大型變壓器短路沖擊損壞原因與降低損壞風險措施探析

張艷芳，徐 宇

(1.阿拉善電業局，內蒙古 阿拉善 750300；2.內蒙古電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010020)

在發生短路時，由于系統突然發生的暫態過程等原因，使得短路回路中的短路電流值驟增。當短路電流通過主變壓器(以下簡稱主變)的繞組時，一方面，短路伴隨的熱效應會引起導體及其絕緣的損壞，另一方面，繞組受到電動力的猛烈沖擊，致使其發生變形、嚴重時導致放電故障。以往實踐證明負荷管理、技術監督、運行維護，落實反措等方面是降低損壞風險的有力措施，可為變壓器運維管理人員提供技術參考。

1 主變短路損壞典型信息統計分析

按主變損壞緣由、故障容量、運行年限分類統計分析。

1.1 按故障緣由分類

導致主變發生沖擊損壞故障原因如下：①設備自身抗短路能力差；②主變各側線路和設備多次發生短路后帶來的沖擊累積引起；③質量不良和雷擊等其他原因導致。

上述原因中前兩條引起主變沖擊損壞占比較高，而最后一條引起主變故障相對較少，發生概率較小。各類故障原因及其占比統計圖見圖1。

圖1 各類故障原因及其占比

1.2 按故障容量分類

故障主變統計樣本為31.5 MVA～180 MVA 6種額定容量，其中31.5 MVA 和150 MVA 故障數量位列所有故障主變總數的前兩位，故障主變按容量統計各自占比詳見圖2。

圖2 故障主變按容量統計占比

1.3 按出廠時間和故障時間分類

從出廠時間統計數據進行分析得出，2001年-2005年出廠的主變故障數量占統計樣本中歷年故障主變總數的比例最高，1986年-1995年出廠的主變故障數量占比排在第二。2010年-2012年3年主變發生故障數量與其他年份相比，這3年發生故障主變數量占比最高且比例相同，按出廠時間和故障時間統計圖見圖3、圖4。

圖3 故障變壓器按出廠時間統計

圖4 故障變壓器按故障時間統計

2 主變短路沖擊損壞原因綜合分析

2.1 設計角度分析

變壓器設計優化是決定其抗短路沖擊能力的重要因素。圖1可直觀表明，抗短路能力薄弱引起主變故障占比最高，與其有關的故障合計占比達到總故障的2/3之多。樣本中統計的主變在其制造時間段內，在設計階段，考慮變壓器的機械力時有部分使用靜態力學理論來計算，而對于使用銅電磁線的主變來說，該理論對其導線應力計算限制比較大。使用單位運行的主變，由于現場運行工況的影響，主變內部的力場分布處于變化狀態，過程比較復雜，此時，使用靜力學理論模型來反映其內部實際的力場是不完全吻合的，也就是說通過靜力學模型計算得出的抗短路沖擊能力僅是在一定程度上表征主變的實際抗短路沖擊能力。

綜上所述，在充分考慮優化主變機械力計算、改良主變結構設計，會得到更加符合實際要求的內部機械力分布結果，這樣從源頭上提高主變的抗短路沖擊能力。

2.2 工藝和材質角度分析

在主變的生產制造階段，由于工藝過程控制不嚴、工藝水平限制、材質選用欠佳等原因，也是降低其抗短路沖擊能力的影響因素。圖2統計得出有部分是工藝因素造成的主變短路沖擊故障。圖3統計得出，最早的時間段生產的主變故障比例位列其他時間段第二位，因當時工藝限制以及此后工藝革新等原因，制造技術和工藝水平在不同階段也有所不同，隨著后期變壓器制造水平和生產廠家對抗短路沖擊能力的認識整體提升，目前變壓器抗短路沖擊能力得到了極大提升。

曾在使用單位運行中暴露出來的主變工藝和材質方面主要影響因素如下：①電磁線硬度不高，由于電磁線材質性能較差，從而降低了主變的抗短路沖擊能力。 ②生產繞制線圈時，電磁線的繞緊力不足和工藝流程、技術裝備方面的條件限制，線圈不緊實、線圈綁扎不夠穩固以及繞制過程中電磁線間隙過大導致其內部支撐強度不夠等因素造成線包在沖擊受力后容易整體出現凸起或者凹陷等變形現象。 ③鐵芯及夾件夾緊力不足，在到達使用單位的運輸過程中由于車輛晃動發生了內部結構上的偏移，進而改變了部件絕緣距離及其受力，留下安全運行隱患。 ④絕緣壓板、層壓紙板在組裝過程中工藝合強度不符合標準，絕緣墊塊密化處理不到位，這些因素容易使電磁線在短路沖擊時受到電動力作用導致絕緣損傷，發生擊穿短路故障。

