大型电力变压器短路事故及预防对策
万达
（江苏省电力科学研究院，南京210036）
摘 要：鉴于大型电力变压器抗短路能力不够将使内线圈机械失稳而损坏，引述了日本和欧洲几个变压器制造厂公开提供的内线圈电动力和机械强度的计算方法，并结合实例进行验算；对如何评价内线圈的抗机械失稳强度，提高线圈机械强度的措施和使用部门怎样看制造厂的有关计算报告，提出建议。
关键词：变压器；内线圈；短路；失稳；计算
0 引言
近些年来，大型电力变压器因外部短路引起的线圈损坏事故增多，制造和使用部门对变压器线圈耐受短路能力的问题给予广泛重视。随着电力系统容量的扩大，变压器承受电力系统短路的运行条件更加苛刻。为此，1998-12制造和使用部门举行的全国性会议通过了“关于预防110kV及以上变压器短路损坏事故综合措施的意见”，除对提高变压器抗短路能力提出一系列措施外，还提出今后110kV变压器必须通过短路试验才能进行产品鉴定；已做过110kV变压器短路试验的制造厂应补交短路计算报告；制造厂应向用户提供订货变压器的短路计算报告等要求。虽然很多制造厂在变压器抗短路能力方面采取或正在采取一些改进措施，并取得一批≤110kV及个别220kV样品变压器通过突发短路试验的成绩，但工作开展得不平衡；设计和工艺等方面的改进和提高不明显；存在其它绝缘问题；以及在≥220kV大容量变压器的工作及其验证试验还有很大差距等。因此，大型电力变压器的抗短路能力问题目前还未解决。而大型电力变压器因外部短路导致绕组变形损坏的事故，绝大多数是因制造质量问题使内绕组机械失稳发生破坏的。很多变压器制造厂不计算内线圈的机械失稳问题或计算方法不当，再加上材料和工艺的问题，难以保证内线圈有足够的抗短路强度。为此，本文引述日本和欧洲几个变压器制造厂公开提供的内线圈电动力和机械强度的计算方法，并结合实例进行验算；对如何评价内线圈的抗机械失稳强度、提高线圈机械强度的措施和使用部门怎样看制造厂的有关计算报告，提出建议，供有关方面参考。
1变压器线圈承受短路电动力简析
1.1 轴向力
电力系统发生短路后，变压器相关线圈的导线上在强大的短路电流和漏磁通的作用下承受很大的电动力，图1为双绕组变压器的轴向受力的示意图，线圈端部弯曲的漏磁通和沿线圈分布不平衡安匝的磁通，引起轴向力。外线圈的线饼编号为1，2，3…m-2，m-1和m（见图1（a））。漏磁通的弯曲部分在线饼上产生轴向力—线饼力，使线圈垫块间的导线朝轴向弯曲，线饼力沿线圈轴向的分布见图1（b）。与此同时，线饼1推线饼2，线饼2推线饼3，….线饼m推线饼m-1，线饼m-1推线饼m-2等等，这些力都朝向线圈高度的中心。例如，作用到线饼3的轴向力是线饼1和线饼2受力的总和,其余类推。该力---内压力沿轴向分布见图1（c），线圈中部的线饼和垫块受力最大。由于线圈的排列，若分接位置变化，其轴向安匝分布不平衡（即不对称），则线饼力的分布变得朝上和朝下不对称。这种朝上和朝下力的差值称为外推力，形成对线圈上下端绝缘和夹紧力的推力。由以上分析可知，降低轴向力的关键是改善绕组间的安匝不平衡。带调压抽头的变压器，设置单独的调压绕组，将极大的改善安匝不平衡；而且优化工艺和线圈垫块质量，严格控制各绕组的几何高度等，都能有效降低轴向力。
1.2辐向力
内外线圈的轴向漏磁通产生辐向力（见图2）。按左手定则（磁通朝
掌心，四指朝电流方向，拇指为受力方向），内外线圈受到使其分离的作用力，即外线圈在圆周方向受到拉力，有扩大直径的趋势；内线圈在圆周方向受到压力，有朝铁心方向变形的趋势。该辐向力取决于绕组匝数、直径、几何高度和通过的电流，它客观存在，远不像绕组轴向力可人为调控。因此，对于大型电力变压器，辐向力特别是内线圈导线承受弯曲应力，成为变压器能否耐受短路的主要矛盾。内线圈若承受辐向力的能力差，则会引起机械失稳，即受到压缩后直径变小，多余长度的导线从垫块的个别部位突出。
2 内线圈电动力和机械强度的计算
2.1 短路电流
考核变压器耐受短路能力的计算中，应取可能的最大短路电流，并考虑其暂态分量。以一双绕组变压器为例，若按变压器接于无穷大电源系统计算，则短路电流（有效值为Ir）的最大峰值Im为：
Im=（ KIn/Zk）×100= KI，
其中，In为额定电流，A；Zk为短路阻抗，%；I=100In/Zk；K取决于短路阻抗中电阻与电抗的比值，中小容量的变压器取K=1.8；容量≥100MVA的变压器取K=1.9[1]。
计算Im时，应选用各种分接位置的最小短路阻抗。对于多绕组变压器，还应考虑变压器多侧电源供给短路电流的情况。
2.2内绕组幅向力
日本变压器专门委员会[2]和欧洲某变压器厂给出的内线圈幅向力计算结果十分接近。
按日本的方法，Bm=(1.256ImN/Hw)×10-3，为最大漏磁通密度，T；1.256×10-6为空气导磁率，H/m;N为线圈匝数;Hw为线圈几何高度，mm。Fu=0.5BmIm,为线圈每匝导线单位长度受力，N/m。Fr=πDmNFu×10-3=（1.97(ImN)2Dm/Hw）×10-6，为整个内线圈的幅向力，N；Dm为线圈平均直径，mm，Fc=Fr/πM1Dm为线圈每一线饼的受力，N/mm；M1为线圈的线饼数。
按欧洲的方法，P=Fr/πDmH′w，为线圈侧面积上的平均压强，N/mm2；H′w为线圈导线的总净高度，mm，σt=P Dm /2a=Fr/2πa H′w为内线圈受压时导线的应力(见图3)，N/mm2；a为线圈幅向净宽度，mm。
2.3 内线圈耐受短路的强度计算方法
①不计及线圈内支撑时
有的制造厂认为，线圈绝缘纸筒或撑条的支撑作用很弱，干燥后绝缘材料还会收缩，因此，线圈基本上由其自身支持。内线圈临界失稳应力仅由导线的径向宽度和导线材料的“坚硬度”σ0.2决定。 σ0.2为导线受拉力伸长时发生0.2%残余变形的应力，N/mm2.普通导线(包括非粘性换位导线)和自粘性换位导线的临界失稳应力(考虑了动态强度，导线惯性和随硬度增加而弹性降低等因素)的概念性曲线见图4、5,可见σ0.2十分重要。普通退火铜线的σ0.2≈80N/mm2；若采用半硬筒线(σ0.2>150N/mm2)，则临界失稳应力大幅度提高。
