降低在线变压器短路事故率的若干思路

邬伟民    孙亚明    董永平

　　摘要：主要从运行管理的角度，介绍了变压器短路事故的严重程度。分析了影响短路电流的因素及导致短路事故的机理，提出了降低变压器短路事故的措施。

　　关键词：变压器   短路电流   短路强度   事故

1　电力变压器的短路事故

近十几年来，因电力变压器短路而导致的事故不断增加，已直接威胁到城乡电网的安全运行，据统计，110kV及以上电压等级的电力变压器（以下简称大变压器）短路事故近两年已独占事故总数的一半，见表1。

特别要强调的是，电力变压器的事故率在供电的各类设备中一直是名列前茅的。表2列出了三类主要供电设备事故率的对比。

表1　电力变压器短路事故统计

表2　供电设备事故率对比

（事故台次/运行台数×100%）

同时，大变压器又是电网中最贵重、最重要的设备，每台少则百余万元，多则近千万元。因此，事故造成的直接经济损失很大，特别是变压器的短路事故，要修复必定要拆上铁轭，更换绕组，工作量大，费用高，时间长。少数变压器发生短路事故后已无法修复。

更重要的是，大变压器本身一旦发生事故，多数情况下会造成突然停电、大面积停电、长时间停电。在全国，因变压器短路事故而造成的社会经济总损失粗估不下十亿元人民币。

2　短路事故形成的机理

运行中的变压器绕组由载流的导线组成，处于交变磁场之中，因此有力的作用存在。力的大小与导线中通过电流的值的二次方成正比。由于短路时的电流峰值一般可达到正常运行的十几倍，乃至几十倍，那么由此产生的电动力就可激增上百倍乃至几百倍。由于变压器内部各部分受力大小和方向不相同，导线和各绝缘材料的弹性不相同，机械强度也不相同，于是就会出现轴向和辐向振动及切向的扭动，造成垫块移位、脱落，撑条斜倒，严重的使导线塑性变形（弯曲、拉长），绝缘层抻（扯）破，不同电位间导体的绝缘距离发生变化。某些绝缘层因耐不住相应的电位差就会发生放电，造成匝、层间或绕组间的短路。于是外部短路有可能演变成了变压器的内部短路。由于外部短路是机械性短路或绝缘击穿，内部短路是绝缘击穿，因此也可以说其它设备的绝缘击穿演变成了变压器的内绝缘击穿。在这个过程中，大电流是媒介，是原动力，变压器自身的机械强度是基础。

这个过程的形成需外部电气短路（诱因发生）、内部机械变形（出现内部缺陷阶段）、内部绝缘击穿（变压器事故发生）三步。从发生外部短路到断路器切断短路电流一般要100ms以上，每一次短路，绕组要经受十几次、几十次……电动力的冲击。完成这个全过程可能有以下四种情况：一是短路电流特大，持续时间又比较长，一次短路时的连续几十次、几百次的电动力冲击就完成了这三步；第二种情况是由于前次或前几次短路，已到了第二步，再次短路电流冲击，便完成第三步；第三种情况是由于以前的短路电流冲击，完成了第二步，在某一次其它激励（如过电压）下，便完成第三步；第四种情况是已经完成了第二步，其它激励激发了局部放电，由于局部放电（始慢、渐快、突增）的发展，最后在无外界激励的某个时刻完成了第三步。

当然，也有大电流产生的电动力推开变压器分接开关触头或烧熔导线虚焊点酿成短路事故的实例，但为数不多。

综上所述，若想降低变压器短路事故，必须提高变压器短路强度，尽量少受短路电流的冲击。

3　提高变压器短路强度方面的进展

一台大变压器从企划到正式交付使用要经过许多环节，但最基本的是设计、制作、试验这三个环节。为了提高变压器的短路强度，不少制造厂和有关高等院校和科研部门已在这三个基本环节上做了大量的工作。

3.1　设计

设计的基础工作首推计算模型。电压高和容量大必然导致变压器本身结构尺寸大。经过研究、借鉴、验证，力学模型已从沿用最简单的两端部固定支撑的直梁型，有了多方面、多层次的发展。现在处在前沿的是根据变压器的结构尺寸，具体运用弹塑性支撑的扁（直）拱梁多（单）跨模型来计算和优化处理变压器绕组的动稳定。

