大容量變壓器抗短路能力簡析

王志連

（山東電力設備有限公司,濟南 250022）

1 前言

變壓器在電力系統中運行會受到短路沖擊，短路的嚴重程度與變壓器抗短路能力的強弱決定了事故的后果。變壓器的抗短路能力不足是近幾年造成變壓器損壞的重要原因，也成為電力變壓器運行中的突出問題。隨著電網建設的發展，變壓器的電壓等級、容量在不斷增加，變壓器承受的短路電流也隨之增大，經受的考核越來越苛刻。根據國標規定，Ⅲ類變壓器短路峰值因數已提高至2.69[1]。

2 變壓器短路狀態下受力分析

變壓器在正常運行時，鐵心中的磁密及繞組中的電流約為額定值。當受到短路沖擊時，繞組內所通過的電流將達到額定電流的幾倍甚至幾十倍，因斷路器跳閘需要一定時間，通常為幾十毫秒到一百多毫秒，盡管這種暫態運行的持續時間很短，繞組在電動機械力作用下仍有可能因失穩而造成變壓器損壞。

根據長期實踐經驗和短路強度試驗可知，變壓器在突發短路故障時，其繞組損壞主要是由于短路時的軸向力和徑向力作用的結果。沿繞組的軸向力使繞組承受壓力或拉力作用。拉力方向是向著鐵軛，嚴重時可將上鐵軛頂起，破壞整個鐵心結構。沿繞組的徑向力使內繞組受壓力作用，外繞組受拉力作用。當壓力或拉力大于導線抗張應力時繞組發生變形，導線絕緣斷裂，破壞主、縱絕緣結構，嚴重時甚至拉斷導線。

大容量發電機主變低壓繞組大多采用螺旋式結構，在受到短路沖擊時，低壓繞組中勢必存在一軸向電流分量，該分量隨低壓繞組電流的增大而增大，同時其螺旋性越來越明顯，該分量除引起漏磁發生變化可能導致變壓器鐵心及結構件產生局部過熱等問題外，低壓繞組出線處受到的周向力也必須引起足夠的重視。

3 解決變壓器抗短路能力的技術措施

減少大型變壓器受到短路沖擊而發生損壞的事故，一般從限制流入變壓器繞組的短路電流和提高變壓器本身的抗短路能力入手。

3.1 限制流入變壓器繞組的短路電流

目前主要采用的限制短路電流的方法包括出線加裝固定串聯電抗器、加裝新型可控串聯限抗（故障限流器）、變壓器母線分段運行、采用大容量高速開關限流、改變中性點接地方式或加裝小電抗抑制單相短路電流等措施。

（1）普通串聯電抗器是將一個固定阻值的電抗器串聯入電網，是一種傳統的限流技術，運行方式簡單、安全可靠，但影響電力系統的潮流分布且增加了無功損耗，對系統的穩定性也有一定影響。

（2）打開母線分段開關，使變壓器分列運行，可以增大系統阻抗，有效降低短路電流水平，該措施實施方便，但該方案將削弱系統的電氣聯系，降低電網安全裕度和運行靈活性。

（3）采用爆炸式快速開斷載流橋體與高壓限流熔斷器、高吸能氧化鋅電阻相組合的新型大容量高速開關裝置(FSR)，該裝置具有額定電流大(12 kA)、斷流能力強(160 kA)、開斷速度快(3 ms內切斷故障)等性能。FSR裝置可以與斷路器串聯作為短路開斷設備，見下圖（a）；也可以與電抗器并聯，正常運行時將電抗器短接，短路時FSR斷開，將電抗器投入以限制短路電流，見下圖（b）。

除中性點加裝小電抗為單一針對單相短路電流的限流措施，其他幾種方法都是主要針對三相短路情況的。針對不同電壓等級，不同短路風險問題的變壓器，所適宜采取的措施也不盡相同。各種方法比較見下表：

