变压器短路冲击下抗短路能力分析与防范措施

赵明远，李延兵

（陕西国华锦界能源有限责任公司，陕西榆林 719319）

0 引言

变压器突发短路损坏故障问题越来越突出。据不完全统计，1995—1999 年，变压器突发短路故障125 台次，占同期总事故台次的44%，成为变压器故障的首要问题。

2000 年以来，随着电网发展，500 kV 变压器逐渐成为电网的主网架，220 kV 变压器及以上短路损坏数量逐渐增多，某电力公司曾经在3 年内短路损坏7 台220 kV 变压器。

2010 年后有向500 kV 发展的趋势。2014 年国家能源局《防止电力生产事故的二十五项重点要求》的通知中明确要求500 kV 变压器和240 MV·A 以上容量变压器制造厂应提供同类产品突发短路试验报告或抗短路能力计算报告，计算报告应有相关理论和模型试验的技术支持。

1 抗短路能力计算

1.1 对称短路电流稳定值倍数计算

式中 Ki——短路电流稳定值倍数

Uk——变压器短路阻抗电压（%）

Us——线路阻抗（%）

1.2 短路电流ID 计算结果

式中 ID——短路电流，A

Ki——短路电流稳定值倍数

In——额定电流，A

1.3 变压器承受短路耐热能力计算

按国标GB 1094.5—2003《电力变压器第5 部分：承受短路的能力》[1]规定,公式如下（以铜绕组为例）：

式中 θ0——绕组的起始温度，℃，取θ0=105 ℃

θ1——对称短路后铜绕组允许的最大平均温度，℃，取θ1=250 ℃

Ki——短路电流倍数

J——电流密度，A/mm

T——对称短路的持续时间，取T=3 s

2 抗短路能力不足原因分析

（1）变压器中压线圈采用普通换位导线，线圈自支撑能力较差，抗短路冲击能力不足。

（2）变压器设计及制造水平不足[2]。近年来，电力工业体系飞速发展，大容量高参数电力设备相继投入运行，以往旧的设计、制造与计算电力变压器的抗短路能力不能与现行标准相适应。变压器抗短路能力计算也未与变压器实际运行环境相结合，导致变压器抗短路能力存在偏差。随着绝缘材料和制造工艺的不断提升，变压器的抗短路能力也不断加强。

（3）变压器线材选型不合理：①当变压器采用普通换位导线时抗机械强度较差，在承受短路机械力时易出现变形、散股、露铜现象[3]；②软铜线使用软导线σ0.2从80 MPa 至半硬导线150 MPa[4]。

（4）工艺不合理：①绕组在绕制过程中较为松散，换位处理不当时，绕组绝缘层过于单薄，造成电磁线悬空或普通换位导线的导线相互错位。因此，在换位导线的换位处，在短路电流的作用下易发生变形事故[5]；②绕组线匝及导线之间未进行固化处理或固化处理不当，造成抗短路能力不足[6]；③套装间隙过大，导致作用在电磁线上的支撑不够；④绕组各档预紧力不足或预紧力不均匀，当变压器受短路冲击时变压器绕组线饼受到电应力作用，使电磁线发生变形破损。

（5）自然灾害造成的短时间内多次短路冲击加剧了变压器线圈变形程度并导致绝缘故障发生。

3 防止变压器突发短路故障的措施

为提高变压器的抗短路能力，变压器在制造过程中可采用以下主要措施：

（1）变压器电磁导线采用半硬自粘换位铜导线。导线选材时，应从导线规格、机械强度、耐热性能等方面综合考虑，整体提升导线的抗短路能力[7]。

（2）在制作工艺上，变压器线圈绕制过程中线匝应排列紧实，线圈端部用玻璃丝绝缘带绑扎牢固。

（3）在设计方面，应保持各相绕组之间安匝数平衡，并应用建模程序对变压器抗短路能力进行模拟，根据用户不同准确计算电动力需求，确定线圈的机械强度[8]。

（4）在制造过程和材料控制方面，应按照制作工艺对各相线圈进行干燥、液压预紧，在保证线圈全部压紧的情况下，通过高度调整，使线圈整体高度满足设计要求，保证三相线圈安匝数保持平衡[9-10]。

