路電流的沖擊。

2）由于生產(chǎn)工藝差，造成繞組裝配間隙過(guò)大，所以在大短路電流時(shí)，可能造成繞組內(nèi)某些支撐結(jié)構(gòu)失效。

3）繞組外圍的邊界不一致造成的繞組漏磁場(chǎng)不是軸對(duì)稱磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致繞組所受的輻向壓縮力沿圓周方向不均勻分布。在短路時(shí)，結(jié)構(gòu)上比較薄弱的撐條間隔處最先失穩(wěn)而破壞。

4）多次短路事故可能在繞組上形成變形積累，在以后某次短路力作用時(shí)可能超過(guò)其支撐結(jié)構(gòu)實(shí)際承受能力，而造成失穩(wěn)變形。

本次損壞的雙卷式油浸變壓器已連續(xù)運(yùn)行多年，在發(fā)生兩次短路事故后，沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行頻率響應(yīng)分析了解繞組實(shí)際變形情況，也沒(méi)有進(jìn)行吊芯檢查。在發(fā)生母線三相短路時(shí)，變壓器繞組變形已經(jīng)達(dá)到支撐結(jié)構(gòu)不能承受的程度，因此發(fā)生變形失穩(wěn)、擊穿、燒損。

3 預(yù)防措施

為防止變壓器繞組變形失穩(wěn)，除嚴(yán)格控制變壓器制造質(zhì)量外，對(duì)已投運(yùn)的大型變壓器需要考慮以下幾個(gè)方面：

1）應(yīng)采取有效措施，減少母線發(fā)生短路的機(jī)會(huì)。一旦母線側(cè)發(fā)生短路，保護(hù)應(yīng)盡快切除母線供電變壓器。同時(shí)在母線短路未切除之前，廠用備用電源不能自投于故障母線。

2）對(duì) 110kV（66kV）及以上電壓等級(jí)的變壓器要有故障錄波在線監(jiān)視裝置，掌握短路故障電流大小以及故障持續(xù)時(shí)間，作為判斷繞組變形情況參考。

3）對(duì)運(yùn)行中的大型變壓器要進(jìn)行頻率響應(yīng)分析的測(cè)量，以便與事故發(fā)生后的頻率響應(yīng)分析結(jié)果進(jìn)行比較，合理判斷變壓器繞組變形程度。

4）大型變壓器出口短路后，應(yīng)該進(jìn)行繞組變形試驗(yàn)，與制造廠提供的原始頻率響應(yīng)進(jìn)行比較，作為繞組有無(wú)變形及其變形程度的判斷依據(jù)，未經(jīng)任何試驗(yàn)和檢查不允許試投。

5）對(duì)那些通過(guò)頻率響方式測(cè)量發(fā)現(xiàn)繞組變形較嚴(yán)重卻仍在運(yùn)行著的變壓器，應(yīng)在最短時(shí)間內(nèi)，有計(jì)劃地進(jìn)行吊心檢查和檢修。

4 結(jié)論

變壓器是電網(wǎng)中的重要設(shè)備，發(fā)生故障對(duì)電力系統(tǒng)安全、企業(yè)生產(chǎn)影響很大。通過(guò)以上分析可知，防止變壓器繞組變形失穩(wěn)損壞，需要加強(qiáng)對(duì)變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，時(shí)時(shí)了解繞組變形情況，當(dāng)繞組變形較大時(shí)應(yīng)及時(shí)停電維修?？蓽p少變壓器燒損的幾率，避免不可預(yù)計(jì)的電力中斷事故。

[1]王曉鶯.變壓器故障與監(jiān)測(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.3.

[2]謝毓城.電力變壓器手冊(cè)[M]. 北京:機(jī)柜工業(yè)出版社,2003.2.