關(guān)于電力變壓器短路故障的探討

丁萬(wàn)啟

摘 要：電力變壓器是電力系統(tǒng)的主體設(shè)備，在長(zhǎng)期運(yùn)行中容易發(fā)生短路故障。出口短路會(huì)造成絕緣過(guò)熱故障和繞組變形故障，其中變壓器繞組的變形已經(jīng)成為引發(fā)其他故障和事故的直接原因。本文通過(guò)對(duì)變壓器短路故障的分析，提出了關(guān)于變壓器短路故障補(bǔ)救措施及技術(shù)改進(jìn)思路。

關(guān)鍵詞：變壓器 短路故障 絕緣過(guò)熱 繞組變形 電動(dòng)力

一、出口短路對(duì)電力變壓器的影響

電力變壓器的短路故障主要是指變壓器的出口短路、變壓器內(nèi)部引線或繞組間對(duì)地短路、以及變壓器相與相之間發(fā)生的短路而導(dǎo)致的故障。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，出口短路故障對(duì)電力變壓器正常運(yùn)行產(chǎn)生的影響最頻繁，也最為嚴(yán)重，甚至有的地區(qū)有一半以上的變壓器事故是由短路故障電流沖擊直接引起的，并且這種情況在多地區(qū)有增長(zhǎng)的趨勢(shì)。變壓器出口短路故障將會(huì)給人們帶來(lái)十分嚴(yán)重的損失，尤其是變壓器低壓出口短路所引起的故障或者事故，通常需要對(duì)繞組進(jìn)行部分或者全部更換。

短路電流引起絕緣過(guò)熱故障，主要是因?yàn)殡娏ψ儔浩髟谕蝗话l(fā)生短路時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致額定值數(shù)十倍的短路電流同時(shí)集中通過(guò)高、低壓繞組，使其瞬間產(chǎn)生極大的熱量，導(dǎo)致電力變壓器嚴(yán)重發(fā)熱。一旦過(guò)載的短路電流超過(guò)電力變壓器的承受能力，使其熱穩(wěn)定性變差，嚴(yán)重?fù)p傷變壓器的絕緣材料，從而次年工程變壓器擊穿或者損毀的事故。電力變壓器的出口短路主要有三相短路、兩相短路、兩相接地短路以及單相接地短路等幾種主要的形式，其中單相接地短路的故障率最高，占全部短路故障的一半以上，兩相短路故障次之，另外兩種短路故障發(fā)生的幾率較小，但是三相短路所產(chǎn)生的瞬間短路電流值最高，因此在進(jìn)行電力變壓器設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮三相短路電流這一因素。

短路電動(dòng)力引起繞組變形故障，主要是由于電力變壓器在受到短路沖擊時(shí)產(chǎn)生了過(guò)大的短路電流，這種情況甚至?xí)斐勺儔浩鞯睦^電保護(hù)延時(shí)動(dòng)作拒動(dòng)，使繞組產(chǎn)生較為嚴(yán)重的變形或者損壞。如果短路電流比較小，那么繼電保護(hù)能夠正確進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作，因此而產(chǎn)生的繞組變形也非常輕微，對(duì)這類輕微的變形要及時(shí)進(jìn)行檢修。如果忽視輕微的繞組變形，不及時(shí)對(duì)墊塊的位置進(jìn)行恢復(fù)，對(duì)繞組的壓釘及鐵軛拉板、拉桿進(jìn)行緊固，加強(qiáng)引線的夾緊力，則在經(jīng)受多次短路沖擊之后，電力變壓器將會(huì)因繞組變形的積累而損壞。繞組突然短路時(shí)，載流導(dǎo)線在漏磁作用下受到強(qiáng)烈的電動(dòng)力作用，我們將這種電動(dòng)力分解為縱軸和橫軸兩個(gè)分量進(jìn)行研究?？v軸磁場(chǎng)使繞組產(chǎn)生輻向力，而橫軸磁場(chǎng)使繞組受到軸向力，因此電力變壓器的繞組發(fā)生出口短路時(shí)，需要承受很大的軸向和輻向電動(dòng)力。軸向電動(dòng)力會(huì)想中間壓縮繞組，它是一種機(jī)械應(yīng)力，大大影響繞組匝間的絕緣特性，損傷繞組的匝間的絕緣性，并且軸向力使整個(gè)繞組受到張力，在導(dǎo)線中產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。繞組的軸向力主要有兩部分：一部分是由于繞組端部漏磁彎曲部分的輻向分量與載流導(dǎo)體相互作用而產(chǎn)生的，以壓力的形式作用于內(nèi)、外繞組；另一部分則是由于繞組內(nèi)外安匝不平衡所產(chǎn)生的輻向漏磁與載流導(dǎo)體相互作用生成的，這種力主要使內(nèi)繞組受擠壓，外繞組受到拉力，并且安匝不平衡越大，所產(chǎn)生的軸向力也越大。輻向電動(dòng)力則主要向外擴(kuò)張整個(gè)繞組，使其失去穩(wěn)定性，造成相間絕緣損壞。如果這種電動(dòng)力過(guò)大，則將會(huì)導(dǎo)致繞組扭曲變形或者導(dǎo)線斷裂等更為嚴(yán)重的后果。

