電力變壓器繞組的形變分析與對策

翟承安

關(guān)鍵詞：變壓器;繞組變形;形變分析;對策

電力變壓器作為電網(wǎng)中最為關(guān)鍵的核心電力設(shè)備之一，擔(dān)負(fù)著重要的變電任務(wù)，其安全、可靠的工作狀態(tài)直接影響了整個電網(wǎng)的電能供應(yīng)。隨著當(dāng)前世界形勢的不斷復(fù)雜變化和我國國民經(jīng)濟(jì)的高速健康發(fā)展，現(xiàn)代社會對電力供應(yīng)的安全可靠性性能的要求越來越高，電力安全作為工業(yè)的主導(dǎo)地位比以往任何一個時候都更加重要。此外，人民對于電量的需求也在與日俱增，電力變壓器也逐漸向著更高電壓和功率的方向不斷向前發(fā)展著。

然而，大容量變壓器固然能夠變送更多的電能，卻不能一味地追求容量的擴(kuò)增，其容量的增加主要受到以下兩方面因素的限制：

一是因運輸條件所限。電力變壓器的體積隨著容量的增加會大幅擴(kuò)大，這是因為變壓器的功率越大，其裝置整體的用銅量、用鐵量、用油量都將急劇增加。比如，使用容量在600MW及以上的大型主變壓器時，通常會制作成單相變壓器，相比三相變壓器減小了體積，只有這樣才能夠順利將裝置運輸?shù)浆F(xiàn)場。

二是隨著電力輸電容量水平的不斷提高，系統(tǒng)中出現(xiàn)的短路時的短路容量也將隨之增加。實際運行中，當(dāng)變壓器由于受潮等因素引起了短路故障，巨大的短路電流便會在變壓器繞組中通過。在電磁場的作用下，變壓器繞組將會產(chǎn)生與這個短路電流呈平方倍的巨大電磁力，后果一般都會直接使得繞組的絕緣和結(jié)構(gòu)損壞，從而影響變壓器的絕緣性能。更為嚴(yán)重的是，短路甚至?xí)估@組發(fā)生鼓包、扭曲、移位等不可恢復(fù)的變形現(xiàn)象。當(dāng)變形累積到一定程度時，變壓器發(fā)生損壞，其正常運行就會受到嚴(yán)重影響，最終對電網(wǎng)造成巨大的破壞與損失。

1變壓器繞組形變過程

1.1變壓器漏磁場產(chǎn)生的原因

當(dāng)電源加在變壓器某一繞組上后，變壓器的鐵磁材料內(nèi)就會產(chǎn)生磁通，它沿鐵磁材料構(gòu)成環(huán)路閉合，同時與原、副繞組交鏈，稱為主磁通。主磁通是變壓器進(jìn)行一二次繞組之間進(jìn)行能量傳遞的媒介，其大小取決于勵磁電壓大小。

在負(fù)載電流通過繞組時，會在繞組附近區(qū)域產(chǎn)生磁通。這種沿空氣、油箱壁等非導(dǎo)磁媒質(zhì)閉合磁通路徑稱為漏磁通。漏磁場的形成，主要是由于鐵磁性材料的磁導(dǎo)率過大，相比空氣的磁導(dǎo)率要大得多。漏磁通的大小主要取決于負(fù)載電流的安匝大小和漏磁路徑，而繞組上電磁力的大小又直接受到漏磁場的影響。因此，要想分析計算電磁力的大小，必須準(zhǔn)確計算漏磁場的大小。

1.2繞組電動力

當(dāng)在電網(wǎng)中運行的變壓器與負(fù)載連接后，變壓器繞組及其附近區(qū)域產(chǎn)生漏磁場，漏磁場本身的分布情況非常復(fù)雜。為了便于研究，通常把漏磁場簡化成軸向漏磁場曰，與輻向漏磁場曰。。變壓器的繞組在有電流通過時，會在漏磁場中產(chǎn)生力的效果，而這個力則被稱為是繞組電磁力。由左手定則可知，軸向漏磁產(chǎn)生的是輻向力F，輻向漏磁則產(chǎn)生軸向力F。由于變壓器內(nèi)的電流、磁場都是時變的，則繞組上的電磁力也是時變的。

1.3繞組應(yīng)力的概念與形變產(chǎn)生

受到固定作用的物體不能發(fā)生位移，若此時在外力作用下，其幾何形狀和尺寸發(fā)生變化，則將這種變化稱為應(yīng)變。材料發(fā)生形變時內(nèi)部產(chǎn)生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定義單位面積上的這種反作用力為應(yīng)力。當(dāng)物體受到外部因素（氣壓變化等）而變形時，在物體內(nèi)各部分之間將產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，以抵抗外部因素所帶來的擾動，并力圖使物體從變形后的位置回復(fù)到變形前的位置。在所考察的截面某一點單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。根據(jù)應(yīng)力方向的不同，物理上可以將應(yīng)力分為正應(yīng)力和切應(yīng)力，正應(yīng)力的方向與應(yīng)變方向平行，而切應(yīng)力的方向則與應(yīng)變垂直。

