淺談變壓器抗短路能力校驗與評估

高福平

摘要：針對廠家校驗變壓器抗短路能力的標準和方法參差不齊的問題，總結國家電網近年來出現的變壓器短路沖擊損壞事故的教訓，從變壓器運行的實際出發，依據設備全壽命管理理念，綜合變壓器原廠家提供的設計能力、變壓器安裝地點短路水平、變壓器運行老化狀況、廠家制造水平等要素，提出一種基于抗短路能力衰減系數的變壓器抗短路能力評價方法。

關鍵詞：變壓器;評估

一、專業管理的的目標描述

電力變壓器是電力系統最重要的核心設備之一。大型電力變壓器發生故障，將造成大面積停電及大量用戶電力供應中斷，對國民生產、社會安定影響極大。由于目前的電力系統短路容量增大，廠家對變壓器抗短路能力的設計裕度小，變壓器經受短路沖擊而損壞的事故已成為電力變壓器事故的首要原因。

研究變壓器制造廠制作工藝、選材、設計等情況、進行調研，引進中國電力科學研究院變壓器抗短路校核計算程序，對220kV變壓器進行了抗短路能力校核。該程序基于ANSYS程序的Emag模塊和Multiphysics模塊中的電磁分析功能，以Maxwell方程組作為電磁場分析的出發點，以有限元法為數值計算方法。程序設計中即考慮了繞組導體材料和絕緣材料的力學特性，也考慮了繞組線餅的幾何尺寸、撐條數量、軸向預緊力以及硬絕緣紙筒等因素對變壓器抗短路能力的影響。計算結果為在特定設計參數和工藝參數的條件下變壓器出廠時固有的安全系數。校核計算中沒有考慮到不同廠家制造工藝的差別以及運行工況對抗短路能力的影響。

根據校核計算結果對變壓器耐受短路能力進行分類，提出針對性治理建議，最終形成變壓器抗短路能力校核報告。但是這種校核方法還存在一些缺陷和問題，不能對在運變壓器進行多因子的綜合評估。主要存在問題如下：

由于材料選擇及結構設計時存在偏頗，不同廠家和不同年代的變壓器抗短路能力不足。90年代中后期，變壓器制造廠在追求低損耗、局部放電水平等指標時，在材料選擇及結構設計等方面會降低對抗短路能力的要求。

由于設計和制造水平的限制，不同年代制造的變壓器抗短路能力不足。90年代（包括20世紀初）設計、計算及制造的電力變壓器的抗短路能力，用現在更加科學的判斷標準來看，其抗短路能力是不夠的。

由于不同廠家安全裕度不同，部分廠家設計考慮抗短路能力裕度非常不足。提高安全裕度往往意味著增加制造難度，甚至大幅增加產品的成本。在變壓器市場競爭如此激烈的今天，通過犧牲裕度來降低成本的現象尤為突出。

以上問題的存在，導致了在運變壓器的抗短路能力參差不齊。要對變壓器的抗短路能力進行準確評價，必須從變壓器的設計、廠家制造工藝、不同年代、依據標準、系統短路容量、系統環境等方面綜合考慮，科學評估，并制定相應的治理措施。

二、專業管理的主要做法

實踐證明，利用統一的變壓器抗短路能力校核模型，對不同廠家、不同設計、不同結構、不同材質、不同工藝的變壓器進行校核的做法存在不足。為此，我們依據設備全壽命管理理念，綜合變壓器原廠家提供的設計能力、變壓器安裝地點短路水平、變壓器運行老化狀況、廠家制造水平等要素，對每臺變壓器的抗短路能力進行客觀評價。

2.1變壓器關鍵設計參數的收集與評估

原變壓器生產廠家按照運行單位提供的變壓器型號、產品編號、出廠時間，在認真收集和核對原變壓器歷史資料的基礎上，依據當時的設計結構、使用材質、制造工藝和出廠試驗數據等關鍵要素，對每臺變壓器的動、熱穩定進行核對性評價，最后提供每臺變壓器各側繞組耐受2S的動穩定短路電流值ID/IC（有效值/峰值），變壓器耐受2S熱穩定短路電流值IR（有效值），變壓器高中低壓輻向失穩系數和軸向力、輻向力校驗結果。對于因變壓器原始數據缺失，無法進行核對性評價的變壓器，生產廠家按照最相近原則提供評估結果。

2.2變壓器安裝點短路狀況分析

每臺變壓器因安裝地點不同，在實際運行中經受的短路電流差別很大。因此，只有拿變壓器安裝點實際可能經受的最大短路電流與變壓器生產廠家提供的數值相比較，才有現實意義。

計算方法：根據每臺變壓器安裝地點系統容量和最大運行方式，分別計算在各側母線短路時，通過變壓器各側繞組的最大短路電流Id。

2.3變壓器抗短路能力衰減系數（Ks）的選定

實踐證明，變壓器抗短路能力隨變壓器運行時間的增長（老化因素）和經受短路電流沖擊次數的增多，抗短路能力將明顯下降。另外，受生產廠家的總體制造水平、使用材質、校核方法等因素的影響，各變壓器生產廠家抗短路能力裕度存在一定的差異性。因此，在實際校核每臺變壓器時，至少應該上述原因。在實際操作中，我們在廣泛收集、分析、總結歷年來系統變壓器短路損壞事故和解體檢查報告的基礎上，提出衰減系數選定原則。

2.4變壓器抗短路能力評價

1）變壓器各側繞組耐受短路電流允許值：

IxD=ID×Ks1 Ks2 Ks3

2）變壓器各側可能承受的最大短路電流計算值Id

3）計算變壓器各側抗短路能力可靠系數Kk

Kk=IxD/Id

評價：

當Kk≥1.2時，變壓器在安裝點運行是可靠的;

當1>Kk>1.2時，變壓器可以在安裝點正常運行，但應進入關注狀態;

當Kk≤1時，變壓器必須采取措施，以提高抗短路能力。

三、評估與改進

3.1專業管理的評估方法

基于變壓器抗短路能力衰減系數的變壓器抗短路能力評價方法從運行實際出發，綜合考慮變壓器的運行實際工況、生產廠家的工藝制造水平以及短路沖擊次數等對變壓器抗短路能力影響大的因素，對變壓器的抗短路能力進行評價，評價方法有一定的創新性和實用性，通過比較變壓器實際安裝地點的最大短路電流與變壓器可耐受的短路電流評價變壓器抗短路能力，很符合變壓器的運行實際，對變壓器的評價結果是可靠的。依據作出的評價對山西省內220kV及以上變壓器進行整治，能確保變壓器的安全穩定運行。

3.2專業管理存在的問題

衰減系數選取符合變壓器運行實際，但仍存在一定局限性。首先，變壓器抗短路能力衰減系數值的確定不夠精確，沒有通過試驗驗證衰減系數的精確性。具體的衰減系數值還需進一步通過實踐驗證反復進行修正，使評價方法更加準確可靠。其次，變壓器制造廠提供的耐受短路電流不一定真實、可靠，主要原因有制造廠家選擇的算法不一計算結果會有一定的差別。最后，各供電單位提供的安裝地點的最大短路電流是否準確還需要實際運行情況來驗證。

3.3今后的改進方向或對策。

依據設備全壽命管理理念，綜合變壓器原廠家提供的設計能力、變壓器安裝地點短路水平、變壓器運行老化狀況、廠家制造水平等要素，對每臺變壓器的抗短路能力進行客觀評價。解決了原有的利用統一的變壓器抗短路能力校核模型，對不同廠家、不同設計、不同結構、不同材質、不同工藝的變壓器進行校核的做法存在的不足。