（5）在材料选用方面，绝缘材料宜选择高密度绝缘纸板和成型的绝缘件，从而增加线圈的机械强度，增强变压器短路时抵御轴向电动力的能力。

（6）内线圈还增加内支撑等措施来减小短路力，保证内线圈不出现径向失稳现象。

（7）在变压器线圈端部加装绝缘垫块，用来将器身压紧。在线圈空隙处加装支撑块，提升线圈整体机械强度。线圈预紧完成后，按要求进行二次复紧，保证线圈轴向稳定。

（8）在铁芯柱上对应于线圈撑条处，增加圆形撑条。

（9）在器身制作方面，根据计算铁芯、铁轭所承受力的大小，确定拉板、压板厚度和强度。铁轭采用钢拉带拉紧，铁芯本体采用环氧绑扎带固化绑扎，当铁芯组成整体刚性结构时，变压器器身强度随之增强。

4 案例分析

某电厂主变压器发生差动保护、重瓦斯保护动作，开关跳闸。当时外部环境为雷雨天气，并伴有雷电、短时大风（最大风速22.4 m/s）、风力9 级、短时强降水等强对流天气，至24 日8 时，累计降雨量62.9 mm，达到暴雨等级。型号：SFPSZ9-180000/220，容量：180/180/60 MV·A，额定电压：220/121/10.5 kV。

主变中性点接地运行。主变中压绕组先后经受了3 次额定电流以上的短路电流冲击，最后一次电流有效值达到9 倍左右，导致内部故障。

4.1 色谱分析数据

主变油色谱三比值分析编码为102，属内部电弧放电（表1）；气体继电器内气体主要成分为氢气、乙炔，次要成分为甲烷、乙烷和乙烯，故障类型分析为电弧放电。经吊罩检查，该主变A、B 相中压线圈多处扭曲变形并绝缘损坏，C 相中压线圈存在6处绝缘破损。

表1 某电厂主变故障前后色谱数据表

4.2 原因分析

（1）该主变变压器中压线圈采用普通换位导线，线圈的绝缘支撑能力较差，在承受短路机械力时易出现变形、散股、露铜现象。

（2）绕组绕制较松，导致换位导线处变形。

（3）安装工艺较差，套装间隙过大，导致作用在电磁线上的支撑不够。

（4）线饼预紧力不足，压制不均匀，导致变压器在短路冲击时线饼的跳动，应力过大而发生变形。

（5）自然灾害造成的短时间内多次短路冲击加剧了变压器线圈变形程度并导致绝缘故障发生。

5 结论及建议

（1）在变压器制造过程中应明确制造厂提供参数相同或相近的同类型变压器短路试验报告及其变压器动热稳定性能的计算报告，并承诺提供合同变压器的具体结构参数，以便计算校验合同变压器的抗短路能力。

（2）运行单位应取得所订购变压器的抗短路能力计算报告及抗短路能力计算所需详细参数，并按照GB 1094.5 提供的判断依据进行审核，满足国标要求的，可认为满足抗短路能力要求；不满足要求的，应立即让变压器厂家改进设计，以提高变压器抗短路能力。

（3）用户可根据短路电流的方式和大小不同，合理配置变压器抗短路能力，达到设备安全性与经济性的合理配置。

（4）采用高机械强度的导线。110 kV 及以上变压器内线圈应根据短路力校验决定采用半硬自粘性换位导线或半硬组合铜导线，自粘性换位导线在胶的作用下粘合在一起，整体性较好，由自粘换位导线构成的绕组“坚硬度”大增，使得整个绕组抗辐向的变形能力大为增加。

（5）采用硬纸筒绕制线圈，采用加密线圈的内外撑条等措施。

（6）进行突发短路试验抽检。

（7）变压器大修时做绕组变形测试。