基于變壓器突發(fā)短路試驗(yàn)探討提高抗短路能力

何東升

（國家中低壓輸配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，廣東 東莞 523325）

1 引言

變壓器短路承受能力試驗(yàn)，俗稱“突發(fā)短路試驗(yàn)”，是專門用于檢驗(yàn)變壓器承受短路事故能力的特殊試驗(yàn)，是對變壓器制造的綜合技術(shù)能力和工藝水平的考核，利用試驗(yàn)中強(qiáng)短路電流產(chǎn)生的電動力檢驗(yàn)變壓器和各種導(dǎo)電部件的機(jī)械強(qiáng)度，其目的是為了考核變壓器的動穩(wěn)定性。因此，突發(fā)短路試驗(yàn)是保證變壓器抗短路能力的一項(xiàng)十分重要的特殊試驗(yàn)［1］。

2 短路試驗(yàn)基本情況

GB 1094.5－2008《電力變壓器第5部分 承受短路的能力》（等同于IEC 60076－5：2006，MOD）是目前國內(nèi)變壓器產(chǎn)品短路承受能力試驗(yàn)現(xiàn)行所遵循的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，短路試驗(yàn)可采用如下2種方式［2］。

1）先短路法。即在變壓器的二次側(cè)預(yù)先短路，然后在一次側(cè)進(jìn)行勵磁，如圖1所示。這種方法為了盡可能地避免鐵芯飽和以及在試驗(yàn)最初的幾個周期中產(chǎn)生過大的磁化涌流疊加到短路電流上，而要求電源施加在離鐵芯柱最遠(yuǎn)的繞組上。

圖1 先短路法試驗(yàn)接線圖Fig.1 The first short－circuit test connection diagram

2）后短路法。即變壓器一次繞組施加勵磁電壓，二次繞組利用短路裝置進(jìn)行短路的方式，如圖2所示。這種方式更接近實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，與運(yùn)行中變壓器實(shí)際遭受短路故障一樣，沒有涌流的影響。由于這一方法要從網(wǎng)路中吸取很大的功率，故對試驗(yàn)室要求比較高，特別是試驗(yàn)電源，無論是電源容量，還是試驗(yàn)電流，都得滿足要求。目前，作者所在的試驗(yàn)室，已具備450V／280kA的短路試驗(yàn)?zāi)芰?，完全滿足Ⅰ類和部分Ⅱ類容量變壓器的試驗(yàn)要求。

圖2 后短路法試驗(yàn)接線圖Fig.2 After the short－circuit test connection diagram

3 短路試驗(yàn)數(shù)學(xué)模型及受力分析

3.1 短路試驗(yàn)數(shù)學(xué)模型［3］

變壓器突發(fā)短路試驗(yàn)中，用相控開關(guān)S在變壓器一側(cè)突然短路，此時的狀況與R，L串聯(lián)電路突然接到正弦電壓上去的情況相似。具體簡化單相數(shù)學(xué)模型等效電路如圖3所示。

圖3 數(shù)學(xué)模型等效電路Fig.3 Equivalent circuit of math model

圖3中，u1為一次側(cè)電壓；i為短路電流；Rd，Ld分別表示短路等值電阻和電感；S1為相控開關(guān)。二次側(cè)短路時，一次側(cè)電壓為電阻Rd、電感Ld的壓降之和，即：

式中：U1m為一次側(cè)電壓峰值；σ0為突發(fā)短路時電源電壓的初相角。

完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)后，選取一個蔬菜溫室大棚進(jìn)行了實(shí)際安裝與測試，對該系統(tǒng)的軟件和硬件進(jìn)行了測試，硬件測試是測試物聯(lián)網(wǎng)智能節(jié)點(diǎn)和底層模塊是否能夠正常工作，軟件測試是測試該系統(tǒng)是否能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和自動控制。經(jīng)測試，檢測終端將數(shù)據(jù)傳往云服務(wù)器大約在1s左右，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，準(zhǔn)確性高，將無線自組織網(wǎng)絡(luò)和NB-IOT網(wǎng)絡(luò)連接成功后，進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集并遠(yuǎn)程傳輸，并自動控制設(shè)備使大棚環(huán)境處于最佳狀態(tài)，NBIOT網(wǎng)絡(luò)連接測試和監(jiān)控軟件運(yùn)行界面如圖7和圖8所示。

方程式（1）的解為

式中：Zd為短路阻抗；σd為短路阻抗相位角；i′為對稱短路電流，是穩(wěn)態(tài)分量，呈正弦規(guī)律變化，為非對稱短路電流，是自由分量，隨時間很快衰減趨近于零

