电力变压器短路冲击损坏分析及防治措施

连建华，张海，王欣伟

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001；2.国网山西省电力公司，山西太原030001）

电力变压器短路冲击损坏分析及防治措施

连建华1，张海2，王欣伟1

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001；2.国网山西省电力公司，山西太原030001）

立足山西电网220 kV变压器的运行现状，通过对变压器相关科研、生产、运维单位的调研，收集了完整的原始出厂结构、材质及运行数据等资料，研究分析了影响电力变压器抗短路电流冲击能力的设计、选材、工艺等方面的因素。通过对电力变压器抗短路能力的影响因素的分析研究，提出了针对性治理措施，并给出变压器选型采购的建议。

变压器；出口短路；辐向失稳；抗短路能力；校核

0 引言

电力变压器在出口或近区短路电流引起的巨大冲击电动力的作用下极易造成损坏。国家电网公司系统近5 a的变压器事故统计表明，因外部短路电流冲击引起变压器损坏占全部变压器故障的30%。2001—2010年，山西电网220 kV及以上电力变压器故障17次，其中外部短路冲击导致变压器动稳定破坏故障11次，占总数的65%，严重影响了山西电网的安全稳定运行。短路冲击已成为电力变压器损坏的的首要原因。

1 短路电流下绕组受力分析

当变压器绕组中流过电流时，就会在绕组所占空间及其周围空间产生漏磁通。由于磁力线在绕组端部弯曲而产生的辐向漏磁分量与轴向漏磁分量相比，其值较小，故通常可以认为电流产生的轴向漏磁通是主要的。图1为绕组漏磁分布示意图。当变压器在运行中受到短路冲击时，巨大的短路电流（数倍甚至数十倍于额定电流）在漏磁通作用下将在绕组中产生很大的电动力。根据“左手定则”，内、外绕组将受到使其分离的作用力Fr，即外绕组（一般为高压侧）受到沿辐向四周伸展的张力，而内绕组（一般为低压侧）则是受到沿圆周朝铁芯柱方向的压缩力。由于导线的抗弯强度远低于抗拉强度，内线圈机械失稳问题成为线圈耐受短路的主要矛盾[1]。

图1 绕组漏磁分布示意图

2 绕组辐向电动力计算及失稳判据

2.1 绕组辐向电动力计算

根据日本变压器专门委员会提出的计算方法，变压器内绕组在短路电流作用下的辐向电动力计算公式

式中：h为绕组高度；Lm为绕组的线段（线饼）平均长度；Am为短路时绕组安匝密度（瞬时最大值），其中，

式中：Im为短路电流瞬时最大值；N为匝数。

内绕组每个线段（线饼）短路时所承受的电动力

式中：M为内绕组的线段（线饼）数；R为内绕组的平均半径。

2.2 绕组临界稳定强度及稳定判据

绕组的临界稳定强度与导线的机械性能和绕组结构密切相关，内绕组在有内支撑点（撑条）时根据Timoshenko（铁木辛柯）推导的两端铰支圆拱在垂直于拱轴的均布载荷作用下的稳定临界压力公式为

式中：Fcr为临界压力；E为材料的弹性模量；I为绕组的弯曲轴惯性矩；R为圆拱半径；n为支撑点数。

理论上当稳定强度Fcr大于所受到的力Fc时，变压器能够承受特定短路电流冲击而不失稳，但在变压器设计中Fcr与Fc之间仅为Fcr＞Fc是不够的，由于铁芯柱与内绕组间（经纸筒和撑条）不是理想化的紧密接触，同时受绕组结构设计和工艺技术、导线材质和绝缘件的选用等因素的影响，实际的临界稳定强度要比计算值小，因此必须要有一个大于1的安全系数。通常可接受的安全系数为1.8～2.4[2]。

3 影响变压器抗短路能力的因素分析

3.1 设计标准

90年代（包括21世纪初）设计、计算及制造的电力变压器的抗短路能力是按照GB1094.5—1985的系统短路容量和不对称短路系数标准设计的，但新颁布实行的GB1094.5—2008系统短路容量和不对称短路系数均提高了要求，例如220 kV系统短路容量由15GVA提高到18 GVA；110 kV系统短路容量由8GVA提高到9GVA；不对称短路系数由1.8提高到了1.9，因此依据旧标准设计的部分抗短路能力处在临界点附近的变压器不能满足新标准对其抗短路能力的要求。

图2 两端铰支圆拱受力示意

3.2 材料选择及结构设计

抗短路能力安全裕度的合理设计是变压器抗短路能力的必要保证。在变压器市场竞争如此激烈的今天，进行产品设计时，如果为了控制产品的成本，导致产品的设计安全裕度不够，必将严重影响变压器的抗短路冲击能力。

提高导线的硬度是提高线圈辐向稳定性的有效措施。当导线从“软”态变为“半硬”态（即σ0.2从80MPa提高到150MPa)时，辐向失稳的平均临界应力可提高1.5倍。若采用自粘性换位导线，绕组的辐向失稳平均临界应力要明显高于非自粘接换位导线绕组的辐向失稳平均临界应力，可以达到普通导线的3倍。部分制造厂节约成本，影响了对自粘换位导线的使用积极性。另外，提高导线的宽高比可以提高绕组的弯曲轴惯性矩，进而提高辐向失稳平均临界应力。

