胡耀東，郭紅兵，付文光，鄭 璐

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高電壓與絕緣技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010020）

0 引言

變壓器是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其健康狀態(tài)直接影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。變壓器在運(yùn)行時(shí)有可能遭受短路沖擊，流經(jīng)繞組的電流急劇增大，繞組在短路電流和漏磁通作用下受到巨大的電動(dòng)力，若變壓器的抗短路能力不足，繞組將出現(xiàn)鼓包、扭曲、形變等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生線圈燒毀、斷股、匝間短路等事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。2019年內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院進(jìn)行變壓器抗短路能力排查工作，科學(xué)評(píng)估了變壓器可耐受短路電流能力，為針對(duì)性地開(kāi)展運(yùn)維檢修提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 變壓器抗短路能力評(píng)估原理

1.1 短路過(guò)程建模

以單相雙繞組變壓器低壓側(cè)短路為例，分析短路發(fā)生瞬間短路電流的大小和變化趨勢(shì)，等效電路圖如圖1所示。

圖1 單相雙繞組變壓器低壓側(cè)發(fā)生短路等效電路圖

圖2 短路電流仿真波形

1.2 短路時(shí)繞組受力分析

變壓器發(fā)生外部短路時(shí)，繞組中的某段導(dǎo)體周?chē)艌?chǎng)可視為均勻的，在磁場(chǎng)中受到的電動(dòng)力可看作無(wú)限多直線電流元所受到的電磁力F=BIΔL 的矢量和，B 為磁通密度，I 為電流值，ΔL 為導(dǎo)體長(zhǎng)度的微分，電磁力的方向由左手定則確定。

同心式繞組中流過(guò)電流產(chǎn)生的漏磁通以軸向漏磁通為主[1-2]，繞組某點(diǎn)在軸向漏磁通與電流作用下受到的電磁力F可分解為橫向電動(dòng)力Fq（徑向力）和縱向電動(dòng)力Fd（軸向力），如圖3 所示。徑向力在水平面方向有拉伸和扭曲作用；軸向力在垂直水平面的方向上壓縮線圈和墊塊，同時(shí)將力傳遞到鐵軛[3]。

圖3 同心式繞組軸向漏磁通分布和所受電動(dòng)力

短路發(fā)生時(shí)繞組受到的電動(dòng)力與流過(guò)的電流成正比，當(dāng)電動(dòng)力達(dá)到繞組及附件的機(jī)械強(qiáng)度臨界值時(shí)，流過(guò)繞組的電流有效值即為短路電流限值。在設(shè)備采購(gòu)環(huán)節(jié)電力企業(yè)向制造廠家提供安裝位置的系統(tǒng)短路視在容量，用以計(jì)算短路電流；制造廠家在產(chǎn)品交付時(shí)向電力企業(yè)提供產(chǎn)品的短路電流限值承諾值，但是該數(shù)據(jù)多為廠家的理論計(jì)算結(jié)果，部分廠家提供的數(shù)據(jù)過(guò)大。

1.3 評(píng)估方法

本文基于實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境的變壓器短路電流計(jì)算數(shù)據(jù)，對(duì)比該變壓器的短路電流限值，評(píng)估變壓器當(dāng)前可耐受短路電流的能力。相同廠家、相同型號(hào)、相同批次的變壓器可承受的短路電流限值是一樣的，由此可見(jiàn)，抗短路能力評(píng)估的關(guān)鍵在于建立變壓器可承受短路電流限值的樣本數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 變壓器可承受短路電流限值數(shù)據(jù)庫(kù)

變壓器可承受短路電流限值數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)2個(gè)途徑建立：一是對(duì)制造廠家承諾的短路電流限值進(jìn)行修正，二是統(tǒng)計(jì)故障案例中變壓器短路電流限值。

2.1 制造廠家承諾的短路電流限值統(tǒng)計(jì)及修正

變壓器制造廠家的抗短路能力計(jì)算軟件各不相同，輸入相同的設(shè)計(jì)參數(shù)，也會(huì)出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果不一致的情況。使用制造廠家提供的短路電流限值時(shí)，應(yīng)按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其采用修正系數(shù)進(jìn)行修正。各制造廠家修正系數(shù)獲取過(guò)程如下[4]：選取1臺(tái)變壓器在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行短路試驗(yàn)，不斷加大短路電流，直至各繞組發(fā)生顯著變形，記錄各繞組實(shí)際可承受電流值，將其與各制造廠家計(jì)算的短路電流限值對(duì)比，得到各制造廠家算法的修正系數(shù)。