由于Rd?ωLd，所以σd≈π／2時，則式（2）可以寫為

由式（3）可知，當(dāng)突發(fā)短路電源電壓的初相角σ0＝0時，即電壓過零時發(fā)生突然短路，短路電流i達(dá)到最大值，此時，短路電流的穩(wěn)態(tài)分量和自由分量均達(dá)到最大值，但方向相反，經(jīng)過半個周期，即ωt＝π時，短路電流i達(dá)到最大值

式中：I為對稱短路電流有效值；k為短路電流最大值與對稱短路電流幅值之比，與衰減系數(shù)Rd／Ld有關(guān)。

3.2 短路試驗(yàn)受力分析

短路試驗(yàn)時機(jī)械應(yīng)力的產(chǎn)生，是由于繞組中的電流和變壓器漏磁通相互作用所致，其大小與2個因素相關(guān)：變壓器短路電流的最大值和線圈間漏磁通的大小。變壓器短路電流的最大值與合閘時相控開關(guān)的合閘角度息息相關(guān)，為保證在3個繞組中的某個繞組上得到最大非對稱電流，由上節(jié)分析得，應(yīng)在該相繞組上的電壓過零時合閘。漏磁場的軸向分量和輻向分量分別使繞組產(chǎn)生輻向和軸向電動力。由于2個繞向相同的繞組電流方向相反，導(dǎo)致軸向漏磁場使內(nèi)繞組受到向內(nèi)的壓縮力，使外繞組受到向外的拉伸力，同時，在繞組端部，漏磁場發(fā)生畸變，輻向漏磁分量增大，輻向漏磁場使內(nèi)外繞組均受到軸向壓縮力。而且，內(nèi)外繞組在上下結(jié)構(gòu)是否對稱，安匝平衡與否，也直接導(dǎo)致繞組由于受到不同方向軸向力而受力不均，發(fā)生畸變或變形。

另外，除了故障電流、導(dǎo)線截面、線圈高度等有關(guān)因素外，機(jī)械應(yīng)力與漏磁的大小關(guān)系甚密，軸向力與漏磁的三角形面積成正比，導(dǎo)線軸向彎曲力與漏磁三角形的高度成正比，并與墊塊擋距平方成正比，徑向牽引力與線圈直徑成正比。有關(guān)這方面的因素很多，不再贅述。

4 短路試驗(yàn)故障前兆分析

作者根據(jù)多年變壓器突發(fā)短路試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)和歸納了部分故障的早期前兆，根據(jù)試驗(yàn)中隨時出現(xiàn)的異樣現(xiàn)象，盡快發(fā)現(xiàn)樣機(jī)的故障和缺陷所在，防止樣機(jī)損壞和缺陷進(jìn)一步擴(kuò)大，甚至炸裂，從而破壞了故障點(diǎn)或缺陷源頭，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失和時間浪費(fèi)，所以，及時地發(fā)現(xiàn)故障和缺陷根源，為制造商進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)和工藝提供強(qiáng)有力的依據(jù)，有針對性的為制造商提供改善措施和整改建議。

4.1 短路電抗變化超標(biāo)

根據(jù)GB 1094.5－2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對于圓形同芯式線圈的變壓器，電抗變化前后不超過2%；對于箔繞和短路阻抗為3%以上的，電抗變化前后不超過4%；對于非圓形同芯式變壓器且阻抗在3%以上的，電抗變化前后不超過7.5%［2］；實(shí)際試驗(yàn)中，應(yīng)注意觀察每次試驗(yàn)所測得的短路電抗的變化，此電抗值變化可能是遞增的，也可能是趨于某個穩(wěn)定值，但一旦變化過大或超標(biāo)，應(yīng)立即停止試驗(yàn)，做進(jìn)一步故障排查，如測試變比，繞組電阻，或空載損耗、空載電流諧波等項(xiàng)目，進(jìn)行短路前后的比較。如有必要，應(yīng)吊芯檢查作進(jìn)一步確認(rèn)。