幾種變壓器抗短路措施比較表

3.2 提高變壓器本身的抗短路能力

變壓器抗短路能力主要涉及到結構設計、抗短路校驗、制造工藝、生產控制、原材料等各環節。

3.2.1 變壓器設計

（1）結構設計

結構設計總的思路是：基礎穩固、支點可靠、保護力大、破壞力小。變壓器能否通過短路沖擊，首先決定于變壓器的結構是否合理。后期工藝及生產控制無法彌補結構上的缺點。

變壓器內線圈加硬紙筒及撐條可有效撐緊撐圓線圈，保證短路時電動力的有效傳遞。提高導線的屈服強度可有效提高繞組的抗短路能力。

（2）安匝計算

一般來說，變壓器額定分接的安匝不平衡率控制在1.5%左右，極限分接控制在3.5%左右，安匝控制的越好，變壓器在受到短路沖擊時的軸向電動力越小。將調壓線圈拿出作為單獨線圈進行設計，可有效改善安匝分布。

（3）電流密度選取

電流密度值越小，變壓器承受短路沖擊能力越強，但同時經濟性越差，在保證抗短路能力合格的前提下盡量提高變壓器的經濟性是設計追求進步的方向。

（4）材料選取

根據設計經驗以及國網十八項反措要求規定，變壓器內線圈必須使用半硬銅自粘性換位導線。變壓器在受到短路沖擊時，一般會在0.15s內退出運行，這時自粘性換位導線的自粘性基本未受到短路溫升的影響，且短路電動力在第一個周波達到峰值早已過去，因此，半硬銅自粘性換位導線的抗短路能力遠遠優于普通的紙包單線或組合導線。

（5）抗短路驗算

目前的抗短路能力驗算主要有兩種方法。一種是基于典型物理公式進行計算的內線圈輻向力計算方法，是根據彈性理論由承受幅向壓力的薄壁圓筒的幅向穩定公式推導出來的，根據實踐經驗，只要繞組輻向失穩的安全裕度取1.8～2.0[2]，則承受輻向壓縮短路力作用的繞組就不會因幅向失穩而損壞。另一種是基于有限元法的計算方法。受制于商業軟件內核判據的不同，各軟件計算的抗短路能力裕度存在差異，需要變壓器制造廠根據自己的實踐經驗進行總結。

3.2.2 變壓器的生產工藝控制

提高變壓器抗短路能力，主要集中于變壓器器身上，主要包括線圈繞緊、套裝撐緊、器身壓緊。另外兼顧引線夾持及線圈出頭綁扎等。

（1）線圈繞緊。根據生產設備、操作工藝的能力，控制線圈絕緣件尺寸，換位處加強絕緣，保證在短路沖擊時，絕緣件不能處于自由狀態，線圈繞制后形成剛體。

（2）套裝撐緊。目前通用的做法是采用器身整體套裝。套裝前鐵心撐圓，套裝時線圈撐條檔份要分配均衡，保證紙筒干燥后尺寸，線圈必須在施加外力的作用下套裝，再通過恒壓干燥壓緊。

（3）器身壓緊。提高器身軸向的穩定性，主要通過以下措施進行。一是對絕緣墊塊進行密化處理。二選擇合適的軸向預緊力。三是改進壓板性能。四是進行繞組結構材料參數測試、軸向壓緊情況探測、繞組變形測試等工作。

（4）結合變壓器接線方式，器身引線夾持、線圈首尾段線餅的綁扎、線圈出頭處引線的綁扎等也都是提高變壓器抗短路能力的關鍵點。

4 結論

（1）變壓器的抗短路能力主要決定因素是導線材質、設計結構和工藝。

（2）隨著電網容量的增加，系統短路電流越來越大，如何通過實踐尋找可靠經濟的解決方案是我們不斷追求進步的方向。

[1]電力變壓器-第五部分-承受短路的能力[Z].GB 1094.5-2008 .

[2]謝毓成.電力變壓器手冊.機械工業出版社[M]，2003（01）.