大容量變壓器抗短路能力簡(jiǎn)析

王志連

（山東電力設(shè)備有限公司,濟(jì)南 250022）

1 前言

變壓器在電力系統(tǒng)中運(yùn)行會(huì)受到短路沖擊，短路的嚴(yán)重程度與變壓器抗短路能力的強(qiáng)弱決定了事故的后果。變壓器的抗短路能力不足是近幾年造成變壓器損壞的重要原因，也成為電力變壓器運(yùn)行中的突出問題。隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，變壓器的電壓等級(jí)、容量在不斷增加，變壓器承受的短路電流也隨之增大，經(jīng)受的考核越來越苛刻。根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，Ⅲ類變壓器短路峰值因數(shù)已提高至2.69[1]。

2 變壓器短路狀態(tài)下受力分析

變壓器在正常運(yùn)行時(shí)，鐵心中的磁密及繞組中的電流約為額定值。當(dāng)受到短路沖擊時(shí)，繞組內(nèi)所通過的電流將達(dá)到額定電流的幾倍甚至幾十倍，因斷路器跳閘需要一定時(shí)間，通常為幾十毫秒到一百多毫秒，盡管這種暫態(tài)運(yùn)行的持續(xù)時(shí)間很短，繞組在電動(dòng)機(jī)械力作用下仍有可能因失穩(wěn)而造成變壓器損壞。

根據(jù)長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和短路強(qiáng)度試驗(yàn)可知，變壓器在突發(fā)短路故障時(shí)，其繞組損壞主要是由于短路時(shí)的軸向力和徑向力作用的結(jié)果。沿繞組的軸向力使繞組承受壓力或拉力作用。拉力方向是向著鐵軛，嚴(yán)重時(shí)可將上鐵軛頂起，破壞整個(gè)鐵心結(jié)構(gòu)。沿繞組的徑向力使內(nèi)繞組受壓力作用，外繞組受拉力作用。當(dāng)壓力或拉力大于導(dǎo)線抗張應(yīng)力時(shí)繞組發(fā)生變形，導(dǎo)線絕緣斷裂，破壞主、縱絕緣結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重時(shí)甚至拉斷導(dǎo)線。

大容量發(fā)電機(jī)主變低壓繞組大多采用螺旋式結(jié)構(gòu)，在受到短路沖擊時(shí)，低壓繞組中勢(shì)必存在一軸向電流分量，該分量隨低壓繞組電流的增大而增大，同時(shí)其螺旋性越來越明顯，該分量除引起漏磁發(fā)生變化可能導(dǎo)致變壓器鐵心及結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生局部過熱等問題外，低壓繞組出線處受到的周向力也必須引起足夠的重視。

3 解決變壓器抗短路能力的技術(shù)措施

減少大型變壓器受到短路沖擊而發(fā)生損壞的事故，一般從限制流入變壓器繞組的短路電流和提高變壓器本身的抗短路能力入手。

3.1 限制流入變壓器繞組的短路電流

目前主要采用的限制短路電流的方法包括出線加裝固定串聯(lián)電抗器、加裝新型可控串聯(lián)限抗（故障限流器）、變壓器母線分段運(yùn)行、采用大容量高速開關(guān)限流、改變中性點(diǎn)接地方式或加裝小電抗抑制單相短路電流等措施。

（1）普通串聯(lián)電抗器是將一個(gè)固定阻值的電抗器串聯(lián)入電網(wǎng)，是一種傳統(tǒng)的限流技術(shù)，運(yùn)行方式簡(jiǎn)單、安全可靠，但影響電力系統(tǒng)的潮流分布且增加了無功損耗，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有一定影響。

（2）打開母線分段開關(guān)，使變壓器分列運(yùn)行，可以增大系統(tǒng)阻抗，有效降低短路電流水平，該措施實(shí)施方便，但該方案將削弱系統(tǒng)的電氣聯(lián)系，降低電網(wǎng)安全裕度和運(yùn)行靈活性。

（3）采用爆炸式快速開斷載流橋體與高壓限流熔斷器、高吸能氧化鋅電阻相組合的新型大容量高速開關(guān)裝置(FSR)，該裝置具有額定電流大(12 kA)、斷流能力強(qiáng)(160 kA)、開斷速度快(3 ms內(nèi)切斷故障)等性能。FSR裝置可以與斷路器串聯(lián)作為短路開斷設(shè)備，見下圖（a）；也可以與電抗器并聯(lián)，正常運(yùn)行時(shí)將電抗器短接，短路時(shí)FSR斷開，將電抗器投入以限制短路電流，見下圖（b）。

除中性點(diǎn)加裝小電抗為單一針對(duì)單相短路電流的限流措施，其他幾種方法都是主要針對(duì)三相短路情況的。針對(duì)不同電壓等級(jí)，不同短路風(fēng)險(xiǎn)問題的變壓器，所適宜采取的措施也不盡相同。各種方法比較見下表：

