全国110kV及以上等级

电力变压器短路损坏事故统计分析

金文龙   陈建华   李光范   王梦云   薛辰东

　　摘要：根据1990~1998年全国各网省（市）电力公司提供的变压器事故统计数据，对全国110kV及以上电压等级变压器的短路损坏事故进行分析，总结了全国大型电力变压器的短路事故特点和规律，为运行部门提高设备安全运行管理水平、变压器制造厂提高设备抗短路能力，提供了依据。

    关键词：变压器    短路事故    统计分析

1　前言

　　通过历年对全国电力变压器运行情况和事故的统计分析，发现因外部短路故障引起的设备损坏事故逐年增多。截止1996年底，全国110kV及以上等级电力变压器因外部短路故障造成损坏的事故达到事故总数的50%。扼制此类事故的上升势头，已成为提高电力变压器安全运行水平的关键。

　　本文统计的因短路事故造成损坏的变压器共有145台。包括：各网省电力公司报送的1990~1996年全国110kV及以上等级事故变压器中因外部短路损坏的变压器124台；由19个网省（市）电力公司于1998年8~10月报送的110kV及以上等级的短路损坏变压器21台（实际上报数为62台，但其中41台变压器在1990~1996年报送样本中已出现过）。

　　按各网省电力公司历年上报的数据，全国110kV 及以上等级变压器在1990~1996年期间，共发生事故409台次，事故总容量为32306MVA；其中因短路损坏的变压器共124台次，容量8432.6MVA。

1990~1996年间变压器短路损坏事故台次和容量见图1、图２。图3为1990~1996年间变压器短路损坏事故占总事故的百分比。

图1  1990~1996年间每年变压器短路损坏台次

图２  1990~1996年间每年变压器短路损坏容量

图3  1990~1996年间变压器短路损坏事故占统计事故的百分比

自1990年以来，110kV及以上等级变压器的短路损坏事故明显增多。从最初每年两三台到1995、1996年的29台。到1996年，全国110kV及以上电压等级变压器的短路损坏事故台次已经占统计总事故台次的50%。因外部短路引起变压器损坏的事故已成为电力变压器事故的首要原因。

2　短路损坏变压器统计

2.1　短路损坏变压器的电压等级分布

图4为1990～1996年间各电压等级变压器的短路损坏台次。由图4可见，110kV等级变压器的短路损坏事故最多，220kV变压器则有逐年上升的趋势。

图4  每年不同电压等级变压器的短路损坏事故台次

图5为1990～1996年间110kV和220kV电压等级短路损坏变压器占各电压等级总事故台次百分比的变化情况。由图5看出，这两个电压等级的变压器短路损坏事故所占百分比近几年急剧上升。1996年110kV变压器的短路损坏事故占该电压等级总事故的45.2%，220kV变压器占该电压等级总事故的56.0%。

图5  110kV和220kV变压器短路损坏事故

占统计事故百分比的历年变化

2.2　短路损坏变压器运行年限

1990～1996年间，短路损坏变压器按运行年限分布，如图6所示。由图6可以看出一个极其反常的现象。一般来说，随着运行年限的增加，变压器绝缘材料老化、机械强度降低从而影响其抗短路能力。但是，在所统计的短路损坏变压器中，新投运变压器的短路损坏事故远高于运行时间较长的变压器！即事故变压器中投运一年以内发生事故的占21%、5年以内发生事故的占55%、11年以内的占77%，其原因值得深思！

图6  不同运行年限变压器的短路损坏事故占统计事故的百分比

　　变压器的抗短路强度设计十分重要，不合适的材料以及粗糙的制造工艺，是变压器抗短路能力不够的重要因素。设计和制造经验均不足的某些110kV变压器制造厂另当别论。但一些较有经验的制造厂出现此类问题，则更可能是制造工艺及对产品质量的重视程度问题。另外，有些运行单位也存在运行经验不足的问题。上述因素的综合体现就是大部分短路损坏变压器不是运行寿命问题而是中途夭折！

2.3　短路损坏变压器的事故起因

短路损坏变压器的事故起因统计结果列于表1。

表1  短路损坏变压器的事故起因统计表

　　因三相短路引起的变压器损坏事故居多，占事故总数的39.6%。当然，一些三相短路事故最初也可能是由单相短路或两相短路引起的。

　　在所统计的短路事故变压器中，有9台是在正常运行中损坏的。这些设备以前均受过外部短路的冲击，绕组机械强度下降，带病运行；在外部未短路的情况下设备发生故障损坏。

另外，在表1所列的事故中，有8台变压器的外部短路是人为造成或运行人员误操作引起的，占统计短路损坏事故的7.9%。有7台变压器的事故是由雷击或污闪诱发的，占6.9%。

