电力变压器抗短路能力分析及措施

杨积久

（贵州电力试验研究院，贵阳550002）

摘　要：统计、分析了贵州电网≥110kV的大型电力变压器事故，提出了大型电力变压器抗短路能力的措施。

关键词：变压器；抗短路能力；技术分析；措施

0　引言

近年来由于系统发生近区短路或出口短路，使大型变压器损坏的现象多次发生，其直接损失或间接损失都比较大，应引起足够的重视。现对贵州电网大型电力变压器事故情况进行简要介绍。

1　变压器损坏事故统计

贵州电网1990～1996年≥110kV电力变压器事故统计见表1。系统短路事故420MVA，14台次，分别为系统总装容量10 260MVA，187台次的4.09%和7.48%；其中500kV变压器无事故；110kV变压器330MVA，13台次。220kV变压器90MVA，1台次，系统短路事故比较严重，特别是110kV变压器，事故容量占的比例大、台次多。

表1　1990～1996年变压器运行情况统计　　　　　　　　　　　　　　　　　　　kV

2　变压器抗短路能力分析

2.1　短路时线圈受力分析

由于线圈中漏磁φ₀的存在（见图1），载流导线在漏磁作用下受到电动力的作用，当线圈突然短路时，电动力最严重，比正常运行时大几十倍，可使导线拉断或使线圈扭曲，失去稳定性。漏磁场通常可分解为纵轴分量B和横轴分量B＇，纵轴磁场B使线圈产生辐向力，而横轴磁场B＇使线圈受轴向力。辐向力使外线圈受到张力P₁，在导线中产生拉伸应力，而内线圈受到压缩力P₂，导线受到压应力。

轴向力的产生分两部分（见图2），一部分是由线圈端部漏磁弯曲部分的横向分量与载流线圈作用而产生。它使内、外线圈都受压力，这种压力由于线圈端部磁场B＇最大而最大，到了中部几乎为0，到线圈另一端改变力的方向。轴向力的另一部分是因内外线圈安匝不平衡，产生横向漏磁与截流线圈作用而产生的，该力使线圈内受压，外线圈受拉，安匝不平衡越大，该轴向力也越大。

图1  变压器线圈漏磁场示意图         图2  变压器线圈受力分析

  2.2　变压器抗短路强度^[1]

　　（1）中、低压线圈损坏严重，1990～1993年贵州电网变压器线圈绝缘损坏16台次，容量497.5MVA，其中因出口短路引起损坏9台次，容量381.5MVA，从损坏相次统计，10kV线圈损坏10相次；35kV线圈损坏6相次，110kV损坏2相次，说明10kV及35kV线圈抗短路能力较差。从结构分析，10kV线圈内系统软纸筒强度较差，且撑条支撑不平衡受到冲击后，支撑倾斜使10kV线圈失去内支撑，线圈辐向扭曲变形严重，完全失稳。

当中部线圈（35kV）短路时，总的阻抗最小，短路电流量大，是最严重的一种情况，因此35kV线圈损坏的相次也较大，35kV与10kV线圈之间撑条的也有倾斜的现象。

　　（2）线圈引线紧固工艺不牢靠。由于引线处电场分布比较集中，在电动力作用下，受到强大拉伸应力，损坏匝间绝缘。例如某厂SFPSS8-150000/220GY三线圈联络变压器，线圈排列成高、低、中次序（从外向内数）。由于220kV出口短路，10kV的A相线圈引线在电动作用下扭曲折断坚固引线的木块6块，由于引线向外拉伸使X端第1、2匝产生辐向位移，将匝间绝缘挫损，造成匝间短路，再加上保护动作不正确，线圈长时间过热烧断38股。

（3）变压器多次受短路冲击，累积效应失稳烧损，如某变电站SFSZ-20000/110主变压器，1967年出品，1987年大修后投运，1989-10-27发生出口短路损坏。损坏前共遭8次出口短路冲击（10kV  1次，35kV4次，110kV3次），变压器在多次短路冲击的累积效应下35kVB相匝间、层间烧损，A相压钉松8颗，B相压钉松6颗，C相压钉松5颗，上铁轭夹件明显变形。

