關(guān)于電力變壓器承受短路能力問(wèn)題的探討

顏宏偉 鄭原原

摘 要：從標(biāo)準(zhǔn)的要求出發(fā)，闡明電力變壓器承受短路能力的重要性和達(dá)到制造能承受短路能力的高強(qiáng)度電力變壓器的難處。分析了110kV電力變壓器短路強(qiáng)度的關(guān)鍵，進(jìn)一步闡述了如何開(kāi)展短路強(qiáng)度的試驗(yàn)，并建議制造廠與使用部門密切合作，開(kāi)展產(chǎn)品試驗(yàn)及運(yùn)行調(diào)查，從而逐步提高大變壓器承受短路的能力。

關(guān)鍵詞：電力變壓器；短路；力；試驗(yàn)

1、機(jī)械強(qiáng)度的難點(diǎn)

電力變壓器在系統(tǒng)中運(yùn)行，其系統(tǒng)的實(shí)際短路容量是確定的。該標(biāo)準(zhǔn)將其定義為電壓等級(jí)的視在容量，例如，110kV為8000MVA，但是實(shí)際測(cè)試31500kVA/110kV變壓器時(shí)，系統(tǒng)阻抗僅為3.6%。當(dāng)設(shè)計(jì)變壓器以承受系統(tǒng)短路的電磁力時(shí)，通常假定變壓器連接到能夠無(wú)限的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并且電流相當(dāng)于三相短路電流的第一個(gè)峰值流經(jīng)變壓器繞組。根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，不對(duì)稱系數(shù)為1.8時(shí)，表示可能發(fā)生的最嚴(yán)重的短路情況。

首先，變壓器繞組的機(jī)械強(qiáng)度與設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、制造、工藝、材料、測(cè)試、運(yùn)行和維護(hù)等諸多因素有關(guān)，尤其是測(cè)試難度大而且成本高，而且短路測(cè)試不能用作例行測(cè)試項(xiàng)目。此外，變壓器繞組的機(jī)械強(qiáng)度逐漸降低，因此單故障變壓器的機(jī)械強(qiáng)度可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于各種故障條件下的機(jī)械強(qiáng)度。另外，變壓器的最終強(qiáng)度僅等于變壓器復(fù)雜結(jié)構(gòu)中最弱部分的強(qiáng)度，機(jī)械強(qiáng)度隨著運(yùn)行而逐漸減弱，導(dǎo)致最終的損壞，包括短路“壽命”問(wèn)題。由于系統(tǒng)條件對(duì)短路強(qiáng)度的影響相當(dāng)復(fù)雜，到目前為止分析受到限制，可以說(shuō)很少有人知道，尚不足得出一個(gè)明確的結(jié)論。

其次是設(shè)計(jì)和流程很難達(dá)到完全一樣的。在力計(jì)算方面，徑向電磁力很容易計(jì)算，因?yàn)樗鼈兪怯奢S向泄漏磁場(chǎng)產(chǎn)生的。與實(shí)際和精確的電抗計(jì)算類似，最終的性能是內(nèi)部和外部繞組分別承受向內(nèi)和向外壓力以及拉力的圓周力。問(wèn)題是可以在工藝和結(jié)構(gòu)上做多少工作，尤其是內(nèi)繞組的穩(wěn)定性。就軸向力而言，它是由徑向磁場(chǎng)產(chǎn)生的，特別是其余安匝法的原理使許多國(guó)家的作者獲得了特定的計(jì)算方法。目前，已經(jīng)研究了更準(zhǔn)確的計(jì)算方法。原則上，只要高低壓繞組安匝完全平衡，就不考慮末端軸向漏磁，即沒(méi)有軸向電磁力。然而，在真實(shí)的變壓器中，龍頭存在，導(dǎo)致多余的安匝軸向力可以通過(guò)以下方法計(jì)算。為了解決由其余安匝產(chǎn)生的軸向機(jī)械力，繞組末端漏磁產(chǎn)生的軸向力以及繞組制造過(guò)程中不平衡高低電壓產(chǎn)生的內(nèi)部壓力，在繞組的兩端施加壓力以壓緊繞組。在短路條件下，繞組在工廠內(nèi)壓縮或壓縮不足。之后，運(yùn)行熱油循環(huán)會(huì)導(dǎo)致絕緣墊松動(dòng)，或者二次短路事故后絕緣墊松動(dòng)，導(dǎo)致短路狀態(tài)下的焊盤松動(dòng)和不對(duì)齊，導(dǎo)致電線崩潰，最終導(dǎo)致故障。所有這些不僅是一個(gè)計(jì)算問(wèn)題，而且還是一個(gè)實(shí)際的結(jié)構(gòu)和過(guò)程問(wèn)題。更重要的是，兩者必須協(xié)調(diào)一致才能達(dá)到所需的機(jī)械紗線。實(shí)際上，兩者很難完全達(dá)成協(xié)議。這不僅因工廠而異，而且同一工廠，同一規(guī)格和不同平臺(tái)往往難以保持一致。