2.4　短路侧电压等级

　　表2列出了短路损坏事故变压器的短路侧电压等级。

　　10kV侧短路引起的事故最多，占事故总数的64.7%。9台正常运行时发生事故的变压器中，有8台曾经在10kV侧发生过短路，另1台经历过两次35kV侧短路冲击。

表2  短路损坏变压器按短路侧电压等级统计表

2.5　累计外部短路次数

表3为有累计短路次数记录的44台短路损坏变压器的统计结果。从表中看出，经一两次短路冲击便造成变压器损坏的居多，占统计总数的70.5%。这说明大部分短路损坏变压器是根本经不起外部短路故障电流冲击的。也就是说，这些变压器的抗短路能力不足是先天的，往往在一两次近区短路冲击中便遭到致命损坏。

表3 短路损坏变压器按累计外部短路次数统计表

2.6　变压器短路持续时间和短路电流倍数

　　表4为有短路持续时间记录的49台短路损坏变压器的统计结果.从表4看出,当出现短路故障时，51%的变压器在0.25s之内便动作跳闸,70%的变压器短路持续时间小于2s。短路持续时间超过10s的占20%左右。

　　在变压器短路持续时间小于0.25s的25台变压器中，对列有短路电流的13台变压器作了分析计算。其中，有12台的短路电流为额定电流的4～８倍，仅有１台为12.5倍，全部小于允许的短路电流倍数。

　　短路持续时间在0.25 ～２s的10台变压器，其短路电流仅为额定电流的3～9倍，全部小于变压器的允许短路电流倍数。

在5台保护失灵或开关拒动的事故变压器中，有4台的短路电流为额定电流的6～８倍，1台短路持续时间为10min的变压器短路电流为额定电流的2.5倍。

表4 短路损坏变压器按短路持续时间统计表

2.7　变压器损坏程度

表5是短路损坏变压器按照设备损坏程度统计结果。表5中的轻度损坏是指设备的绕组有变形，引线被烧断，但绝缘未损坏；中度损坏是指绕组明显变形，绕组或引线被烧断，绝缘受到一定程度损坏；重度损坏是指绕组严重变形、压板被冲断、绕组烧断、绝缘被击穿或烧坏，严重的则爆炸起火，变压器被烧毁。所统计的因外部短路造成事故的变压器中，大部分遭受重度损坏，占统计总数的61.3%，轻度损坏的变压器仅占1.6%。

表5  短路损坏变压器按设备损坏程度统计表

３　变压器因短路故障损坏的原因分析

从上述统计分析中不难看出，变压器本身抗短路能力不够是引起变压器短路损坏的主要原因。除此之外，运行管理不当也是一个不可忽视的因素。

变压器抗短路能力不够，主要表现在一部分变压器在遭受低于规定强度的短路电流冲击且保护速动下，仍然发生绕组变形，甚至绝缘击穿。例如河南开封滨河站1台SFL₆-31500/110变压器，因低压侧所带线路母线电缆三相短路爆炸，引起主变重瓦斯保护动作跳闸，造成变压器低压侧A相断线，铁芯移位。但其短路电流仅为额定电流的4.5倍，保护动作时间为0.08s.

设计和制造正确的变压器，只要短路的持续时间和电流不超过变压器动、热稳定性所允许的时间和电流，应能承受住各种短路。但实际上短路引起的损坏事故却很多，并且呈逐年增长的趋势。变压器动稳定性能差，经受不住各种短路，究其原因大致有以下几点：

（1） 在变压器结构设计中，对作用在变压器绕组上的电动力，仅按静力学计算是不能正确反映变压器突发短路电流冲击时所承受的各种应力的。因为绕组各部分的作用力和形变的关系是很复杂的，也是随时间变化的，因此只有对动态过程进行分析，才能使电动力的计算结果正确反映绕组的实际受力状态，确保设计裕度。

（2） 选择导线不恰当，存在重视热性能而忽视机械应力的现象。导线本身的许用应力低，裕度小甚至无裕度，自身骨架不硬只得靠上下左右的支撑。换位导线的硬度和宽厚比也是需要注意的问题。这些都是影响绕组轴向稳定性的重要参数。如江苏谏壁发电厂一台SFP—360000/220变压器和东北辽阳变电站一台DFPSF—250000/500变压器在短路损坏后，经吊芯检查发现，这2台变压器的低压绕组均采用的是机械强度很差的换位导线。由此看来，选用绕组导线时，尤其是换位导线时，应适当控制其宽厚比且宜采用自粘性导线和硬度较高的导线，以提高绕组自身强度。

