出口短路对变压器的影响及预防措施

冯业锋 咸日常 尹立忠

1.山东理工大学电气与电子工程学院 山东 淄博 255049；2.淄博电力公司 山东 淄博 255032；3.ABB济南分公司 山东 济南 250011

变压器作为变电站的核心组件之一，对电网的安全经济运行起着举足轻重的作用。只有对变压器的故障和异常运行进行准确的分析和判断，采取及时有效的处理措施，才能保证电网的正常运行和对用户的正常供电。近年来，许多变压器事故是由于变压器低压侧短路造成的，变压器的抗短路能力是衡量变压器性能的重要指标，是保证电网中、低压系统安全运行的必要条件。变压器出口短路时，如果短路电流小，继电保护快速动作并切除故障，对变压器绕组的影响不大；如果短路电流过大，保护动作时间长，甚至拒动，则会对变压器绕组造成严重影响，甚至损坏变压器。另外，由于断路器及相关自动装置存在固有的动作时间，故障点不可能零时间切除，变压器难免受到短路电流的冲击，造成对变压器的影响。因此，分析研究变压器出口短路的预防措施是很有必要的。

1 变压器出口短路的案例分析

河南平顶山市某煤矿31.5MVA、110kV变压器（SFSZ8-31500/110）发生短路事故，重瓦斯保护动作，跳开主变压器三侧开关。造成了矿井全部停电，35kV供电系统瘫痪，严重影响了该煤矿的供电安全，主变压器也因受强大的故障电流冲击而损坏。吊罩检查发现C相高压线圈失圆，C相中压绕组严重变形，并挤破围板造成中、低压绕组短路；C相低压绕组被烧断二股；B相低压、中压绕组严重变形。变压器返厂大修，造成直接经济损失达几十万元。

1）事故经过

2009年5月20日，13点20分该煤矿110kV主变35kV侧过流保护动作，重合闸成功；17点41分35kV侧再次过电流，重合闸动作，主变压器重瓦斯保护跳主变压器三侧开关。经检查发现35kV线路距变电站不远处B、C相间有放电烧损痕迹。事故发生的当天有雷雨，事故发生前，曾多次发生10kV、35kV侧线路单相接地。

2）事故原因分析

国家相关标准规定110kV电力变压器的短路容量为800MVA，应能承受最大非对称短路电流系数约为2.55。该变压器所处电力系统中运行条件如下：

电网最大运行方式110kV三相出口短路的短路容量为1844MVA；

35kV三相出口短路为365MVA；

10kV三相出口短路为225.5MVA。

事故发生时，实际短路容量尚小于上述数值。据此计算变压器应能承受此次短路冲击。当时事故损坏的变压器正与另一台3150MVA/110kV变压器并列运行，经受同样的短路冲击，而另一台变压器却未损坏。因此，事故分析认为导致变压器B、C相绕组严重变形并烧毁的原因是变压器存在以下问题：

（1）经吊罩检查发现该变压器撑条不齐且有位移。这样大大降低了内侧中压绕组承受辐向力和轴向力的能力，使绕组稳定性降低。从事故中的C相中压绕组辐向失稳向内弯曲的情况，可以考虑适当增加撑条数目，以减小导线所受辐向弯曲应力。

（2）变压器绕组松散。高压绕组辐向用手可以摇动5mm左右。理论分析可知，短路电流产生的电动力可分为辐向力和轴向力。外侧高压绕组受的辐向电磁力，从内层值外层呈线性递减，最内层受的辐向力最大，两倍于绕组所受的平均圆周力。当绕组卷紧时，内层导线受力后将一部分力转移到外层，结果造成内层导线应力趋向减少，而外层导线应力增大，内应力关系使导线上的作用力趋于均衡。内侧中压绕组受力方向相反，但均衡作用的原理和要求一致。绕组如果松散，就起不到均衡作用，从而降低了变压器的抗短路冲击能力。

外侧高压绕组所受的辐向电动力是使绕组导线沿径向向外胀大，受到的是拉张力，表现为向外撑开；内侧中压绕组所受的辐向电动力是使绕组导线沿径向向内压缩，受到的是压力，表现为内挤压。这与该变压器的B、C相高、中压绕组在事故中的结果一致。

（3）绝缘结构的强度不高。该变压器中、低压绕组采用的是围板结构，而围板本身较软，经真空干燥收缩后，高、中、低绕组之间呈空松的格局，为了提高承受短路的能力，宜在内侧绕组选用硬纸筒绝缘结构。

2 变压器出口短路对其本身的影响

在发生出口短路时，由于短路电流的冲击，变压器绕组在电动力和短路电流热效应的作用下将产生永久变形和绝缘烧损。绕组变形包括轴向和径向尺寸的变化、器身位移、绕组扭曲、鼓包和匝间短路等。变压器绕组变形后，有的会立即发生损坏事故，更多的是继续运行一段时间，这段时间长短取决于变形的部位和变形的程度。这种变压器已经存在故障隐患，因为：

1）绝缘受到损伤，导致局部放电。当遇到过电压作用时，绕组便有可能发生匝间短路，导致变压器绝缘击穿事故；或者在正常运行电压下，因局部放电的长期作用，使绝缘损伤部位逐渐扩大，最终导致变压器发生绝缘击穿事故。

2）绕组的机械性能降低。当再次遭遇短路电流冲击时，将承受不住巨大的电动力而发生事故。

3）变压器绕组的绝缘强度因热效应而永久降低，在正常运行电压下也可能发生击穿。

4）累积效应。变压器一旦发生绕组变形，将导致累积效应，出现恶性循环。

因此，对于绕组已经变形但仍在运行的变压器来说，虽然并不意味着立即发生绝缘击穿事故，但根据变形情况，当再次遭受并不大的过电流或者过电压，甚至正常运行的铁磁振动作用下，也可能导致绝缘击穿事故。所以，在雷击或突发事故中，很可能隐藏着绕组变形故障因素。