當(dāng)變壓器突發(fā)短路時，內(nèi)、外繞組會受到數(shù)值巨大的輻向和軸向的電磁力，軸向電磁力作用在繞組上，表現(xiàn)為軸向的拉力或者壓力，從而使得繞組會發(fā)生上下震動。對于輻向電磁力，外繞組上的輻向電磁力沿徑向指向外，使外繞組上的導(dǎo)線受到環(huán)向拉伸應(yīng)力;內(nèi)繞組受到的輻向力沿徑向指向鐵芯，由于撐條的存在，內(nèi)繞組并不會發(fā)生均勻壓縮變形，這使內(nèi)繞組上的導(dǎo)線在局部發(fā)生彎曲變形，內(nèi)繞組上的導(dǎo)線會受到環(huán)向壓縮應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的作用。在短路電磁力作用下，當(dāng)繞組上導(dǎo)線彎曲應(yīng)力與壓縮或者拉伸應(yīng)力的合應(yīng)力超過導(dǎo)線材料的屈服強(qiáng)度時，繞組導(dǎo)線就會在導(dǎo)線所在平面內(nèi)發(fā)生幅向或軸向形變。

2變壓器繞組形變因素的分析

變壓器在生產(chǎn)制造后都會進(jìn)行短路試驗以判斷其短路強(qiáng)度是否滿足要求，所以投入電力系統(tǒng)的變壓器都是能夠抵抗短路電流沖擊的。然而，繞組還是經(jīng)常會發(fā)生失穩(wěn)形變的情況，因此本小節(jié)將對影響變壓器繞組形變的因素進(jìn)行分析。

（1）繞組結(jié)構(gòu)的變化。變壓器繞組結(jié)構(gòu)的變化，也將引起電磁力大小及分布規(guī)律的變化，其中軸向結(jié)構(gòu)的變化對其影響最大。一般在電磁力作用下，結(jié)構(gòu)的平衡是不穩(wěn)定的，為使結(jié)構(gòu)的平衡保持穩(wěn)定，則必須增加額外的約束。因此在變壓器設(shè)計時，為保證變壓器高、低壓繞組的軸向穩(wěn)定性，繞組上必須施加足夠的預(yù)緊力。當(dāng)變壓器繞組有軸向位移時，其高、低壓繞組各對應(yīng)分區(qū)中的安匝不再平衡，并且上、下也不對稱，此時將在變壓器高、低壓繞組中產(chǎn)生巨大的軸向電磁力，此軸向電磁力在高、低壓繞組中的方向是相反的。方向相反的軸向電磁力將使繞組的這種不平衡進(jìn)一步擴(kuò)大，直到繞組損壞。

（2）繞組材料屬性。繞組的材料屬性往往會直接影響形變情況，同時溫度對材料屬性的影響較大，在實際變壓器繞組上，溫度分布是不均勻的，這就導(dǎo)致繞組高度范圍內(nèi)各位置的材料屬性并不相同，因此導(dǎo)致了繞組各處的強(qiáng)度不能以相同的標(biāo)準(zhǔn)衡量;同時變壓器在長期服役期間，在每次經(jīng)過短路電流沖擊后，繞組導(dǎo)線都會產(chǎn)生一定程度的彈性應(yīng)變和微小的塑性應(yīng)變，當(dāng)長期積累后產(chǎn)生的累積效應(yīng)就可能會造成繞組的形變。

（3）勵磁涌流的沖擊。在變壓器由空載條件投入或者外部故障消除后重合閘時，繞組中也會產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流，從而在繞組上產(chǎn)生很大的電磁力，給繞組造成影響甚至發(fā)生形變。同時，勵磁涌流產(chǎn)生的繞組軸向電磁力總是要大于短路電流引起的軸向電磁力，軸向力越大，就越容易在繞組上產(chǎn)生軸向位移。軸向位移勢必會加劇安匝不平衡，從而使繞組發(fā)生形變破壞。

