季凌武

（溫州電力局，浙江 溫州 325000）

在電力系統(tǒng)的各種設(shè)備中，變壓器是比較昂貴而且很重要的設(shè)備之一，運(yùn)行中遭受近區(qū)短路時(shí)損壞的幾率較大，約占全部損壞事故的40%以上。截至2009年8月，對(duì)溫州電網(wǎng)運(yùn)行的173臺(tái)變壓器進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共發(fā)生了135次近區(qū)短路。

因此，如何防止和降低變壓器近區(qū)短路的危害有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過對(duì)變壓器短路故障損壞基本理論的分析，提出了若干防止和降低變壓器近區(qū)短路危害的措施。

1 變壓器近區(qū)短路后的影響分析

1.1 近區(qū)短路故障

變壓器的短路故障主要指變壓器出口短路、內(nèi)部短路引線或繞組間對(duì)地短路及相與相之間發(fā)生的短路而導(dǎo)致的故障，其危害包含動(dòng)穩(wěn)定破壞和熱穩(wěn)定破壞。動(dòng)穩(wěn)定破壞又可分初期的沖擊破壞和振動(dòng)破壞。沖擊破壞的過程指從短路的初始時(shí)刻到暫態(tài)分量基本衰減完畢；而振動(dòng)破壞貫穿整個(gè)短路過程，并且破壞性隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。熱穩(wěn)定破壞會(huì)使變壓器絕緣材料嚴(yán)重受損，甚至造成變壓器擊穿或損毀。整個(gè)故障過程的形成包括外部短路—內(nèi)部機(jī)械變形—內(nèi)部絕緣擊穿，其危害性隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大。

1.2 動(dòng)穩(wěn)定分析

軸向漏磁與繞組中電流相互作用產(chǎn)生輻向電動(dòng)力，輻向漏磁與繞組中電流相互作用產(chǎn)生軸向電動(dòng)力。而且這種電動(dòng)力具有時(shí)變特性，包含暫態(tài)分量和穩(wěn)態(tài)分量。電流頻率為50 Hz時(shí)，短路電動(dòng)力為每秒100次沖擊的周期性變化力。

輻向電動(dòng)力使內(nèi)線圈受壓力，外線圈受拉力，最后將使主空道絕緣距離擴(kuò)大。當(dāng)電動(dòng)應(yīng)力大于導(dǎo)線抗張應(yīng)力時(shí)，則線圈變形、匝絕緣斷裂。安匝平衡時(shí)，軸向電動(dòng)力僅受端部邊界條件影響，由磁力線彎曲產(chǎn)生，上下比較對(duì)稱，在軸向上合力基本為零；安匝不平衡時(shí)，因不平衡漏磁的輻向分量引起軸向電動(dòng)力，其大小和合力的方向隨安匝不平衡情況而變。

根據(jù)左手定則，短路電動(dòng)力為：

短路電流可按下式計(jì)算[1]：

式中：I1d為穩(wěn)態(tài)短路電流有效值；α為短路時(shí)電壓初相角；Rd為短路等值電阻；Ld為高低壓繞組漏電抗系數(shù)；w為角頻率。

另外，變壓器的漏磁場(chǎng)比較復(fù)雜，不僅其大小是一個(gè)時(shí)變函數(shù)，而且在短路過程中隨繞組的振動(dòng)，漏磁場(chǎng)在空間的分布也是時(shí)變的。如果忽略繞組振動(dòng)引起的空間變化對(duì)漏磁場(chǎng)影響，可先根據(jù)短路穩(wěn)態(tài)電流值求出漏磁密B0，再求出時(shí)變磁密Bt。因此可求出各導(dǎo)線的軸向和輻向短路電動(dòng)力為：

式中：B0為與短路穩(wěn)態(tài)電流；I1d為對(duì)應(yīng)的磁密；R為各導(dǎo)線的圓環(huán)半徑。由于磁感應(yīng)強(qiáng)度B0與電流成正比，故短路電動(dòng)力與電流的平方成正比。

1.3 熱穩(wěn)定分析

變壓器線圈在短路電流作用下溫度會(huì)迅速升高，均勻物體發(fā)熱冷卻方程可計(jì)算短路時(shí)線圈達(dá)到的最高平均溫度為[1]：

式中：θ0為線圈起始溫度；J為短路電流密度；t為持續(xù)時(shí)間。

通過上述分析可知，通過變壓器的穩(wěn)態(tài)短路電流密度大小是影響變壓器短路故障損壞的關(guān)鍵參數(shù)之一。正因如此，變壓器在遭受出口和近區(qū)短路時(shí)，故障損壞的幾率較大。因此，做好防止主變壓器近區(qū)短路事故的防范措施很有必要。

2 防止變壓器近區(qū)短路的措施

（1）變壓器的中低壓側(cè)加裝絕緣熱縮套。對(duì)中、低壓側(cè)電壓等級(jí)是35 kV及以下的變壓器，只要其出線采用的是硬母線，可以從變壓器出口接線樁頭一直到開關(guān)柜的母線（包括開關(guān)室內(nèi)高壓開關(guān)柜底部母排），全部加裝絕緣熱縮套。如果采用的是軟母線，可在變壓器出口接線樁頭和穿墻套管附近加裝絕緣熱縮套。這樣可有效防止小動(dòng)物等造成的變壓器出口短路。同時(shí)提高線路安全走廊和安全距離要求的標(biāo)準(zhǔn)，重視電纜的安裝檢修質(zhì)量（因電纜頭爆炸大多相當(dāng)于母線短路）。目前，溫州電網(wǎng)絕大部分變電所已執(zhí)行該項(xiàng)措施，因引線而發(fā)生的短路故障明顯降低。

