提高110KV及以上变压器抗短路能力的措施

2010-01-01

中国新技术新产品 2010年9期

（云南铜业股份有限公司，云南昆明 650102）

1 变压器短路事故主要表现形式

通过对变压器因外部短路损坏典型事故分析，变压器短路事故主要有以下几种表现形式：

绕组轴向失稳变形，造成绕饼沿轴向弯曲变形，绝缘垫块松动脱落，线饼倾斜倒塌失稳，压钉松动，铁芯夹件支板变形或压钉肢板脱落，压钉螺栓弯曲、位移，压钉碗碎裂，端部压板断裂等。

绕组辐向损坏，造成外绕组撑开，内绕组成梅花形或曲翘，层间撑条被剪断等。由于短路时间过长或导线焊接不良导致热效应破坏，造成线圈甚至铁芯严重烧损。绕组端部和换位处绝缘存在初始缺陷导致损坏，造成绝缘烧损，形成匝问或饼间短路，导线烧断或烧熔等。线圈采用单螺旋结构时可能引发绕组扭转。

由于引线固定支点不够，支架不牢固，引线焊接不良等造成引线支架开裂，胶木螺杆折断，引线变形等。以上变压器短路事故损坏形式往往不是以一种单独形式出现的，更多时候是多种形式并存，变压器的损坏往往也是在遭受多次短路故障的累积作用下发生的。

2 变压器短路时电动力分析

变压器短路过渡过程中的电流是连续变动的，而绕组及其部件在电动力的作用下也会产生位移，因此短路时电动力的分析是一个相当复杂的动态过程分析。下面简要地定性叙述短路时电动力在变压器绕组及其部件的作用情况。

2.1 径向电动力

漏磁场的轴向分量与短路电流相互作用，对绕组产生径向力。由于漏磁场感应强度呈三角形分布，作用在绕组导线上的力与导线所在处的磁场感应强度成正比。径向力向内作用在内绕组上，力图使导线长度缩短，在绕组导线中出现压应力；径向力向外作用在外绕组上，力图使导线伸长，在绕组中出现拉应力，同时内外绕组还会出现弯曲应力。径向合应力为压(拉)应力与弯曲应力之和。合应力的大小与撑条数和撑条的材料弹性有关。

2.2 轴向电动力

轴向电动力由两部分组成，一部分是由漏磁场的端部弯曲而呈现出的横向分量与短路电流相互作用产生的轴向力，称为轴向内力，其作用方向对内外绕组均是压缩绕组，力图使绕组高度降低，使绕组的线匝向竖直方向弯曲并压缩线段间的垫块。轴向电动力的另一部分是由于一对内、外绕组磁势不均匀(安匝不平衡)而出现的横向漏磁场与短路电流作用而产生的轴向力，一般称为轴向外力。轴向外力的作用方向与横向漏磁通的方向有关，在一对内、外绕组上产生的作用力大小相等、方向相反。绕组上承受的轴向力为轴向内力与轴向外力的矢量和。

2.3 周向电动力

流经变压器绕组中的电流从首端到末端可视为一个等效的轴向电流矢量。等效轴向电流与横向漏磁场相互作用产生周向电动力而力图使绕组中的线段产生圆周运动。通过分析可以知道，周向电动力在绕组端部的作用方向使绕组出头回弹。周向电动力的作用在大电流的螺旋式低压绕组和多个电流并行流过的螺旋式高压调压绕组上更为显著。

3 提高变压器抗短路能力的措施

提高变压器抗短路能力涉及到设计过程、制造过程和运行维护等方面，具体措施如下：

3.1 设计过程的措施

原产品设计过程中对机械强度和动稳定性能力方面的计算，不能完全反映短路冲击状态过程中构件所受的冲击力，所以必须对原静态应力计算和强度校核方法增加补充内容，在校核绕组强度的同时，增加对绕组抗失稳能力的验算。

