孫權(quán)威 區(qū)偉潮 譚志保

(廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東 佛山 528000)

220 kV變壓器抗短路能力試驗研究

孫權(quán)威 區(qū)偉潮 譚志保

(廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東 佛山 528000)

作為電力系統(tǒng)中傳輸以及分配電能的樞紐，變壓器的可靠性對用戶用電質(zhì)量及整個系統(tǒng)安全都有著重要的意義。現(xiàn)就如何提高220 kV變壓器的抗短路能力進(jìn)行分析探討。

220 kV變壓器；抗短路能力；校驗

0 引言

近些年來，大型電力變壓器因外部短路引起的線圈損壞事故增多，制造和使用部門對變壓器線圈耐受短路能力的問題給予了足夠的重視。隨著電力系統(tǒng)容量的擴(kuò)大，使得其對于變壓器在電力系統(tǒng)短路中運行的能力要求更加嚴(yán)格。

對變壓器抗短路能力進(jìn)行試驗主要是為了檢驗變壓器在短路事故中的承受能力，是利用試驗中強(qiáng)短路電流產(chǎn)生的電動力檢驗變壓器中的各部件的機(jī)械強(qiáng)度，是對變壓器設(shè)計、制造的綜合技術(shù)能力和工藝水平的考核。

為此，相關(guān)部門也制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，其中包括1998年制造和使用部門舉行的全國性會議通過了《關(guān)于預(yù)防110 kV及以上變壓器短路損壞事故綜合措施的意見》。雖然很多制造廠在變壓器抗短路能力方面采取或正在采取一些改進(jìn)措施，并取得了一批≤110 kV及個別220 kV樣品變壓器通過突發(fā)短路試驗的成績，但仍然存在一些問題，如工作開展得不平衡、設(shè)計和工藝等方面的改進(jìn)和提高不明顯、其他絕緣問題以及在≥220 kV大容量變壓器的工作及驗證試驗還有很大差距等。因此，大型電力變壓器的抗短路能力問題目前還未得到解決。而大型電力變壓器因外部短路導(dǎo)致繞組變形損壞的事故，絕大多數(shù)是因制造質(zhì)量問題使內(nèi)繞組機(jī)械失穩(wěn)而造成。很多變壓器制造廠不計算內(nèi)線圈的機(jī)械失穩(wěn)問題或計算方法不當(dāng)，再加上材料和工藝問題，難以保證內(nèi)線圈有足夠的抗短路強(qiáng)度。

1 現(xiàn)狀與成因分析

作為電力系統(tǒng)中的一個重要設(shè)備，變壓器是否正常對電力系統(tǒng)的運行有著直接的影響。近年來，變壓器短路故障呈現(xiàn)上升趨勢，造成變壓器繞組損壞的幾率增加，嚴(yán)重威脅著變壓器的正常運行。據(jù)國家電力公司不完全統(tǒng)計，僅在1990—1997年間國內(nèi)110 kV及以上電壓等級的變壓器，受到短路故障沖擊影響出現(xiàn)的事故已經(jīng)達(dá)到了145臺次，是同期總事故臺次的31%，如表1所示。而對于廠用變壓器(包括廠變和備變)，該問題則更加突出。一方面，是因為變壓器抵抗短路的設(shè)計水平還不夠，變壓器生產(chǎn)的廠家在技術(shù)方面還有待提高；另一方面，為了能夠找到又快又準(zhǔn)確的方法解決變壓器繞組是否發(fā)生有害的變形問題，以用在變壓器繞組故障判斷的實踐當(dāng)中去，而這種方法就是變壓器繞組變形測試技術(shù)。

1.1 繞組變形的定義

電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T911—2004《電力變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法》對繞組變形定義為：電力變壓器繞組由于機(jī)械力和電動力的影響出現(xiàn)了徑向尺寸變化的情況，一般表現(xiàn)為繞組局部出現(xiàn)扭曲或者移位等。變壓器受到短路電流的影響或者在運輸中受到碰撞都會導(dǎo)致其變形，這會對變壓器的運行產(chǎn)生最為直接的影響。

表1 1990 —1997年變壓器短路損壞事故統(tǒng)計表

1.2 繞組變形的原因

導(dǎo)致繞組變形的原因主要有以下幾點：

1.2.1 短路故障電流沖擊

在運轉(zhuǎn)過程中，電力變壓器可能會受到各種各樣的短路故障電流的沖擊，尤其是變壓器的出口是最容易受到短路沖擊的，這些巨大的短路電流會使變壓器繞組受到強(qiáng)烈的電動力，這些電動力通常是正常電動力的十倍甚至百倍，從而導(dǎo)致變壓器繞組快速發(fā)熱。在溫度過高的情況下，導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度就會慢慢變小而使變壓器電阻更容易遭受破壞或者變形。

