電力變壓器短路沖擊損壞分析及防治措施

連建華，張海，王欣偉

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西太原030001；2.國網(wǎng)山西省電力公司，山西太原030001）

電力變壓器短路沖擊損壞分析及防治措施

連建華1，張海2，王欣偉1

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西太原030001；2.國網(wǎng)山西省電力公司，山西太原030001）

立足山西電網(wǎng)220 kV變壓器的運行現(xiàn)狀，通過對變壓器相關(guān)科研、生產(chǎn)、運維單位的調(diào)研，收集了完整的原始出廠結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及運行數(shù)據(jù)等資料，研究分析了影響電力變壓器抗短路電流沖擊能力的設(shè)計、選材、工藝等方面的因素。通過對電力變壓器抗短路能力的影響因素的分析研究，提出了針對性治理措施，并給出變壓器選型采購的建議。

變壓器；出口短路；輻向失穩(wěn)；抗短路能力；校核

0 引言

電力變壓器在出口或近區(qū)短路電流引起的巨大沖擊電動力的作用下極易造成損壞。國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)近5 a的變壓器事故統(tǒng)計表明，因外部短路電流沖擊引起變壓器損壞占全部變壓器故障的30%。2001—2010年，山西電網(wǎng)220 kV及以上電力變壓器故障17次，其中外部短路沖擊導(dǎo)致變壓器動穩(wěn)定破壞故障11次，占總數(shù)的65%，嚴重影響了山西電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。短路沖擊已成為電力變壓器損壞的的首要原因。

1 短路電流下繞組受力分析

當變壓器繞組中流過電流時，就會在繞組所占空間及其周圍空間產(chǎn)生漏磁通。由于磁力線在繞組端部彎曲而產(chǎn)生的輻向漏磁分量與軸向漏磁分量相比，其值較小，故通?？梢哉J為電流產(chǎn)生的軸向漏磁通是主要的。圖1為繞組漏磁分布示意圖。當變壓器在運行中受到短路沖擊時，巨大的短路電流（數(shù)倍甚至數(shù)十倍于額定電流）在漏磁通作用下將在繞組中產(chǎn)生很大的電動力。根據(jù)“左手定則”，內(nèi)、外繞組將受到使其分離的作用力Fr，即外繞組（一般為高壓側(cè)）受到沿輻向四周伸展的張力，而內(nèi)繞組（一般為低壓側(cè)）則是受到沿圓周朝鐵芯柱方向的壓縮力。由于導(dǎo)線的抗彎強度遠低于抗拉強度，內(nèi)線圈機械失穩(wěn)問題成為線圈耐受短路的主要矛盾[1]。

圖1 繞組漏磁分布示意圖

2 繞組輻向電動力計算及失穩(wěn)判據(jù)

2.1 繞組輻向電動力計算

根據(jù)日本變壓器專門委員會提出的計算方法，變壓器內(nèi)繞組在短路電流作用下的輻向電動力計算公式

式中：h為繞組高度；Lm為繞組的線段（線餅）平均長度；Am為短路時繞組安匝密度（瞬時最大值），其中，

式中：Im為短路電流瞬時最大值；N為匝數(shù)。

內(nèi)繞組每個線段（線餅）短路時所承受的電動力

式中：M為內(nèi)繞組的線段（線餅）數(shù)；R為內(nèi)繞組的平均半徑。

2.2 繞組臨界穩(wěn)定強度及穩(wěn)定判據(jù)

繞組的臨界穩(wěn)定強度與導(dǎo)線的機械性能和繞組結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，內(nèi)繞組在有內(nèi)支撐點（撐條）時根據(jù)Timoshenko（鐵木辛柯）推導(dǎo)的兩端鉸支圓拱在垂直于拱軸的均布載荷作用下的穩(wěn)定臨界壓力公式為

式中：Fcr為臨界壓力；E為材料的彈性模量；I為繞組的彎曲軸慣性矩；R為圓拱半徑；n為支撐點數(shù)。

理論上當穩(wěn)定強度Fcr大于所受到的力Fc時，變壓器能夠承受特定短路電流沖擊而不失穩(wěn)，但在變壓器設(shè)計中Fcr與Fc之間僅為Fcr＞Fc是不夠的，由于鐵芯柱與內(nèi)繞組間（經(jīng)紙筒和撐條）不是理想化的緊密接觸，同時受繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝技術(shù)、導(dǎo)線材質(zhì)和絕緣件的選用等因素的影響，實際的臨界穩(wěn)定強度要比計算值小，因此必須要有一個大于1的安全系數(shù)。通?？山邮艿陌踩禂?shù)為1.8～2.4[2]。

