徐會(huì)霞

(臥龍電氣銀川變壓器有限公司，寧夏 銀川 750200)

0 概述

電力系統(tǒng)的變壓器在運(yùn)行中，可能在二次側(cè)發(fā)生各種故障，在一、二次側(cè)繞組中將產(chǎn)生短路電流，特別是出口(首端)短路。巨大的過電流產(chǎn)生的電動(dòng)力，因其與電流的平方成正比，將增大數(shù)百倍，對(duì)變壓器的危害極大。而該電流的大小與多種因素有關(guān)，例如短路發(fā)生的地點(diǎn)、短路發(fā)生瞬間的相位、短路阻抗和短路時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行方式等，并隨著電力系統(tǒng)容量和單臺(tái)變壓器的容量的增加而增大。由于斷路器切斷短路電流需要一定的時(shí)間，變壓器難免要受到短路電流的沖擊。短路時(shí)短路電流增加到十幾倍至幾十倍，這樣大的短路電流所產(chǎn)生的電動(dòng)力為額定時(shí)的幾百倍，繞組在如此大的電動(dòng)力的作用下有可能失去穩(wěn)定性，造成變壓器損壞。國內(nèi)外變壓器運(yùn)行事故表明，短路事故是引起變壓器損壞的主要原因之一。

因此，提高電力變壓器抗短路能力，減少變壓器事故，尤為重要。本文通過對(duì)電力變壓器繞組中短路電動(dòng)力的分析，提出了電力變壓器在設(shè)計(jì)、工藝和結(jié)構(gòu)方面提高抗短利能力的方法與措施。

1 短路電流

變壓器發(fā)生短路時(shí)，變壓器原來的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)被破壞，需經(jīng)過一個(gè)短暫的過渡過程才能達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，在過渡過程中會(huì)出現(xiàn)很大的短路電流。變壓器短路有單相接地，兩相短路和三相短路三種形式，以三相同時(shí)短路形式最為嚴(yán)重。一般在計(jì)算短路電流時(shí)，都以三相同時(shí)短路的情況來考慮。對(duì)于小容量變壓器其短路電流約等于額定電流的30倍；對(duì)于大容量變壓器其短路電流等于額定電流的15～18倍。

2 短路時(shí)的電動(dòng)力分析

當(dāng)變壓器繞組中通過電流時(shí)，繞組的載流導(dǎo)體處在漏磁場中而承受電動(dòng)力的作用，其大小取決于漏磁場的磁通密度與繞組中電流的乘積，而漏磁通密度也與電流大小成正比，因此電動(dòng)力與電流的平方成正比。在額定電流下，作用在導(dǎo)線上的電動(dòng)力很小。但發(fā)生突然短路時(shí)由于最大短路電流可達(dá)額定電流的20～30倍，故短路時(shí)繞組所受的電動(dòng)力為額定時(shí)的幾百倍，可能使變壓器的繞組變形和絕緣損壞。

由于漏磁場的分布規(guī)律較復(fù)雜，為了分析問題方便起見，可以把這一漏磁場分解為軸向(縱向)漏磁和橫向漏磁。根據(jù)左手定則，軸向漏磁將產(chǎn)生幅向力，而橫向漏磁將產(chǎn)生軸向力。

2.1 幅向力 Fx

縱向漏磁密度和橫向漏磁密度對(duì)于不同部位分布并不均勻，在繞組的兩端漏磁密度大。在縱向漏磁場中，由于高低壓繞組的電流方向相反，短路時(shí)作用于高低壓繞組上的幅向力將把兩繞組推開，從而使外側(cè)的高壓繞組受到向外的拉力，內(nèi)側(cè)的低壓繞組受到向內(nèi)的擠壓力，如圖1所示。

2.2 軸向力

2.2.1 軸向力Fy1。由于漏磁場在繞組端部產(chǎn)生彎曲，橫向漏磁場使高低壓繞組均產(chǎn)生向內(nèi)的的軸向壓力，它是要壓縮繞組，且繞組兩端承受的作用力，如圖2所示。一般內(nèi)繞組的力大于外繞組，這是由于內(nèi)繞組緊靠鐵心，磁力線的彎曲程度較大之故。