短路故障電流的沖擊是變壓器繞組變形的最主要的一個外因。我們知道，電力變壓器繞組是由絕緣墊塊組成的，而這個系統(tǒng)的動特性在出現(xiàn)短路時并不是不變化的，這是與絕緣墊塊的彈性和墊塊壓緊的程度有關(guān)，也就是說，絕緣墊塊的彈性和作用力是相關(guān)的。但是電動力本身不是一成不變的，而是根據(jù)一定的規(guī)律而發(fā)生變化，這種規(guī)律十分復(fù)雜。盡管對于短路在變壓器上的電動力研究在20世紀(jì)40年代就已經(jīng)開始，但是因為該分析十分復(fù)雜，至今還無法使用理論上的計算結(jié)果來體現(xiàn)變壓器承受突發(fā)短路電流沖擊的能力。

由理論分析可知，在變壓器上的電動力有2種，一是橫向的動力，另一種是縱向的動力。橫向力作用的方向依據(jù)線圈的位置和電流的方向來確定，對于雙線圈變壓器來說，橫向力向外拉伸線圈，壓縮內(nèi)線圈，主要是以提高內(nèi)部線圈對于橫向力的剛度為目的。一般是把線圈繞到絕緣筒的撐條上，而線圈這時就需要承擔(dān)壓縮力和撐條引起的彎曲力。如果這2種合應(yīng)力比線圈的剛度高，就會導(dǎo)致線圈出現(xiàn)永久性變形，或者出現(xiàn)梅花、鼓包狀變形。

變壓器線圈的縱向力很容易使線段和線匝彎曲，壓縮線段間的墊塊部分地傳遞到鐵軛中使其離開心柱。一般來說，彎曲力產(chǎn)生的最大段是在線圈的端部，最大壓縮力則產(chǎn)生于線圈中心的墊塊上面。如果線圈不等高或者磁勢不均勻，就會更加容易導(dǎo)致變壓器事故的出現(xiàn)。

由此可見，如果變壓器在運轉(zhuǎn)中突然受到了短路故障電流的沖擊，線圈就會遭受到很大的徑向力和軸向力的作用。變壓器繞組在最初出現(xiàn)故障的時候一般是內(nèi)繞組發(fā)生扭曲或者移位等變形，而且這些變形是不可挽救的，進(jìn)而發(fā)展成為絕緣破壞，之后就會出現(xiàn)匝間短路、主絕緣放電等。

1.2.2 意外沖撞

在運輸電力變壓器的時候，或者在安裝過程中也會因為意外的沖擊或者是振動而導(dǎo)致變壓器繞組出現(xiàn)變形的情況。

1.2.3 保護(hù)系統(tǒng)存在死區(qū)，動作失靈

在保護(hù)系統(tǒng)中出現(xiàn)死區(qū)或者動作失靈都會使得變壓在承受短路電流的時間加長，這也是引起繞組變形的一個原因。據(jù)初步統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，意外短路情況中，因為無法及時跳閘而導(dǎo)致變壓器出現(xiàn)短路事故的數(shù)量已經(jīng)占到總事故的30%之多。

1.2.4 繞組承受短路能力不夠

在變壓器出現(xiàn)短路的時候，其受到電流沖擊會出現(xiàn)變形。到現(xiàn)在為止，全國110 kV變壓器事故調(diào)查已經(jīng)表明了繞組承受短路能力不足是變壓器事故的主要內(nèi)部原因，這嚴(yán)重阻礙了變壓器的可靠運行。

1.3 繞組變形的危害

在電力變壓器運行過程中繞組變形是一個很大的隱患。經(jīng)多次變壓器的試驗說明，當(dāng)繞組發(fā)生變形后，通過絕緣或者油的試驗都很難發(fā)現(xiàn)。

根據(jù)第十二屆國際大電網(wǎng)會議委員會的評估，變壓器繞組出現(xiàn)絕緣故障多是因為絕緣最初機(jī)械損傷造成的。電力變壓器在受到短路故障電流沖擊的時候繞組開始局部變形，就算是沒有立刻被損壞也會留下故障隱患。例如：

(1) 絕緣的距離出現(xiàn)了變化，固體的絕緣出現(xiàn)了損傷導(dǎo)致局部放電，一旦遇到雷電在電壓的作用下就會出現(xiàn)匝間、餅間擊穿等現(xiàn)象而造成絕緣事故。在電壓正常的運行當(dāng)中，局部放電的長時間作用也會使絕緣擊穿事故出現(xiàn)。

(2) 當(dāng)繞組的性能開始降低的時候，如果再次受到短路事故就會無法承受而受損。

變壓器繞組發(fā)生變形既然無法避免，那么如何才能知道其是否發(fā)生了變形呢？繞組變形的程度如何，還能不能運行？繞組變形的位置在哪里，又應(yīng)該怎么處理？對此，要積極進(jìn)行繞組診斷工作，及時找出出現(xiàn)繞組變形的變壓器并且進(jìn)行檢查和維修，這樣不僅可以減少人力物力的花費，而且還能防止變壓器事故的出現(xiàn)。