由于短路試驗(yàn)的軸向力和輻向力同時作用，絕緣墊塊與絕緣紙圈又是彈性體，在短路時受擠壓，超過壓限的情況下，會使墊塊形成槽形，此時墊塊便松動彈出。在端部較厚的層壓紙板圈也會受到不均勻的壓力，造成斷裂。同時，導(dǎo)線所承受的力疊加后傳向兩端，向上的力由鐵壓圈承受，由于鐵壓圈是開口的，壓圈開口處一端翹起，壓圈的力傳至壓釘，壓釘受力向上，使夾件的下肢板頂彎，所以，油變吊芯后，重點(diǎn)檢查絕緣墊塊和線圈位置有否移位或變形，壓縮帶、夾件和壓釘有否松動或歪斜，干變的環(huán)氧樹脂有否開裂和絕緣受損現(xiàn)象。此類缺陷都會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變化，從而影響電抗變化，阻值異常，諧波畸變等。

表1和表2為容量1000kV·A電力變壓器（非圓形同芯式變壓器）試驗(yàn)前后電抗實(shí)測數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)?分接試驗(yàn)進(jìn)行到第2次時，相抗變化C相已經(jīng)達(dá)到11.76%，超過標(biāo)準(zhǔn)允許范圍，吊芯檢查后發(fā)現(xiàn)C相線圈已經(jīng)位移。

表1 試驗(yàn)前后電抗測試對比Tab.1 Comparison test before and after the test reactor

表2 試驗(yàn)前后電抗變化Tab.2 Reactance change before and after the test

4.2 短路波形異常

根據(jù)短路試驗(yàn)?zāi)Ｐ头治?，短路試?yàn)時，短路電流有2個分量：一個是穩(wěn)態(tài)分量，另一個是自由分量（由磁場中所儲藏的能量不斷衰減，全部變?yōu)槠渲须娮杷牡臒崮転橹梗．?dāng)選相合閘時刻穩(wěn)定，供給電源恒定即輸出電壓不變，樣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化即負(fù)載恒定，短路試驗(yàn)輸出波形在同一分接上應(yīng)前后2次試驗(yàn)變化不大，當(dāng)發(fā)現(xiàn)輸出波形幅值變小或畸變時，應(yīng)立即停止試驗(yàn)，吊芯檢查，尋找異常點(diǎn)。圖4為容量1600kV·A電力變壓器短路試驗(yàn)實(shí)拍波形圖，其后半周期電流突然變小，且電壓波形毛刺較多，吊芯檢查后發(fā)現(xiàn)線圈已位移，且端圈斷裂和擠出。

圖4 短路試驗(yàn)波形異常圖Fig.4 Short－circuit test waveforms anomalies

4.3 過熱嚴(yán)重

短路試驗(yàn)過程中，應(yīng)隨時關(guān)注接線銅排和波紋油箱的溫度變化，因?yàn)槌藱C(jī)械力造成損壞的因素外，熱穩(wěn)定因素亦能造成缺陷。當(dāng)試驗(yàn)電流倍數(shù)大，試驗(yàn)次數(shù)累積時，導(dǎo)線溫度驟升。制造廠一般規(guī)定銅線溫度不超過250℃，鋁線溫度不超過200℃。實(shí)際銅線溫度超過100℃以上時，將重新結(jié)晶，此時導(dǎo)線變軟。每當(dāng)短路試驗(yàn)1次，導(dǎo)線加溫1次，并承受張力1次，會使導(dǎo)線延伸1次，這累積效應(yīng)也將使導(dǎo)線驟然升溫和逐漸伸長，超過應(yīng)力時，導(dǎo)線將斷裂。在短路試驗(yàn)過程中，是模擬最嚴(yán)重的三相短路情況，在遭受幾個分接多次短路試驗(yàn)后，由于分接頭線段處漏磁不平衡，而使高壓線圈外圓增大。同時，也應(yīng)關(guān)注油箱或散熱器裂縫，導(dǎo)致絕緣油大量漏出，在短路試驗(yàn)后期，油箱往往在最薄弱的焊縫處裂開，對片式散熱器更容易在受壓下裂縫。

4.4 聲音異常

短路試驗(yàn)過程中，應(yīng)隨時關(guān)注短路時刻試品的發(fā)聲，對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化或缺陷的樣機(jī)，在每次短路時刻，發(fā)聲應(yīng)該一致或相近，當(dāng)發(fā)現(xiàn)聲音異?；騼?nèi)部有拖尾聲響時，應(yīng)立即停止試驗(yàn)，作進(jìn)一步確認(rèn)后再進(jìn)行。

5 提高變壓器抗短路能力措施

基于以上短路試驗(yàn)出現(xiàn)的各種故障現(xiàn)象，作者認(rèn)為：提高變壓器抗短路能力，應(yīng)根據(jù)繞組受力和實(shí)際運(yùn)行情況，不僅需要加強(qiáng)和改進(jìn)設(shè)計(jì)計(jì)算，還要采取工藝制造的提升。