电动力的激励和响应也由以前按静态力只计算轴向及辐向应力之和进展到在分别计算轴向、辐向、切向（扭力）的基础上，按动态激励和响应计算绕组力分布，重新认定应力最大最集中的部位。由仅仅考虑导线的弹性形变深化到弹塑性形变，深化到导线的不同宽厚比对动稳定的影响，深化到对其绝缘及其组合，深化到含油、含水对绝缘件弹塑性的影响，深化到个别零件力学作用失效及部分失效的影响。

上述基础技术问题所取得的成果对提高变压器的短路强度具有根本性的意义。

具休产品设计时归纳出如下四原则：加固器身的动稳定基础，加强绕组紧固的机械强度，分散应力，消除不平衡产生的附加应力。

3.2　制作

整个制作过程就是体现设计意图，落实设计要求的过程。体现和落实得如何？这主要看制造厂全过程质量管理的水平。

为提高工艺质量，有实力的制造厂作了许多必要的投入，如改进绕组绕制设备，提高绕组的绕紧度；改进干燥系统和工艺装置，保证干燥质量和恒压力；改进绕组组装工艺，减少组装公差，特别要控制绕组的轴向公差；进行绝缘件的预密化处理，减少工艺和运行中的塑性变形。不少工厂已把绕组绕在胶木筒上再套装，并增加撑条等。

制造厂在设计和制作上的上述改进措施对现场变压器的大修理是很有指导意义的。

3.3　试验

试验是保证质量的后续手段。

为了实际考核变压器的短路强度，国家变压器质检中心建设了虎石台强电流检验室。其从1994年正式启用至今，已试验过220kV及以下电压等级的油浸电力变压器400余台。试验产品包括沈阳变压器有限责任公司的120000kVA/220kV样机。西安高压电器研究所和沈阳高压开关厂试验站等也曾做过若干台电力变压器的短路试验。

试验的标准、方法、判据依据国标1094.5＿1985进行。

因短路电流I_k包含交流分量I_t和非对称分量I_kt。试验时，交流分量按国标中推荐的系统表观容量换算。这在绝大多数情况下是高于运行实际的。最大非对称电流系数取2.55，是标准规定的上限。因此试验标准是比较严格的。

试验结果表明：我们国家在现有条件下做的变压器大多数能通过现行试验标准的，甚至还有裕度。

当然，国标GB1094.5＿1985的要求比国际电工委员会新IEC标准要求有几处要低一些。主要不同点是IEC标准要求试验时，短路持续时间为0.25s±10%，非对称电流三次都要在100%，短路试验后的绝缘试验仍要加100%的试验电压，而不是我国国标的85%。

现行的预短路试验方法与实际工况也有区别。实际上只有带地线合闸误操作等个别情况是预短路的。绝大多数情况是电网在运行中某元件对地　（单相）或相间（二相或三相）突然发生短接，如果姑且把前者看作静态短路，后者就是动态短路。这二者的等价性有待于深入的研究。初始状态肯定是不同的。

当然还有其它不同，如变压器运行中受到的短路电流冲击次数一般是远多于三次的。但是实际短路电流值达到短路试验电流值的几率也是很低的。

因此，能通过短路试验的变压器，短路强度较高是应当肯定的。

4　影响实际运行中的变压器短路电流的因素

4.1　交流分量

短路时交流分量的大小就是欧姆定律表达的电动势与总阻抗之商。电动势的量值一般由更高层次的因素所综合确定，而阻抗的内涵则是本文试图展开分析的。

变压器短路时的阻抗构成可以归纳到只有三部分：变压器电源侧的等值阻抗Z_s（即系统阻抗），变压器本身的短路阻抗Z_t，从变压器到短路点的等值阻抗Z_F。流过受冲击变压器的短路电流交流分量I_t与总阻抗ΣZ（这三个阻抗之和）成反比关系。

