一起110 kV變壓器短路承受能力試驗不合格的分析及整改措施研究

(國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

2018年以來，國網四川省電力公司加大對110 kV變壓器的抽檢力度，重點抽檢項目為主變壓器“短路承受能力試驗”。該試驗的目的是考核變壓器在遭遇外部短路時，其承受過電流作用下的動、熱效應的能力，是對變壓器設計制造工藝的綜合考核[1]。該試驗是變壓器最為嚴苛的考核性試驗。

下面以某110 kV變壓器短路能力抽檢不合格事件為例，通過計算及試驗，找出該變壓器不合格的主要原因。同時，結合該變壓器現有結構、材質及工藝，對其抗短路能力提升提出有針對性的措施和建議。

1 試驗概況

2018年8月10日至15日，某第三方檢驗中心對某110 kV新建輸變電工程主變壓器進行第三方抗短路能力抽檢試驗。該臺變壓器額定容量為50 MVA，額定電壓為110±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5 kV，額定電流為262.4/749.8/2749 A，型號為SSZ11-50000/110，變壓器出廠時間為2017年11月。

此次短路試驗采用GB 1094.5-2008《電力變壓器第5部分：承受短路的能力》推薦的試驗方法，采用單相電源進行主變壓器短路承受能力試驗[2]，試驗電壓采用1.5倍相電壓。該變壓器為三繞組變壓器，高壓側及中壓側均帶分接開關，一般情況下將進行高對中、高對低及中對低3種情況的短路試驗。由于在實際運行中，中壓側無電源，即不存在中對低短路的可能，因此，只對該變壓器進行高對低和高對中短路試驗。

此次短路承受能力試驗首先進行高對中試驗。根據GB 1094.5-2008規定，在各相進行高對中短路試驗時，中壓側處于額定擋，分別在高壓側1、9b、17這3個分接位置各進行1次試驗[2]。完成A相高對中3次試驗后，在對變壓器進行B相高對中第3次試驗時，監視到波形出現異常。中壓側對稱短路電流明顯變小，為6200 A。隨后測量變壓器短路阻抗時，發現B相電抗出現嚴重偏差，變化達8.2%，見表1。

表1 短路承受能力試驗前后高壓-中壓(9b擋)電抗值

按照GB 1094.5-2008中規定每次短路試驗后，變壓器每相電抗值與原始值之差應不大于2%。據此，第三方檢驗中心判定該臺變壓器未通過此次短路試驗。

現階段，在土木工程建設中越來越重視技術的重要性，經過相關的研究表明，技術對工程建設作用是非常大的，從一個工程開始到一個工程的結束都離不開技術的運用。經濟社會發展水平雖然在不斷增高，但是在土木工程建設過程中也出現了各種各樣的問題，伴隨著這些問題也出現了一系列的解決方案，土木工程技術就是在不斷修改問題的過程中一點點進步，并且得到了創新，這是工程建筑行業的一大進步。

2 試驗檢查

針對該變壓器短路試驗不合格情況，復測該變壓器直流電阻、變比、電容量及油色譜。試驗結果表明，變壓器油色譜、繞組直流電阻、繞組電壓比測試數據合格。但高、中對低及地的電容量偏差達到10.79%，高對中低及地的電容量偏差為-3.64%，超過GB 50150-2016《電氣裝置安裝 工程電氣設備交接試驗標準》中規定的3%偏差注意值[3]。具體數據見表2及表3。

表2 試驗前后變壓器油中溶解氣體色譜分析 單位：μL/L

表3 變壓器短路承受能力試驗后變壓器繞組電容量測試數據

從復測數據來看，該變壓器短路試驗后油色譜無明顯變化，高對中電容量及阻抗值增大。因此，初步判斷該變壓器在高對中B相第3次短路沖擊后其內部繞組出現一定程度變形，結構件出現位移或松動。

3 變壓器解體情況

為查明該變壓器短路承受能力不合格原因，對該主變壓器進行返廠解體檢查。短路試驗開始前，已在變壓器各相絕緣壓板及繞組上進行畫線標記處理。吊罩后，發現變壓器A、B相畫線均發生偏移，C

圖1 變壓器畫線位移情況

圖2 變壓器墊方位移情況

相畫線未見明顯偏移，見圖1。同時，發現該變壓器A相及B相墊方位移嚴重，且B相絕緣壓板破損，見圖2及圖3。

圖3 變壓器B相絕緣壓板破損情況

對該變壓器各相進行拔圈檢查，發現A、C兩相所有線圈和B相(高壓、低壓、調壓)線圈均未見異常，但B相中壓線圈出現軸向變形及輻向內收，該線圈內側未見鼓包，見圖4及圖5。

