趙明遠(yuǎn)，李延兵

（陜西國華錦界能源有限責(zé)任公司，陜西榆林 719319）

0 引言

變壓器突發(fā)短路損壞故障問題越來越突出。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1995—1999 年，變壓器突發(fā)短路故障125 臺(tái)次，占同期總事故臺(tái)次的44%，成為變壓器故障的首要問題。

2000 年以來，隨著電網(wǎng)發(fā)展，500 kV 變壓器逐漸成為電網(wǎng)的主網(wǎng)架，220 kV 變壓器及以上短路損壞數(shù)量逐漸增多，某電力公司曾經(jīng)在3 年內(nèi)短路損壞7 臺(tái)220 kV 變壓器。

2010 年后有向500 kV 發(fā)展的趨勢(shì)。2014 年國家能源局《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》的通知中明確要求500 kV 變壓器和240 MV·A 以上容量變壓器制造廠應(yīng)提供同類產(chǎn)品突發(fā)短路試驗(yàn)報(bào)告或抗短路能力計(jì)算報(bào)告，計(jì)算報(bào)告應(yīng)有相關(guān)理論和模型試驗(yàn)的技術(shù)支持。

1 抗短路能力計(jì)算

1.1 對(duì)稱短路電流穩(wěn)定值倍數(shù)計(jì)算

式中 Ki——短路電流穩(wěn)定值倍數(shù)

Uk——變壓器短路阻抗電壓（%）

Us——線路阻抗（%）

1.2 短路電流ID 計(jì)算結(jié)果

式中 ID——短路電流，A

Ki——短路電流穩(wěn)定值倍數(shù)

In——額定電流，A

1.3 變壓器承受短路耐熱能力計(jì)算

按國標(biāo)GB 1094.5—2003《電力變壓器第5 部分：承受短路的能力》[1]規(guī)定,公式如下（以銅繞組為例）：

式中 θ0——繞組的起始溫度，℃，取θ0=105 ℃

θ1——對(duì)稱短路后銅繞組允許的最大平均溫度，℃，取θ1=250 ℃

Ki——短路電流倍數(shù)

J——電流密度，A/mm

T——對(duì)稱短路的持續(xù)時(shí)間，取T=3 s

2 抗短路能力不足原因分析

（1）變壓器中壓線圈采用普通換位導(dǎo)線，線圈自支撐能力較差，抗短路沖擊能力不足。

（2）變壓器設(shè)計(jì)及制造水平不足[2]。近年來，電力工業(yè)體系飛速發(fā)展，大容量高參數(shù)電力設(shè)備相繼投入運(yùn)行，以往舊的設(shè)計(jì)、制造與計(jì)算電力變壓器的抗短路能力不能與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)。變壓器抗短路能力計(jì)算也未與變壓器實(shí)際運(yùn)行環(huán)境相結(jié)合，導(dǎo)致變壓器抗短路能力存在偏差。隨著絕緣材料和制造工藝的不斷提升，變壓器的抗短路能力也不斷加強(qiáng)。

（3）變壓器線材選型不合理：①當(dāng)變壓器采用普通換位導(dǎo)線時(shí)抗機(jī)械強(qiáng)度較差，在承受短路機(jī)械力時(shí)易出現(xiàn)變形、散股、露銅現(xiàn)象[3]；②軟銅線使用軟導(dǎo)線σ0.2從80 MPa 至半硬導(dǎo)線150 MPa[4]。

（4）工藝不合理：①繞組在繞制過程中較為松散，換位處理不當(dāng)時(shí)，繞組絕緣層過于單薄，造成電磁線懸空或普通換位導(dǎo)線的導(dǎo)線相互錯(cuò)位。因此，在換位導(dǎo)線的換位處，在短路電流的作用下易發(fā)生變形事故[5]；②繞組線匝及導(dǎo)線之間未進(jìn)行固化處理或固化處理不當(dāng)，造成抗短路能力不足[6]；③套裝間隙過大，導(dǎo)致作用在電磁線上的支撐不夠；④繞組各檔預(yù)緊力不足或預(yù)緊力不均勻，當(dāng)變壓器受短路沖擊時(shí)變壓器繞組線餅受到電應(yīng)力作用，使電磁線發(fā)生變形破損。

（5）自然災(zāi)害造成的短時(shí)間內(nèi)多次短路沖擊加劇了變壓器線圈變形程度并導(dǎo)致絕緣故障發(fā)生。

3 防止變壓器突發(fā)短路故障的措施

為提高變壓器的抗短路能力，變壓器在制造過程中可采用以下主要措施：

（1）變壓器電磁導(dǎo)線采用半硬自粘換位銅導(dǎo)線。導(dǎo)線選材時(shí)，應(yīng)從導(dǎo)線規(guī)格、機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性能等方面綜合考慮，整體提升導(dǎo)線的抗短路能力[7]。

（2）在制作工藝上，變壓器線圈繞制過程中線匝應(yīng)排列緊實(shí)，線圈端部用玻璃絲絕緣帶綁扎牢固。

（3）在設(shè)計(jì)方面，應(yīng)保持各相繞組之間安匝數(shù)平衡，并應(yīng)用建模程序?qū)ψ儔浩骺苟搪纺芰M(jìn)行模擬，根據(jù)用戶不同準(zhǔn)確計(jì)算電動(dòng)力需求，確定線圈的機(jī)械強(qiáng)度[8]。

（4）在制造過程和材料控制方面，應(yīng)按照制作工藝對(duì)各相線圈進(jìn)行干燥、液壓預(yù)緊，在保證線圈全部壓緊的情況下，通過高度調(diào)整，使線圈整體高度滿足設(shè)計(jì)要求，保證三相線圈安匝數(shù)保持平衡[9-10]。