3防止變壓器繞組形變的對策

電力系統(tǒng)中時常發(fā)生的一種事故是短路。短路時，由于磁場與電場的作用，巨大的電動力往往能夠直接影響電力變壓器的運行安全，造成繞組的巨大形變。在大容量發(fā)電廠中，發(fā)電機(jī)電壓母線或發(fā)電機(jī)出口短路時，短路電流可達(dá)數(shù)萬至數(shù)十萬安培，變壓器繞組甚至在短路瞬間直接發(fā)生扭轉(zhuǎn)呈現(xiàn)“麻花”形。為了使變壓器能承受短路電流的沖擊，往往需要選擇抗短路能力更強(qiáng)的變壓器設(shè)備，這需要增加許多不必要的投資。為防止變壓器繞組在短路時發(fā)生嚴(yán)重變形，危及電力系統(tǒng)的正常運行，應(yīng)采取以下對策：

3.1限制故障時的短路電流

3.1.1裝設(shè)限流電抗器

串聯(lián)限流電抗器可以提高支路的計算阻抗，限制短路電流。這種辦法常用于發(fā)電廠和變電站10kV及以下配電裝置中的電纜饋線上。電抗器按其結(jié)構(gòu)可分為普通電抗器和分裂電抗器。三個單相空心線圈即構(gòu)成了簡單的普通電抗器，線圈的空心結(jié)構(gòu)可以防止短路時電抗器飽和而降低限流的作用。普通電抗器按其安裝位置和功能，可被分為母線電抗器和線路電抗器。母線電抗器安裝在單母線分段接線或雙母線分段接線的分段處，普通電抗器則被安裝在電纜出線回路中。分裂電抗器則具有正常運行時阻抗小，短路時通過電抗器的阻抗大的優(yōu)點。架空線路由于阻抗值大，故無需進(jìn)一步串聯(lián)電抗器。

3.1.2采用低壓分裂繞組變壓器

分裂繞組變壓器是指其中一個繞組分裂為兩個繞組的雙繞組變壓器，因此低壓分裂繞組變即指的是低壓分裂成雙。這兩個低壓分裂繞組在額定電壓、額定功率以及匝數(shù)上都是完全相同的。繞組內(nèi)的鐵芯布置有以下兩大特點：一是低壓分裂繞組問短路阻抗較正常運行時大;二是各分裂繞組與高壓繞組之間的短路阻抗較正常運行時小。從而使得分裂繞組變壓器同樣具有正常運行時阻抗小，短路時通過電抗器的阻抗大的優(yōu)點。這樣一來，在未發(fā)生短路時變壓器回路的電能損失可以進(jìn)一步減小，而在短路時由于流經(jīng)短路電流的回路阻抗較大可以很好地完成限流的目的。因此，廠用變壓器以及帶兩臺較小容量發(fā)電機(jī)的單元接線一般都建議采用低壓分裂繞組變壓器來限制短路電流。

3.1.3采用合適的電氣主接線形式和運行方式

主接線與運行方式直接影響短路電流的流經(jīng)支路與回路中計算阻抗的大小，從而決定短路電流的大小。為此，可以通過優(yōu)化設(shè)計電氣主接線形式和運行方式來降低短路時短路電流的大小。例如，大容量發(fā)電機(jī)采用單元接線而非帶有母線的接線形式，以減少突然短路時短路電流能流過的支路數(shù);變壓器分列運行而非并列運行也能取消短路時來自另一回路變壓器的短路電流;出線回路采用單回運行而非雙回運行，使得短路時計算阻抗增加一倍;環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)開環(huán)運行;等等。值得注意的是，主接線形式的設(shè)計不能只考慮限制短路電流，而應(yīng)綜合考量可靠性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性及其對電網(wǎng)的穩(wěn)定性影響。

3.2加強(qiáng)對變壓器短路能力的試驗研究

短路試驗?zāi)軌蛟谶\行前對變壓器的抗短路能力作出準(zhǔn)確的判斷與驗證，從而防患于未然。運行中的變壓器發(fā)生短路時，往往被忽視，由于缺乏及時的檢查保護(hù)，工作人員未及時擰緊松動的夾緊裝置，變壓器繞組承受短時多次的短路電流后將完全損壞?；蛘咴诙啻味搪泛蠼^緣缺陷被暴露出來，繞組在過電壓、過電流的共同作用下燒毀。許多變壓器繞組形變事故常被誤認(rèn)為是絕緣強(qiáng)度不過關(guān)，實際上卻是機(jī)械強(qiáng)度的問題。

為此，上級部門首先重視短路試驗的必要性和嚴(yán)謹(jǐn)性，認(rèn)真制定標(biāo)準(zhǔn)并采取措施，將短路試驗成功落實。其次，企業(yè)要加強(qiáng)開展變壓器的狀態(tài)檢修，定期進(jìn)行變壓器的預(yù)防性試驗和變壓器油色譜分析，一旦發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)縮短檢測周期。變壓器受到短路沖擊后，應(yīng)及時對繞組進(jìn)行有效的試驗，如繞組電容阻抗值、絕緣油的色譜分析、繞組頻響曲線等進(jìn)行全面綜合的考究，判斷變壓器繞組是否已經(jīng)形成變形故障，一定從事故前就做好充分的先驗準(zhǔn)備，避免重大事故種子的萌發(fā)。