电源侧的等值阻抗Z_s取决于电网的结构和运行方式。电源侧并入的电源多，一般而言，运行的安全可靠性高。Z_s就小。但联网的电源多，保护配合复杂，这又会使运行的可靠性降低。从经济运行的角度考虑，亦不是并入的电源越多越好，有个最佳值。从减轻变压器等设备遭受短路电流冲击这个角度考虑，电源侧简单好，可以使Z_s大。这就有个综合选优的问题。

变压器的短路阻抗Z_t取决于自身的结构。它由设计决定。为了限制短路电流，自然地希望Z_t大些，但输出电压的波动也会因此略大，影响电能质量。当然电压波动大的问题可以通过配置有载调压开关来矫正，这也会需要再增加一些投资和事故率，总之Z_t也有一个综合选优问题。

Z_F则相对简单了。每公里架空线路的等值阻抗为0.4Ω±30%，其值视线径和线间距离而略有差异。短路点离变压器越远，则Z_F越大，短路电流相对就越小，如果远到了下一级受电变压器的负荷侧，则Z_F中还得包含下一级变压器的短路阻抗Z_t。如果在变压器负荷侧的近处发生短路，那么Z_F几乎就等于0。显然这是最希望避免的，按国标做短路试验时，Z_s取了较小值，Z_F取了零值。

可见，通过优选Z_s、Z_t、Z_F是可以达到降低短路电流的目的的。

4.2　短路电流的非对称分量

短路电流的非对称分量理论最大值取决于X/R，而且是增函数关系。X、R分别为ΣZ的无功分量和有功分量，随着电网容量的扩大，特别是输电导线径的增大，X/R将继续增大。同时，降低线损和变压器损耗的技术措施也使X/R有所增加，短路试验时最大非对称分量系数取2.55，是对应于X/R之值在14以上，这已是相当严格的。而实际短路时的非对称分量的实际最大值还要取决于另一要素，即发生短路瞬间的相位角。当短路相的电压相位角刚好过零，则此时的短路电流非对称分量就刚好是理论最大值。如当时电压相位角是90°及其奇数倍，则非对称分量为0。

对决定短路电流非对称分量的这两个要素的调控，还有待继续研究。但我们可以通过增大上述三个阻抗来降低交流分量，从而间接降低非对称分量值。

为了让上述三个阻抗对短路电流的影响一目了然，现举例说明。例如某变电站有一台容量为pkVA的双绕组降压变压器，电压为110kV和10.5kV，假定单回进线（以调节长度来模拟Z_s的变化），在某回出线上三相短路。110kV和10.5kV线路线分别假定为常用的LGJ—150和LGJ—95。短路电流的最大值i_m和短路电流交流分量的有效值I_t见表3所列，表中的原始参数取值于有关手册。阻抗全折算到短路侧。表中的分子为i_m值，分母为I_t值。前者是非对称电流，后者是对称电流，单位均为kA。

由表3可以直观地看出：

（1）大容量变压器的母线短路，短路电流大得特别突出；

（2）故障线路的长度影响短路电流的大小最显著，尤其是最大值i_m。

这是因为：

（1）对于降压变压器，一经折算，电源侧的阻抗Z_s在ΣZ中所占分量很小；

（2）随着容量的增大，线路和变压器的X/R也增大，使i_m/I_t也相应增大。

表3　短路电流和变压器容量、线路长度的比较表

注：1. 折算到低压侧后的进线参数，每公里Zs=0.00414Ω，Xs=0.00367Ω，Rs=0.00191Ω；

2. 短路点出线参数每公里Z_F=0.475Ω，X_F=0.342Ω，R_F=0.33Ω.

5　短路事故的一个显著特点      积累效应

从短路事故形成的机理可以看到，短路电流导致事故有一个绕组变形，局部位移的中间过程，这是一个受力→加速度→速度→位移的过程。后二个演变都是时间的积分。由于短路电流值在峰值的50%以上的维持时间不到5ms，从计算分析和实践都可以知道，一个电流峰值的冲击就导致事故的几率是极小的。这就是短路试验要有持续时间规定的原因。国标规定的短路试验时间0.2s是10个电周波，是20次电动力冲击。IEC规定，3次100%，每次0.25s，则是75次电动力冲击，这使我们悟到：积累效应不可忽视。

