變壓器運(yùn)行中短路損壞的原因分析

張大偉

摘要：本文就近年來因電力變壓器外部短路而造成損壞事故的情況作分類分析，進(jìn)而提出目前有關(guān)電磁線選用存在的問題和減少這一類事故的措施，促使運(yùn)行單位進(jìn)一步提高運(yùn)行管理水平。

關(guān)鍵詞：變壓器；運(yùn)行；短路；損壞；原因

一、變壓器短路事故情況

1.外部多次短路沖擊，線圈變形逐漸嚴(yán)重，絕緣擊穿損壞居多；

2.外部短時內(nèi)頻繁受短路沖擊而損壞；

3.長時間短路沖擊而損壞；

4.一次短路沖擊就損壞。

二、變壓器短路損壞的主要形式

1.軸向失穩(wěn)

（1）線餅上下彎曲變形

這種損壞是由于兩個軸向墊塊間的導(dǎo)線在軸向電磁力作用下，因彎矩過大產(chǎn)生永久性變形，通常兩餅間的變形是對稱的。

（2）繞組或線餅倒塌

這種損壞是由于導(dǎo)線在軸向力作用下，相互擠壓或撞擊，導(dǎo)致傾斜變形。如果導(dǎo)線原始稍有傾斜，則軸向力促使傾斜增加，嚴(yán)重時就倒塌；導(dǎo)線高寬比例大，就愈容易引起倒塌。

（3）繞組升起將壓板撐開

這種損壞往往是因為軸向力過大或存在其端部支撐件強(qiáng)度、剛度不夠或裝配有缺陷。

2.輻向失穩(wěn)

（1）外繞組導(dǎo)線伸長導(dǎo)致絕緣破損

輻向電磁力企圖使外繞組直徑變大，當(dāng)作用在導(dǎo)線的拉應(yīng)力過大會產(chǎn)生永久性變形。這種變形通常伴隨導(dǎo)線絕緣破損而造成匝間短路，嚴(yán)重時會引起線圈嵌進(jìn)、亂圈而倒塌，甚至斷裂。

（2）繞組端部翻轉(zhuǎn)變形

端部漏磁場除軸向分量外，還存在輻向分量，二個方向的漏磁所產(chǎn)生的合成電磁力致使繞組導(dǎo)線向內(nèi)翻轉(zhuǎn)，外繞組向外翻轉(zhuǎn)。

（3）內(nèi)繞組導(dǎo)線彎曲或曲翹

輻向電磁力使內(nèi)繞組直徑變小，彎曲是由兩個支撐（內(nèi)撐條）間導(dǎo)線彎矩過大而產(chǎn)生永久性變形的結(jié)果。如果鐵心綁扎足夠緊實及繞組輻向撐條有效支撐，并且輻向電動力沿圓周方向均布的話，這種變形是對稱的，整個繞組為多邊星形。然而，由于鐵芯受壓變形，撐條受支撐情況不相同，沿繞組圓周受力是不均勻的，實際上常常發(fā)生局部失穩(wěn)形成曲翹變形。

3.引線固定失穩(wěn)

這種損壞主要由于引線間的電磁力作用下，造成引線振動，導(dǎo)致引線間短路，這種事故較少見。

三、變壓器短路損壞的常見部位

1.對應(yīng)鐵軛下的部位

該部位發(fā)生變形原因有：（1）短路電流所產(chǎn)生的磁場是通過油和箱壁或鐵心閉合，由于鐵軛的磁阻相對較小，故大多通過油路和鐵軛間閉合，磁場相對集中，作用在線餅的電磁力也相對較大；（2）內(nèi)繞組套裝間隙過大或鐵心綁扎不夠緊實，導(dǎo)致鐵心片二側(cè)收縮變形，致使鐵軛側(cè)繞組曲翹變形；（3）在結(jié)構(gòu)上，軛部對應(yīng)繞組部分的軸向壓緊是最不可靠的，該部位的線餅往往難以達(dá)到應(yīng)有的預(yù)緊力，因而該部位的線餅最易變形。

2.調(diào)壓分接區(qū)域及對應(yīng)其他繞組的部位

該區(qū)域由于：（1）安匝不平衡使漏磁分布不均衡，其幅向額外產(chǎn)生的漏磁場在線圈中產(chǎn)生額外軸向外力，這些力的方向總是使產(chǎn)生這些力的不對稱性增大。軸向外力和正常幅向漏磁所產(chǎn)生的軸向內(nèi)力一樣，使線餅向豎直方向彎曲，并壓縮線餅件的墊塊；（2）該部位的線餅為力求安匝平衡或分接區(qū)間的應(yīng)有絕緣距離，往往要增加較多的墊塊，較厚的墊塊致使力的傳遞延時，因而對線餅撞擊也較大。

3.換位部位

這部位的變形常見于換位導(dǎo)線的換位和單螺旋的標(biāo)準(zhǔn)換位處。

換位導(dǎo)線的換位，由于其換位的爬坡較普通導(dǎo)線的換位為陡，使線匝半徑不同的換位處產(chǎn)生相反的切向力，這對大小相等方向相反的切向力，致使內(nèi)繞組的換位向直徑變小，方向變形，外繞組的換位力求線匝半徑相同，使換位拉直，內(nèi)換位向中心變形，外換位向外變形，而且換位導(dǎo)線厚度越厚，爬坡越陡，變形越嚴(yán)重。