尽管有观点认为绝缘材料在干燥后的收缩效应，使得辐向支撑对绕组的失稳起不到支撑作用，但计算和实际观察表明内绕组结构中使用硬纸筒作支撑，并合理设计撑条，增加绕组辐向支撑作用，可以明显提高线圈整体的机械强度。

3.3 变压器制造工艺

变压器制造因其工艺复杂，影响因素多且很多环节仍然需要操作者手工操作，加工效果分散性相对较大。在加工过程中应该注意如下几方面。

a）绝缘件制造。对垫块进行预密化处理，这是大型变压器防止绕组轴向松动的主要方法之一。对于撑条上垫块总高度进行控制，使各撑条上垫块受力均匀。

b）绕组绕制。在绕制绕组时，要求导线均匀拉紧，以保证线饼辐向紧实；绕组采用恒压干燥处理，垫块压力应严格控制，以稳定绕组的轴向尺寸；严格控制干燥处理后同相绕组的高度公差，以便各绕组能均匀压紧。

c）器身装配与整体套装。铁轭垫块要求放置平整；绕组套装要紧实，尤其是内侧绕组一定要撑紧，各撑条均不得悬空，否则要增加调节纸筒。另外，撑条应该辐向对正；在对绕组进行轴向压紧时，各压钉要均匀拧紧，压装完毕要检查各绕组的压紧情况，每个垫块都要压紧不得松动。

4 防止运行变压器承受短路冲击的措施

通常每次短路冲击电动力将引起绕组微小变形、局部位移，一个电流峰值的冲击就导致故障的几率是极小的（除非变压器的抗短路冲击性能非常差），但是这种微小变形是可累积的，也就是短路冲击的“累积效应”。运行过程中承受多次短路电流的冲击，变压器绕组会发生由量变到质变的转化，变压器损坏的概率非常高，“累积效应”是不可忽视的。即使抗短路能力良好的变压器也无法承受频繁的短路电流冲击。因此，必须采取措施防止变压器运行中的短路冲击，措施如下。

a）限制变压器出口短路电流。变电站内多台变压器低压侧分列运行，原则上高、中压侧中性点不接地运行，但应保证变电站220 kV母线有1台变压器的高压侧中性点接地运行；在部分短路电流较大的变压器低压侧短路电流限制器，限制短路电流值，减小对变压器的冲击。

b）防止变压器发生出口短路。将变压器低压侧母线进行绝缘包封，针对低压侧电缆线路绝缘薄弱环节电缆头故障导致短路故障频发的情况加强电缆头的技术监督，优化制作工艺，并进行三芯电缆改单芯电缆的技术改造，减少变压器低压侧出口短路的几率。

c）加强用户侧管理，尤其是围墙外用户站的管理，防止由于用户故障导致主网变压器承受短路冲击。

d）优化变电站低压侧保护，缩短短路冲击持续时间。变电站低压侧出线保护尽可能投入全线路瞬时速断保护，线路长度较短的加装线路纵差保护，变电站低压侧母线加装差动保护；电缆出线的重合闸应退出，架空出线除高危及重要用户出线外，重合闸尽量退出；建议低压侧开关柜内加装弧光保护。

5 总结

防止变压器短路冲击损坏首先应提高变压器的设计水平和生产质量，产品质量的提高是提高变压器抗短路能力的根本。制造厂应做好绕组应力计算，合理选择安全系数；中低压线圈，尤其是低压线圈导线必须使用半硬导线或自粘换位导线；在低压绕组内侧使用硬绝缘纸筒支撑结构，合理设计内撑条数量；优化绝缘材料和绕组的生产工艺，提高绕组整体机械强度。

加强生产过程中的监造工作。对变压器的关键原材料、关键工序和重要试验进行严格监造，确保产品质量。

落实各项预防措施，改善变压器的运行条件，减小低压侧出口或近区短路故障的发生，尽量避免变压器承受短路冲击。对已经投运的变压器，严格落实各项预防措施是防止其损坏的首要手段。

［1］钟洪壁.大型变压器短路后内绕组的机械稳定性浅析和改善建议［J］.变压器，2004，41（9）：23－28.

［2］陈玉峰，韩克存，尹奎龙，等.山东电网220 kV变压器短路损坏原因浅析［J］.山东电力技术，2007（3）：11－14.

Analysis on the Transformer Damage Caused by Short-circuit Current Rush and the Preventive M easures

LIAN Jian-hua1，ZHANG Hai2，WANG Xin-wei1
（1.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China；2.State Grid Shanxi Electric Power Corporation，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Based on the operation status of 220 kV power transformers of Shanxi power grid，the paper collects the data of the structure，material and operation of the transformers through investigations on related departments engaged in transformer research，production，operation andmaintenance.The factors influencing the transformer'sability to resistshort-circuitcurrent rush are analysed in termsof the design，materialselection andmanufacturing process，andmeasurementsare presented correspondingly and some suggestions about transformer type selection and purchaseare provided.

transformer；shortcircuit；radial instability；anti-short-circuitability；checking

TM417

A

1671-0320（2014）01-0015-03

2013-09-04，

2013-11-22

连建华（1970-），男，山西清徐人，1999年毕业于沈阳工业大学电器专业，高级工程师，从事输变电设备状态检修技术研究；

张海（1980-），男，山西榆次人，2006年毕业于太原理工大学电力系统及其自动化专业，高级工程师，从事变电设备状态检测技术管理工作；

王欣伟（1979-），男，山西阳泉人，2009年毕业于太原理工大学电力系统及其自动化专业，工程师，从事电气设备绝缘试验工作。