變壓器短路事故分析與處理方法

遲偉國 呂昆明

摘 要：近年來，我國電力事業(yè)飛速發(fā)展并取得一系列成就，但隨著時代的進(jìn)步對電力系統(tǒng)的供電要求也越來越高。對于當(dāng)前變壓器的運(yùn)行現(xiàn)狀來說，仍存在不少問題，其常發(fā)生的短路故障嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。因此，對于變壓器短路故障的處理變得越來越重要。

關(guān)鍵詞：變壓器；短路；解決措施

1短路故障原因分析

比較常見的變壓器短路故障一般有電流故障、過熱故障、出口短路故障等。造成變壓器短路故障的因素有很多，主要有變壓器的材料質(zhì)量、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電流情況、電網(wǎng)線路和各種突發(fā)問題等，而在發(fā)生短路故障的情況下都會使其絕緣材料嚴(yán)重?fù)p壞。在變壓器短路故障中，有單相接地短路、兩相短路及三相短路三種類型。其中，三相短路故障對變壓器的損壞最為嚴(yán)重。由于變壓器的選材質(zhì)量得不到保證、繞組線匝或?qū)Ь€之間沒有經(jīng)過固化處理等，導(dǎo)致變壓器抗機(jī)械強(qiáng)度差、抗短路能力不足。所以在許多短路故障中，變壓器繞組會發(fā)生軸向變形，這對變壓器的絕緣材料來說是極大的損害，并且在遇到強(qiáng)大的電流沖擊時，可能會發(fā)生嚴(yán)重爆炸事故。同時，變壓器的工作人員未及時到位進(jìn)行檢修也會使變壓器發(fā)生短路故障。在發(fā)生短路故障之前沒有進(jìn)行預(yù)防、及時更換老化配件，會引發(fā)變壓器的短路故障，而故障后只是簡單維修沒有深入調(diào)查其原因、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，也會形成惡性的短路循環(huán)。

2.變壓器短路阻抗計(jì)算

短路阻抗是當(dāng)負(fù)載阻抗為零時，變壓器內(nèi)部的等效阻抗，它是由負(fù)載電流產(chǎn)生的漏磁場所引起的。為便于產(chǎn)品之間參數(shù)的相互對比，通常用百分?jǐn)?shù)的形式來表示短路阻抗，對于在某個容量、電壓范圍下的變壓器，其短路阻抗的百分?jǐn)?shù)是相同的。

本文中筆者應(yīng)用漏磁鏈法和有限元法分別計(jì)算了改進(jìn)后新結(jié)構(gòu)自耦變壓器的短路阻抗。其繞組布置為：鐵心-低壓繞組-中壓繞組-調(diào)壓繞組-高壓繞組。當(dāng)將調(diào)壓繞組全部接入時為最大分接，全部反接入時為最小分接。

根據(jù)GB1094.5-2008中規(guī)定，220kV級三相三繞組有載調(diào)壓自耦變壓器最大容量為240MVA，短路阻抗為：高-中8%～10%；高-低28%～34%；中-壓18%～24%。此臺220kV自耦變壓器，容量高達(dá)250MVA，阻抗要求值：高-中15.5%；高-低50%；中-低31.5%。此阻抗值遠(yuǎn)大于常規(guī)產(chǎn)品。該自耦變壓器基本參數(shù)如表1所示。

表1自耦變壓器基本參數(shù)

2.1短路阻抗漏磁鏈法

自耦變壓器繞組高中運(yùn)行額定分接磁勢分布如圖2所示。

磁勢平衡方程為：

（IZ-IG）WZ-IGWC=0（1）

基準(zhǔn)磁勢為：

IW=IG（WC+WZ）=IZWZ（2）

相對磁勢為：

A2=（IZ-IG）WZ/IW=Kf（3）

圖2繞組高低運(yùn)行額定分接磁勢分布圖

A3=IGWC/IW=Kf（4）

等值漏磁面積為：

（5）

其中，

a13=a12+a2+a23（6）

（7）

ρ為洛式系數(shù)，用它來修正理想漏磁場與實(shí)際

漏磁場存在的差異，其計(jì)算公式如下。

（8）

其中λ=a3+a23+a2+a12+a1，是內(nèi)繞組內(nèi)半徑到外繞組外半徑之間的距離。短路阻抗百分?jǐn)?shù)通過下式進(jìn)行計(jì)算。

（9）

2.2短路阻抗有限元法

運(yùn)用基于場路耦合的有限元法計(jì)算變壓器的短路阻抗時，變壓器中儲存的磁場能量是在磁場建立過程中由外源做功轉(zhuǎn)換而來，計(jì)算出磁場分布可以求得磁場儲能，進(jìn)而求取繞組短路阻抗值。