2、解決配電變壓器強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)

1965～1966年，當(dāng)時(shí)的沈陽(yáng)變壓器廠率先用銅、鋁各一臺(tái)1000kVA/10kV配電變壓器在蘇家屯電網(wǎng)上進(jìn)行了短路試驗(yàn)（當(dāng)時(shí)不選相合閘，只是推上去），結(jié)果兩臺(tái)變壓器高壓繞組扭曲，高、低壓繞組均有不同程度的損壞。盡管未獲成功，但對(duì)短路試驗(yàn)開(kāi)始有了感性認(rèn)識(shí)。以后，從1982年開(kāi)始試驗(yàn)SL7和S9，到1995年試驗(yàn)新型S930～1600kVA/10kV配電變壓器，在前后十幾年中，采用的方法是邊試制邊做短路試驗(yàn)。不合格，再改進(jìn)，直到合格為止。試驗(yàn)合格SL714臺(tái)，S912臺(tái)，新型S937臺(tái)，SL7、S9、新型S9正式試驗(yàn)合格率達(dá)到90%以上。在各有關(guān)工廠完成試制后，又有大批工廠試生產(chǎn)和做短路試驗(yàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)到目前為止，包括S7在內(nèi)，沈陽(yáng)高壓開(kāi)關(guān)廠、虎石臺(tái)試驗(yàn)站、西安高壓電器研究所試驗(yàn)站、北京電科院試驗(yàn)站、上海華通開(kāi)關(guān)廠試驗(yàn)站等，共試配電變壓器約300臺(tái)。

3、110kV電力變壓器短路強(qiáng)度的關(guān)鍵所在

解決配電變壓器短路強(qiáng)度問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)是：“多重測(cè)試”。但是，其難度并不局限于上述情況，而必須以進(jìn)一步的學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)。有人認(rèn)為經(jīng)過(guò)短路測(cè)試的變壓器不能通過(guò)電網(wǎng)，不能投入電網(wǎng)使用，或者必須拆除高低壓繞組進(jìn)行檢查，然后報(bào)廢，否則會(huì)損壞，操作不可靠。眾所周知，絕緣耐電壓試驗(yàn)（動(dòng)力頻率，沖擊，操作沖擊等）和短路機(jī)械阻力試驗(yàn)屬于強(qiáng)度評(píng)定試驗(yàn)。如果阻力通過(guò)，從宏觀上講，不會(huì)有任何損害。但從微觀角度來(lái)看，難以斷定沒(méi)有一點(diǎn)影響。目前，變壓器必須通過(guò)各種耐壓試驗(yàn)，不耐電壓試驗(yàn)的產(chǎn)品不能投入使用，這是普遍接受的。在機(jī)械電阻方面，對(duì)于配電變壓器，已經(jīng)通過(guò)短路測(cè)試超過(guò)十年的產(chǎn)品已經(jīng)與網(wǎng)絡(luò)相連，取得了良好的效果。以上對(duì)大型變壓器的看法與邏輯不一致。