3 防止变压器出口短路的技术措施

3.1 气体色谱检测

在变压器故障诊断中，单靠电气试验方法往往很难发现某些局部故障和发热缺陷，而通过变压器油中气体的色谱分析这种化学检测的方法，对发现变压器内部的某些潜伏性故障及其发展程度的早期诊断非常灵敏而有效，这已为大量故障诊断的实践所证明。

在一般情况下，变压器油中是含有溶解气体的，新油含有的气体最大值约为CO-100uL／L，CO2-35uL／L，H2-15uL／L，CH4-2.5uL／L。 运行油中有少量的CO和烃类气体。但是，当变压器有内部故障时油中溶解气体的含量就大不相同了。变压器内部故障时产生的气体及其产生的原因如表1所示。

根据色谱分析数据进行变压器内部故障诊断时，应包括：

1）分析气体产生的原因及变化。

2）判定有无故障及故障的类型。如过热、电弧放电、火花放电和局部放电等。

3）判断故障的状况。如热点温度、故障回路严重程度以及发展趋势等。

4）提出相应的处理措施。如能否继续运行，以及运行期间的技术安全措施和监视手或是否需要吊心检修等。若需加强监视，则应缩短下次试验的周期。

3.2 减少空载变压器拉合闸次数

空载变压器拉合闸时，由于铁芯中的磁场很快地消失，而磁场的速度变化，将在绕组中产生很高的电压，这就可能使变压器的绝缘薄弱处击穿，同时变压器合闸时可能产生很大的励磁电流，这个电流会使绕组受到很大的机械应力，造成绕组变形和绝缘损坏，因此空载变压器拉合闸次数过多会影响使用寿命。

3.3 其他技术措施

1）在变压器低压侧出口母线上加装绝缘热缩套。若出线采用硬母线，包括开关室内高压开关柜底部母排，全部加装绝缘热套管；若出线采用软母线，适当加大相见距离，并在变压器出口接线桩头和穿墙套管附近加装绝缘热缩套，这样可以有效防止小动物等造成的变压器近距离出口短路。

2）电力变压器10kV或35kV侧属于小电流接地系统，所以要采取有效防止单相接地时发生谐振过电压而引起绝缘击穿造成变压器的出口短路的措施。如在电压互感器的二次开口三角侧加装消谐器；在电压互感器的一次中性点对地加装小电阻或者非线性消弧电阻；对电容电流超过规程标准的，加装消弧线圈，最好是加装自动调谐消弧线圈。

3）对于变压器中、低压侧的支柱瓷瓶，包括高压开关柜内瓷瓶，更换爬距较大的防污瓷瓶，或者涂刷常温固化硅橡胶防污闪涂料，防止污闪造成变压器出口短路。核算变压器低压侧开关的开断容量，防止因开断容量不足引起开关爆炸，造成变压器出口短路。

4）变压器、母线及线路的避雷器采用性能更良好的氧化锌避雷器，提高限制过电压能力，减少过电压引起变压器出口短路。

5）变压器的继电保护，应尽量实现微机化并双重化，防止拒动和误动；安装母线差动保护、失灵保护，提高保护动作的可靠性、灵敏性和速动性；降低变压器绕组通过短路电流的时间。

6）对于进线为双电源备用电源自投的110kV变电站，要采取措施，防止备用电源自投对故障变压器再次冲击。对于新建变电站，选用短路阻抗高、抗出口短路能力强的变压器，并采用合理的主接线方式，以降低短路电流。另外，还可以采用分裂变或者加装电抗器等方法来降低短路电流。

4 防止变压器出口短路的管理措施

1）科学合理的计算保护定值，消除“保护死区”，快速切除流过变压器的故障电流。例如，对于变压器的过流保护，应缩短动作时间，在满足与下一级保护配合的选择性条件下，动作时间越短越好，最长不大于2S，以减小过电流对变压器的冲击时间。对于终端变电所，电源侧线路保护定值也可延伸到终端变的变压器内部，以增加保护动作的可靠性。

2）加强变压器的年检以及继电保护的定值校验，确保其动作的正确性，杜绝故障时因保护拒动对变压器造成的危害。

3）加强对变压器出口处避雷器的预防试验和运行保护，确保其对因雷击等产生的过电压的吸收，也防止避雷器损坏造成的变压器出口短路。

4）每年安排变压器红外线普测，积极开展避雷器在线监测、绝缘在线监测、高压开关SF6气体在线监测等项目，及时掌握设备运行状况。

5）对新投运的变压器和未作过变形测试的变压器全部做一次变形测试，保留测试数据，这样，在变压器遭受出口短路冲击后，可以此作为基础数据判断变压器变形程度，认定变压器能否继续运行。对未发生明显绕组变形的变压器，及时投入运行，以节省人力及物力，缩短检修周期。

6）加强技术监督工作，杜绝设备超周期运行，对室内母线及瓷瓶定期清扫，及时进行耐压试验，确保设备绝缘良好。

7）巡视线路，发现长高的树木及时砍伐，防止线路接地造成的变压器出口短路或者引起的过电压。加强电缆沟封堵，严防小动物进入开关室，避免小动物引起的单相接地造成变压器的出口短路。

8）加强电网规划、合理安排运行方式，限制短路电流，减小出口短路对变压器的危害。

5 结论

变压器在电力系统中起着至关重要的作用，加强变压器本身抗短路能力以及预防变压器出口短路显得由其重要，因此生产厂家和运行部门应当采取切实可行的措施，提高变压器的抗短路能力和变压器的运行管理水平，以此来提高变压器运行的安全可靠性。

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