主变压器抗短路能力不足的危害及应对措施

邹明浩

（广东电网有限责任公司梅州供电局，广东 梅州 514000）

近年来随着用电量的不断加大，主变压器单台容量持续增长，电力系统中短路电流水平呈逐年上升趋势，严重影响着主变压器的安全稳定运行。据统计，2008—2018 年，广东电网范围内因主变压器抗短路能力不足引起的故障约占主变压器故障总数的1/3左右，是造成主变压器故障的主要原因。

为解决上述问题，2018年广东电网依照网公司反事故措施的各项要求，对公司范围内运行超过15年的110～500 kV 主变压器开展抗短路能力专项核算，开展主变压器抗短路能力不足专项整治及改造，从根本上避免因外部短路造成的主变压器内部受损故障。

1 基本原理

1.1 影响因素

据统计，广东电网110～500 kV 主变压器中有321 台出厂年限超过15 年，其中2000 年以前的占59.5%。上述主变压器出厂时只通过静力学理论来计算短路电流阈值，未考虑其流过短路电流时的瞬时冲击力，抗短路能力无法满足现阶段电网发展需求。此外，主变压器长久使用后，运行环境及运行状态等会影响内部构件的安全性能和绝缘性能，易出现绕组变形、绝缘老化等质量缺陷，降低主变压器整体抗短路能力。

1.2 主要危害

110～500 kV主变压器运行负荷较大，在内部构件机械强度不足、线路绝缘性能欠佳等情况下，当经受短路电流冲击时，会在绕组间产生短路热效应及电动力，严重时会导致主变压器发生爆炸。

热效应。主变压器运行时受电流变化的影响，会出现空载损耗和负载损耗，造成主变压器运行温度上升。此时，若主变压器遭受外部短路故障，则瞬时电流增加，空载损耗和负载损耗骤升，短路电流产生的热效应将直接造成主变压器主绝缘击穿和内部损毁，对电网运行造成严重威胁。

电动力。主变压器运行时电流在绕组间产生漏磁场，因电磁感应在绕组中会产生电动势，此时，若主变压器遭受外部短路故障，则瞬时电流增加，施加在绕组上的电动力也随之增加，当超过阈值时将导致内部绕组严重变形损毁。

2 诊断评估

2.1 诊断方法

广东电网110～500 kV 主变压器抗短路能力评估时通过组件检验和性能评测两部分开展。其中组件检验主要进行主变压器的外观构件检查，如套管绝缘、分接开关动作、继电器密封性、端子箱可靠性等，执行DL/T 573—2021《电力变压器检修导则》标准，具体检验项目如下：

套管。对电容型套管的油位、密封情况、紧固情况、完整性、清洁度进行检查，并进行本体绝缘试验。

分接开关。检查有载分接开关的切换开关、选择开关、范围开关、操作机构箱等部件的绝缘状况、功能性、紧固情况、完整性及清洁度等进行检查试验。

压力释放阀。检查压力释放阀的完整性、清洁度、密封性、动作正确性，并送往专业机构校验。

气体继电器。对气体继电器的完整性、密封情况进行检查，并送往专业机构进行校验。

温度计。检查温度计的完整性、清洁度、指示准确性，并送往专业机构校验；检查阀门各部件的完整性和密封性、清洁度。

阀门。对阀门各部件的完整性和密封性、清洁度进行检查。

端子箱。检查端子箱表面油漆、清洁度，检查端子完好性、密封性，并进行绝缘电阻及防凝露加热器试验检查。

吸湿器。检查吸湿器的油杯、玻璃罩的清洁度、完整性及吸附剂有效性。

性能评测则将通过主变压器安装点短路电流与主变压器可承受短路电流进行比较，判断主变压器是否存在抗短路能力不足缺陷。一般包括绕组基本参数、短路阻抗参数等测评指标。绕组基本参数包括额定电压、容量、出线方式、绕组形式、内径、匝数、幅向、垫块、导线类型、导线参数、屈服强度等；短路阻抗参数包括短路阻抗的最正分接、额定分接、最负分接等。