當(dāng)繞組中通有電流IN時，磁場能量Wm表達(dá)式為：

（10）

式中，Wm為磁場能量（J），L為繞組電感（H），IN為相電流（A）。

當(dāng)短路阻抗的電阻分量忽略不計(jì)時，對應(yīng)額定電流IN下的短路阻抗為：

ZK=ω·L=2ωWm/IN2（11）

ZK為短路阻抗（漏電抗），ω為電源角頻率（rad/s）。

短路阻抗的百分?jǐn)?shù)為：

（12）

式中，UK為短路阻抗百分?jǐn)?shù)，f為頻率（Hz），VA為變壓器在額定運(yùn)行情況下的單相容量。

2.3變壓短路時油流速度

由于短路瞬間變壓器油溫升主要集中在繞組周圍，并且短路的時間不長，變壓器外殼附近的油溫不會發(fā)生變化，變壓器散熱條件不會改變，此時的負(fù)載損耗功率遠(yuǎn)大于變壓器的散熱功率和變壓器的鐵損。因此忽略散熱功率以及變壓器鐵損對油流的影響，設(shè)氣體繼電器內(nèi)油流速為U，氣體繼電器油路橫截面積為S，短路時的負(fù)載損耗為P（單位為kW），變壓器油熱膨脹系數(shù)為γ，變壓器油的密度為ρ，變壓器油的比熱容為C，通過計(jì)算短路時變壓器油的體積膨脹量、產(chǎn)生的熱量與損耗，以及與時間的關(guān)系，可計(jì)算推導(dǎo)出（短路時）油流速公式為

U=（P·γ）/（ρ·C·S）（13）

3.案例分析

3.1概況

某變電廠故障變壓器所在變電站運(yùn)行方式：220kV側(cè)為單母線分段接線，110kV側(cè)為雙母線接線，10kV側(cè)為單母分段接線。故障前220kV各線路正常運(yùn)行、110kV母線并列運(yùn)行，10kV側(cè)I、II母線分裂運(yùn)行。故障時現(xiàn)場無檢修工作，無操作，#1主變正常運(yùn)行，無缺陷，開關(guān)無異常信號。

3.2變壓器直流電阻試驗(yàn)

變壓器直流電阻試驗(yàn)可以檢查變壓器繞組引線的連接情況以及各相繞組電阻的平衡情況。2015年8月5日，在油溫6℃的條件下，高、中、低各相直流電阻如表2所示。高、低壓兩側(cè)三相直流電阻變化幅度不大，但中壓直流電阻三相互差2.26%。根據(jù)電力工業(yè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T393-2013《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電阻不平衡率的要求如表3所示。該型變壓器容量180000kVA，相間不平衡率應(yīng)在2%以內(nèi)，推測中壓C相存在斷股故障。

3.3短路阻抗試驗(yàn)

對該故障變壓器進(jìn)行短路阻抗試驗(yàn)，如表4所示。結(jié)果顯示，高壓繞組對中壓繞組及中壓繞組對低壓繞組C相短路阻抗數(shù)據(jù)異常，分別達(dá)到7.308%和3.100%。高壓對中壓C相偏差值已經(jīng)嚴(yán)重超出DL/T393-2013《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》警示值2%要求。判斷該變壓器中壓C相繞組存在匝間短路，導(dǎo)線斷股。

3.4綜合分析

（1）短路阻抗測試顯示，高壓繞組對中壓繞組及中壓繞組對低壓繞組的短路阻抗異常，其中C相短路阻抗的縱比偏差嚴(yán)重，中壓C相繞組存在異常。

（2）繞組直流電阻試驗(yàn)顯示，中壓繞組直阻相間偏差2.26%，其中，C相直阻偏差較大，超過規(guī)范規(guī)定警戒值，判斷中壓C相繞組存在斷股故障。

（3）測量繞組電容量，高、中壓繞組對低壓及鐵心繞組電容量增大，說明高壓，中壓發(fā)生位移，向外形變；低壓繞組對地介損及電容量無法測試，說明低壓繞組對地可能存在短路。

3.5主要修復(fù)措施

（1）清理鐵心、調(diào)壓繞組和A、B相高壓繞組及后續(xù)準(zhǔn)備使用的引線等。（2）完成C相高壓繞組修復(fù)。更換三相中、低壓繞組，采用優(yōu)質(zhì)半硬自粘換位導(dǎo)線，低壓繞組內(nèi)襯成型硬紙筒。（3）嚴(yán)格控制避雷器、重合閘等設(shè)備的質(zhì)量，對于重要性不高或故障頻發(fā)的重合閘應(yīng)該及時退出重合閘。

結(jié)語

變壓器在電力系統(tǒng)中是極為重要的一部分。變壓器發(fā)生短路故障時，不僅會對其各項(xiàng)部件造成損壞，還會嚴(yán)重影響整個電力系統(tǒng)的供電，使變壓器的短路故障處理變得十分重要。因此，應(yīng)注意對變壓器故障進(jìn)行處理，及時總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，避免類似問題的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1]王丹華，石琦.發(fā)電機(jī)自并勵勵磁變壓器保護(hù)配置與整定計(jì)算[J].電氣應(yīng)用，2017，36（20）：32-33.

[2]祝端興.變壓器常見故障與診斷技術(shù)研究[J].科技風(fēng)，2017（15）：171.

[3]畢艷軍，于敏麗，郭臻.變壓器漏感的有限元計(jì)算[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（07）：122-126.

[4]賈德海，王明.提高配電變壓器抗短路能力問題分析和探索[J].變壓器，2017，54（03）：44-48.

[5]劉軍，張安紅.低阻抗大電流脈沖整流變壓器開發(fā)[J].變壓器，2017，54（01）：26-31.

（作者單位：1無錫天云數(shù)據(jù)中心科技有限公司；

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