變壓器短路事故分析與處理方法

遲偉國 呂昆明

摘 要：近年來，我國電力事業飛速發展并取得一系列成就，但隨著時代的進步對電力系統的供電要求也越來越高。對于當前變壓器的運行現狀來說，仍存在不少問題，其常發生的短路故障嚴重影響了電力系統運行的穩定性與安全性。因此，對于變壓器短路故障的處理變得越來越重要。

關鍵詞：變壓器；短路；解決措施

1短路故障原因分析

比較常見的變壓器短路故障一般有電流故障、過熱故障、出口短路故障等。造成變壓器短路故障的因素有很多，主要有變壓器的材料質量、結構設計、電流情況、電網線路和各種突發問題等，而在發生短路故障的情況下都會使其絕緣材料嚴重損壞。在變壓器短路故障中，有單相接地短路、兩相短路及三相短路三種類型。其中，三相短路故障對變壓器的損壞最為嚴重。由于變壓器的選材質量得不到保證、繞組線匝或導線之間沒有經過固化處理等，導致變壓器抗機械強度差、抗短路能力不足。所以在許多短路故障中，變壓器繞組會發生軸向變形，這對變壓器的絕緣材料來說是極大的損害，并且在遇到強大的電流沖擊時，可能會發生嚴重爆炸事故。同時，變壓器的工作人員未及時到位進行檢修也會使變壓器發生短路故障。在發生短路故障之前沒有進行預防、及時更換老化配件，會引發變壓器的短路故障，而故障后只是簡單維修沒有深入調查其原因、總結經驗教訓，也會形成惡性的短路循環。

2.變壓器短路阻抗計算

短路阻抗是當負載阻抗為零時，變壓器內部的等效阻抗，它是由負載電流產生的漏磁場所引起的。為便于產品之間參數的相互對比，通常用百分數的形式來表示短路阻抗，對于在某個容量、電壓范圍下的變壓器，其短路阻抗的百分數是相同的。

本文中筆者應用漏磁鏈法和有限元法分別計算了改進后新結構自耦變壓器的短路阻抗。其繞組布置為：鐵心-低壓繞組-中壓繞組-調壓繞組-高壓繞組。當將調壓繞組全部接入時為最大分接，全部反接入時為最小分接。

根據GB1094.5-2008中規定，220kV級三相三繞組有載調壓自耦變壓器最大容量為240MVA，短路阻抗為：高-中8%～10%；高-低28%～34%；中-壓18%～24%。此臺220kV自耦變壓器，容量高達250MVA，阻抗要求值：高-中15.5%；高-低50%；中-低31.5%。此阻抗值遠大于常規產品。該自耦變壓器基本參數如表1所示。

表1自耦變壓器基本參數

2.1短路阻抗漏磁鏈法

自耦變壓器繞組高中運行額定分接磁勢分布如圖2所示。

磁勢平衡方程為：

（IZ-IG）WZ-IGWC=0（1）

基準磁勢為：

IW=IG（WC+WZ）=IZWZ（2）

相對磁勢為：

A2=（IZ-IG）WZ/IW=Kf（3）

圖2繞組高低運行額定分接磁勢分布圖

A3=IGWC/IW=Kf（4）

等值漏磁面積為：

（5）

其中，

a13=a12+a2+a23（6）

（7）

ρ為洛式系數，用它來修正理想漏磁場與實際

漏磁場存在的差異，其計算公式如下。

（8）

其中λ=a3+a23+a2+a12+a1，是內繞組內半徑到外繞組外半徑之間的距離。短路阻抗百分數通過下式進行計算。

（9）

2.2短路阻抗有限元法

運用基于場路耦合的有限元法計算變壓器的短路阻抗時，變壓器中儲存的磁場能量是在磁場建立過程中由外源做功轉換而來，計算出磁場分布可以求得磁場儲能，進而求取繞組短路阻抗值。