現(xiàn)在，世界上很多國家都在進(jìn)行繞組變形的診斷工作，一些國家也把繞組變形的診斷工作納入到了預(yù)防性試驗項目的首要地位。

2 試驗評估方法

抗短路能力核算模型主要考慮變壓器出廠時的設(shè)計、材質(zhì)和工藝相關(guān)的因素。國家標(biāo)準(zhǔn)GB1094.5—2008《電力變壓器 第5部分：承受短路的能力》規(guī)定電力變壓器在由外部短路引起的過電流作用下應(yīng)無損傷要求，其中對于材料和部件許用力和應(yīng)力的限值規(guī)定有很大變化。附錄A敘述了電力變壓器承受過電流的耐熱能力的計算和承受相應(yīng)動穩(wěn)定能力的特殊試驗和理論計算評估方法。

電力變壓器承受短路動穩(wěn)定能力的理論評估，是由對其主要機(jī)械強(qiáng)度特征進(jìn)行設(shè)計評審構(gòu)成。設(shè)計評審應(yīng)檢查在規(guī)定的短路故障條件下，產(chǎn)品設(shè)計中所出現(xiàn)的最大臨界機(jī)械力和應(yīng)力的數(shù)值，并將這些數(shù)值或是與一臺短路試驗合格的且被認(rèn)為與待評估變壓器相類似的參考變壓器的相對應(yīng)數(shù)值進(jìn)行比較，或是對照制造單位的短路強(qiáng)度設(shè)計規(guī)范對待評估變壓器進(jìn)行檢查。在變壓器評估中，一種是將其與一臺短路試驗合格的參考變壓器進(jìn)行對比，另一種方法則是對短路強(qiáng)度設(shè)計對照國標(biāo)進(jìn)行檢查。

3 參考變壓器SFPSZ10 -180000/220評估

2008年6月，某電力公司SFPSZ10-180000/220電力變壓器順利通過國家變壓器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心和荷蘭KEMA監(jiān)視的突發(fā)短路試驗，至今仍在電網(wǎng)安全運行。表2中，其短路試驗時有多個分接選擇。為便于計算對比,短路阻抗列出實測值。

表2 通過短路試驗的變壓器SFPSZ10 -180000/220

表3為SFPSZ10-180000/220短路試驗高壓電流峰值，HV17-MV分接高壓短路電流峰值9.537 kA，比表1三相短路高壓短路電流峰值增加約9.82%。

表3 SFPSZ10 -180000/220短路試驗高壓電流峰值

表4為SSZ11-180000/220變壓器短路力和應(yīng)力對比，其中低壓繞組為HV17-LV時的力和應(yīng)力，中壓、高壓、高調(diào)繞組為HV17-MV時的力和應(yīng)力，供評估該類220 kV變壓器做參考。上述應(yīng)力均滿足評估要求。后續(xù)以此作為SSZ11-180000/220的參考變壓器。

4 結(jié)語

國家兩行業(yè)對提高變壓器抗短路能力已較全面地提出過要求，這里只就近期的新問題提出建議：

(1) 制造部門在向使用部門提交突發(fā)短路試驗成功的變壓器計算報告的同時，還應(yīng)提供行之有效的關(guān)鍵工藝措施，確保其用于所有產(chǎn)品中，使用部門駐廠監(jiān)造的重點任務(wù)之一是了解并督促這些措施的實施。

(2) 變壓器內(nèi)線圈機(jī)械強(qiáng)度的有效措施包括采用半硬或自粘性換位導(dǎo)線以及將線圈繞制在硬絕緣筒上等。應(yīng)檢查半硬銅線的σ0.2值和自粘性換位導(dǎo)線的粘結(jié)質(zhì)量，如檢查線圈出線部位的粘接情況，或取一小段自粘性換位導(dǎo)線樣品與本線圈一起烘燥后檢查樣品導(dǎo)線的粘結(jié)情況等。

表4 SSZ11-180000/220短路力和應(yīng)力

(3) 保證大型變壓器線圈軸向壓緊的措施應(yīng)包括線圈墊塊采用預(yù)密化、內(nèi)外多個線圈均能壓緊的工藝和檢測措施。建議線圈整體套裝并烘燥后采用壓敏紙等方法檢測各線圈圓周和徑向的壓緊狀況。對于330～500 kV變壓器和大容量220 kV變壓器，宜采用單獨的調(diào)壓繞組，以降低軸向力。

[1]The Short Circuit Performance of Power Transformers，Brochure CIGRE WG 12.19，2002

[2]Robert M. Del Vecchio，Bertrand Poulin，Pierre T. Feghali，et al.Transformer Design Principles—With Applications to Core-Form Power Transformers.New York: CRC Press，2010

2014-02-14

孫權(quán)威(1981—)，男，黑龍江牡丹江人，工程師，副主管，研究方向：電力設(shè)備狀態(tài)管理。