根據(jù)IEC76-5和GB1094.5-85變壓器耐受短路能力要求，（待完成）在短路試驗(yàn)后滿足以下三個(gè)要求，認(rèn)為短路試驗(yàn)變壓器合格：（1）重復(fù)所有常規(guī)測(cè)試，全部合格；（2）在短路測(cè)試過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷（如明顯的位移，變形，繞組放電痕跡，連接線和支撐結(jié)構(gòu)等）；（3）同心繞組測(cè)試前后電抗測(cè)量值的差異不大于2%，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證并投入使用的變壓器應(yīng)該沒(méi)有問(wèn)題。

4、如何開(kāi)展短路強(qiáng)度的試驗(yàn)

短路強(qiáng)度測(cè)試的發(fā)展是重要和必要的，這需要逐步規(guī)劃和組織困難，而且是制造商和用戶應(yīng)該密切關(guān)注的一個(gè)項(xiàng)目，只有雙方團(tuán)結(jié)一致，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的努力才能取得基本的解決。在配電變壓器方面的十年經(jīng)驗(yàn)證明，經(jīng)過(guò)大量測(cè)試和改進(jìn)之后，國(guó)產(chǎn)新S9產(chǎn)品的短路強(qiáng)度得到了顯著提高?？梢哉f(shuō)這個(gè)水平已經(jīng)達(dá)到并超過(guò)了國(guó)外同類產(chǎn)品的水平（不是整個(gè)產(chǎn)品的所有指標(biāo)），這是值得高興的事情。我國(guó)有許多工廠生產(chǎn)110kV級(jí)變壓器，他們的生產(chǎn)歷史各不相同，產(chǎn)量差異很大。毫無(wú)疑問(wèn)，所有這些工廠都需要保證產(chǎn)品的短路電阻，但都要求進(jìn)行短路測(cè)試。在同一時(shí)間或同時(shí)進(jìn)行短路測(cè)試是存在問(wèn)題的很可能一大批產(chǎn)品都存在問(wèn)題。

合格的工廠在進(jìn)行短路試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行電磁計(jì)算分析等機(jī)械強(qiáng)度的科學(xué)研究，討論本項(xiàng)目的計(jì)算方法，并對(duì)鋼材、絕緣材料的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)支撐材料（層壓木），還有加工測(cè)試（如墊準(zhǔn)備，干燥，壓力計(jì)算等），最后機(jī)械結(jié)構(gòu)可以承受力和應(yīng)變分析。將這些理論分析與實(shí)際模型試驗(yàn)相結(jié)合，不斷改進(jìn)計(jì)算方法和工藝結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)精確計(jì)算、工藝實(shí)用、結(jié)構(gòu)可靠性高，指導(dǎo)實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和加工，并通過(guò)產(chǎn)品檢測(cè)合格和沒(méi)有合格的最終判斷和改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的實(shí)際需求并使產(chǎn)品具有可靠的機(jī)械強(qiáng)度。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，短路強(qiáng)度試驗(yàn)的開(kāi)展是重要的和必要的。難點(diǎn)再大也要有計(jì)劃、有組織地逐步開(kāi)展起來(lái)，這應(yīng)該是制造與使用雙方都應(yīng)十分關(guān)注的項(xiàng)目，也只有雙方聯(lián)合起來(lái)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的努力，才能獲得基本解決。配電變壓器十幾年的經(jīng)驗(yàn)證明，在做了大量試驗(yàn)和改進(jìn)之后，國(guó)產(chǎn)新型S9產(chǎn)品，短路強(qiáng)度有了顯著的提高，可以說(shuō)達(dá)到并超過(guò)了國(guó)外同類產(chǎn)品該項(xiàng)水平（不是指整臺(tái)產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)），這是值得高興的。

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（作者身份證號(hào)碼：1 320122198604134419；

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