3.3正確選擇繞組的壓緊力

變壓器繞組能否耐受短路時電動力的沖擊，與壓緊裝置的機(jī)械強(qiáng)度、絕緣加工質(zhì)量和繞組繞制方式等因素有著密切的關(guān)系，除此之外，繞組的壓緊力也扮演著重要的角色。實際上，繞組在對抗短路電動力沖擊時，起主要作用的有兩個因素：一是繞組材料本身的物理機(jī)械特性，如線圈的抗壓、抗扭、抗拉伸的能力;二是繞組在壓緊之后，俄段與張條、端圈等由于相問摩擦力而緊密結(jié)合的程度。若裝置的壓緊力選取過小，線段與整塊的間隙偏大，在短路時軸向電動力造成線段的位移或扭斜甚至被拉斷，最終也讓導(dǎo)線的外絕緣破損而導(dǎo)致變壓器損壞。而當(dāng)繞組的壓緊力也選擇過大，超出壓緊裝置的安全允許范圍，壓緊結(jié)構(gòu)也會發(fā)生受壓變形，從而降低短路時對抗沖擊力的能力。由此可見，在留有一定安全裕度的前提下，應(yīng)盡可能選用高強(qiáng)度壓緊材料并提高壓緊裝置間的壓緊力，從而更好地對抗短路沖擊力。

3.4提高變壓器自身的抗短路能力

變壓器的抗短路能力可以從設(shè)計及制造工藝兩方面同時采取措施：低壓繞組材料選用半硬銅導(dǎo)線并采用自粘式換位，合理增大單根導(dǎo)線的厚度;低壓繞組內(nèi)部撐條數(shù)合理增多，避免采用低強(qiáng)度紙筒，加強(qiáng)鐵芯向低壓繞組的支撐;密化處理絕緣墊塊;線圈的制作要求牢固密實，將整體套裝工藝運用于線圈上等。

3.5改善變壓器運行條件

變壓器的運行條件也直接影響了繞組的絕緣強(qiáng)度與機(jī)械強(qiáng)度。青藏高原上運行的設(shè)備往往由于氣壓等大氣條件被認(rèn)為在同等條件下更容易發(fā)生事故。實際運行中，可以通過改善變壓器的運行條件，從而減少外部運行因素對變壓器的影響，如加強(qiáng)變壓器出口側(cè)的絕緣強(qiáng)度與機(jī)械特性，注重外絕緣的清潔和污閃防治措施，防止小動物危害的發(fā)生，采用絕緣熱縮材料封裝母線;改進(jìn)繼電保護(hù)裝置，在保證保護(hù)動作的正確性、選擇性和靈敏度的前提下，盡量縮短保護(hù)動作的整定時間;在新建和改建工程的設(shè)計環(huán)節(jié)中，低壓系統(tǒng)應(yīng)采用低電阻接地方式;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，零序電流保護(hù)快速跳閘，避免發(fā)展為相問短路故障等。

4結(jié)語

本文對變壓器繞組在短路電流沖擊下，繞組所受電磁力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力展開了研究。介紹了應(yīng)力的概念以及變壓器漏磁場的產(chǎn)生機(jī)理，從繞組結(jié)構(gòu)變化、材料屬性、勵磁涌流三個方面對繞組形變的影響因素進(jìn)行了分析：結(jié)構(gòu)變化主要會導(dǎo)致電磁力分布發(fā)生變化;勵磁涌流引起的軸向電磁力較短路電流引起的電磁力大，存在使繞組發(fā)生形變的危險;最后研究了改善變壓器繞組形變問題的一些對策，以減小變壓器在短路時繞組發(fā)生劇烈形變對設(shè)備本身及電力系統(tǒng)所造成的危害。

對于繞組上的結(jié)構(gòu)力分析還需要更深入地研究，在“磁——結(jié)構(gòu)”耦合相關(guān)方面進(jìn)行分析;以往的研究都將繞組中溫度分布視為均勻的，但實際變壓器中的溫度分布并不均勻，而溫度往往會影響繞組材料的物性參數(shù)，這些物性參數(shù)是計算結(jié)構(gòu)力的關(guān)鍵，因此考慮溫度分布不均這一因素對于研究變壓器繞組變形的問題是很有必要的，也是以后工作研究的重點。