优化设计，尽量使各个绕组安匝平衡，包括：器身结构设计时，所有绕组轴向对称，并严格控制高度；单独设置调压绕组，而不是在主绕组上设置分接段；缩小安匝平衡的分布，合理布置油道，以方便制造过程控制。变压器阻抗计算时在标准范围内尽量取最大值，以尽可能限制短路电流。出于提高导线的强度和刚度考虑，应选用合适的导线宽厚比(h/b控制在5以下)，且具有一定坚硬度(半硬铜)的自粘换位导线，设计时还应合理增大内绕组导线截面，以增大抗弯截面系数和惯性矩。外绕组采用双面撑条，内绕组除采用双面撑条外，还应适当增加垫块和撑条数量或考虑增加副撑条，以提高绕组强度和辐向线段的刚性。软纸筒极易变形使支撑失效导致绕组损坏，这已被大量事实所证明，因此，从设计上考虑提高支撑的有效性，内外绕组均采用硬纸筒作骨架。鉴于预压绝缘纸板的机械性能优于层压木板，绕组端压板应采用高密成型预压纸压板。绕组压板采用整压板，并加副压板，以减小压钉作用在主压板上的压强，并使绕组均匀压紧。增加选择压钉数量，高低压绕组均匀布置压钉，以保证均匀压紧，同时可以考虑采用弹簧压钉，使得当绕组产生轴向收缩或位移时，由于弹簧的作用，仍能保持一定的压力。变压器内部裸露的导体都应加包绝缘，要加强引线支架及油箱强度。

3.2 制造过程的措施

选用高密纸板制作垫块，并经密化干燥处理，使垫块的收缩率降到最低限度，并存放于恒温室中以备使用。

对线圈撑条垫块进行预穿配，同时对撑条垫块总高度和各安匝平衡分区垫块高度进行串压预测控制，如此可有效地控制线圈轴向高度的公差，否则将影响到设计原有安匝平衡区域的划分。

导线使用前进行干燥处理，使用中每隔一天更换一次。经过干燥处理的导线，可避免绝缘受潮，便于把线饼绕紧。绕组绕制采用有效的拉紧导线装置，使线饼紧密。高压绕组绕制所有并联导线都要经拉紧装置引出，低压绕组绕制时最上面的6根导线也要经拉紧装置引出，使用时，以导线绷紧而不损伤绝缘为宜。绕组绕制时要保证圆度和同心度，线饼不应出现伞形。每绕制8-10段进行一次轴向压紧，以保证轴向紧实及线饼整齐。绕组端部及出头绑扎用收缩带，绑扎采用拉紧扣的方法，一个间隔一绑扎，连续绑扎4～8饼，以保证端部的机械强度。导线及引线焊接采用斜搭焊，并用无水酒精清洗焊接部位。同时引线的固定包扎一定要紧实，边包扎边用榔头敲打。内绕组的支撑是以铁芯为骨架，通过纸筒和撑条实现的，因此应保证铁芯的圆度、垂直度、同心度和级差。采用恒压干燥工艺，尤其在绕组组装后，进行恒压干燥，以保证各个绕组受压力均匀。绕组整装时，要求装配公差小、间隙量小，铁芯级间用圆棒填充以使铁心与低压纸筒接触面积增大，填实撑紧。

在总装时采用先进工艺，先用小型油压千斤顶对绕组压紧，然后靠压钉把压紧后的尺寸固定下来，放松油压后，绕组就处于规定的压力之下，这样可以使绕组的轴向压紧得到可靠的保证。

3.3 运行方面的措施

采取有效措施，减少近区短路的发生次数；对事故频发的配电线路要加强运行维护并及时消除缺陷；对绝缘水平低的开关柜要限期进行完善化改造；对高压室的所有孔洞要全部堵塞，严防小动物进入；为抑制10kV系统内部过电压引发的事故，应设法测试10kV系统电容电流，必要时应加装消弧线圈；此外，不论事故原因如何，凡变压器开关跳闸，均应对变压器进行电气试验和检查，判断无问题后方可投运，严禁只根据外部迹象盲目将已存在故障的变压器再次投运。

加强运行维护，提高直流电源、继电保护、开关动作的可靠性，防止开关越级跳闸。对直流电源加以重视，定期进行开关分一合一分操作循环试验，以考核直流电源是否可靠，确保重合闸动作后仍能正确切断故障，防止变压器长时间带短路电流而烧坏。同时加强日常维护检查，消除设备闪络放电隐患，防止变压设备污闪和雷击闪络。

对10kV线路重合闸投入进行适当调整。开展变压器绕组变形测量，普查变压器频响特性。当发生近区短路而存在异议时，对事故后变压器进行频响特性测量，经过判断将变形严重的变压器及时退出并作检修处理。