（5）在材料選用方面，絕緣材料宜選擇高密度絕緣紙板和成型的絕緣件，從而增加線圈的機(jī)械強(qiáng)度，增強(qiáng)變壓器短路時(shí)抵御軸向電動(dòng)力的能力。

（6）內(nèi)線圈還增加內(nèi)支撐等措施來減小短路力，保證內(nèi)線圈不出現(xiàn)徑向失穩(wěn)現(xiàn)象。

（7）在變壓器線圈端部加裝絕緣墊塊，用來將器身壓緊。在線圈空隙處加裝支撐塊，提升線圈整體機(jī)械強(qiáng)度。線圈預(yù)緊完成后，按要求進(jìn)行二次復(fù)緊，保證線圈軸向穩(wěn)定。

（8）在鐵芯柱上對(duì)應(yīng)于線圈撐條處，增加圓形撐條。

（9）在器身制作方面，根據(jù)計(jì)算鐵芯、鐵軛所承受力的大小，確定拉板、壓板厚度和強(qiáng)度。鐵軛采用鋼拉帶拉緊，鐵芯本體采用環(huán)氧綁扎帶固化綁扎，當(dāng)鐵芯組成整體剛性結(jié)構(gòu)時(shí)，變壓器器身強(qiáng)度隨之增強(qiáng)。

4 案例分析

某電廠主變壓器發(fā)生差動(dòng)保護(hù)、重瓦斯保護(hù)動(dòng)作，開關(guān)跳閘。當(dāng)時(shí)外部環(huán)境為雷雨天氣，并伴有雷電、短時(shí)大風(fēng)（最大風(fēng)速22.4 m/s）、風(fēng)力9 級(jí)、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣，至24 日8 時(shí)，累計(jì)降雨量62.9 mm，達(dá)到暴雨等級(jí)。型號(hào)：SFPSZ9-180000/220，容量：180/180/60 MV·A，額定電壓：220/121/10.5 kV。

主變中性點(diǎn)接地運(yùn)行。主變中壓繞組先后經(jīng)受了3 次額定電流以上的短路電流沖擊，最后一次電流有效值達(dá)到9 倍左右，導(dǎo)致內(nèi)部故障。

4.1 色譜分析數(shù)據(jù)

主變油色譜三比值分析編碼為102，屬內(nèi)部電弧放電（表1）；氣體繼電器內(nèi)氣體主要成分為氫氣、乙炔，次要成分為甲烷、乙烷和乙烯，故障類型分析為電弧放電。經(jīng)吊罩檢查，該主變A、B 相中壓線圈多處扭曲變形并絕緣損壞，C 相中壓線圈存在6處絕緣破損。

表1 某電廠主變故障前后色譜數(shù)據(jù)表

4.2 原因分析

（1）該主變變壓器中壓線圈采用普通換位導(dǎo)線，線圈的絕緣支撐能力較差，在承受短路機(jī)械力時(shí)易出現(xiàn)變形、散股、露銅現(xiàn)象。

（2）繞組繞制較松，導(dǎo)致?lián)Q位導(dǎo)線處變形。

（3）安裝工藝較差，套裝間隙過大，導(dǎo)致作用在電磁線上的支撐不夠。

（4）線餅預(yù)緊力不足，壓制不均勻，導(dǎo)致變壓器在短路沖擊時(shí)線餅的跳動(dòng)，應(yīng)力過大而發(fā)生變形。

（5）自然災(zāi)害造成的短時(shí)間內(nèi)多次短路沖擊加劇了變壓器線圈變形程度并導(dǎo)致絕緣故障發(fā)生。

5 結(jié)論及建議

（1）在變壓器制造過程中應(yīng)明確制造廠提供參數(shù)相同或相近的同類型變壓器短路試驗(yàn)報(bào)告及其變壓器動(dòng)熱穩(wěn)定性能的計(jì)算報(bào)告，并承諾提供合同變壓器的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，以便計(jì)算校驗(yàn)合同變壓器的抗短路能力。

（2）運(yùn)行單位應(yīng)取得所訂購變壓器的抗短路能力計(jì)算報(bào)告及抗短路能力計(jì)算所需詳細(xì)參數(shù)，并按照GB 1094.5 提供的判斷依據(jù)進(jìn)行審核，滿足國標(biāo)要求的，可認(rèn)為滿足抗短路能力要求；不滿足要求的，應(yīng)立即讓變壓器廠家改進(jìn)設(shè)計(jì)，以提高變壓器抗短路能力。

（3）用戶可根據(jù)短路電流的方式和大小不同，合理配置變壓器抗短路能力，達(dá)到設(shè)備安全性與經(jīng)濟(jì)性的合理配置。

（4）采用高機(jī)械強(qiáng)度的導(dǎo)線。110 kV 及以上變壓器內(nèi)線圈應(yīng)根據(jù)短路力校驗(yàn)決定采用半硬自粘性換位導(dǎo)線或半硬組合銅導(dǎo)線，自粘性換位導(dǎo)線在膠的作用下粘合在一起，整體性較好，由自粘換位導(dǎo)線構(gòu)成的繞組“堅(jiān)硬度”大增，使得整個(gè)繞組抗輻向的變形能力大為增加。

（5）采用硬紙筒繞制線圈，采用加密線圈的內(nèi)外撐條等措施。

（6）進(jìn)行突發(fā)短路試驗(yàn)抽檢。

（7）變壓器大修時(shí)做繞組變形測(cè)試。