4.繞組的引出線

常見于斜口螺旋結(jié)構(gòu)的繞組，該結(jié)構(gòu)的繞組，由于二個螺旋口安匝不平衡，軸向力大，同時又有軸向電流存在，使引出線拐角部位產(chǎn)生一個橫向力而發(fā)生扭曲變形現(xiàn)象。另外螺旋繞組在繞制過程中，有剩余應(yīng)力存在，會使繞組力求恢復(fù)原狀現(xiàn)象，故螺旋結(jié)構(gòu)的繞組，受短路電流沖擊下更容易扭曲變形。

四、變壓器短路故障原因分析

1.目前各廠家的計算程序中是建立在漏磁場的均勻分布、線匝直徑相同、等相位的力等理想化的模型基礎(chǔ)上而編制的，而事實上變壓器的漏磁場并非均勻分布，在鐵軛部分相對集中，該區(qū)域的電磁線所受到機(jī)械力也較大；換位導(dǎo)線在換位處由于爬坡會改變力的傳遞方向，而產(chǎn)生扭矩；由于墊塊彈性模量的因數(shù)，軸向墊塊不等距分布，會使交變漏磁場所產(chǎn)生的交變力延時共振，這也是為什么處在鐵心軛部、換位處、有調(diào)壓分接的對應(yīng)部位的線餅首先變形的根本原因。

2.抗短路能力計算時沒有考慮溫度對電磁線的抗彎和抗拉強(qiáng)度的影響。按常溫下設(shè)計的抗短路能力不能反映實際運(yùn)行情況，根據(jù)試驗結(jié)果，電磁線的溫度對其屈服極限？0.2影響很大，隨著電磁線的溫度提高，其抗彎、抗拉強(qiáng)度及延伸率均下降，在250℃下抗彎抗拉強(qiáng)度要比在50℃時下降10%以上，延伸率則下降40%以上。而實際運(yùn)行的變壓器，在額定負(fù)荷下，繞組平均溫度可達(dá)105℃，最熱點溫度可達(dá)118℃。一般變壓器運(yùn)行時均有重合閘過程，因此如果短路點一時無法消失的話，將在非常短的時間內(nèi)（0.8s）緊接著承受第二次短路沖擊，但由于受第一次短路電流沖擊后，繞組溫度急劇增高，根據(jù)GBl094的規(guī)定，最高允許250℃，這時繞組的抗短路能力己大幅度下降，這就是為什么變壓器重合閘后發(fā)生短路事故居多。

3.采用普通換位導(dǎo)線，抗機(jī)械強(qiáng)度較差，在承受短路機(jī)械力時易出現(xiàn)變形、散股、露銅現(xiàn)象。采用普通換位導(dǎo)線時，由于電流大，換位爬坡陡，該部位會產(chǎn)生較大的扭矩，同時處在繞組二端的線餅，由于幅向和軸向漏磁場的共同作用，也會產(chǎn)生較大的扭矩，致使扭曲變形。如楊高500kV變壓器的A相公共繞組共有71個換位，由于采用了較厚的普通換位導(dǎo)線，其中有66個換位有不同程度的變形。

五、建議

1.進(jìn)貨選型

（1）對設(shè)備選型時，應(yīng)充分考慮現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)狀況，取消冗余功能，選擇可靠結(jié)構(gòu)，在充分考慮電網(wǎng)的短路容量與產(chǎn)品的動穩(wěn)定性能之后，再確定產(chǎn)品參數(shù)，根據(jù)電網(wǎng)實際需要合理的配置分接開關(guān)，對性能參數(shù)的要求應(yīng)和目前制造水平及材質(zhì)狀況相適應(yīng)。

（2）優(yōu)先選用經(jīng)短路型式試驗合格的產(chǎn)品設(shè)計，并對產(chǎn)品進(jìn)行抽檢短路耐受試驗，以確保產(chǎn)品的同一性。

（3）選用全自冷變壓器。由于全自冷變壓器相對其他冷卻方式的變壓器度低，用銅量大，變壓器重量重，具有較強(qiáng)抗短路能力。

2.產(chǎn)品設(shè)計

產(chǎn)品設(shè)計要充分考慮工藝和材質(zhì)的分散性，在關(guān)鍵的部位應(yīng)留有足夠的裕度，當(dāng)先進(jìn)性與產(chǎn)品的可靠性有矛盾時，首先考慮保證可靠性。設(shè)計時應(yīng)按高溫條件（250℃～350℃）進(jìn)行抗短路能力的設(shè)計，并對特殊部位（如換位、螺旋口）要進(jìn)行抗短路能力校核計算。若內(nèi)線圈一定要帶分接，應(yīng)優(yōu)先采用獨立調(diào)壓繞組結(jié)構(gòu)。同時要禁止使用普通換位導(dǎo)線，而盡量選用半硬以上的自粘性換位導(dǎo)線和組合導(dǎo)線；35kV及以下繞組的內(nèi)支撐硬筒選用低介損無局放的環(huán)氧玻璃絲絕緣筒；軸向壓緊最好采用彈簧壓釘。

3.運(yùn)行管理

運(yùn)行部門可根據(jù)短路故障是否能瞬時自動消除的概率，對近區(qū)架空線（如2km以內(nèi)）或電纜線路取消使用自動重合閘，或適當(dāng)延長合閘間隔時間以減少因重合閘不成而帶來的危害，并且盡量對短路跳閘的變壓器進(jìn)行試驗檢查。

六、結(jié)語

總之，造成故障或事故的因素較多，除了在結(jié)構(gòu)方面尚存在一些沒有充分認(rèn)識的因素外，設(shè)計和工藝操作方面存在的問題值得制造廠及運(yùn)行單位引起重視。

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