大型變壓器短路沖擊損壞原因與降低損壞風(fēng)險(xiǎn)措施探析

張艷芳，徐 宇

(1.阿拉善電業(yè)局，內(nèi)蒙古 阿拉善 750300；2.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

在發(fā)生短路時(shí)，由于系統(tǒng)突然發(fā)生的暫態(tài)過程等原因，使得短路回路中的短路電流值驟增。當(dāng)短路電流通過主變壓器(以下簡稱主變)的繞組時(shí)，一方面，短路伴隨的熱效應(yīng)會(huì)引起導(dǎo)體及其絕緣的損壞，另一方面，繞組受到電動(dòng)力的猛烈沖擊，致使其發(fā)生變形、嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致放電故障。以往實(shí)踐證明負(fù)荷管理、技術(shù)監(jiān)督、運(yùn)行維護(hù)，落實(shí)反措等方面是降低損壞風(fēng)險(xiǎn)的有力措施，可為變壓器運(yùn)維管理人員提供技術(shù)參考。

1 主變短路損壞典型信息統(tǒng)計(jì)分析

按主變損壞緣由、故障容量、運(yùn)行年限分類統(tǒng)計(jì)分析。

1.1 按故障緣由分類

導(dǎo)致主變發(fā)生沖擊損壞故障原因如下：①設(shè)備自身抗短路能力差；②主變各側(cè)線路和設(shè)備多次發(fā)生短路后帶來的沖擊累積引起；③質(zhì)量不良和雷擊等其他原因?qū)е隆?/p>

上述原因中前兩條引起主變沖擊損壞占比較高，而最后一條引起主變故障相對(duì)較少，發(fā)生概率較小。各類故障原因及其占比統(tǒng)計(jì)圖見圖1。

圖1 各類故障原因及其占比

1.2 按故障容量分類

故障主變統(tǒng)計(jì)樣本為31.5 MVA～180 MVA 6種額定容量，其中31.5 MVA 和150 MVA 故障數(shù)量位列所有故障主變總數(shù)的前兩位，故障主變按容量統(tǒng)計(jì)各自占比詳見圖2。

圖2 故障主變按容量統(tǒng)計(jì)占比

1.3 按出廠時(shí)間和故障時(shí)間分類

從出廠時(shí)間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出，2001年-2005年出廠的主變故障數(shù)量占統(tǒng)計(jì)樣本中歷年故障主變總數(shù)的比例最高，1986年-1995年出廠的主變故障數(shù)量占比排在第二。2010年-2012年3年主變發(fā)生故障數(shù)量與其他年份相比，這3年發(fā)生故障主變數(shù)量占比最高且比例相同，按出廠時(shí)間和故障時(shí)間統(tǒng)計(jì)圖見圖3、圖4。

圖3 故障變壓器按出廠時(shí)間統(tǒng)計(jì)

圖4 故障變壓器按故障時(shí)間統(tǒng)計(jì)

2 主變短路沖擊損壞原因綜合分析

2.1 設(shè)計(jì)角度分析

變壓器設(shè)計(jì)優(yōu)化是決定其抗短路沖擊能力的重要因素。圖1可直觀表明，抗短路能力薄弱引起主變故障占比最高，與其有關(guān)的故障合計(jì)占比達(dá)到總故障的2/3之多。樣本中統(tǒng)計(jì)的主變?cè)谄渲圃鞎r(shí)間段內(nèi)，在設(shè)計(jì)階段，考慮變壓器的機(jī)械力時(shí)有部分使用靜態(tài)力學(xué)理論來計(jì)算，而對(duì)于使用銅電磁線的主變來說，該理論對(duì)其導(dǎo)線應(yīng)力計(jì)算限制比較大。使用單位運(yùn)行的主變，由于現(xiàn)場運(yùn)行工況的影響，主變內(nèi)部的力場分布處于變化狀態(tài)，過程比較復(fù)雜，此時(shí)，使用靜力學(xué)理論模型來反映其內(nèi)部實(shí)際的力場是不完全吻合的，也就是說通過靜力學(xué)模型計(jì)算得出的抗短路沖擊能力僅是在一定程度上表征主變的實(shí)際抗短路沖擊能力。

綜上所述，在充分考慮優(yōu)化主變機(jī)械力計(jì)算、改良主變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，會(huì)得到更加符合實(shí)際要求的內(nèi)部機(jī)械力分布結(jié)果，這樣從源頭上提高主變的抗短路沖擊能力。