（3） 绕组轴向压紧力不够。发生这种问题的原因有二，一是设计计算不正确，如山西太原某电站一台SFZ₇—31500/110变压器，承受了10kV侧多次短路后，用频响法测试出低压绕组有明显变形。放油吊罩检查发现，绕组上夹件的下肢板上翘20mm，绕组轴向尺寸相应拉长20mm，并呈现纵向大波浪状。为了验证这些部件的机械强度，特别制作了同样尺寸的试品，在油压机上进行了模拟试验，结果使该钢结构达到同样大变形量所需要的机械力仅为原计算单中轴向机械力的计算值的20%。二是一些变压器厂没有根据国内材料和工艺现状，而是盲目采用同一绝缘压板结构。这种结构虽然可节省端部绝缘距离、降低附加损耗，但采用这种结构通常需要对垫块进行密化处理，在绕组加工好后，还应对单个绕组进行恒压干燥，并测量出绕组压缩后的高度，把同一压板下的各个绕组调整到同一高度，然后在总装时用油压装置对绕组施加规定的压力，最终达到设计和工艺要求的高度。只有经过这样的严格工艺处理，才能保证总装时同一压板下的各绕组都能够被压紧，且在运行过程中保持稳定，否则很可能带来质量上的重大隐患。如湖南长沙电业局上大垅站的一台SFZ₈—31500/110变压器，运行中低压侧10kV线路故障短路，在速断保护正确动作的情况下，绕组仍然严重变形、位移。经检查发现，高、低压绕组的上部有明显的高度差，在同一压板下受力不均。110kV电力变压器中类似的例子是比较多的。

正是因为这些制造工艺问题，不仅使变压器绕组最终未能达到设计和工艺要求，不能使其始终保持紧固状态，而且在短路轴向力的作用下，绕组易出现松动或变形，甚至失稳。

压板的材质和形状也是影响绕组轴向强度的重要因素。钢压板的刚度较大，压板的支撑力到线圈端部的压力传递比较简单。但如果采用层压木（纸）板，情况就要复杂得多，应特别注意压板本身的机械强度和刚度。在所统计的短路损坏变压器中发现层压板被折断（有的断裂成几块）的情况有多起，其中有的层压板采用的是两块半圆层压板，而不是加强的整圆层压板。因此建议对压板强度不够的设计尽快进行改进。

（4）引线固定支点不够、支架不牢固、引线焊接不良等。短路事故后，发现变压器夹持引线的木支架裂开和木螺杆折断的情况有多起。如某厂生产的一台SFPF—360000/330电力变压器，由于引线的固定垫块间隔太大（垫块数不够），发生短路时，低压引线变形，造成木支架和垫块脱落，三支套管根部断裂，油箱变形开裂，低压绕组位移。

（5）内绕组与铁芯柱间支撑不够。部分变压器内绕组内衬的是软纸筒，在径向力的作用下，往往使内绕组向铁芯方向挤压，铁芯烧损的情况屡有发生。如广东江门开平站一台SFPSZ₇—150000/220变压器，低压绕组为软纸筒结构，运行中因10kV侧总开关隔离刀闸接触不良发生飞弧而发展成A、B相短路，差动保护动作跳三侧开关。事后检查变压器无可燃气体，绝缘试验合格，由高压侧向变压器送电，50s后变压器轻瓦斯保护动作跳三侧开关。吊检发现低压侧B相大多数线匝，特别是中部线匝呈波浪形扭转，绕组向铁芯压成锥形，并对铁芯及中压击穿，低压侧A、B相也有变形现象。类似这种事故较多，因此应加强内绕组与铁芯柱间的支撑，一般可通过增加撑条数目、内绕组采用内衬高强度硬纸筒等措施来提高绕组的径向动稳定性能。

（6）制造过程中工艺条件不规范，质量控制不严。如内外撑条及上下垫块的放置有错位、垫块尺寸及数量有差异、线圈绕制不紧固等，造成安匝不平衡度加大和幅向应力不对称。绕组的局部变形往往与此有关。

