變壓器短路沖擊下抗短路能力分析與防范措施

趙明遠，李延兵

（陜西國華錦界能源有限責(zé)任公司，陜西榆林 719319）

0 引言

變壓器突發(fā)短路損壞故障問題越來越突出。據(jù)不完全統(tǒng)計，1995—1999 年，變壓器突發(fā)短路故障125 臺次，占同期總事故臺次的44%，成為變壓器故障的首要問題。

2000 年以來，隨著電網(wǎng)發(fā)展，500 kV 變壓器逐漸成為電網(wǎng)的主網(wǎng)架，220 kV 變壓器及以上短路損壞數(shù)量逐漸增多，某電力公司曾經(jīng)在3 年內(nèi)短路損壞7 臺220 kV 變壓器。

2010 年后有向500 kV 發(fā)展的趨勢。2014 年國家能源局《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》的通知中明確要求500 kV 變壓器和240 MV·A 以上容量變壓器制造廠應(yīng)提供同類產(chǎn)品突發(fā)短路試驗報告或抗短路能力計算報告，計算報告應(yīng)有相關(guān)理論和模型試驗的技術(shù)支持。

1 抗短路能力計算

1.1 對稱短路電流穩(wěn)定值倍數(shù)計算

式中 Ki——短路電流穩(wěn)定值倍數(shù)

Uk——變壓器短路阻抗電壓（%）

Us——線路阻抗（%）

1.2 短路電流ID 計算結(jié)果

式中 ID——短路電流，A

Ki——短路電流穩(wěn)定值倍數(shù)

In——額定電流，A

1.3 變壓器承受短路耐熱能力計算

按國標(biāo)GB 1094.5—2003《電力變壓器第5 部分：承受短路的能力》[1]規(guī)定,公式如下（以銅繞組為例）：

式中 θ0——繞組的起始溫度，℃，取θ0=105 ℃

θ1——對稱短路后銅繞組允許的最大平均溫度，℃，取θ1=250 ℃

Ki——短路電流倍數(shù)

J——電流密度，A/mm

T——對稱短路的持續(xù)時間，取T=3 s

2 抗短路能力不足原因分析

（1）變壓器中壓線圈采用普通換位導(dǎo)線，線圈自支撐能力較差，抗短路沖擊能力不足。

（2）變壓器設(shè)計及制造水平不足[2]。近年來，電力工業(yè)體系飛速發(fā)展，大容量高參數(shù)電力設(shè)備相繼投入運行，以往舊的設(shè)計、制造與計算電力變壓器的抗短路能力不能與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)。變壓器抗短路能力計算也未與變壓器實際運行環(huán)境相結(jié)合，導(dǎo)致變壓器抗短路能力存在偏差。隨著絕緣材料和制造工藝的不斷提升，變壓器的抗短路能力也不斷加強。

（3）變壓器線材選型不合理：①當(dāng)變壓器采用普通換位導(dǎo)線時抗機械強度較差，在承受短路機械力時易出現(xiàn)變形、散股、露銅現(xiàn)象[3]；②軟銅線使用軟導(dǎo)線σ0.2從80 MPa 至半硬導(dǎo)線150 MPa[4]。

（4）工藝不合理：①繞組在繞制過程中較為松散，換位處理不當(dāng)時，繞組絕緣層過于單薄，造成電磁線懸空或普通換位導(dǎo)線的導(dǎo)線相互錯位。因此，在換位導(dǎo)線的換位處，在短路電流的作用下易發(fā)生變形事故[5]；②繞組線匝及導(dǎo)線之間未進行固化處理或固化處理不當(dāng)，造成抗短路能力不足[6]；③套裝間隙過大，導(dǎo)致作用在電磁線上的支撐不夠；④繞組各檔預(yù)緊力不足或預(yù)緊力不均勻，當(dāng)變壓器受短路沖擊時變壓器繞組線餅受到電應(yīng)力作用，使電磁線發(fā)生變形破損。

（5）自然災(zāi)害造成的短時間內(nèi)多次短路沖擊加劇了變壓器線圈變形程度并導(dǎo)致絕緣故障發(fā)生。

3 防止變壓器突發(fā)短路故障的措施

為提高變壓器的抗短路能力，變壓器在制造過程中可采用以下主要措施：

（1）變壓器電磁導(dǎo)線采用半硬自粘換位銅導(dǎo)線。導(dǎo)線選材時，應(yīng)從導(dǎo)線規(guī)格、機械強度、耐熱性能等方面綜合考慮，整體提升導(dǎo)線的抗短路能力[7]。

（2）在制作工藝上，變壓器線圈繞制過程中線匝應(yīng)排列緊實，線圈端部用玻璃絲絕緣帶綁扎牢固。

（3）在設(shè)計方面，應(yīng)保持各相繞組之間安匝數(shù)平衡，并應(yīng)用建模程序?qū)ψ儔浩骺苟搪纺芰M行模擬，根據(jù)用戶不同準(zhǔn)確計算電動力需求，確定線圈的機械強度[8]。