2.2.2 軸向力Fy2。變壓器的繞組在軸向高度上不一定都對(duì)稱，這樣就會(huì)引起磁動(dòng)勢的安匝不平衡，從而產(chǎn)生一個(gè)橫向漏磁場。在這一橫向漏磁場作用下將要產(chǎn)生使兩繞組發(fā)生軸向相對(duì)移動(dòng)的軸向力Fy2。此力不僅作用于繞組，也作用于鐵軛和夾件。假設(shè)高壓繞組上端低于低壓繞組(下端一致)，因此安匝不平衡，且幅向力Fx與軸向力Fy2作用各繞組中部，繞組受的電動(dòng)力如圖2所示。注意實(shí)際情況是軸向力Fy2作用于每一個(gè)線餅上的。

圖1 高、低壓繞組受到的幅向力

圖2 繞組的受力情況

總的軸向力為Fy1與Fy2的疊加，F(xiàn)y1的作用是分別壓縮高低壓繞組，F(xiàn)y2對(duì)低壓繞組是繞組向上頂?shù)?，F(xiàn)y2對(duì)高壓繞組是使繞組向下壓。反之，低壓繞組向下壓，高壓繞組向上頂。高低壓繞組之間始終存在一個(gè)相對(duì)移動(dòng)的軸向力Fy2。通常，由于端部漏磁場彎曲引起的軸向力Fy1，要比由于安匝不平衡所引起的軸向力Fy2小的多，故有時(shí)往往可以忽略Fy1而只考慮Fy2。如果軸向力Fy2過大，就可能造成繞組損壞或壓緊繞組用的部件損壞，最后導(dǎo)致變壓器不能繼續(xù)運(yùn)行。

3 變壓器短路損壞的主要形式

從變壓器短路損壞統(tǒng)計(jì)和分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)變壓器的低壓繞組損壞較嚴(yán)重。短路損壞的主要形式是繞組失穩(wěn)變形，并導(dǎo)致其絕緣損壞，造成匝間(餅間)短路，進(jìn)而變壓器被燒毀。變壓器短路電動(dòng)力的破壞作用，有的表現(xiàn)為繞組壓緊件變形損壞，嚴(yán)重時(shí)鐵心夾件上鋼肢板被頂彎或壓釘肢板脫落，壓釘彎曲、位移，端部層壓紙(木)板崩裂，引線支架斷裂損壞等。還有的表現(xiàn)為繞組變形，內(nèi)繞組被壓彎，外繞組被拉松動(dòng)或拉斷；線餅在軸向發(fā)生變形，線餅之間的油間隙距離變小，墊塊發(fā)生位移等造成線(匝)間絕緣擊穿等，使變壓器燒毀。

另外，繞組變形的累積效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致繞組失穩(wěn)。變壓器多次短路沖擊后，即使沒有立即發(fā)生絕緣擊穿，但繞組也有可能已經(jīng)產(chǎn)生多次累積變形，這種變形使繞組的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣強(qiáng)度降低，當(dāng)再次遭受并不大的過電流或過電壓，甚至在正常運(yùn)行時(shí)的鐵磁諧振過電壓作用下，也有可能導(dǎo)致絕緣的擊穿。所以在有些非短路使變壓器燒毀事故中，可能隱藏著繞組累積變形故障的因素。

4 提高變壓器抗短路能力的技術(shù)措施

為了確保變壓器在短路的允許持續(xù)時(shí)間內(nèi)仍能安全、可靠運(yùn)行，應(yīng)從設(shè)計(jì)、工藝制造方面共同采取措施，提高變壓器抗短路能力。

4.1 設(shè)計(jì)上

4.1.1 電磁計(jì)算方面要求計(jì)算的結(jié)果應(yīng)盡量能正確反映繞組的實(shí)際受力狀態(tài)，并確保設(shè)計(jì)裕度。