由以上分析看出，变压器的抗短路能力主要取决于结构设计和制造工艺，当然与运行管理和运行条件也有一定的关系。如有一些事故就是因保护失灵、开关拒动、失去直流等原因，致使短路故障切除时间过长，而在电、热的共同作用下导致变压器绕组损坏。例如山西太原新店站一台SFSZ₇—31500/110变压器，因10kV系统故障导致直流消失，由手动操作跳闸，变压器由于受长时间短路电流作用而损坏。统计事故中还有一些是运行中人为误操作引发的变压器短路事故。另外运行温度、绝缘老化等也是一些变压器发生短路损坏事故的原因。所以在变压器运行管理上也有需要总结和改进之处。

还有一点值得运行和制造部门重视的是，绕组变形的累积效应所造成的严重故障隐患。最典型的实例是上述山西太原某变电站的SFZ₇—31500/110变压器。据调查，该变压器在运行的7年间曾遭受多次短路冲击（开关速断动作64次，过流保护动作8次，跳闸后重合闸动作17次），但在运行或常规试验中没有发现任何异常，在停止运行前仍带满负荷运行。如果不是用频响法及时测试出低压绕组发生变形，那么很难说什么时候会发生事故。从中不难看出，变压器在运行中经多次短路冲击后，即使不立即发生击穿，也会因绕组的残余变形带来严重的故障隐患。因此，对于绕组已有变形而仍在运行的变压器来说，虽然并不意味着会立即发生绝缘击穿事故，但根据变形情况的不同，当再次遭受并不大的过电流或过电压、甚至在正常运行的铁磁振动作用下，也很可能导致绝缘击穿事故。所以，有此“雷击”或“突发”事故很可能隐藏着绕组变形的故障隐患。为此，运行和制造部门对此都应有充分的认识而不能存侥幸心理。

综上所述，为确保大型变压器在允许的持续短路时间和电流下能安全、可靠运行，各制造厂应从改进结构设计、材质和制造工艺等方面提高变压器的抗短路能力。特别对新开发或出现问题较多的中等容量变压器，应通过短路试验对其强度和制造工艺进行检验。对不能用短路试验检验的大容量变压器，应通过一些局部或缩小的模型来进行研究、验证。

运行部门也应采取相应措施，降低出口和近区短路故障概率，提高继电保护的可靠性；加强对低压母线及其相关设备的维护管理；选用全工况开关装置，防止配电室“火烧连营”。6～10kV电缆出线或短架空出线尽量不用重合闸，以避免事故扩大。对在运行中遭受短路电流冲击的变压器应用频响法进行绕组变形测量、检查和记录，并计算短路电流倍数。对经历过一定短路次数的变压器，应安排变形测试和缩短检修周期，在检修中可对一部分变形不严重的变压器重新加固，以减少因短路引起的变压器损坏事故。

4　结语

（1）1995年～1996年间的变压器短路损坏事故占统计总事故台次的50%，因外部短路引起的变压器损坏事故已成为电力变压器事故的首要原因：

（2）多年来，110kV等级变压器的短路损坏事故一直占据主要位置：

（3）变压器本身抗短路能力不强是引起变压器损坏的主要原因。很多变压器根本经不起外部短路故障电流的冲击。一两次短路便会造成事故的占统计总数的70.5%。有短路电流记录的事故变压器，全部都是在低于允许的短路电流倍数下造成事故的，短路持续时间在2s以内的事故占71.4%。

（4）新变压器的短路事故远高于运行时间较长的变压器！即投运年限一年以内的占21%、5年以内的占55%、11年以内的占77%，其原因值得深思：

（5）运行部门应当采取切实可行的措施，提高变压器以及包括继电器保护在内的相关设备的运行管理水平。对在运行中遭受过短路电流冲击的变压器应进行变压器绕组变形测试。对遭受过多次短路的变压器，即使运行中无异常情况，最好也能安排检修。这是减少变压器短路损坏事故必不可少的重要环节。

作者简介

金文龙   处长，教授级高级工程师，从事电网设备及运行管理。

陈  华   教授级高级工程师，从事电网设备及运行管理。

李光范   副所长，高级工程师，从事绝缘材料及变压器运行技术的研究。

王梦云   教授级高级工程师，从事高压电气设备绝缘及变压器运行技术的研究。

薛辰东   高级工程师，从事高压电气设备故障检测及变压器运行维护技术的研究。

作者单位：

金文龙  陈建华（国家电力公司安全运行与发输电部，北京，100031）

李光范  王梦云  薛辰东（国家电力公司电力科学研究院，北京清河，100085）