2.2 工藝和材質(zhì)角度分析

在主變的生產(chǎn)制造階段，由于工藝過程控制不嚴(yán)、工藝水平限制、材質(zhì)選用欠佳等原因，也是降低其抗短路沖擊能力的影響因素。圖2統(tǒng)計(jì)得出有部分是工藝因素造成的主變短路沖擊故障。圖3統(tǒng)計(jì)得出，最早的時(shí)間段生產(chǎn)的主變故障比例位列其他時(shí)間段第二位，因當(dāng)時(shí)工藝限制以及此后工藝革新等原因，制造技術(shù)和工藝水平在不同階段也有所不同，隨著后期變壓器制造水平和生產(chǎn)廠家對(duì)抗短路沖擊能力的認(rèn)識(shí)整體提升，目前變壓器抗短路沖擊能力得到了極大提升。

曾在使用單位運(yùn)行中暴露出來的主變工藝和材質(zhì)方面主要影響因素如下：①電磁線硬度不高，由于電磁線材質(zhì)性能較差，從而降低了主變的抗短路沖擊能力。 ②生產(chǎn)繞制線圈時(shí)，電磁線的繞緊力不足和工藝流程、技術(shù)裝備方面的條件限制，線圈不緊實(shí)、線圈綁扎不夠穩(wěn)固以及繞制過程中電磁線間隙過大導(dǎo)致其內(nèi)部支撐強(qiáng)度不夠等因素造成線包在沖擊受力后容易整體出現(xiàn)凸起或者凹陷等變形現(xiàn)象。 ③鐵芯及夾件夾緊力不足，在到達(dá)使用單位的運(yùn)輸過程中由于車輛晃動(dòng)發(fā)生了內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的偏移，進(jìn)而改變了部件絕緣距離及其受力，留下安全運(yùn)行隱患。 ④絕緣壓板、層壓紙板在組裝過程中工藝合強(qiáng)度不符合標(biāo)準(zhǔn)，絕緣墊塊密化處理不到位，這些因素容易使電磁線在短路沖擊時(shí)受到電動(dòng)力作用導(dǎo)致絕緣損傷，發(fā)生擊穿短路故障。

2.3 運(yùn)行環(huán)境角度分析

運(yùn)行環(huán)境影響變壓器的抗短路沖擊能力。圖1可看出，遭受過多次短路沖擊的變壓器造引起的故障所占比例最高，這是因?yàn)閿?shù)次沖擊帶來的繞組變形累積效應(yīng)疊加自身抗短路沖擊能力差的因素，不可避免地發(fā)生了故障。另外，系統(tǒng)短路容量大導(dǎo)致的短路沖擊危害也隨之增大，圖1統(tǒng)計(jì)表明，此類因素造成的故障比例為13%。圖2可看出，容量150 MVA主變故障比例排在第一位，而當(dāng)時(shí)該類主變負(fù)荷多數(shù)為高載能用戶，圖4統(tǒng)計(jì)表明2010年—2012年故障主變占比最高，同樣這些主變負(fù)荷多數(shù)為高載能用戶，由此說明，負(fù)荷側(cè)用戶設(shè)備故障多發(fā)是主變多次短路沖擊的主要原因之一。

3 降低主變損壞風(fēng)險(xiǎn)的措施分析

3.1 加強(qiáng)變壓器選型訂貨管理

具備開展突發(fā)短路試驗(yàn)驗(yàn)證條件的產(chǎn)品應(yīng)有相關(guān)試驗(yàn)證明。240 MVA及以下容量的變壓器應(yīng)選用通過突發(fā)短路試驗(yàn)驗(yàn)證的產(chǎn)品，500 kV變壓器和240 MVA以上容量的變壓器廠家應(yīng)提供同類產(chǎn)品突發(fā)短路試驗(yàn)報(bào)告或抗短路能力計(jì)算報(bào)告[1]。根據(jù)不同使用場合選用合適的變壓器參數(shù)，盡可能控制短路電流數(shù)值。

3.2 加強(qiáng)新設(shè)備制造過程監(jiān)督和驗(yàn)收

對(duì)所采用的電磁線及絕緣材料等能否滿足合同要求進(jìn)行逐項(xiàng)審查，產(chǎn)品監(jiān)造環(huán)節(jié)嚴(yán)格落實(shí)各個(gè)見證點(diǎn)相關(guān)措施并做好驗(yàn)收記錄。必要時(shí)，進(jìn)行突發(fā)短路試驗(yàn)抽檢，嚴(yán)格考核產(chǎn)品抗短路沖擊能力。

