变压器近区短路故障的分析及预防

季凌武

（温州电力局，浙江 温州 325000）

在电力系统的各种设备中，变压器是比较昂贵而且很重要的设备之一，运行中遭受近区短路时损坏的几率较大，约占全部损坏事故的40%以上。截至2009年8月，对温州电网运行的173台变压器进行统计，共发生了135次近区短路。

因此，如何防止和降低变压器近区短路的危害有着十分重要的现实意义。通过对变压器短路故障损坏基本理论的分析，提出了若干防止和降低变压器近区短路危害的措施。

1 变压器近区短路后的影响分析

1.1 近区短路故障

变压器的短路故障主要指变压器出口短路、内部短路引线或绕组间对地短路及相与相之间发生的短路而导致的故障，其危害包含动稳定破坏和热稳定破坏。动稳定破坏又可分初期的冲击破坏和振动破坏。冲击破坏的过程指从短路的初始时刻到暂态分量基本衰减完毕；而振动破坏贯穿整个短路过程，并且破坏性随时间的延长而增大。热稳定破坏会使变压器绝缘材料严重受损，甚至造成变压器击穿或损毁。整个故障过程的形成包括外部短路—内部机械变形—内部绝缘击穿，其危害性随时间延长而增大。

1.2 动稳定分析

轴向漏磁与绕组中电流相互作用产生辐向电动力，辐向漏磁与绕组中电流相互作用产生轴向电动力。而且这种电动力具有时变特性，包含暂态分量和稳态分量。电流频率为50 Hz时，短路电动力为每秒100次冲击的周期性变化力。

辐向电动力使内线圈受压力，外线圈受拉力，最后将使主空道绝缘距离扩大。当电动应力大于导线抗张应力时，则线圈变形、匝绝缘断裂。安匝平衡时，轴向电动力仅受端部边界条件影响，由磁力线弯曲产生，上下比较对称，在轴向上合力基本为零；安匝不平衡时，因不平衡漏磁的辐向分量引起轴向电动力，其大小和合力的方向随安匝不平衡情况而变。

根据左手定则，短路电动力为：

短路电流可按下式计算[1]：

式中：I1d为稳态短路电流有效值；α为短路时电压初相角；Rd为短路等值电阻；Ld为高低压绕组漏电抗系数；w为角频率。

另外，变压器的漏磁场比较复杂，不仅其大小是一个时变函数，而且在短路过程中随绕组的振动，漏磁场在空间的分布也是时变的。如果忽略绕组振动引起的空间变化对漏磁场影响，可先根据短路稳态电流值求出漏磁密B0，再求出时变磁密Bt。因此可求出各导线的轴向和辐向短路电动力为：

式中：B0为与短路稳态电流；I1d为对应的磁密；R为各导线的圆环半径。由于磁感应强度B0与电流成正比，故短路电动力与电流的平方成正比。

1.3 热稳定分析

变压器线圈在短路电流作用下温度会迅速升高，均匀物体发热冷却方程可计算短路时线圈达到的最高平均温度为[1]：

式中：θ0为线圈起始温度；J为短路电流密度；t为持续时间。

通过上述分析可知，通过变压器的稳态短路电流密度大小是影响变压器短路故障损坏的关键参数之一。正因如此，变压器在遭受出口和近区短路时，故障损坏的几率较大。因此，做好防止主变压器近区短路事故的防范措施很有必要。

2 防止变压器近区短路的措施

（1）变压器的中低压侧加装绝缘热缩套。对中、低压侧电压等级是35 kV及以下的变压器，只要其出线采用的是硬母线，可以从变压器出口接线桩头一直到开关柜的母线（包括开关室内高压开关柜底部母排），全部加装绝缘热缩套。如果采用的是软母线，可在变压器出口接线桩头和穿墙套管附近加装绝缘热缩套。这样可有效防止小动物等造成的变压器出口短路。同时提高线路安全走廊和安全距离要求的标准，重视电缆的安装检修质量（因电缆头爆炸大多相当于母线短路）。目前，温州电网绝大部分变电所已执行该项措施，因引线而发生的短路故障明显降低。

（2）对变压器的中、低压侧为35 kV或10 kV电压等级的变压器，由于其中性点属于小电流接地系统，所以要采取有效措施防止单相接地时发生谐振过电压，从而引起绝缘击穿，造成变压器的出口短路。防止单相接地时发生谐振过电压的措施有：电压互感器的二次开口三角加装消谐器、电压互感器的一次中性点对地加装小电阻或者非线性消谐电阻、采用四压变等。而对电容电流超过规程标准的，则加装消弧线圈或者自动调协消弧线圈。

（3）将变压器中低压侧的开关更换为开断容量更大的开关，防止因开断容量不足引起开关爆炸造成的变压器出口短路。同时提高对开关质量的要求，防止故障时开关拒动。

（4）优化运行方式。确定运行方式要核算短路电流，并限制短路电流的危害。对于短路电流过大的母线，牺牲一定的可靠性，采取分裂运行的方式；或采取增设备用电源自投装置后开环运行，以减少短路时的电流和简化保护配置；220 kV及以上电压等级的变压器尽量不直接带10 kV的地区电力负荷等。

（5）提高运行管理水平。首先要防止误操作造成的短路冲击；要加强变压器的适时监测和检修，及时监测变压器的变形程度，保证变压器的安全运行。加强变电所内运行巡视和线路巡视，发现长高的树木等及时砍伐，防止线路接地造成的变压器出口短路或者引起的过电压。

3 降低变压器近区短路危害的措施

为了减少近区短路对变压器的危害，还有必要采取降低近区短路危害的措施：比如在主变的中性点加装电抗器，限制接地短路电流；在主变的低压侧串联电抗器，以限制短路电流，同时通过优化选型，选用能顺利通过短路试验的变压器并合理确定变压器的容量，合理选择变压器的短路阻抗。以上措施可以在一定程度上降低短路电流，从而降低近区短路故障所产生的热效应和动效应，降低对主变的损害。

另外，从继电保护专业考虑，需要采取措施优化保护配置，提高保护故障切除的可靠性，缩短近区短路的切除时间，以减轻近区短路危害。对抗外部短路强度较差的变压器，对于系统短路跳闸后的自动重合或强行投运，应关注其不利的因素。因此，应根据短路故障是否能瞬时自动消除的概率，对架空短线（如2 km以内）或电缆线路取消使用自动重合闸，或适当延长合闸间隔时间，以减少因重合闸失败而带来的危害。采用备自投装置的变电所，应采取可靠措施，防止近区短路故障。

4 结语

近几年电网发展速度十分迅速，各级电网的短路电流呈不断增长趋势，这也加剧了变压器在近区短路时所承受的冲击。温州地区又处台风多发地带，台风季节发生变压器近区短路的风险大大增加，而变压器的绕组变形又具有累积效应。因此，在做好防止和降低变压器近区短路危害措施的同时，也要加强对变压器的技术监督，尤其是对变压器绕组变形的检测。

[1] 路长柏，朱英浩.电力变压器计算[M].黑龙江：黑龙江科学技术出版社，1986.

[2] 史振华，杨波.主变近区短路试验后电气试验的探讨[J].电力学报,2005，20（3）∶277-279.