3 影響變壓器抗短路能力的因素分析

3.1 設(shè)計標準

90年代（包括21世紀初）設(shè)計、計算及制造的電力變壓器的抗短路能力是按照GB1094.5—1985的系統(tǒng)短路容量和不對稱短路系數(shù)標準設(shè)計的，但新頒布實行的GB1094.5—2008系統(tǒng)短路容量和不對稱短路系數(shù)均提高了要求，例如220 kV系統(tǒng)短路容量由15GVA提高到18 GVA；110 kV系統(tǒng)短路容量由8GVA提高到9GVA；不對稱短路系數(shù)由1.8提高到了1.9，因此依據(jù)舊標準設(shè)計的部分抗短路能力處在臨界點附近的變壓器不能滿足新標準對其抗短路能力的要求。

圖2 兩端鉸支圓拱受力示意

3.2 材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計

抗短路能力安全裕度的合理設(shè)計是變壓器抗短路能力的必要保證。在變壓器市場競爭如此激烈的今天，進行產(chǎn)品設(shè)計時，如果為了控制產(chǎn)品的成本，導(dǎo)致產(chǎn)品的設(shè)計安全裕度不夠，必將嚴重影響變壓器的抗短路沖擊能力。

提高導(dǎo)線的硬度是提高線圈輻向穩(wěn)定性的有效措施。當導(dǎo)線從“軟”態(tài)變?yōu)椤鞍胗病睉B(tài)（即σ0.2從80MPa提高到150MPa)時，輻向失穩(wěn)的平均臨界應(yīng)力可提高1.5倍。若采用自粘性換位導(dǎo)線，繞組的輻向失穩(wěn)平均臨界應(yīng)力要明顯高于非自粘接換位導(dǎo)線繞組的輻向失穩(wěn)平均臨界應(yīng)力，可以達到普通導(dǎo)線的3倍。部分制造廠節(jié)約成本，影響了對自粘換位導(dǎo)線的使用積極性。另外，提高導(dǎo)線的寬高比可以提高繞組的彎曲軸慣性矩，進而提高輻向失穩(wěn)平均臨界應(yīng)力。

盡管有觀點認為絕緣材料在干燥后的收縮效應(yīng)，使得輻向支撐對繞組的失穩(wěn)起不到支撐作用，但計算和實際觀察表明內(nèi)繞組結(jié)構(gòu)中使用硬紙筒作支撐，并合理設(shè)計撐條，增加繞組輻向支撐作用，可以明顯提高線圈整體的機械強度。

3.3 變壓器制造工藝

變壓器制造因其工藝復(fù)雜，影響因素多且很多環(huán)節(jié)仍然需要操作者手工操作，加工效果分散性相對較大。在加工過程中應(yīng)該注意如下幾方面。

a）絕緣件制造。對墊塊進行預(yù)密化處理，這是大型變壓器防止繞組軸向松動的主要方法之一。對于撐條上墊塊總高度進行控制，使各撐條上墊塊受力均勻。

b）繞組繞制。在繞制繞組時，要求導(dǎo)線均勻拉緊，以保證線餅輻向緊實；繞組采用恒壓干燥處理，墊塊壓力應(yīng)嚴格控制，以穩(wěn)定繞組的軸向尺寸；嚴格控制干燥處理后同相繞組的高度公差，以便各繞組能均勻壓緊。

c）器身裝配與整體套裝。鐵軛墊塊要求放置平整；繞組套裝要緊實，尤其是內(nèi)側(cè)繞組一定要撐緊，各撐條均不得懸空，否則要增加調(diào)節(jié)紙筒。另外，撐條應(yīng)該輻向?qū)φ?；在對繞組進行軸向壓緊時，各壓釘要均勻擰緊，壓裝完畢要檢查各繞組的壓緊情況，每個墊塊都要壓緊不得松動。