圖4 變壓器B相中壓線圈軸向變形情況

圖5 變壓器B相中壓線圈輻向內收情況

4 原因分析

從變壓器繞組短路沖擊后變形的狀況來分析，該變壓器B相中壓線圈在短路電動力的作用下，既有輻向變形，又有軸向變形。線圈在電動力的作用下發生輻向內收，同時由于變壓器軸向壓緊力不足，導致線圈軸向也發生變形。

變壓器抗短路能力主要與變壓器3個方面的因素相關，即設計、材質及工藝[4]。設計方面主要包括變壓器結構設計以及對材質參數的選擇，可以通過理論計算來校核其是否滿足GB 1094.5-2008的相關要求。電磁線是影響變壓器短路承受能力主要材質之一，電磁線的機械強度是最重要的考核指標。變壓器的工藝由廠家控制且無相關的校核方法，因此工藝控制是否滿足抗短路能力要求一般無法進行計算校核。

在設計方面，對變壓器B相中壓線圈屈服強度進行理論計算校核。根據GB 1094.5-2008的要求，計算得到當B相中壓線圈在承受短路沖擊時，最大非對稱電流第1峰值為17 810.54 A[2]。根據繞組匝數、繞組高度、繞組平均直徑等中壓繞組相關參數，計算可得：繞組平均環形壓縮應力σc為84.13 N/mm2；導線幅向彎曲應力σb為55.16 N/mm2。該變壓器中壓線圈電磁線驗證應力Rp0.2設計值為200～220 N/mm2，0.6Rp0.2為120 N/mm2，大于繞組平均環形壓縮應力σc；其0.9Rp0.2為180 N/mm2，大于導線幅向彎曲應力σb。根據GB 1094.5-2008[2]的要求，理論上該電磁線滿足抗短路的要求。

在材質方面，將變壓器中壓線圈電磁線送往3家不同機構分別做了材質檢測。拉伸試驗結果見表4。從拉伸試驗結果看，中壓線圈電磁線的屈服強度在159.22～178.03 N/mm2之間，平均值為171.03 N/mm2，不滿足設計值的要求。

表4 中壓線圈電磁線屈服強度檢測結果

在工藝方面，結合現場解體情況進行分析。從現場吊心情況看，變壓器軸向變形發生在夾件與壓板之間的墊方邊緣。短路沖擊時，墊方在力的作用下松動移位，導致繞組軸向壓緊不足而發生變形，說明廠家在部分壓緊結構件的工藝上存在缺陷。此外，廠家在加裝墊方時，加裝順序為B相→A相→C相，在完成邊相的加裝后沒有對中相再次緊固，會使中相發生松動。最后，廠家在安裝夾件拉桿時，為減小鐵心窗尺寸，在壓板上開槽寬30 mm、深20 mm，這種開槽結構降低了壓板的機械強度。

綜上所述，該臺110 kV變壓器短路承受能力抽檢不合格，是廠家在產品工藝控制及工藝設計上存在問題以及電磁線屈服強度不滿足設計值要求導致變壓器安全裕度降低等因素綜合作用的結果。

5 整改措施

根據上述原因分析，對該110 kV變壓器制定了整改措施，增加其軸向及幅向抗短路能力。

一是增加軸向抗短路能力的措施：

1)中壓硬紙筒厚度由3 mm提升至5 mm；

2)整體套裝時低壓與中壓套裝后距離減小1 mm；

3)增加內撐條數量；

4)提高中壓線圈電磁線屈服強度，設計采用Rp0.2為250 N/mm2的半硬自粘換位導線。

二是增加輻向抗短路能力的措施：

1)減小壓板開槽的尺寸，將壓板開槽寬30 mm深20 mm更改為寬25 mm、深10 mm；

2)更改壓緊工序工藝，按照B相→A相→C相→B相的順序，在C相壓緊完畢后，再次對B相進行壓緊；

3)墊方增加限位及薄弱區域加強壓緊結構；

4)在線圈整體套裝時，用壓敏紙進行檢測，保證內外線圈的高度一致。

2018年12月，整改后的變壓器在原第三方檢驗中心按照原試驗方案再次進行短路承受能力試驗，試驗通過。

6 結 語

變壓器短路承受能力是變壓器最重要的性能之一，抗短路能力不足會嚴重影響電網的供電可靠性。變壓器短路承受能力是變壓器綜合性能的體現，每臺變壓器抗短路能力不足的原因都不盡相同，需要廠家設計可靠并嚴把產品質量控制關口，以確保設備安全可靠運行。