（4）在制造過程和材料控制方面，應(yīng)按照制作工藝對各相線圈進行干燥、液壓預(yù)緊，在保證線圈全部壓緊的情況下，通過高度調(diào)整，使線圈整體高度滿足設(shè)計要求，保證三相線圈安匝數(shù)保持平衡[9-10]。

（5）在材料選用方面，絕緣材料宜選擇高密度絕緣紙板和成型的絕緣件，從而增加線圈的機械強度，增強變壓器短路時抵御軸向電動力的能力。

（6）內(nèi)線圈還增加內(nèi)支撐等措施來減小短路力，保證內(nèi)線圈不出現(xiàn)徑向失穩(wěn)現(xiàn)象。

（7）在變壓器線圈端部加裝絕緣墊塊，用來將器身壓緊。在線圈空隙處加裝支撐塊，提升線圈整體機械強度。線圈預(yù)緊完成后，按要求進行二次復(fù)緊，保證線圈軸向穩(wěn)定。

（8）在鐵芯柱上對應(yīng)于線圈撐條處，增加圓形撐條。

（9）在器身制作方面，根據(jù)計算鐵芯、鐵軛所承受力的大小，確定拉板、壓板厚度和強度。鐵軛采用鋼拉帶拉緊，鐵芯本體采用環(huán)氧綁扎帶固化綁扎，當(dāng)鐵芯組成整體剛性結(jié)構(gòu)時，變壓器器身強度隨之增強。

4 案例分析

某電廠主變壓器發(fā)生差動保護、重瓦斯保護動作，開關(guān)跳閘。當(dāng)時外部環(huán)境為雷雨天氣，并伴有雷電、短時大風(fēng)（最大風(fēng)速22.4 m/s）、風(fēng)力9 級、短時強降水等強對流天氣，至24 日8 時，累計降雨量62.9 mm，達到暴雨等級。型號：SFPSZ9-180000/220，容量：180/180/60 MV·A，額定電壓：220/121/10.5 kV。

主變中性點接地運行。主變中壓繞組先后經(jīng)受了3 次額定電流以上的短路電流沖擊，最后一次電流有效值達到9 倍左右，導(dǎo)致內(nèi)部故障。

4.1 色譜分析數(shù)據(jù)

主變油色譜三比值分析編碼為102，屬內(nèi)部電弧放電（表1）；氣體繼電器內(nèi)氣體主要成分為氫氣、乙炔，次要成分為甲烷、乙烷和乙烯，故障類型分析為電弧放電。經(jīng)吊罩檢查，該主變A、B 相中壓線圈多處扭曲變形并絕緣損壞，C 相中壓線圈存在6處絕緣破損。

表1 某電廠主變故障前后色譜數(shù)據(jù)表

4.2 原因分析

（1）該主變變壓器中壓線圈采用普通換位導(dǎo)線，線圈的絕緣支撐能力較差，在承受短路機械力時易出現(xiàn)變形、散股、露銅現(xiàn)象。

（2）繞組繞制較松，導(dǎo)致?lián)Q位導(dǎo)線處變形。

（3）安裝工藝較差，套裝間隙過大，導(dǎo)致作用在電磁線上的支撐不夠。

（4）線餅預(yù)緊力不足，壓制不均勻，導(dǎo)致變壓器在短路沖擊時線餅的跳動，應(yīng)力過大而發(fā)生變形。

（5）自然災(zāi)害造成的短時間內(nèi)多次短路沖擊加劇了變壓器線圈變形程度并導(dǎo)致絕緣故障發(fā)生。

5 結(jié)論及建議

（1）在變壓器制造過程中應(yīng)明確制造廠提供參數(shù)相同或相近的同類型變壓器短路試驗報告及其變壓器動熱穩(wěn)定性能的計算報告，并承諾提供合同變壓器的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，以便計算校驗合同變壓器的抗短路能力。

（2）運行單位應(yīng)取得所訂購變壓器的抗短路能力計算報告及抗短路能力計算所需詳細參數(shù)，并按照GB 1094.5 提供的判斷依據(jù)進行審核，滿足國標(biāo)要求的，可認為滿足抗短路能力要求；不滿足要求的，應(yīng)立即讓變壓器廠家改進設(shè)計，以提高變壓器抗短路能力。

（3）用戶可根據(jù)短路電流的方式和大小不同，合理配置變壓器抗短路能力，達到設(shè)備安全性與經(jīng)濟性的合理配置。

（4）采用高機械強度的導(dǎo)線。110 kV 及以上變壓器內(nèi)線圈應(yīng)根據(jù)短路力校驗決定采用半硬自粘性換位導(dǎo)線或半硬組合銅導(dǎo)線，自粘性換位導(dǎo)線在膠的作用下粘合在一起，整體性較好，由自粘換位導(dǎo)線構(gòu)成的繞組“堅硬度”大增，使得整個繞組抗輻向的變形能力大為增加。

（5）采用硬紙筒繞制線圈，采用加密線圈的內(nèi)外撐條等措施。

（6）進行突發(fā)短路試驗抽檢。

（7）變壓器大修時做繞組變形測試。