關于電力變壓器承受短路能力問題的探討

顏宏偉 鄭原原

摘 要：從標準的要求出發，闡明電力變壓器承受短路能力的重要性和達到制造能承受短路能力的高強度電力變壓器的難處。分析了110kV電力變壓器短路強度的關鍵，進一步闡述了如何開展短路強度的試驗，并建議制造廠與使用部門密切合作，開展產品試驗及運行調查，從而逐步提高大變壓器承受短路的能力。

關鍵詞：電力變壓器；短路；力；試驗

1、機械強度的難點

電力變壓器在系統中運行，其系統的實際短路容量是確定的。該標準將其定義為電壓等級的視在容量，例如，110kV為8000MVA，但是實際測試31500kVA/110kV變壓器時，系統阻抗僅為3.6%。當設計變壓器以承受系統短路的電磁力時，通常假定變壓器連接到能夠無限的網絡系統，并且電流相當于三相短路電流的第一個峰值流經變壓器繞組。根據國標規定，不對稱系數為1.8時，表示可能發生的最嚴重的短路情況。

首先，變壓器繞組的機械強度與設計、結構、制造、工藝、材料、測試、運行和維護等諸多因素有關，尤其是測試難度大而且成本高，而且短路測試不能用作例行測試項目。此外，變壓器繞組的機械強度逐漸降低，因此單故障變壓器的機械強度可能遠遠高于各種故障條件下的機械強度。另外，變壓器的最終強度僅等于變壓器復雜結構中最弱部分的強度，機械強度隨著運行而逐漸減弱，導致最終的損壞，包括短路“壽命”問題。由于系統條件對短路強度的影響相當復雜，到目前為止分析受到限制，可以說很少有人知道，尚不足得出一個明確的結論。

其次是設計和流程很難達到完全一樣的。在力計算方面，徑向電磁力很容易計算，因為它們是由軸向泄漏磁場產生的。與實際和精確的電抗計算類似，最終的性能是內部和外部繞組分別承受向內和向外壓力以及拉力的圓周力。問題是可以在工藝和結構上做多少工作，尤其是內繞組的穩定性。就軸向力而言，它是由徑向磁場產生的，特別是其余安匝法的原理使許多國家的作者獲得了特定的計算方法。目前，已經研究了更準確的計算方法。原則上，只要高低壓繞組安匝完全平衡，就不考慮末端軸向漏磁，即沒有軸向電磁力。然而，在真實的變壓器中，龍頭存在，導致多余的安匝軸向力可以通過以下方法計算。為了解決由其余安匝產生的軸向機械力，繞組末端漏磁產生的軸向力以及繞組制造過程中不平衡高低電壓產生的內部壓力，在繞組的兩端施加壓力以壓緊繞組。在短路條件下，繞組在工廠內壓縮或壓縮不足。之后，運行熱油循環會導致絕緣墊松動，或者二次短路事故后絕緣墊松動，導致短路狀態下的焊盤松動和不對齊，導致電線崩潰，最終導致故障。所有這些不僅是一個計算問題，而且還是一個實際的結構和過程問題。更重要的是，兩者必須協調一致才能達到所需的機械紗線。實際上，兩者很難完全達成協議。這不僅因工廠而異，而且同一工廠，同一規格和不同平臺往往難以保持一致。

2、解決配電變壓器強度的經驗

1965～1966年，當時的沈陽變壓器廠率先用銅、鋁各一臺1000kVA/10kV配電變壓器在蘇家屯電網上進行了短路試驗（當時不選相合閘，只是推上去），結果兩臺變壓器高壓繞組扭曲，高、低壓繞組均有不同程度的損壞。盡管未獲成功，但對短路試驗開始有了感性認識。以后，從1982年開始試驗SL7和S9，到1995年試驗新型S930～1600kVA/10kV配電變壓器，在前后十幾年中，采用的方法是邊試制邊做短路試驗。不合格，再改進，直到合格為止。試驗合格SL714臺，S912臺，新型S937臺，SL7、S9、新型S9正式試驗合格率達到90%以上。在各有關工廠完成試制后，又有大批工廠試生產和做短路試驗。據統計到目前為止，包括S7在內，沈陽高壓開關廠、虎石臺試驗站、西安高壓電器研究所試驗站、北京電科院試驗站、上海華通開關廠試驗站等，共試配電變壓器約300臺。

