近區短路對主變壓器的影響及管控措施研究

劉德坤，張國瑞，李志超，何方明，郭兆光，王家蓬

（國網北京通州供電公司，北京 100149）

0 引言

在現代電力系統中，電力變壓器發揮著極其重要的作用，是電壓變換和電能分配環節不可或缺的核心組成部分。隨著社會經濟的迅速發展，電網容量也在連年增長，給變壓器的長期穩定運行帶來了巨大的挑戰。為了持續可靠地為全社會提供高質量的供電服務，盡最大努力避免變壓器發生故障已經成為電力系統運營維護的重要工作內容之一。然而變壓器在長期高負荷運行的情況下，故障可以說是必然的，只是概率大小而已。因此，對變壓器故障進行分析并探討有效的預防措施，對于電網的發展具有重要的現實意義。結合事故實例，給出分析、檢查和處理過程

1 變壓器故障及試驗情況

1.1 故障概況

故障變壓器所在變電站有2 臺主變，其中110 kV 系統為單母線分段運行，2#主變本體重瓦斯保護動作跳閘，112、202 分閘，母聯245 自投成功，2#變負荷由1#主變帶出，該變電站單電源、單主變運行。

1.2 試驗情況

1.2.1 設備主要參數

該變電站2#主變1991 年出廠，額定容量為31 500 kV·A，型號為SFZ9-31500/110，接線組別為YN.d11，冷卻方式為自然油循環風冷。

1.2.2 油色譜試驗情況

試驗結果見表1，可以看出，氫氣、乙炔、總烴均已超過正常值。上次油色譜分析時間為2020 年6 月30 日，測試結果正常。

表1 油色譜分析結果

1.2.3 電氣試驗情況

對變壓器繞組特性、絕緣電阻、電容及介損、高壓直流電阻進行測試，特性曲線如圖1、圖2 所示。測試結論如下：

圖1 2#變壓器高壓繞組頻率響應特征曲線

圖2 2#變壓器低壓繞組頻率響應特征曲線

（1）2#主變低壓繞組對地、對鐵芯絕緣電阻不合格。

（2）2#主變低壓繞組整體介損、電容值不合格，且存在放電現象。

（3）2#主變低壓繞組直流電阻嚴重超標。

（4）2#主變高壓、低壓繞組變形，波形基本與2007 年修后試驗相同，但相對系數較差。

2 故障原因分析

變壓器短路沖擊累積效應的最大特點是給變壓器帶來可累積且不可逆的負面影響，在短路沖擊狀態下，變壓器內部結構會出現微小的損傷，并且每次短路沖擊造成的這種損傷都會進行累加，當其損傷程度達到特定閾值時，變壓器就會永久失效。單次的短路沖擊對變壓器的影響是微小的，不影響其正常工作，但長期的短路沖擊累加會導致變壓器永久性損壞。

短路沖擊累計效應又可以進一步細分為熱效應和短路力效應，因此在分析此類故障問題時應牢牢把握這兩種關鍵的物理效應逐一進行排查，作用機理如圖3 所示。

圖3 短路沖擊累積效應作用機理

對于變壓器繞組而言，其形變可能是彈性的，也可能是非彈性的，這主要取決于其所受沖擊力的大小。如果沖擊力在繞組材料的屈服極限之內，則繞組所產生的變形是可逆的；當沖擊力足夠大時，繞組形變將會超出材料的屈服強度而發生塑性形變，并且這種形變會逐步累積起來，進而導致繞組的永久性破壞，引發變壓器故障。

根據短路電流的瞬變函數進行理論分析不難發現，短路故障發生后的0.01 s 就會出現電磁載荷峰值，此后逐步衰減，盡管電磁載體持續存在，然而，材料塑性區會產生一種強化效應而阻止繞組繼續出現塑性形變。在此情況下，峰值能量仍然是短路累積效應電磁載荷的主要成分。而短路沖擊時長主要決定了熱效應的積累。

根據2015 年電氣試驗數據及2020 年6 月油色譜分析數據判斷2#變運行情況正常，對比本次試驗結果，判斷為變壓器低壓繞組絕緣絕緣損壞。

3 防止突發短路故障造成變壓器損壞事故的措施

3.1 防止變壓器出口短路的技術措施

（1）對10 kV 線路進行重點監測，尤其要關注其所帶設備的運行狀態，避免出現短路問題，特別是要減少近區短路故障的概率。

（2）防止小動物的入侵。變壓器的中低壓側可以考慮安裝絕緣熱縮套，也可以將原有材料升級為絕緣銅管母線。根據變壓器兩側母線的軟硬類型，相應安裝絕緣熱縮套。如果變壓器低壓套管到開關柜距離比較長，建議更換為絕緣管母線。

（3）采取有效措施抑制單相接地時發生諧振過電壓：①對電容電流超過規程標準的，加裝消弧線圈或者自動調協消弧線圈；②為減小鐵磁諧振過電壓的不良影響，可以在電壓互感器的二次開口三角安裝一個消諧器，最大限度地防止高壓熔絲和電壓互感器受到破壞；③在一次中性點對地位置另外安裝一個阻值較小的電阻器，也可以根據需要選用非線性消諧電阻。

（4）持續優化變壓器的參數設置。變壓器的保護主要依靠自動化裝置，目前廣泛采用微機控制和主備保護裝置，再配合專門設置的母線差動保護和失靈保護裝置，可顯著改善變壓器保護裝置的綜合性能。在中低壓側，還可以安裝限時速斷保護裝置，確保故障狀態能夠迅速隔離故障點。

（5）做好變壓器選型工作，盡量采用高性能產品，尤其是大電源附近的變壓器，更要提升短路阻抗和抗出口短路能力，優化主接線方式，有效限制短路電流。

3.2 防止變壓器出口短路的管理措施

（1）在設計階段，綜合考慮設備結構、設備參數和電網條件，結合理論計算和實際經驗做好變壓器選型工作。在選型決策之前，要按照設備出廠時提供的短路試驗報告以及抗短路能力動態計算報告，分析該型號產品能否滿足當前電力系統的應用需求。

（2）在生產階段，要加強大型變壓器產品的質量管控，必要時安排專業技術人員深入生產線對繞組、總裝等關鍵工序進行監造，確保產品質量滿足設計要求，并且防止產品的缺陷和隱患流入后續的交付環節。在變壓器的運輸環節，還要做好嚴格的防護和物流跟蹤。

（3）在檢修階段，要高度重視變壓器保護的校驗和傳動，根據相關規程全面落實繼電保護的定值和保護壓板的管理規定，提高保護裝置動作的靈敏性和可靠性。

（4）如果現有的變壓器在抗外部短路強度性能指標上不夠強，而且在發生短路故障之后不能自動消除影響，那么在其2 km 以內的架空線路上盡量不要設置重合閘裝置，因為重合閘一旦動作失敗就會給電網帶來更為嚴重的危害。如果電路由于短路而發生跳閘，必須按照相關規定開展變壓器的試驗檢查工作。

（5）定期維護避雷器，使其始終保持良好的工作狀態，在出現雷擊現象后，能夠可靠地對過電壓進行緩沖，防止高壓雷擊直達變壓器核心部件造成永久性損壞。

（6）定期開展設備紅外、局放等狀態檢測活動，尤其是在負荷高峰時段更要及時跟蹤設備狀態，采用自動化監測手段隨時掌握其運行情況。

（7）在電網規劃環節要科學設計電網的運行模式，從設計的角度減小短路電流的影響，避免短路對變壓器造成永久性損壞。

（8）加強高壓試驗工作及油務監督工作，嚴禁設備超周期運行。