當繞組中通有電流IN時，磁場能量Wm表達式為：

（10）

式中，Wm為磁場能量（J），L為繞組電感（H），IN為相電流（A）。

當短路阻抗的電阻分量忽略不計時，對應額定電流IN下的短路阻抗為：

ZK=ω·L=2ωWm/IN2（11）

ZK為短路阻抗（漏電抗），ω為電源角頻率（rad/s）。

短路阻抗的百分數為：

（12）

式中，UK為短路阻抗百分數，f為頻率（Hz），VA為變壓器在額定運行情況下的單相容量。

2.3變壓短路時油流速度

由于短路瞬間變壓器油溫升主要集中在繞組周圍，并且短路的時間不長，變壓器外殼附近的油溫不會發生變化，變壓器散熱條件不會改變，此時的負載損耗功率遠大于變壓器的散熱功率和變壓器的鐵損。因此忽略散熱功率以及變壓器鐵損對油流的影響，設氣體繼電器內油流速為U，氣體繼電器油路橫截面積為S，短路時的負載損耗為P（單位為kW），變壓器油熱膨脹系數為γ，變壓器油的密度為ρ，變壓器油的比熱容為C，通過計算短路時變壓器油的體積膨脹量、產生的熱量與損耗，以及與時間的關系，可計算推導出（短路時）油流速公式為

U=（P·γ）/（ρ·C·S）（13）

3.案例分析

3.1概況

某變電廠故障變壓器所在變電站運行方式：220kV側為單母線分段接線，110kV側為雙母線接線，10kV側為單母分段接線。故障前220kV各線路正常運行、110kV母線并列運行，10kV側I、II母線分裂運行。故障時現場無檢修工作，無操作，#1主變正常運行，無缺陷，開關無異常信號。

3.2變壓器直流電阻試驗

變壓器直流電阻試驗可以檢查變壓器繞組引線的連接情況以及各相繞組電阻的平衡情況。2015年8月5日，在油溫6℃的條件下，高、中、低各相直流電阻如表2所示。高、低壓兩側三相直流電阻變化幅度不大，但中壓直流電阻三相互差2.26%。根據電力工業的行業標準DL/T393-2013《電力設備預防性試驗規程》標準規定，電阻不平衡率的要求如表3所示。該型變壓器容量180000kVA，相間不平衡率應在2%以內，推測中壓C相存在斷股故障。

3.3短路阻抗試驗

對該故障變壓器進行短路阻抗試驗，如表4所示。結果顯示，高壓繞組對中壓繞組及中壓繞組對低壓繞組C相短路阻抗數據異常，分別達到7.308%和3.100%。高壓對中壓C相偏差值已經嚴重超出DL/T393-2013《輸變電設備狀態檢修試驗規程》警示值2%要求。判斷該變壓器中壓C相繞組存在匝間短路，導線斷股。

3.4綜合分析

（1）短路阻抗測試顯示，高壓繞組對中壓繞組及中壓繞組對低壓繞組的短路阻抗異常，其中C相短路阻抗的縱比偏差嚴重，中壓C相繞組存在異常。

（2）繞組直流電阻試驗顯示，中壓繞組直阻相間偏差2.26%，其中，C相直阻偏差較大，超過規范規定警戒值，判斷中壓C相繞組存在斷股故障。

（3）測量繞組電容量，高、中壓繞組對低壓及鐵心繞組電容量增大，說明高壓，中壓發生位移，向外形變；低壓繞組對地介損及電容量無法測試，說明低壓繞組對地可能存在短路。

3.5主要修復措施

（1）清理鐵心、調壓繞組和A、B相高壓繞組及后續準備使用的引線等。（2）完成C相高壓繞組修復。更換三相中、低壓繞組，采用優質半硬自粘換位導線，低壓繞組內襯成型硬紙筒。（3）嚴格控制避雷器、重合閘等設備的質量，對于重要性不高或故障頻發的重合閘應該及時退出重合閘。

結語

變壓器在電力系統中是極為重要的一部分。變壓器發生短路故障時，不僅會對其各項部件造成損壞，還會嚴重影響整個電力系統的供電，使變壓器的短路故障處理變得十分重要。因此，應注意對變壓器故障進行處理，及時總結經驗，避免類似問題的發生。

參考文獻

[1]王丹華，石琦.發電機自并勵勵磁變壓器保護配置與整定計算[J].電氣應用，2017，36（20）：32-33.

[2]祝端興.變壓器常見故障與診斷技術研究[J].科技風，2017（15）：171.

[3]畢艷軍，于敏麗，郭臻.變壓器漏感的有限元計算[J].實驗室研究與探索，2017，36（07）：122-126.

[4]賈德海，王明.提高配電變壓器抗短路能力問題分析和探索[J].變壓器，2017，54（03）：44-48.

[5]劉軍，張安紅.低阻抗大電流脈沖整流變壓器開發[J].變壓器，2017，54（01）：26-31.

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