2.1.1 被試變壓器參數(shù)

被試變壓器由沈陽(yáng)變壓器廠于1994 年生產(chǎn)，1995 年投運(yùn)。該變壓器運(yùn)行后，未經(jīng)歷重大事故，運(yùn)行情況良好，各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)均處于正常水平。被試變壓器的參數(shù)及沈陽(yáng)變壓器廠提供的可承受短路電流限值計(jì)算值如表1所示。

表1 被試變壓器參數(shù)

按照GB 1094.5—2008《電力變壓器 第5部分：承受短路的能力》的要求[3]，分步驟增加各電壓等級(jí)各個(gè)相的短路電流，控制短路時(shí)間，使用阻抗法測(cè)量變壓器的繞組變形情況，當(dāng)電抗初始變化率大于1.6%或具有明顯變化趨勢(shì)時(shí)停止試驗(yàn)繞組的通流。

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)得出被試變壓器實(shí)際能夠承受的最大短路電流為：中壓側(cè)2.8 kA，低壓側(cè)12.12 kA。因此沈陽(yáng)變壓器廠生產(chǎn)的變壓器中壓側(cè)的抗短路能力修正系數(shù)為2.8/1.95≈1.44，低壓側(cè)的修正系數(shù)為12.12/10≈1.21。

以下舉例說(shuō)明修正系數(shù)的意義。將被試變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)交付A 廠家進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)A 廠家計(jì)算的可承受短路電流限值為中壓側(cè)5.6 kA，低壓側(cè)24.24 kA，已知被試變壓器真實(shí)耐受電流為中壓側(cè)2.8 kA，低壓側(cè)12.12 kA，則A廠家中壓側(cè)、低壓側(cè)的抗短路能力修正系數(shù)為0.5、0.5，可認(rèn)為A廠家計(jì)算值比實(shí)際值大（2倍）。同樣，A廠家利用自己的算法對(duì)其生產(chǎn)的變壓器進(jìn)行短路電流限值計(jì)算，也比實(shí)際值大（2倍），在考查其抗短路能力時(shí)，中、低壓側(cè)實(shí)際耐受電流應(yīng)為計(jì)算值的一半（乘以修正系數(shù)0.5）。

將此變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)交由其他制造廠家進(jìn)行計(jì)算，得到部分修正系數(shù)如表2所示。

表2 部分變壓器制造廠家短路電流限值修正系數(shù)

將制造廠家的各型號(hào)變壓器短路電流限值計(jì)算值乘以表2 的修正系數(shù)進(jìn)行修正，得到更為準(zhǔn)確的變壓器短路電流限值，納入變壓器可承受短路電流限值樣本數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2 基于故障案例的變壓器短路電流限值

內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院從2016 年起開(kāi)展主變壓器精確評(píng)價(jià)，已診斷出16臺(tái)主變壓器繞組發(fā)生了顯著變形（220 kV 變壓器5 臺(tái)、110 kV 變壓器11臺(tái)），有15臺(tái)已得到返廠解體驗(yàn)證。統(tǒng)計(jì)16臺(tái)變壓器的短路阻抗和母線短路電流，可以計(jì)算得到變壓器各個(gè)繞組流經(jīng)的最大短路電流，可作為相同廠家、相同型號(hào)及相同批次的其他變壓器抗短路能力評(píng)估的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，連同制造廠家承諾的短路電流限值修正值，合并成為變壓器可承受短路電流限值數(shù)據(jù)庫(kù)，據(jù)此可對(duì)全網(wǎng)變壓器的抗短路能力進(jìn)行全面的核算與評(píng)估。

3 變壓器抗短路能力評(píng)估過(guò)程

3.1 抗短路能力管控平臺(tái)評(píng)估

變壓器的外部短路分為三相短路、相間短路、兩相接地短路及對(duì)地故障短路，任何電壓等級(jí)的繞組均可能發(fā)生以上形式的短路故障，故障相直接承受流經(jīng)故障位置的短路電流，而其余繞組盡管未發(fā)生短路故障，由于變壓器內(nèi)部繞組存在電路連接或多臺(tái)主變壓器存在高、中、低壓的并聯(lián)關(guān)系，當(dāng)故障繞組流過(guò)短路電流時(shí)，其余繞組依然可能流過(guò)相當(dāng)大的電流，因此在不同的短路形式下需要對(duì)流經(jīng)每個(gè)電壓等級(jí)繞組的短路電流進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)對(duì)全網(wǎng)220 kV 變壓器完成抗短路能力評(píng)估?？山柚鷮I(yè)的短路電流計(jì)算工具進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算。