4.1.2 精心設(shè)計(jì)高低壓繞組的安匝平衡,最大限度的降低漏磁通，從根本上減少軸向力。

4.1.3 繞組繞在硬紙筒上,增加了繞組的支撐點(diǎn),增加繞組的撐條數(shù),

采取內(nèi)外撐條,增加繞組的支撐強(qiáng)度。

4.1.4 繞組采用彈簧壓釘均勻分布?jí)壕o的合理結(jié)構(gòu)，裝配時(shí)將繞組高度都調(diào)整的完全一致，使各個(gè)繞組受力均勻，而且在短路情況下使繞組所受電動(dòng)力有所緩沖并使繞組即時(shí)復(fù)位。從而有效地保證了抗短路能力。

4.1.5 鐵芯結(jié)構(gòu)，可以增加鐵芯對(duì)內(nèi)繞組的支撐點(diǎn)，使鐵芯與內(nèi)繞組撐條的支撐點(diǎn)處于撐緊狀態(tài)，保證內(nèi)繞組受徑向壓緊力作用時(shí)，繞組不變形。

4.1.6 繞組導(dǎo)線尤其是換位導(dǎo)線應(yīng)控制其寬厚比，對(duì)軸向力較大的繞組，宜采用自粘性式導(dǎo)線，提高繞組自身的強(qiáng)度。

4.1.7 導(dǎo)線夾采用質(zhì)地堅(jiān)硬的層壓木板,并增加引線的夾持密度和夾持點(diǎn),保證引線不松動(dòng),不振動(dòng)。引線夾緊處尼龍螺桿、螺母采用鎖固劑鎖緊止退。

4.2 工藝制造上

4.2.1 墊塊均通過專用設(shè)備壓密定型處理，使墊塊的收縮率降低到最低限度，保證變壓器頻繁短路時(shí)不會(huì)導(dǎo)致繞組變形或位移。

4.2.2 對(duì)新開發(fā)的變壓器應(yīng)通過突發(fā)短路試驗(yàn)來驗(yàn)證其真實(shí)的抗短路能力。

4.2.3 線圈套裝過程中，保證內(nèi)外線圈套裝緊實(shí)，根據(jù)套裝間隙大下視情況增加紙板或撐條，內(nèi)線圈與鐵心撐板要撐緊。

4.2.4 鐵軛墊塊應(yīng)保持高度一致，線圈的墊塊應(yīng)與鐵軛墊塊對(duì)齊，內(nèi)、外線圈墊塊和油隙撐條應(yīng)保持一致，不允許出現(xiàn)明顯偏斜。套裝過程中內(nèi)外線圈撐條幅向?qū)R，撐條與墊塊軸向?qū)R，以保證內(nèi)外線圈受力可靠。

4.2.5 器身出烘箱后，嚴(yán)格按工藝要求進(jìn)行壓緊，壓緊力必須達(dá)到工藝計(jì)算值。壓緊后壓緊螺釘應(yīng)緊固可靠。所有墊塊、絕緣無松動(dòng)。上鐵軛夾件必須夾緊、撐緊。所有緊固件無松動(dòng)，鎖緊必須可靠。

5 結(jié)束語

變壓器抗短路能力不足，將引發(fā)電力設(shè)備、電網(wǎng)事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，這一現(xiàn)象已引起相關(guān)部門和單位重視，變壓器抗短路能力的提高也是變壓器科技工作者需要不斷研究和解決的重大課題。目前，電力變壓器在設(shè)計(jì)、工藝、結(jié)構(gòu)方面還存在許多問題，為提高電力變壓器抗短路能力，這些問題應(yīng)該引起變壓器制造單位和運(yùn)行單位的重視，這對(duì)于提高整體電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量具有重大實(shí)際意義。為提高電力變壓器抗短路能力應(yīng)采取的方法與措施還有很多，需要在以后的實(shí)踐中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)和完善。

[1]變壓器制造技術(shù)叢書編審委員會(huì)，編.變壓器裝配工藝[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1998，6.

[2]朱東起.電機(jī)學(xué)[M].北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，2006.