（2）對(duì)變壓器的中、低壓側(cè)為35 kV或10 kV電壓等級(jí)的變壓器，由于其中性點(diǎn)屬于小電流接地系統(tǒng)，所以要采取有效措施防止單相接地時(shí)發(fā)生諧振過電壓，從而引起絕緣擊穿，造成變壓器的出口短路。防止單相接地時(shí)發(fā)生諧振過電壓的措施有：電壓互感器的二次開口三角加裝消諧器、電壓互感器的一次中性點(diǎn)對(duì)地加裝小電阻或者非線性消諧電阻、采用四壓變等。而對(duì)電容電流超過規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)的，則加裝消弧線圈或者自動(dòng)調(diào)協(xié)消弧線圈。

（3）將變壓器中低壓側(cè)的開關(guān)更換為開斷容量更大的開關(guān)，防止因開斷容量不足引起開關(guān)爆炸造成的變壓器出口短路。同時(shí)提高對(duì)開關(guān)質(zhì)量的要求，防止故障時(shí)開關(guān)拒動(dòng)。

（4）優(yōu)化運(yùn)行方式。確定運(yùn)行方式要核算短路電流，并限制短路電流的危害。對(duì)于短路電流過大的母線，犧牲一定的可靠性，采取分裂運(yùn)行的方式；或采取增設(shè)備用電源自投裝置后開環(huán)運(yùn)行，以減少短路時(shí)的電流和簡(jiǎn)化保護(hù)配置；220 kV及以上電壓等級(jí)的變壓器盡量不直接帶10 kV的地區(qū)電力負(fù)荷等。

（5）提高運(yùn)行管理水平。首先要防止誤操作造成的短路沖擊；要加強(qiáng)變壓器的適時(shí)監(jiān)測(cè)和檢修，及時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器的變形程度，保證變壓器的安全運(yùn)行。加強(qiáng)變電所內(nèi)運(yùn)行巡視和線路巡視，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)高的樹木等及時(shí)砍伐，防止線路接地造成的變壓器出口短路或者引起的過電壓。

3 降低變壓器近區(qū)短路危害的措施

為了減少近區(qū)短路對(duì)變壓器的危害，還有必要采取降低近區(qū)短路危害的措施：比如在主變的中性點(diǎn)加裝電抗器，限制接地短路電流；在主變的低壓側(cè)串聯(lián)電抗器，以限制短路電流，同時(shí)通過優(yōu)化選型，選用能順利通過短路試驗(yàn)的變壓器并合理確定變壓器的容量，合理選擇變壓器的短路阻抗。以上措施可以在一定程度上降低短路電流，從而降低近區(qū)短路故障所產(chǎn)生的熱效應(yīng)和動(dòng)效應(yīng)，降低對(duì)主變的損害。

另外，從繼電保護(hù)專業(yè)考慮，需要采取措施優(yōu)化保護(hù)配置，提高保護(hù)故障切除的可靠性，縮短近區(qū)短路的切除時(shí)間，以減輕近區(qū)短路危害。對(duì)抗外部短路強(qiáng)度較差的變壓器，對(duì)于系統(tǒng)短路跳閘后的自動(dòng)重合或強(qiáng)行投運(yùn)，應(yīng)關(guān)注其不利的因素。因此，應(yīng)根據(jù)短路故障是否能瞬時(shí)自動(dòng)消除的概率，對(duì)架空短線（如2 km以內(nèi)）或電纜線路取消使用自動(dòng)重合閘，或適當(dāng)延長(zhǎng)合閘間隔時(shí)間，以減少因重合閘失敗而帶來的危害。采用備自投裝置的變電所，應(yīng)采取可靠措施，防止近區(qū)短路故障。

4 結(jié)語

近幾年電網(wǎng)發(fā)展速度十分迅速，各級(jí)電網(wǎng)的短路電流呈不斷增長(zhǎng)趨勢(shì)，這也加劇了變壓器在近區(qū)短路時(shí)所承受的沖擊。溫州地區(qū)又處臺(tái)風(fēng)多發(fā)地帶，臺(tái)風(fēng)季節(jié)發(fā)生變壓器近區(qū)短路的風(fēng)險(xiǎn)大大增加，而變壓器的繞組變形又具有累積效應(yīng)。因此，在做好防止和降低變壓器近區(qū)短路危害措施的同時(shí)，也要加強(qiáng)對(duì)變壓器的技術(shù)監(jiān)督，尤其是對(duì)變壓器繞組變形的檢測(cè)。

[1] 路長(zhǎng)柏，朱英浩.電力變壓器計(jì)算[M].黑龍江：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1986.

[2] 史振華，楊波.主變近區(qū)短路試驗(yàn)后電氣試驗(yàn)的探討[J].電力學(xué)報(bào),2005，20（3）∶277-279.