积累效应不可忽视的是，在现场因其它原因大修变压器时，发现变压器虽未发生事故，但绕组已经明显变形、位移。这样的事例已屡见于文献和有关报道。

为了更具说服力，简析我省近五年（1994年至今）的大变压器短路事故。

五年中，我省发生短路事故110kV变压器四台次，220kV变压器一台次。从相关资料核实，引起短路事故的短路电流交流分量的有效值均小于8kA。其中三台次事故系同一制造厂所生产，而且有一台是事故后经返修，投运不久后又发生短路事故的。有一台事故变压器系国内某大厂生产，运行已有三十年。事故前，已11次受出口短路冲击。另三台有八次出线保护速断动作和母线短路的记录。可见，积累效应之明显。

综上所述，为了降低变压器的短路事故，还需采取相应措施，并做好运行管理工作。

6　加强运行管理，采取减少短路事故的措施

6.1　把好入网关

　　（1）新购变压器时，应首先选用能顺利通过短路试验的变压器。至少说明，这样的厂有能力做这种变压器。这一点对8型、9型的大变压器尤其重要。

　　（2）慎重确定变压器的容量。大马拉小车不仅仅是浪费，而且无谓地增大安全风险。

　　（3）合理选择变压器的短路阻抗Z_t。离大电源近的大变压器，一般慎用自耦变压器，甚至要适当增大阻抗。

6.2　优化运行条件

　　（1）加强变压器送出侧设备的绝缘水平（相当于增大Z_F）。变压器送出侧设备发生的所有主绝缘事故必然产生短路电流而冲击变压器。在电网中，降压变压器居多，送出侧设备电压等级较低，受重视程度往往低于电源侧的设备，然而它们的绝缘事故造成的更大危害是可能损伤变压器。尤其是架空线路和电缆，相对故障率较高，其故障许多是能自恢复的，而变压器的内伤却被“积累”了，哪怕是轻微的。因此，采取如下防范措施是完全必要的：

　　a. 视电压等级和变压器阻抗的大小，对一定距离以内的出线提高绝缘等级。如对10kV出线可用20kV绝缘子，对35kV和110kV出线可每串增加一片绝缘子等，具体有多长距离应经核算，目的是使I_t可能达到某一值的线路段内的绝缘事故率降下来。不必顾虑提高线路绝缘水平会把过电压转嫁给了变电站，绝缘配合中不含这个因素。

b. 在上述距离的线路段内要特别精心消除外部威胁：如树木的生长，地形地物的变迁，新建房屋、道路，对其它杆塔的安全距离。必要和可能时，就提高对线路安全走廊和安全距离要求的标准，以降低近区故障率。

c. 电缆的故障率也属相对比较高的。安装、检修的工艺质量，高电压试验的技术方法都应高度重视。安装检修必须严格按工艺规程操作。高压试验必须按要求升降压，并对比耐压前后的绝缘电阻值。电缆头的爆炸多数相当于母线短路，这要特别重视。

d. 枢纽和新建变电站的中低压母线应考虑全封闭，防止小动物侵害。

e. 优先考虑更新为高质量的全工况设备。送出侧开关设备除了要防止绝缘事故之外，还要对防止机械故障加大投入的力度，尤其是要降低开关拒分的发生率。

（2）优化电网的运行方式。这对短路问题来讲，就是要增大系统阻抗Z_s。加装备用电源自动投入装置后开环运行是值得优先考虑的方式。这种运行方式至少有两大优点：

a. 减小发生短路时的短路电流；

b. 简化保护配置。

有些运行方式要注意避免，例如降压变电所2台及以上三绕组变压器运行，若高中压侧并列，低压侧不并，则会发生低压某回路（或某一段母线）短路，事故所在段的变压器的低压绕组将遭受危险过电流的冲击。

举此例的目的仅想说明，确定运行方式要核算短路电流对变压器等设备的危害。

（3）重新审视重合闸的使用。对重要性不高或故障率过高的出线在线路改造前退出重合闸。

（4）更新保护装置，快速切除外部短路故障。从50年代以来，在用户的中压（10kV居多）进线侧和配电网中应用面很广的反时限电流继电器现在已不能满足快速切除短路故障点的要求，它最快的响应也需要0.15s。为了动作次序的配合，变电站的出线电流速断保护一般给一个不小于0.5s延时。这两个时间之和远大于变压器短路试验中的0.2s。这两个时间都必须压缩，这将更有利于电网的运行稳定性。目前，新型的可调和短时限继电器已有很多种了，可积极试用后推广。

