變壓器抗短路能力校核不合格原因分析及治理措施研究

(國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

大型電力變壓器的抗短路能力對電網的安全穩定運行具有重要意義。對變壓器進行抗短路能力校核是提高變壓器抗短路能力，減少變壓器因抗短路能力不足引起經濟損失的有效方法。有限元仿真分析是變壓器抗短路能力校核的通用方法[1—3]。自2019年以來，基于有限元法對大型變壓器進行抗短路能力校核是國家電網公司提升變壓器抗短路能力的重要抓手。根據前期校核結果，抗短路能力校核不合格在220 kV在運變壓器中普遍存在，據不完全統計，不合格率約為23.1%。

當前，在運220 kV變壓器抗短路能力校核的判據為GB/T 1094.5—2008《電力變壓器 第5部分：承受短路的能力》[4]。下面基于有限元分析對某廠家4臺220 kV在運變壓器進行抗短路能力校核，對變壓器抗短路能力不足的原因進行分析，并提出治理策略以及治理方案的制定建議。

1 校核結果

采用變壓器抗短路能力校核平臺對變壓器抗短路能力進行校核。校核時，根據GB 1094.5—2008的要求計算得到的短路電流，計算校核不同工況下每臺變壓器各線圈的各項指標[4]。

校核結果表明，4臺主變壓器抗短路能力均不滿足GB/T 1094.5—2008的要求。4臺主變壓器的抗短路能力不合格項明細見表1。表中，HVmax代表高壓最大電壓分接，HVrat代表高壓額定分接，HVmin代表高壓最小電壓分接，MV代表中壓，LV代表低壓。

表1 主變壓器抗短路能力不合格項明細

2 原因分析

表1的結果表明，4臺變壓器抗短路能力校核的不合格項集中在以下方面：

1)變壓器在高-中運行時，高壓線圈及中壓線圈導線傾斜極限力不滿足要求；變壓器在高-低運行時，低壓線圈導線傾斜極限力不滿足要求。

2)變壓器在高-中運行時，公共壓環(或壓板)上的壓縮應力不滿足要求。

下面對這三方面的不合格原因進行分析。

2.1 導線傾斜極限力

(1)

按照GB/T 1094.5—2008，對于由自粘性換位導線構成的繞組，因其良好的軸向穩定性，不需進行傾斜力的校核[4]。此次校核的4臺主變壓器，其高壓及中壓線圈均使用紙包組合線，低壓線圈使用紙包扁線。

1號主變壓器出廠日期為2007年6月，2號主變壓器出廠日期為2008年7月，3號主變壓器出廠日期為2007年4月，4號主變壓器出廠日期為2010年5月。4臺主變壓器生產時，均依據GB 1094.5—2003《電力變壓器 第5部分：承受短路的能力》對變壓器的抗短路能力進行相關設計[10]。

在GB 1094.5—2003中，沒有明確導線傾斜極限力的計算方法，相關的計算方法及指標要求首次出現是在GB/T 1094.5—2008中。由于2008版國家標準對主變壓器抗短路能力的要求高于2003版國家標準，而廠家在變壓器設計時沒有采用2008版國家標準規定的方法對導線傾斜極限力進行計算，導致其承制的變壓器該指標不滿足2008版國家標準的要求。

2.2 公共壓環(或壓板)上的壓縮應力

當變壓器繞組軸向壓力不足，特別是采用單一壓板壓緊多個繞組時，個別繞組的軸向壓力不足或上部壓板強度不夠時，繞組軸向推力會導致繞組頂部上翹嚴重變形[4]。根據GB/T 1094.5—2008，公共壓環(或壓板)上的壓縮應力是變壓器抗短路能力校核中的一個指標，需滿足小于80 MPa的要求[4]。

苯酚-硫酸法測定香水蓮花多糖含量,標準曲線如圖1,回歸方程為:y=6.966x + 0.024,R2=0.9995。

對于公共壓環(或壓板)上的壓縮應力，計算方法在GB/T 1094.5—2008中沒有要求，此次采用有限元仿真的方法進行計算。根據變壓器設計參數搭建模型，計算得到公共壓環(或壓板)上的壓縮應力，結果見表2。