內(nèi)蒙古電網(wǎng)變壓器抗短路能力管控平臺(tái)從系統(tǒng)側(cè)出發(fā)計(jì)算變壓器短路電流，對(duì)變壓器的外部系統(tǒng)進(jìn)行等值計(jì)算，通過(guò)母線短路電流和變壓器參數(shù)反推系統(tǒng)等值阻抗，根據(jù)系統(tǒng)阻抗和變壓器參數(shù)求得各種短路情況下流過(guò)變壓器的短路電流，同時(shí)對(duì)影響變壓器短路電流的因素進(jìn)行分析。

內(nèi)蒙古電網(wǎng)變壓器抗短路能力管控平臺(tái)的輸入?yún)?shù)為運(yùn)行單位，變電站名稱，變壓器運(yùn)行編號(hào)、容量、類型、額定電壓、短路阻抗、聯(lián)結(jié)方式、是否為自耦變壓器、制造廠、出廠時(shí)間、出廠編號(hào)、型號(hào)、各繞組中性點(diǎn)接地方式、各側(cè)母線編號(hào)及其并聯(lián)母線編號(hào)、各繞組母線三相單相短路電流及中、低壓側(cè)限流電抗器阻值等。短路電流計(jì)算結(jié)果包括三相/單相短路故障時(shí)故障繞組和非故障繞組流過(guò)的短路電流，通過(guò)對(duì)比數(shù)值大小，篩選各個(gè)電壓等級(jí)繞組可能遭受的最大短路電流，如圖4所示。

圖4 各個(gè)電壓等級(jí)繞組短路電流最大值統(tǒng)計(jì)過(guò)程

將變壓器各個(gè)電壓等級(jí)繞組可能遭受的最大短路電流與各個(gè)電壓等級(jí)繞組可承受的短路電流限值相比較，得到變壓器抗短路能力。若變壓器可能遭受的最大短路電流大于可承受的短路電流限值，說(shuō)明該變壓器無(wú)法承受電網(wǎng)的最大短路電流，變壓器有非常高的概率發(fā)生繞組變形或絕緣受損，變壓器抗短路能力不足。相反，若變壓器可能遭受的最大短路電流小于或等于可承受的短路電流限值，說(shuō)明變壓器的抗短路能力滿足要求，符合當(dāng)前系統(tǒng)容量下安全穩(wěn)定運(yùn)行的條件。

3.2 國(guó)網(wǎng)變壓器抗短路中心評(píng)估

委托國(guó)網(wǎng)變壓器抗短路中心對(duì)變壓器抗短路能力管控平臺(tái)初步篩選出的變壓器進(jìn)行再次校核，通過(guò)匯總分析，形成最終的變壓器抗短路能力評(píng)估結(jié)果。

3.3 裕度系數(shù)

為表征抗短路能力改造的緊迫程度，提出抗短路能力裕度系數(shù)概念，如式（3）：

式中：K—裕度系數(shù)，包含高、中、低壓側(cè)裕度系數(shù)；

ILimit—變壓器某側(cè)繞組可承受的短路電流限值；

Ishort_circuit—同側(cè)繞組可能遭受的最大短路電流。

根據(jù)抗短路能力管控平臺(tái)評(píng)估邏輯，抗短路能力不足的變壓器某側(cè)的裕度系數(shù)K值小于1。對(duì)抗短路能力不足的變壓器根據(jù)K 值由低到高進(jìn)行排序，即可對(duì)變壓器抗短路能力不足和改造的緊迫程度進(jìn)行量化，變壓器的抗短路能力裕度系數(shù)越低，說(shuō)明變壓器在發(fā)生短路故障時(shí)繞組損壞的風(fēng)險(xiǎn)概率越高，變壓器抗短路能力提升與改造的需求也更迫切[4]。

4 應(yīng)用實(shí)例

在內(nèi)蒙古電網(wǎng)開(kāi)展了110 kV 及以上電壓等級(jí)的變壓器抗短路能力核算與評(píng)估。為驗(yàn)證評(píng)估結(jié)果的可行性和準(zhǔn)確性，對(duì)部分評(píng)估結(jié)果顯示抗短路能力不足的變壓器進(jìn)行返廠檢修與繞組變形現(xiàn)場(chǎng)診斷，部分統(tǒng)計(jì)情況如下。