（4）继电保护动作不正确，短路冲击时间过长，线圈失稳。变压器承受短路的动稳定能力与短路冲击电流大小和短路时间t有关。根据文献[1]当非对称短路时，电流峰值iI=IK ，I是稳态短路电流，K 一般称为电流冲击系数，它与变压器和系统的X/R有关，其中X=Xs+S_T，R=Rs+R_T。K 一般限制到2.55以下，短路时间未作明确规定。根据变压器运行经验，若保护动作正确，变压器一般能承受出口短路冲击，不致损坏。但因运行管理水平差，有的变压器在出口短路时，尽管短路电流没有达到允许值，但由于时间过长，也仍然损坏了。如三合变电站1号主变压器SFSZ7-31500/110，1990-12-01投运，1991-08-08，由于35kVⅡ段母线三相短路烧损，根据故障录波记录，短路电流为额定电流的9.4倍，＜额定电流允许值，但故障时间较长，约3.5s，＞热稳定的允许时间2s。这里就有一个电流X时间的动稳定等价性问题。变压器承受短路的动稳定能力是否与耐热能力有关联应值得进一步研究。非对称短路电流第一个峰值会在短路时间足够长时，将变化到对称电流I。该过程时间如果超过了2s，也就超过了变压器耐热能力，随之承受短路的动稳定能力就大大降低了。

3　增强变压器抗短路能力的几点措施

3.1　对于110kV和220kV变压器来说，在设计上建议低压10kV或35kV线圈宜用硬纸筒作内衬，适当增加撑条数可增强抵御短路冲击时辐向压缩力，贵州很多110kV变压器，10kV线圈都采用软纸筒，线圈内侧的撑条与铁心之间无可靠固定，因而在短路冲击时，撑条先发生位移，使线圈失去内支撑向内收缩发生辐向波纹形或偏心变形。

3.2　强化10kV和35kV线圈引线的夹持结构。线圈引线逆弯处，往往是电场集中的地方，并用10kV和35kV线圈并绕根数较多，总截面较大，在短路冲击时的电动力也很大，对引线强化夹持是保证线圈端部匝间、层间绝缘不受伤害的主要举措。

3.3　尽量减小变压器分接数是加强动稳定能力的一个措施。运行经验证明绝大多数变压器线圈损坏都发生在调压线圈上。特别是主线圈和调压线圈在同一心柱上时更容易损坏。因为调压线圈匝间安匝不平衡度增大，抽头出线较多，电场集中，引线固定不牢靠，在发生短路时受力较大，稳定性大大降低。因此建议变压器设计、订货时，不必要的分接能去掉的就去掉。发电厂升压变压器没有分接抽头，其抗短路能力是很强的，这在前苏联乌克兰变压器制造厂是有先例的。

3.4　加强运行管理，防止变压器多次长时间短路冲击损坏。多次短路冲击、累积效应、短路冲击时间过长是运行中带给变压器的灾难，对于机械强度再高的变压器也承受不了。提高继电保护正确动作率使短路故障迅速切除是防止运行中变压器损坏的保护神，应予高度重视。

3.5　要深入研究变压器线圈变形检测工作，研究现场判断线圈变形的实用判据，为制订变压器合理的检测周期提供可靠的依据。

3.6　应加强变压器动稳能力中动态稳定特性研究，例如：动态稳定过程中，漏磁分布的变化，冲击电流时间的等价性。建议型式试验中增加突发短路试验项目，以便对理论计算作出验证。

参考文献

[1]　GB1094.5—2003.电力变压器　　第5部分：承受短路的能力[S]。

杨积久  1945年生，教授级高工，现从事高压电器设备的运行及试验研究。电话(0851)5592057