3、110kV電力變壓器短路強度的關鍵所在

解決配電變壓器短路強度問題的經驗是：“多重測試”。但是，其難度并不局限于上述情況，而必須以進一步的學習標準為基礎。有人認為經過短路測試的變壓器不能通過電網，不能投入電網使用，或者必須拆除高低壓繞組進行檢查，然后報廢，否則會損壞，操作不可靠。眾所周知，絕緣耐電壓試驗（動力頻率，沖擊，操作沖擊等）和短路機械阻力試驗屬于強度評定試驗。如果阻力通過，從宏觀上講，不會有任何損害。但從微觀角度來看，難以斷定沒有一點影響。目前，變壓器必須通過各種耐壓試驗，不耐電壓試驗的產品不能投入使用，這是普遍接受的。在機械電阻方面，對于配電變壓器，已經通過短路測試超過十年的產品已經與網絡相連，取得了良好的效果。以上對大型變壓器的看法與邏輯不一致。

根據IEC76-5和GB1094.5-85變壓器耐受短路能力要求，（待完成）在短路試驗后滿足以下三個要求，認為短路試驗變壓器合格：（1）重復所有常規測試，全部合格；（2）在短路測試過程中，沒有發現缺陷（如明顯的位移，變形，繞組放電痕跡，連接線和支撐結構等）；（3）同心繞組測試前后電抗測量值的差異不大于2%，通過標準認證并投入使用的變壓器應該沒有問題。

4、如何開展短路強度的試驗

短路強度測試的發展是重要和必要的，這需要逐步規劃和組織困難，而且是制造商和用戶應該密切關注的一個項目，只有雙方團結一致，經過一段時間的努力才能取得基本的解決。在配電變壓器方面的十年經驗證明，經過大量測試和改進之后，國產新S9產品的短路強度得到了顯著提高。可以說這個水平已經達到并超過了國外同類產品的水平（不是整個產品的所有指標），這是值得高興的事情。我國有許多工廠生產110kV級變壓器，他們的生產歷史各不相同，產量差異很大。毫無疑問，所有這些工廠都需要保證產品的短路電阻，但都要求進行短路測試。在同一時間或同時進行短路測試是存在問題的很可能一大批產品都存在問題。

合格的工廠在進行短路試驗時，應進行電磁計算分析等機械強度的科學研究，討論本項目的計算方法，并對鋼材、絕緣材料的性能進行實驗研究，并對支撐材料（層壓木），還有加工測試（如墊準備，干燥，壓力計算等），最后機械結構可以承受力和應變分析。將這些理論分析與實際模型試驗相結合，不斷改進計算方法和工藝結構，實現精確計算、工藝實用、結構可靠性高，指導實際產品的設計和加工，并通過產品檢測合格和沒有合格的最終判斷和改進來實現項目的實際需求并使產品具有可靠的機械強度。

結語

綜上所述，短路強度試驗的開展是重要的和必要的。難點再大也要有計劃、有組織地逐步開展起來，這應該是制造與使用雙方都應十分關注的項目，也只有雙方聯合起來，經過一段時間的努力，才能獲得基本解決。配電變壓器十幾年的經驗證明，在做了大量試驗和改進之后，國產新型S9產品，短路強度有了顯著的提高，可以說達到并超過了國外同類產品該項水平（不是指整臺產品各項指標），這是值得高興的。

參考文獻

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（作者身份證號碼：1 320122198604134419；

2 320122199003023216）