4.1 實(shí)例1

某變電站4號(hào)主變壓器于2006年12月生產(chǎn)，型號(hào)為SFPZ9-180000/220，電壓組合為（230±8×1.25%）kV/121 kV/10 kV，10 kV為平衡線圈，連接組別為YNyn0+d11。主變壓器的抗短路能力評(píng)估結(jié)果為：裕度系數(shù)0.623，抗短路能力不足。返廠吊罩后，高壓線圈中部線餅導(dǎo)線向外彈出變形，線圈多處絕緣污染發(fā)黑，U 相平衡線圈上下端部若干線餅均有嚴(yán)重傾倒現(xiàn)象，如圖5所示。

4.2 實(shí)例2

某變電站3 號(hào)主變壓器于2006 年9 月生產(chǎn)，型號(hào)為SFPZ9-180000/220，電壓組合為（230±8×1.25%）kV/121 kV/10 kV，10 kV為平衡線圈，連接組別為YNyn0+d11。變壓器的抗短路能力評(píng)估結(jié)果為：裕度系數(shù)0.623，抗短路能力不足。返廠吊罩后，3號(hào)主變壓器的平衡線圈上方繞組存在向內(nèi)傾倒現(xiàn)象，說(shuō)明在短路故障發(fā)生時(shí)，變壓器沿軸向和幅向均發(fā)生巨大震動(dòng)，導(dǎo)致線圈移位。

圖5 主變壓器U相平衡線圈上下端部線餅傾倒變形

4.3 實(shí)例3

某變電站2號(hào)主變壓器于2005年10月生產(chǎn)，型號(hào)為SFPZ9-150000/220，電壓組合為（220±8×1.25%）kV/121 kV/38.5 kV/10.5 kV，連接組別為YNyn0yn0d11。變壓器的抗短路能力評(píng)估結(jié)果為：裕度系數(shù)0.92，抗短路能力不足?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)2 號(hào)主變壓器進(jìn)行繞組變形試驗(yàn)，短路阻抗中-低初值變化率為1.48%，中壓-低壓最大相對(duì)互差為2.03%（大于注意值2%），電容量試驗(yàn)中中壓-其他電容初值變化率為-0.75%。根據(jù)DL/T 1093—2008《電力變壓器繞組變形的電抗法檢測(cè)判斷導(dǎo)則》[5]，2 號(hào)主變壓器中壓繞組發(fā)生了輕微變形。

4.4 實(shí)例4

某變電站2 號(hào)主變壓器于2004 年7 月生產(chǎn)，型號(hào)為SFPSZ9-150000/220，電壓組合為（220±8×1.25%）kV/121 kV/38.5 kV，連接組別為YNyn0d11。變壓器的抗短路能力評(píng)估結(jié)果為：裕度系數(shù)0.52，抗短路能力不足。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)變壓器進(jìn)行繞組變形試驗(yàn)，短路阻抗高壓-低壓初值變化率為1.72%（大于注意值1.6%），中壓-低壓初值變化率為1.3%，低壓-其他電容初值變化率2.54%。根據(jù)DL/T 1093—2008《電力變壓器繞組變形的電抗法檢測(cè)判斷導(dǎo)則》，2號(hào)主變壓器低壓側(cè)繞組發(fā)生了輕微變形。

通過(guò)返廠解體與現(xiàn)場(chǎng)診斷試驗(yàn)，抗短路能力評(píng)估準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了上述變壓器的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，抗短路能力評(píng)估方法的有效性得到了驗(yàn)證。

5 治理建議

建議對(duì)抗短路能力不足的變壓器按照裕度系數(shù)由低到高有序開(kāi)展治理措施：

（1）供電單位對(duì)所轄范圍內(nèi)抗短路能力不足的變壓器及時(shí)進(jìn)行精確評(píng)價(jià)，掌握變壓器繞組的變形程度；

（2）從技術(shù)和管理兩方面綜合治理，減少外部短路沖擊發(fā)生次數(shù)，降低變壓器發(fā)生短路沖擊損壞的概率；

（3）改變系統(tǒng)運(yùn)行方式，降低系統(tǒng)的短路電流水平；

（4）加裝限流裝置，降低流過(guò)繞組的短路電流；

（5）在必要時(shí)開(kāi)展變壓器繞組返廠加固檢修，徹底解決變壓器抗短路能力不足的問(wèn)題。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在內(nèi)蒙古電網(wǎng)開(kāi)展110 kV 及以上電壓等級(jí)的變壓器抗短路能力核算與評(píng)估，為實(shí)施變壓器抗短路能力改造提供了技術(shù)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了變壓器故障從事后處理到事前防范的重大轉(zhuǎn)變，有效提升了變壓器狀態(tài)評(píng)價(jià)與檢修決策水平。