二、短路故障引起的變壓器繞組變形特征分析

經(jīng)過(guò)對(duì)出現(xiàn)故障或事故的變壓器進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)變壓器繞組的變形已經(jīng)成為直接引發(fā)其他故障和事故的主要原因之一。在電力變壓器運(yùn)行過(guò)程中，其繞組出現(xiàn)嚴(yán)重變形且繼續(xù)運(yùn)行，則將會(huì)造成停電故障，甚至導(dǎo)致整個(gè)變壓器的燒毀。分析其主要原因，繞組的繞制工藝粗糙、機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足等設(shè)計(jì)制造原因?qū)е缕涑惺茈娏鳑_擊的能力和抵抗外部機(jī)械干擾力的能力較差，因此變壓器繞組在受到內(nèi)部電動(dòng)力和外部機(jī)械力的影響后很容易變形，尤其是變壓器出口短路形成的短路沖擊電流及電動(dòng)力將使繞組瞬間扭曲變形，甚至損毀。

電動(dòng)力是造成繞組變形的主要原因。繞組結(jié)構(gòu)中，高壓繞組處于外層，軸向拉伸應(yīng)力和輻向擴(kuò)張應(yīng)力會(huì)使繞組端部壓釘松動(dòng)，導(dǎo)致拉板和各種緊固件彎曲變形，繞組松弛；處于內(nèi)柱或中間部位的中低壓繞組經(jīng)常受到軸向和輻向壓縮力的影響，從而使繞組端部緊固壓釘松動(dòng)、墊塊位移、撐條傾斜、線餅扭曲或者出現(xiàn)較大面積的內(nèi)凹及上翹現(xiàn)象；繞組分接區(qū)及糾接區(qū)的安匝不平衡，容易產(chǎn)生橫向漏磁場(chǎng)，短路時(shí)線餅容易在電動(dòng)力的作用下變形或損壞。

機(jī)械力也是影響繞組變形的一大因素，強(qiáng)大的機(jī)械外力會(huì)造成變壓器繞組的整體位移變形。

三、電力變壓器短路故障補(bǔ)救措施及技術(shù)改進(jìn)

基于上述，為防止短路故障造成的繞組變形的等問(wèn)題，降低變壓器短路事故率，學(xué)界對(duì)電力變壓器短路故障補(bǔ)救措施進(jìn)行了探討，同時(shí)也提出了一定的技術(shù)改進(jìn)措施。

要降低電力變壓器短路事故的發(fā)生，首先要做好變壓器的選型，選用符合短路試驗(yàn)要求的變壓器，合理確定變壓器的容量及短路阻抗；其次就是要優(yōu)化變壓器的運(yùn)行條件，主要是提高電力線路的絕緣水平，降低近區(qū)故障影響和危害；第三就是要優(yōu)化變壓器的運(yùn)行方式，要根據(jù)短路電流的精確核算來(lái)確定其運(yùn)行方式，同時(shí)采取一定的保護(hù)措施來(lái)限制短路電流的危害；第四要提高運(yùn)行管理水平，避免誤操作造成短路，加強(qiáng)變壓器點(diǎn)檢和維修。

從技術(shù)上，要運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，包括繞組結(jié)構(gòu)、器身結(jié)構(gòu)、鐵心結(jié)構(gòu)等多個(gè)方面。