4 防止運行變壓器承受短路沖擊的措施

通常每次短路沖擊電動力將引起繞組微小變形、局部位移，一個電流峰值的沖擊就導(dǎo)致故障的幾率是極小的（除非變壓器的抗短路沖擊性能非常差），但是這種微小變形是可累積的，也就是短路沖擊的“累積效應(yīng)”。運行過程中承受多次短路電流的沖擊，變壓器繞組會發(fā)生由量變到質(zhì)變的轉(zhuǎn)化，變壓器損壞的概率非常高，“累積效應(yīng)”是不可忽視的。即使抗短路能力良好的變壓器也無法承受頻繁的短路電流沖擊。因此，必須采取措施防止變壓器運行中的短路沖擊，措施如下。

a）限制變壓器出口短路電流。變電站內(nèi)多臺變壓器低壓側(cè)分列運行，原則上高、中壓側(cè)中性點不接地運行，但應(yīng)保證變電站220 kV母線有1臺變壓器的高壓側(cè)中性點接地運行；在部分短路電流較大的變壓器低壓側(cè)短路電流限制器，限制短路電流值，減小對變壓器的沖擊。

b）防止變壓器發(fā)生出口短路。將變壓器低壓側(cè)母線進行絕緣包封，針對低壓側(cè)電纜線路絕緣薄弱環(huán)節(jié)電纜頭故障導(dǎo)致短路故障頻發(fā)的情況加強電纜頭的技術(shù)監(jiān)督，優(yōu)化制作工藝，并進行三芯電纜改單芯電纜的技術(shù)改造，減少變壓器低壓側(cè)出口短路的幾率。

c）加強用戶側(cè)管理，尤其是圍墻外用戶站的管理，防止由于用戶故障導(dǎo)致主網(wǎng)變壓器承受短路沖擊。

d）優(yōu)化變電站低壓側(cè)保護，縮短短路沖擊持續(xù)時間。變電站低壓側(cè)出線保護盡可能投入全線路瞬時速斷保護，線路長度較短的加裝線路縱差保護，變電站低壓側(cè)母線加裝差動保護；電纜出線的重合閘應(yīng)退出，架空出線除高危及重要用戶出線外，重合閘盡量退出；建議低壓側(cè)開關(guān)柜內(nèi)加裝弧光保護。

5 總結(jié)

防止變壓器短路沖擊損壞首先應(yīng)提高變壓器的設(shè)計水平和生產(chǎn)質(zhì)量，產(chǎn)品質(zhì)量的提高是提高變壓器抗短路能力的根本。制造廠應(yīng)做好繞組應(yīng)力計算，合理選擇安全系數(shù)；中低壓線圈，尤其是低壓線圈導(dǎo)線必須使用半硬導(dǎo)線或自粘換位導(dǎo)線；在低壓繞組內(nèi)側(cè)使用硬絕緣紙筒支撐結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計內(nèi)撐條數(shù)量；優(yōu)化絕緣材料和繞組的生產(chǎn)工藝，提高繞組整體機械強度。

加強生產(chǎn)過程中的監(jiān)造工作。對變壓器的關(guān)鍵原材料、關(guān)鍵工序和重要試驗進行嚴格監(jiān)造，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

落實各項預(yù)防措施，改善變壓器的運行條件，減小低壓側(cè)出口或近區(qū)短路故障的發(fā)生，盡量避免變壓器承受短路沖擊。對已經(jīng)投運的變壓器，嚴格落實各項預(yù)防措施是防止其損壞的首要手段。

［1］鐘洪壁.大型變壓器短路后內(nèi)繞組的機械穩(wěn)定性淺析和改善建議［J］.變壓器，2004，41（9）：23－28.

［2］陳玉峰，韓克存，尹奎龍，等.山東電網(wǎng)220 kV變壓器短路損壞原因淺析［J］.山東電力技術(shù)，2007（3）：11－14.

Analysis on the Transformer Damage Caused by Short-circuit Current Rush and the Preventive M easures

LIAN Jian-hua1，ZHANG Hai2，WANG Xin-wei1
（1.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China；2.State Grid Shanxi Electric Power Corporation，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Based on the operation status of 220 kV power transformers of Shanxi power grid，the paper collects the data of the structure，material and operation of the transformers through investigations on related departments engaged in transformer research，production，operation andmaintenance.The factors influencing the transformer'sability to resistshort-circuitcurrent rush are analysed in termsof the design，materialselection andmanufacturing process，andmeasurementsare presented correspondingly and some suggestions about transformer type selection and purchaseare provided.

transformer；shortcircuit；radial instability；anti-short-circuitability；checking

TM417

A

1671-0320（2014）01-0015-03

2013-09-04，

2013-11-22

連建華（1970-），男，山西清徐人，1999年畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學電器專業(yè)，高級工程師，從事輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)研究；

張海（1980-），男，山西榆次人，2006年畢業(yè)于太原理工大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，高級工程師，從事變電設(shè)備狀態(tài)檢測技術(shù)管理工作；

王欣偉（1979-），男，山西陽泉人，2009年畢業(yè)于太原理工大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，工程師，從事電氣設(shè)備絕緣試驗工作。