表2 主變壓器公共壓環(或壓板)上的

GB 1094.5—2003中沒有對公共壓環(或壓板)上的壓縮應力這項指標進行明確要求。LY/T 1278—1998《電工層壓木板》[11]中，對壓環(或壓板)的機械強度要求為“垂直層向壓縮強度≥100 MPa，垂直層向彎曲強度≥100 MPa”。而此4臺變壓器在設計時主要考慮在一定裕度下公共壓環(或壓板)上受到的應力小于其本身的機械強度。因此，標準差異性及設計理念不一致是造成主變壓器該指標校核不合格的主要原因。

2.3 中-低運行時低壓線圈抗短路指標

根據表1，當各主變壓器中-低運行時，主變壓器低壓線圈環形壓縮應力、導線傾斜極限力、墊塊軸向最大壓縮應力3個指標不合格。對這3項指標的國家標準要求，均首次出現在GB/T 1094.5—2008中。而對于主變壓器低壓線圈環形壓縮應力、墊塊軸向最大壓縮應力，其計算方法在GB/T 1094.5—2008中也沒有明確規定，此次采用有限元仿真的方法進行計算。

由于大部分220 kV主變壓器低壓側，在實際運行時沒有出線只帶有少量無功設備，出于經濟性考慮，對于220 kV主變壓器的選型，常選用低壓半容量的型號。當低壓采用半容量設計時，變壓器中-低短路阻抗設計值較小，抗短路能力較弱。此次校核的4臺主變壓器均采用低壓半容量設計，如表3所示。

表3 各主變壓器參數明細

由于220 kV主變壓器實際運行中極少存在中-低運行方式及選型，因此廠家沒有對中-低運行方式下主變壓器的抗短路能力進行考慮，導致在該運行方式下主變壓器抗短路能力校核不合格。

3 治理措施

對于抗短路能力校核不合格的大型變壓器，可以從4個方面采取措施進行治理[12]：

1)在增強變壓器自身抗短路能力方面，可采用整體更換、線圈改造的策略進行治理，必要時可進行站間調配或退役；

2)在減小變壓器可能承受的短路電流方面，可采用加裝限流電抗器、加裝中性點電抗器等策略進行治理；

3)在減少可能發生的短路事件方面，可采用治理變壓器運行環境的策略進行治理，例如低壓側絕緣化、防止線路異物搭接等；

4)在縮短變壓器短路故障電流持續時間方面，可采用優化保護配置及定值設置的策略進行治理。

治理時，為實現設備運行可靠性、使用效率和經濟性的綜合平衡，常采用多措并舉、綜合治理的方式確定治理策略。可結合資產全壽命周期管理的情況，根據校核不合格項、運行年限、重要程度、遭受短路沖擊歷史、短路故障歷史等實際情況，確定治理方案。同時結合變壓器實際狀態，采取針對性的治理措施。

對于變壓器的狀態，可采用診斷性試驗與油色譜數據相結合的方式進行評估[13]。停電進行診斷性試驗時，可結合電容量、頻率響應曲線、短路阻抗三方面的結果綜合評估變壓器繞組情況。電容量試驗可依據DL/T 474.3—2018《現場絕緣試驗實施導則 介質損耗因數tanδ試驗》[14]；頻率響應曲線測試可依據DL/T 911—2016《電力變壓器繞組變形的頻率響應分析法》[15]；短路阻抗試驗可依據DL/T 1093—2018《電力變壓器繞組變形的電抗法檢測判斷導則》[16]。繞組變形的分析與判斷可參考標準進行[14-16]。

4 結 論

變壓器抗短路能力校核是評估變壓器抗短路能力的重要手段。對抗短路能力校核不合格的原因進行深入分析可為制定針對性治理方案提供依據。所述4臺220 kV在運變壓器，其抗短路能力校核不合格的主要原因是GB/T 1094.5標準進行了更新，提出了更高的要求，導致設備本身抗短路能力不滿足2008版更新后的國家標準要求。

抗短路能力校核不合格的在運變壓器的治理，面臨停電時間以及經濟性等因素的制約。因此針對此類校核不合格的變壓器，應先對其進行診斷性試驗，結合狀態檢修試驗結果評估變壓器繞組變形情況，再根據實際情況采取針對性地治理措施。對于診斷性試驗無異常的變壓器，建議對變壓器運行環境進行治理，減少短路事件的發生，同時加強監測，在遭受近區短路后，進行停電試驗。