近区短路对主变压器的影响及管控措施研究

刘德坤，张国瑞，李志超，何方明，郭兆光，王家蓬

（国网北京通州供电公司，北京 100149）

0 引言

在现代电力系统中，电力变压器发挥着极其重要的作用，是电压变换和电能分配环节不可或缺的核心组成部分。随着社会经济的迅速发展，电网容量也在连年增长，给变压器的长期稳定运行带来了巨大的挑战。为了持续可靠地为全社会提供高质量的供电服务，尽最大努力避免变压器发生故障已经成为电力系统运营维护的重要工作内容之一。然而变压器在长期高负荷运行的情况下，故障可以说是必然的，只是概率大小而已。因此，对变压器故障进行分析并探讨有效的预防措施，对于电网的发展具有重要的现实意义。结合事故实例，给出分析、检查和处理过程

1 变压器故障及试验情况

1.1 故障概况

故障变压器所在变电站有2 台主变，其中110 kV 系统为单母线分段运行，2#主变本体重瓦斯保护动作跳闸，112、202 分闸，母联245 自投成功，2#变负荷由1#主变带出，该变电站单电源、单主变运行。

1.2 试验情况

1.2.1 设备主要参数

该变电站2#主变1991 年出厂，额定容量为31 500 kV·A，型号为SFZ9-31500/110，接线组别为YN.d11，冷却方式为自然油循环风冷。

1.2.2 油色谱试验情况

试验结果见表1，可以看出，氢气、乙炔、总烃均已超过正常值。上次油色谱分析时间为2020 年6 月30 日，测试结果正常。

表1 油色谱分析结果

1.2.3 电气试验情况

对变压器绕组特性、绝缘电阻、电容及介损、高压直流电阻进行测试，特性曲线如图1、图2 所示。测试结论如下：

图1 2#变压器高压绕组频率响应特征曲线

图2 2#变压器低压绕组频率响应特征曲线

（1）2#主变低压绕组对地、对铁芯绝缘电阻不合格。

（2）2#主变低压绕组整体介损、电容值不合格，且存在放电现象。

（3）2#主变低压绕组直流电阻严重超标。

（4）2#主变高压、低压绕组变形，波形基本与2007 年修后试验相同，但相对系数较差。

2 故障原因分析

变压器短路冲击累积效应的最大特点是给变压器带来可累积且不可逆的负面影响，在短路冲击状态下，变压器内部结构会出现微小的损伤，并且每次短路冲击造成的这种损伤都会进行累加，当其损伤程度达到特定阈值时，变压器就会永久失效。单次的短路冲击对变压器的影响是微小的，不影响其正常工作，但长期的短路冲击累加会导致变压器永久性损坏。

短路冲击累计效应又可以进一步细分为热效应和短路力效应，因此在分析此类故障问题时应牢牢把握这两种关键的物理效应逐一进行排查，作用机理如图3 所示。

图3 短路冲击累积效应作用机理

对于变压器绕组而言，其形变可能是弹性的，也可能是非弹性的，这主要取决于其所受冲击力的大小。如果冲击力在绕组材料的屈服极限之内，则绕组所产生的变形是可逆的；当冲击力足够大时，绕组形变将会超出材料的屈服强度而发生塑性形变，并且这种形变会逐步累积起来，进而导致绕组的永久性破坏，引发变压器故障。

根据短路电流的瞬变函数进行理论分析不难发现，短路故障发生后的0.01 s 就会出现电磁载荷峰值，此后逐步衰减，尽管电磁载体持续存在，然而，材料塑性区会产生一种强化效应而阻止绕组继续出现塑性形变。在此情况下，峰值能量仍然是短路累积效应电磁载荷的主要成分。而短路冲击时长主要决定了热效应的积累。

根据2015 年电气试验数据及2020 年6 月油色谱分析数据判断2#变运行情况正常，对比本次试验结果，判断为变压器低压绕组绝缘绝缘损坏。

3 防止突发短路故障造成变压器损坏事故的措施

3.1 防止变压器出口短路的技术措施

（1）对10 kV 线路进行重点监测，尤其要关注其所带设备的运行状态，避免出现短路问题，特别是要减少近区短路故障的概率。

（2）防止小动物的入侵。变压器的中低压侧可以考虑安装绝缘热缩套，也可以将原有材料升级为绝缘铜管母线。根据变压器两侧母线的软硬类型，相应安装绝缘热缩套。如果变压器低压套管到开关柜距离比较长，建议更换为绝缘管母线。

（3）采取有效措施抑制单相接地时发生谐振过电压：①对电容电流超过规程标准的，加装消弧线圈或者自动调协消弧线圈；②为减小铁磁谐振过电压的不良影响，可以在电压互感器的二次开口三角安装一个消谐器，最大限度地防止高压熔丝和电压互感器受到破坏；③在一次中性点对地位置另外安装一个阻值较小的电阻器，也可以根据需要选用非线性消谐电阻。

（4）持续优化变压器的参数设置。变压器的保护主要依靠自动化装置，目前广泛采用微机控制和主备保护装置，再配合专门设置的母线差动保护和失灵保护装置，可显著改善变压器保护装置的综合性能。在中低压侧，还可以安装限时速断保护装置，确保故障状态能够迅速隔离故障点。

（5）做好变压器选型工作，尽量采用高性能产品，尤其是大电源附近的变压器，更要提升短路阻抗和抗出口短路能力，优化主接线方式，有效限制短路电流。

3.2 防止变压器出口短路的管理措施

（1）在设计阶段，综合考虑设备结构、设备参数和电网条件，结合理论计算和实际经验做好变压器选型工作。在选型决策之前，要按照设备出厂时提供的短路试验报告以及抗短路能力动态计算报告，分析该型号产品能否满足当前电力系统的应用需求。

（2）在生产阶段，要加强大型变压器产品的质量管控，必要时安排专业技术人员深入生产线对绕组、总装等关键工序进行监造，确保产品质量满足设计要求，并且防止产品的缺陷和隐患流入后续的交付环节。在变压器的运输环节，还要做好严格的防护和物流跟踪。

（3）在检修阶段，要高度重视变压器保护的校验和传动，根据相关规程全面落实继电保护的定值和保护压板的管理规定，提高保护装置动作的灵敏性和可靠性。

（4）如果现有的变压器在抗外部短路强度性能指标上不够强，而且在发生短路故障之后不能自动消除影响，那么在其2 km 以内的架空线路上尽量不要设置重合闸装置，因为重合闸一旦动作失败就会给电网带来更为严重的危害。如果电路由于短路而发生跳闸，必须按照相关规定开展变压器的试验检查工作。

（5）定期维护避雷器，使其始终保持良好的工作状态，在出现雷击现象后，能够可靠地对过电压进行缓冲，防止高压雷击直达变压器核心部件造成永久性损坏。

（6）定期开展设备红外、局放等状态检测活动，尤其是在负荷高峰时段更要及时跟踪设备状态，采用自动化监测手段随时掌握其运行情况。

（7）在电网规划环节要科学设计电网的运行模式，从设计的角度减小短路电流的影响，避免短路对变压器造成永久性损坏。

（8）加强高压试验工作及油务监督工作，严禁设备超周期运行。