1）突發(fā)短路是一個動態(tài)和關(guān)連的過程，全過程相當(dāng)復(fù)雜，所以設(shè)計(jì)每個零件時，不但要考慮短路情況下的漏磁場分布、動態(tài)受力情況和繞組應(yīng)力分析計(jì)算，還要仔細(xì)研究它與周邊零件的短路力的相互作用，以便采取措施，確保短路時動態(tài)狀態(tài)下的每個零件的機(jī)械穩(wěn)定性。

2）從短路試驗(yàn)故障和繞組受力情況分析，內(nèi)繞組比外繞組受力更為嚴(yán)重，設(shè)計(jì)時應(yīng)充分注意內(nèi)繞組結(jié)構(gòu)，以提高內(nèi)繞組輻向強(qiáng)度，如低壓繞組內(nèi)襯高強(qiáng)度硬紙筒，加密內(nèi)徑圓周方向的撐條根數(shù)，內(nèi)繞組之間輻向充分套緊。同時，也應(yīng)提高整體繞組輻向強(qiáng)度，如繞組采取恒壓干燥，墊塊預(yù)密化處理；改進(jìn)鐵軛夾件結(jié)構(gòu)，采用加強(qiáng)的整圓壓板取代半圓形壓板；增加壓釘數(shù)量，嚴(yán)格做到各壓釘和鐵軛下木楔受力均勻，確保繞組充分壓緊；改進(jìn)低壓繞組的結(jié)構(gòu)形式，提高低壓繞組端部的機(jī)械強(qiáng)度。

3）合理選擇設(shè)計(jì)參數(shù)，不要僅從節(jié)約角度出發(fā)，更要按設(shè)計(jì)原則，穩(wěn)、快、好、省全面來考慮，即在保證各種指標(biāo)、溫升限值的前提下，綜合選擇撐條條數(shù)、導(dǎo)線的寬厚比以及導(dǎo)線的許用應(yīng)力等；而且對短路狀態(tài)下各種分接電壓位置變壓器所受到的輻向電磁力和軸向電磁力進(jìn)行認(rèn)真校核，保證線圈、夾件、鐵芯拉板以及焊縫在受到最大短路應(yīng)力的情況下不超過許用應(yīng)力，并留有足夠裕量。

4）變壓器內(nèi)部裸露的導(dǎo)體應(yīng)加包絕緣，加強(qiáng)引線支架及外殼機(jī)械強(qiáng)度，同時，盡量做到安匝平衡，嚴(yán)格控制繞組間的高度差，以減少繞組的軸向力。

6 結(jié)論

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，電力行業(yè)的突飛猛進(jìn)，變壓器抗短路強(qiáng)度日漸成為研制高穩(wěn)定大容量變壓器課題中的重點(diǎn)之一，從常年實(shí)際運(yùn)行情況和多年試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，通過了短路能力耐受試驗(yàn)的產(chǎn)品，在運(yùn)行中就有足夠的短路耐受能力，抗短路能力大大增加［4］；建議在試驗(yàn)?zāi)芰Ψ秶鷥?nèi)，各種結(jié)構(gòu)的變壓器都應(yīng)能承受這一耐受能力試驗(yàn)。由于突發(fā)短路試驗(yàn)是考核和驗(yàn)證變壓器抗短路能力水平最有效的手段和方法，而此項(xiàng)試驗(yàn)具有很大的破壞性和特殊性，這就對檢測機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)工程師提出了更高的要求，應(yīng)能面對檢測過程中出現(xiàn)的各種異樣情況，及時的分析和決策，有針對性的為制造商提供改善措施和整改建議，協(xié)助對方完善產(chǎn)品，從而不斷提高我國變壓器整體水平。同時，也應(yīng)重點(diǎn)注意到提高變壓器本身抗短路能力水平是由材料的優(yōu)次，設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)，工藝的好壞等多個環(huán)節(jié)共同決定的，而非單一的某個環(huán)節(jié)。

［1］賀以燕.我國電力變壓器的短路試驗(yàn)及探討［J］.變壓器，2006，43（3）：1－3.

［2］GB 1094.5－2008電力變壓器 第5部分 承受短路能力［S］.

［3］何東升，苗本健.變壓器突發(fā)短路試驗(yàn)中相控開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用［J］.低壓電器，2010，12（2）：49－52.

［4］陳奎.變壓器短路試驗(yàn)方法及發(fā)展［J］.變壓器，2000，37（1）：49－52.