变压器绕组变形失稳分析

吴长波

（国网能源宝清煤电化有限公司，黑龙江 双鸭山 155660）

一台双卷油浸式变压器，在一次厂用电短路事故中烧损，停电修复花费了很长时间，造成发电量损失价值远远高于变压器本身的价格。此变压器1992年投入运行，事故前处于正常供电状态，在启动大容量设备时，10kV母线绝缘对地击穿，弧光引起母线三相短路，变压器 10kV低压侧进线开关发生触头燃熔、粘连，保护动作又未能直接跳开此变压器高压侧进线开关，使故障切除时间延长达3s之久。吊芯发现高低压绕组严重变形，低压绕组有一处绝缘击穿，绕组上下有窜动，垫板损坏，压环碎裂。本文通过短路电流在变电器绕组上的作用力，使绕组发生变形失稳的过程和原因的分析，提出预防变压器绕组变形失稳措施。

1 短路时绕组电磁力分析

在发生短路事故时，作用在变压器绕组上的短路电磁力一方面随短路电流的大小不断变化；另一方面在短路电磁力的作用下，绕组及其支撑结构不是静止不动的，在这个过程中，变压器绕组要承受辐向电磁力与轴向电磁力联合作用，使绕组沿轴向上下振动，同时辐向拉伸力使外侧绕组直径增大，辐向压缩力使内侧绕组直径减小，这必然会引起漏磁场也随着发生变化，而漏磁分布的改变又将引起绕组受力也随着发生变化。由于保护未能及时切除此变压器，这种不断变化的短路电磁力作用时间越长，对变压器绕组变形破坏力就越大。据统计，在短路引起的绕组损坏事故中，辐向压缩力比辐向拉伸力更有破坏性，往往是绕组绝缘击穿的主要原因。

通过观察发现，此变压器绕组除其外部严重变形外，与铁心窗口接触处的内侧绕组也有严重的变形、且有击穿现象。这一方面是由于铁心窗口内部区域的漏磁场比铁心窗口外部区域的漏磁场要强，所以此部分绕组所受的短路电磁力相对比较大；另一方面是由于铁心窗口内部的绕组轴向压紧比较薄弱，因此绕组相应部位变形比较大。

查找此变压器跳闸记录，从投运以来已经发生过两次短路保护动作跳闸事故。在本次短路事故中，因绕组支撑结构强度不足，发生辐向失稳变形，使绕组相间和对地、匝间绝缘强度都随着失稳而发生了改变，其中匝绝缘强度变化最大（即绝缘层可能会出现破裂），出现绝缘击穿。如保护不能及时切除故障电流，将会进一步导致更严重的局部绕组击穿。

2 引起辐向失稳的主要原因

图1是变压器绕组在辐向短路电磁力作用下辐向失稳的典型形式。

图1

引起变压器绕组辐向失稳变形因素很多，主要有以下几个方面：

1）制造厂在设计时没有充分考虑适当的安全裕度，使实际绕组承受的辐向稳定力，不能满足现场短路电流的冲击。

2）由于生产工艺差，造成绕组装配间隙过大，所以在大短路电流时，可能造成绕组内某些支撑结构失效。

3）绕组外围的边界不一致造成的绕组漏磁场不是轴对称磁场，从而导致绕组所受的辐向压缩力沿圆周方向不均匀分布。在短路时，结构上比较薄弱的撑条间隔处最先失稳而破坏。

4）多次短路事故可能在绕组上形成变形积累，在以后某次短路力作用时可能超过其支撑结构实际承受能力，而造成失稳变形。

本次损坏的双卷式油浸变压器已连续运行多年，在发生两次短路事故后，没有及时进行频率响应分析了解绕组实际变形情况，也没有进行吊芯检查。在发生母线三相短路时，变压器绕组变形已经达到支撑结构不能承受的程度，因此发生变形失稳、击穿、烧损。

3 预防措施

为防止变压器绕组变形失稳，除严格控制变压器制造质量外，对已投运的大型变压器需要考虑以下几个方面：

1）应采取有效措施，减少母线发生短路的机会。一旦母线侧发生短路，保护应尽快切除母线供电变压器。同时在母线短路未切除之前，厂用备用电源不能自投于故障母线。

2）对 110kV（66kV）及以上电压等级的变压器要有故障录波在线监视装置，掌握短路故障电流大小以及故障持续时间，作为判断绕组变形情况参考。

3）对运行中的大型变压器要进行频率响应分析的测量，以便与事故发生后的频率响应分析结果进行比较，合理判断变压器绕组变形程度。

4）大型变压器出口短路后，应该进行绕组变形试验，与制造厂提供的原始频率响应进行比较，作为绕组有无变形及其变形程度的判断依据，未经任何试验和检查不允许试投。

5）对那些通过频率响方式测量发现绕组变形较严重却仍在运行着的变压器，应在最短时间内，有计划地进行吊心检查和检修。

4 结论

变压器是电网中的重要设备，发生故障对电力系统安全、企业生产影响很大。通过以上分析可知，防止变压器绕组变形失稳损坏，需要加强对变压器运行状态监测，时时了解绕组变形情况，当绕组变形较大时应及时停电维修。可减少变压器烧损的几率，避免不可预计的电力中断事故。

[1]王晓莺.变压器故障与监测[M].北京:机械工业出版社,2004.3.

[2]谢毓城.电力变压器手册[M]. 北京:机柜工业出版社,2003.2.