3.3 采取限制主變短路電流沖擊的措施

①在系統(tǒng)短路容量較大的情況下，應(yīng)充分考慮提高主變的短路阻抗、加裝限流電抗器等措施，降低變壓器短路沖擊電流。 ②根據(jù)使用單位實(shí)際運(yùn)行工況和反事故措施要求裝設(shè)小電阻和具有自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償功能的消弧線圈，根據(jù)現(xiàn)場工況設(shè)置小電阻接地后的保護(hù)定值，確保接地裝置保護(hù)正確動(dòng)作，適時(shí)開展電容電流測試，使消弧線圈運(yùn)行在合理狀態(tài)。③合理安裝限制或快速切斷短路電流的相關(guān)裝置、采取變壓器非低壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地等措施。

3.4 強(qiáng)化主變接帶大負(fù)荷的技術(shù)管理

開展大用戶技術(shù)監(jiān)督；高載能用戶側(cè)加裝過電壓抑制裝置、用戶定期開展電氣試驗(yàn)及防污閃工作，降低用戶設(shè)備故障影響主變沖擊損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

3.5 強(qiáng)化線路運(yùn)維管理

線路故障沖擊主變時(shí)有發(fā)生，尤其是發(fā)生在近區(qū)的故障危害極大，不同污穢區(qū)域采取差異化的防污、清污工作，外破風(fēng)險(xiǎn)較高區(qū)域除加強(qiáng)巡視外，采取新型的防外破綜合措施勢在必行。

3.6 遭受短路沖擊后的主變及時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)分析

110 kV及以上變壓器在遭受出口短路、近區(qū)多次短路沖擊達(dá)到低電壓短路阻抗測試中繞組變形檢測與變壓器承受外部短路次數(shù)的規(guī)定[2]后應(yīng)及時(shí)開展測試工作，同時(shí)用頻響法測試?yán)@組變形，結(jié)合其他診斷性試驗(yàn)措施判定主變沖擊影響程度，對(duì)確有線圈變形的應(yīng)適時(shí)吊檢，避免運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.7 開展主變抗短路能力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

除了設(shè)計(jì)和工藝、理論計(jì)算模型的限制外，變壓器的抗短路能力與其實(shí)際運(yùn)行工況、發(fā)生短路故障時(shí)的短路沖擊時(shí)間、短路沖擊次數(shù)等暫態(tài)參量、歷史遭受短路故障情況均有密不可分的關(guān)系。在抗短路能力的計(jì)算和評(píng)估過程中，應(yīng)結(jié)合制造廠家計(jì)算結(jié)果、設(shè)計(jì)參數(shù)、 出廠設(shè)計(jì)條件下的理論抗短路能力等多種因素進(jìn)行綜合評(píng)估，得出變壓器固有抗短路沖擊能力并采取相應(yīng)治理措施。

3.8 采用狀態(tài)量顯著性差異分析法[3]及時(shí)評(píng)估主變狀態(tài)

在相近的運(yùn)行和檢測條件下，相同設(shè)計(jì)、材質(zhì)和工藝的一批設(shè)備，其狀態(tài)量不應(yīng)有顯著差異。若某臺(tái)設(shè)備某個(gè)狀態(tài)量與其他設(shè)備有顯著性差異，即使?jié)M足注意值或警示值要求，也應(yīng)引起注意(易受環(huán)境影響的狀態(tài)量，本方法僅供參考)。

有顯著性差異的條件為：

上列各式中k值根據(jù)n的大小按表1選取。

表1 k值與n的關(guān)系

式中：n，n(n≥5)臺(tái)同一家族設(shè)備(如同制造商同批次設(shè)備);

S，樣本偏差(不含被診斷設(shè)備);

x，被診斷設(shè)備的當(dāng)前試驗(yàn)值。

4 結(jié)束語

主變?cè)陔娏ο到y(tǒng)中的地位決定了其損壞后對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益均有較大影響，而降低短路沖擊損壞風(fēng)險(xiǎn)需要制造企業(yè)和使用單位共同努力，一方面，從設(shè)計(jì)、工藝、材質(zhì)、試驗(yàn)上嚴(yán)格把關(guān)；另一方面，使用單位要加強(qiáng)運(yùn)維監(jiān)督，以此創(chuàng)造良好的運(yùn)行條件，為主變帶來更為安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)。