（5）必要时还可在变压器的负荷侧串联接入限流电抗器。这是一个比较老的办法。笔者认为当负荷侧的短路电流（交流分量）计算值超过20kA时，应考虑采取这一措施，并注意限流电抗器与变压器之间的这段母线及其连接应全封闭。

（6）220kV及以上电压等级的变压器尽可能不直接带6kV、10kV的地区电力负荷。

6.3　精心维护

（1）必须杜绝误操作，再不能因误操作造成短路冲击。要真正做到这一点，需要采取严密的组织措施和严格的技术措施，但最根本的是需要人的责任心。

（2）加强监测，实施状态诊断。对短路问题，要象管理断路器那样监护变压器。具体讲：

a. 事先核算好各种可能的运行方式下，各典型点上短路时流经各变压器的短路电流（有录波图的应每次短路后从录波图读取）。

b. 如果短路电流超过某一预定值，则应尽快安排变压器停电接受检测。

c. 测试项目应包括：短路阻抗测量、直流电阻测量、绝缘电阻测量、泄漏电流测量。短路阻抗和直流电阻应按国标和行标的规定：相对变化不得大于2%。建议绝缘电阻下降50%以上且泄漏电流增加100%亦作为异常对待。

如某变压器经多次较大电流的短路冲击，而上述测试又无异常发现，可进一步增做：

a. 额定电压下的空载试验，以判断铁心的紧固有无松动及其它变化；

b. 规定电压下的局部放电量测试，以判断绝缘有无损伤。

（3）预防性检修。凡经测试确证短路后有异常的变压器应安排预防性检修。多次短路达预定的次数后，测试虽无异常，仍应考虑预防性检修。

为积累经验，建议各单位可结合运行经验编制包括测试和预防性检修在内的具体规定。

预防性检修的主要内容之一是器身检查。检修时，应参照制造厂在提高变压器短路强度方面所采取的办法，如：

a. 均匀增加撑条垫块；

b. 均衡上紧压钉，使压板匀称地压紧绕组，并达到适当的量值（如2.5Mpa）；

c. 对称地稳定器身；

d. 在散热条件允许的前提下，增强主绝缘等等。任何“加强”措施都必须注意“对称”和“均衡”的原则。如果是短路事故后的大修，不允许做简单的恢复性大修。

（4）短路阻抗测量和用频谱响应法诊断绕组位移。短路阻抗测量是判定短路后变压器绕组状况的主要技术手段。国际电工委员会IEC标准和国标GB上对此有规定，国内外都有不少经验，文献上也有不少介绍。问题是IEC标准和国标GB都规定对仪器测试的复验性不大于2‰。这对仪表性能是个比较高的要求。目前仪器的问题应当说已经解决。

用频谱响应法诊断变压器绕组位移的方法，现在已取得许多宝贵的经验，在实践中业绩不菲，正向定量化和标准化努力，现在已可以作为一个重要的辅助手段。

建议用这两种方法对所有在线变压器进行一次普测，建立原始档案，以便与每次短路后的测试结果比较，提高诊断的可靠性。

归纳上述措施，最重要的是四条：

a. 绝误操作；

b. 大幅度减少母线和近区短路事故；

c. 适时监测和检修。

d. 缩短短路时间。

参考文献

１　贺以燕.从设计、工艺、结构与试验等方面探讨提高变压器抗短路能力的问题.变压器，1997，34(10)：1~11.

2　王梦云，凌愍. 大型电力变压器短路事故统计与分析. 变压器，1997，34(10)：12~17.

3　IEC76.1—5  电力变压器.

4　GB1094.1—2—1996  电力变压器.

5　GB1094.3—5—1985  电力变压器.

6　《变压器手册》编写组.电力变压器手册.沈阳：辽宁科学技术出版社，1989.

作者单位

邬伟民  孙亚明  董永平  天水供电局，天水741000