2.3 運行環境角度分析

運行環境影響變壓器的抗短路沖擊能力。圖1可看出，遭受過多次短路沖擊的變壓器造引起的故障所占比例最高，這是因為數次沖擊帶來的繞組變形累積效應疊加自身抗短路沖擊能力差的因素，不可避免地發生了故障。另外，系統短路容量大導致的短路沖擊危害也隨之增大，圖1統計表明，此類因素造成的故障比例為13%。圖2可看出，容量150 MVA主變故障比例排在第一位，而當時該類主變負荷多數為高載能用戶，圖4統計表明2010年—2012年故障主變占比最高，同樣這些主變負荷多數為高載能用戶，由此說明，負荷側用戶設備故障多發是主變多次短路沖擊的主要原因之一。

3 降低主變損壞風險的措施分析

3.1 加強變壓器選型訂貨管理

具備開展突發短路試驗驗證條件的產品應有相關試驗證明。240 MVA及以下容量的變壓器應選用通過突發短路試驗驗證的產品，500 kV變壓器和240 MVA以上容量的變壓器廠家應提供同類產品突發短路試驗報告或抗短路能力計算報告[1]。根據不同使用場合選用合適的變壓器參數，盡可能控制短路電流數值。

3.2 加強新設備制造過程監督和驗收

對所采用的電磁線及絕緣材料等能否滿足合同要求進行逐項審查，產品監造環節嚴格落實各個見證點相關措施并做好驗收記錄。必要時，進行突發短路試驗抽檢，嚴格考核產品抗短路沖擊能力。

3.3 采取限制主變短路電流沖擊的措施

①在系統短路容量較大的情況下，應充分考慮提高主變的短路阻抗、加裝限流電抗器等措施，降低變壓器短路沖擊電流。 ②根據使用單位實際運行工況和反事故措施要求裝設小電阻和具有自動跟蹤補償功能的消弧線圈，根據現場工況設置小電阻接地后的保護定值，確保接地裝置保護正確動作，適時開展電容電流測試，使消弧線圈運行在合理狀態。③合理安裝限制或快速切斷短路電流的相關裝置、采取變壓器非低壓側中性點經小電抗接地等措施。

3.4 強化主變接帶大負荷的技術管理

開展大用戶技術監督；高載能用戶側加裝過電壓抑制裝置、用戶定期開展電氣試驗及防污閃工作，降低用戶設備故障影響主變沖擊損壞的風險。

3.5 強化線路運維管理

線路故障沖擊主變時有發生，尤其是發生在近區的故障危害極大，不同污穢區域采取差異化的防污、清污工作，外破風險較高區域除加強巡視外，采取新型的防外破綜合措施勢在必行。

3.6 遭受短路沖擊后的主變及時進行試驗分析

110 kV及以上變壓器在遭受出口短路、近區多次短路沖擊達到低電壓短路阻抗測試中繞組變形檢測與變壓器承受外部短路次數的規定[2]后應及時開展測試工作，同時用頻響法測試繞組變形，結合其他診斷性試驗措施判定主變沖擊影響程度，對確有線圈變形的應適時吊檢，避免運行安全風險。

3.7 開展主變抗短路能力風險評估

除了設計和工藝、理論計算模型的限制外，變壓器的抗短路能力與其實際運行工況、發生短路故障時的短路沖擊時間、短路沖擊次數等暫態參量、歷史遭受短路故障情況均有密不可分的關系。在抗短路能力的計算和評估過程中，應結合制造廠家計算結果、設計參數、 出廠設計條件下的理論抗短路能力等多種因素進行綜合評估，得出變壓器固有抗短路沖擊能力并采取相應治理措施。

3.8 采用狀態量顯著性差異分析法[3]及時評估主變狀態

在相近的運行和檢測條件下，相同設計、材質和工藝的一批設備，其狀態量不應有顯著差異。若某臺設備某個狀態量與其他設備有顯著性差異，即使滿足注意值或警示值要求，也應引起注意(易受環境影響的狀態量，本方法僅供參考)。

有顯著性差異的條件為：

上列各式中k值根據n的大小按表1選取。

表1 k值與n的關系

式中：n，n(n≥5)臺同一家族設備(如同制造商同批次設備);

S，樣本偏差(不含被診斷設備);

x，被診斷設備的當前試驗值。

4 結束語

主變在電力系統中的地位決定了其損壞后對經濟和社會效益均有較大影響，而降低短路沖擊損壞風險需要制造企業和使用單位共同努力，一方面，從設計、工藝、材質、試驗上嚴格把關；另一方面，使用單位要加強運維監督，以此創造良好的運行條件，為主變帶來更為安全、穩定、經濟的運行狀態。