本次综合评估过程中利用广东电网变压器抗短路能力计算及管理系统实现，其主要包括信息管理、短路电流水平咨询、计算管理、数据分析和系统管理5 大功能模块，分别完成信息维护、数据采集、数据计算、能力评级和综合管控等一系列工作，如图1所示。

图1 广东电网主变压器抗短路能力评估系统架构

上述平台中利用ansys的有限元分析法构建主变压器模型，将基础信息、运行参数、电流数据等导入到模型中，进行主变压器承载能力的计算。同时，考虑动态位移量、累积效应因素等，建立衰减曲线，提升主变压器抗短路分析的可靠性和准确性。在对主变压器抗短路能力进行综合评估后，根据具体情况，在历史数据基础上提出了有效治理措施及建议，具有较高的实用价值。

2.2 诊断结果

经诊断校核，广东电网110～500 kV 主变压器出厂年限超过15 年的321 台中，有111 台存在抗短路能力不足缺陷，其中包括110 kV 主变压器82 台，220 kV主变压器29台。后续工作中须针对其评估结果进行全面改造，以提升主变压器的安全性、可靠性和稳定性。

3 解决措施

3.1 技术方案

根据广东电网110～500 kV 主变压器抗短路能力不足缺陷情况，结合现场实际情况，提出了更换新变压器、返厂改造、现场改造或加装限流电抗器等多种改造方式，具体改造方案如表1所示。

表1 广东电网110～500 kV主变压器改造方案

3.2 注意事项

3.2.1 更换绕组

在提升主变压器整体抗短路能力时，整体更换后的绕组在原材料、结构等方面应满足以下要求：

内置式调压线圈须采用半硬导线或者自粘换位导线，屈服强度不低于170 N/mm2，电流密度不高于3.5 A/mm2。

低压绕组及自耦变压器公共绕组线圈须采用（无氧）半硬导线或自粘性换位铜导线绕制，220 kV和500 kV变压器所采用的半硬导线的拉伸屈服强度σ0.2不小于170 N/mm2，110 kV 变压器所采用的半硬导线的拉伸屈服强度σ0.2不小于150 N/mm2。

内侧线圈须采用厚度≥3 mm、密度大于1.15 g/cm3的硬纸筒或机械强度更优的材料做骨架筒，骨架筒在绕制线圈前应进行干燥定型处理。

线圈压板宜采用整体压板结构，压脚或压钉的个数不少于4个/相。

绕组设计应使电流和温度沿绕组均匀分布，并使绕组在承受全波和截波冲击试验时得到最佳的电压分布。

制造厂须提供主变压器承受短路能力计算书，计算相关数值。

3.2.2 变压器油的选用

所选用的主变压器绝缘油应是符合国标GB 2536—2011《电工流体变压器和开关用的未使用过的矿物绝缘油》、GB/T 7595—2017《运行中变压器油质量标准》的规定，且不含腐蚀性硫。绝缘油除含有抗氧化剂外，不得含有任何添加剂。与油体相接触的绝缘材料、胶、漆等与油应有良好的相容性。

应选用由环烷基原油提炼的变压器绝缘油（25号/倾点-20 ℃）。

3.2.3 绝缘件设置

垫块、撑条材料应采用密度大于1.15 g/cm3的高密度纸板。

同一绝缘件所用的材料不应混用。

3.2.4 密封件设置

主变压器除箱沿外，所用橡胶密封件应选用以丙烯酸酯或氟橡胶为主体材料的密封件，保证不渗漏油。所有密封圈应有压缩限位，在正常安装情况下，外观看不到密封圈。

所选用的丁氰橡胶密封件和丙烯酸酯密封件均应按照GB/T 7759.1—2015《硫化橡胶或热缩性橡胶压缩永久变形的测定》进行热空气压缩永久变形试验和按照GB/T 7762—2003《硫化橡胶或热缩性橡胶耐臭氧龟裂静态拉伸试验》进行耐臭氧龟裂静态拉伸试验。