幾種變壓器抗短路措施比較表

3.2 提高變壓器本身的抗短路能力

變壓器抗短路能力主要涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗短路校驗(yàn)、制造工藝、生產(chǎn)控制、原材料等各環(huán)節(jié)。

3.2.1 變壓器設(shè)計(jì)

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總的思路是：基礎(chǔ)穩(wěn)固、支點(diǎn)可靠、保護(hù)力大、破壞力小。變壓器能否通過短路沖擊，首先決定于變壓器的結(jié)構(gòu)是否合理。后期工藝及生產(chǎn)控制無法彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)上的缺點(diǎn)。

變壓器內(nèi)線圈加硬紙筒及撐條可有效撐緊撐圓線圈，保證短路時(shí)電動(dòng)力的有效傳遞。提高導(dǎo)線的屈服強(qiáng)度可有效提高繞組的抗短路能力。

（2）安匝計(jì)算

一般來說，變壓器額定分接的安匝不平衡率控制在1.5%左右，極限分接控制在3.5%左右，安匝控制的越好，變壓器在受到短路沖擊時(shí)的軸向電動(dòng)力越小。將調(diào)壓線圈拿出作為單獨(dú)線圈進(jìn)行設(shè)計(jì)，可有效改善安匝分布。

（3）電流密度選取

電流密度值越小，變壓器承受短路沖擊能力越強(qiáng)，但同時(shí)經(jīng)濟(jì)性越差，在保證抗短路能力合格的前提下盡量提高變壓器的經(jīng)濟(jì)性是設(shè)計(jì)追求進(jìn)步的方向。

（4）材料選取

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及國(guó)網(wǎng)十八項(xiàng)反措要求規(guī)定，變壓器內(nèi)線圈必須使用半硬銅自粘性換位導(dǎo)線。變壓器在受到短路沖擊時(shí)，一般會(huì)在0.15s內(nèi)退出運(yùn)行，這時(shí)自粘性換位導(dǎo)線的自粘性基本未受到短路溫升的影響，且短路電動(dòng)力在第一個(gè)周波達(dá)到峰值早已過去，因此，半硬銅自粘性換位導(dǎo)線的抗短路能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通的紙包單線或組合導(dǎo)線。

（5）抗短路驗(yàn)算

目前的抗短路能力驗(yàn)算主要有兩種方法。一種是基于典型物理公式進(jìn)行計(jì)算的內(nèi)線圈輻向力計(jì)算方法，是根據(jù)彈性理論由承受幅向壓力的薄壁圓筒的幅向穩(wěn)定公式推導(dǎo)出來的，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，只要繞組輻向失穩(wěn)的安全裕度取1.8～2.0[2]，則承受輻向壓縮短路力作用的繞組就不會(huì)因幅向失穩(wěn)而損壞。另一種是基于有限元法的計(jì)算方法。受制于商業(yè)軟件內(nèi)核判據(jù)的不同，各軟件計(jì)算的抗短路能力裕度存在差異，需要變壓器制造廠根據(jù)自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。

3.2.2 變壓器的生產(chǎn)工藝控制

提高變壓器抗短路能力，主要集中于變壓器器身上，主要包括線圈繞緊、套裝撐緊、器身壓緊。另外兼顧引線夾持及線圈出頭綁扎等。

（1）線圈繞緊。根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備、操作工藝的能力，控制線圈絕緣件尺寸，換位處加強(qiáng)絕緣，保證在短路沖擊時(shí)，絕緣件不能處于自由狀態(tài)，線圈繞制后形成剛體。

（2）套裝撐緊。目前通用的做法是采用器身整體套裝。套裝前鐵心撐圓，套裝時(shí)線圈撐條檔份要分配均衡，保證紙筒干燥后尺寸，線圈必須在施加外力的作用下套裝，再通過恒壓干燥壓緊。

（3）器身壓緊。提高器身軸向的穩(wěn)定性，主要通過以下措施進(jìn)行。一是對(duì)絕緣墊塊進(jìn)行密化處理。二選擇合適的軸向預(yù)緊力。三是改進(jìn)壓板性能。四是進(jìn)行繞組結(jié)構(gòu)材料參數(shù)測(cè)試、軸向壓緊情況探測(cè)、繞組變形測(cè)試等工作。

（4）結(jié)合變壓器接線方式，器身引線夾持、線圈首尾段線餅的綁扎、線圈出頭處引線的綁扎等也都是提高變壓器抗短路能力的關(guān)鍵點(diǎn)。

4 結(jié)論

（1）變壓器的抗短路能力主要決定因素是導(dǎo)線材質(zhì)、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工藝。

（2）隨著電網(wǎng)容量的增加，系統(tǒng)短路電流越來越大，如何通過實(shí)踐尋找可靠經(jīng)濟(jì)的解決方案是我們不斷追求進(jìn)步的方向。

[1]電力變壓器-第五部分-承受短路的能力[Z].GB 1094.5-2008 .

[2]謝毓成.電力變壓器手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社[M]，2003（01）.