關于電力變壓器短路故障的探討

丁萬啟

摘 要：電力變壓器是電力系統的主體設備，在長期運行中容易發生短路故障。出口短路會造成絕緣過熱故障和繞組變形故障，其中變壓器繞組的變形已經成為引發其他故障和事故的直接原因。本文通過對變壓器短路故障的分析，提出了關于變壓器短路故障補救措施及技術改進思路。

關鍵詞：變壓器 短路故障 絕緣過熱 繞組變形 電動力

一、出口短路對電力變壓器的影響

電力變壓器的短路故障主要是指變壓器的出口短路、變壓器內部引線或繞組間對地短路、以及變壓器相與相之間發生的短路而導致的故障。根據統計，出口短路故障對電力變壓器正常運行產生的影響最頻繁，也最為嚴重，甚至有的地區有一半以上的變壓器事故是由短路故障電流沖擊直接引起的，并且這種情況在多地區有增長的趨勢。變壓器出口短路故障將會給人們帶來十分嚴重的損失，尤其是變壓器低壓出口短路所引起的故障或者事故，通常需要對繞組進行部分或者全部更換。

短路電流引起絕緣過熱故障，主要是因為電力變壓器在突然發生短路時，可能會導致額定值數十倍的短路電流同時集中通過高、低壓繞組，使其瞬間產生極大的熱量，導致電力變壓器嚴重發熱。一旦過載的短路電流超過電力變壓器的承受能力，使其熱穩定性變差，嚴重損傷變壓器的絕緣材料，從而次年工程變壓器擊穿或者損毀的事故。電力變壓器的出口短路主要有三相短路、兩相短路、兩相接地短路以及單相接地短路等幾種主要的形式，其中單相接地短路的故障率最高，占全部短路故障的一半以上，兩相短路故障次之，另外兩種短路故障發生的幾率較小，但是三相短路所產生的瞬間短路電流值最高，因此在進行電力變壓器設計時要充分考慮三相短路電流這一因素。

短路電動力引起繞組變形故障，主要是由于電力變壓器在受到短路沖擊時產生了過大的短路電流，這種情況甚至會造成變壓器的繼電保護延時動作拒動，使繞組產生較為嚴重的變形或者損壞。如果短路電流比較小，那么繼電保護能夠正確進行保護動作，因此而產生的繞組變形也非常輕微，對這類輕微的變形要及時進行檢修。如果忽視輕微的繞組變形，不及時對墊塊的位置進行恢復，對繞組的壓釘及鐵軛拉板、拉桿進行緊固，加強引線的夾緊力，則在經受多次短路沖擊之后，電力變壓器將會因繞組變形的積累而損壞。繞組突然短路時，載流導線在漏磁作用下受到強烈的電動力作用，我們將這種電動力分解為縱軸和橫軸兩個分量進行研究?？v軸磁場使繞組產生輻向力，而橫軸磁場使繞組受到軸向力，因此電力變壓器的繞組發生出口短路時，需要承受很大的軸向和輻向電動力。軸向電動力會想中間壓縮繞組，它是一種機械應力，大大影響繞組匝間的絕緣特性，損傷繞組的匝間的絕緣性，并且軸向力使整個繞組受到張力，在導線中產生拉伸應力。繞組的軸向力主要有兩部分：一部分是由于繞組端部漏磁彎曲部分的輻向分量與載流導體相互作用而產生的，以壓力的形式作用于內、外繞組；另一部分則是由于繞組內外安匝不平衡所產生的輻向漏磁與載流導體相互作用生成的，這種力主要使內繞組受擠壓，外繞組受到拉力，并且安匝不平衡越大，所產生的軸向力也越大。輻向電動力則主要向外擴張整個繞組，使其失去穩定性，造成相間絕緣損壞。如果這種電動力過大，則將會導致繞組扭曲變形或者導線斷裂等更為嚴重的后果。

二、短路故障引起的變壓器繞組變形特征分析

經過對出現故障或事故的變壓器進行分析，我們發現變壓器繞組的變形已經成為直接引發其他故障和事故的主要原因之一。在電力變壓器運行過程中，其繞組出現嚴重變形且繼續運行，則將會造成停電故障，甚至導致整個變壓器的燒毀。分析其主要原因，繞組的繞制工藝粗糙、機械結構強度不足等設計制造原因導致其承受電流沖擊的能力和抵抗外部機械干擾力的能力較差，因此變壓器繞組在受到內部電動力和外部機械力的影響后很容易變形，尤其是變壓器出口短路形成的短路沖擊電流及電動力將使繞組瞬間扭曲變形，甚至損毀。

電動力是造成繞組變形的主要原因。繞組結構中，高壓繞組處于外層，軸向拉伸應力和輻向擴張應力會使繞組端部壓釘松動，導致拉板和各種緊固件彎曲變形，繞組松弛；處于內柱或中間部位的中低壓繞組經常受到軸向和輻向壓縮力的影響，從而使繞組端部緊固壓釘松動、墊塊位移、撐條傾斜、線餅扭曲或者出現較大面積的內凹及上翹現象；繞組分接區及糾接區的安匝不平衡，容易產生橫向漏磁場，短路時線餅容易在電動力的作用下變形或損壞。

機械力也是影響繞組變形的一大因素，強大的機械外力會造成變壓器繞組的整體位移變形。

三、電力變壓器短路故障補救措施及技術改進

基于上述，為防止短路故障造成的繞組變形的等問題，降低變壓器短路事故率，學界對電力變壓器短路故障補救措施進行了探討，同時也提出了一定的技術改進措施。

要降低電力變壓器短路事故的發生，首先要做好變壓器的選型，選用符合短路試驗要求的變壓器，合理確定變壓器的容量及短路阻抗；其次就是要優化變壓器的運行條件，主要是提高電力線路的絕緣水平，降低近區故障影響和危害；第三就是要優化變壓器的運行方式，要根據短路電流的精確核算來確定其運行方式，同時采取一定的保護措施來限制短路電流的危害；第四要提高運行管理水平，避免誤操作造成短路，加強變壓器點檢和維修。

從技術上，要運用先進技術進行改進，包括繞組結構、器身結構、鐵心結構等多個方面。