楊玥，康琪

（1.內(nèi)蒙古電力科學研究院，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)重點實驗室，呼和浩特 010020）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，電網(wǎng)的復雜程度越來越高，系統(tǒng)發(fā)電側(cè)單機容量、變電站容量、輸變電負荷持續(xù)增長，電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)日益緊密，使得電力系統(tǒng)的短路電流水平逐年增加，電網(wǎng)的各類輸變電設備都必須滿足短路電流水平的要求。

作為電網(wǎng)中最關(guān)鍵的變電設備，大型電力變壓器擔負著系統(tǒng)電能傳輸?shù)闹匾蝿?。發(fā)生短路故障時，其繞組內(nèi)部將流過千安級別的短路電流[1]，線圈軸向和幅向承受巨大的電動力[2]，若繞組流過的短路電流超出變壓器可承受的電流限值，其機械強度會急劇下降，極易發(fā)生變形、線圈斷股、匝間短路、線圈燒毀等事故。統(tǒng)計表明，變壓器因短路損壞在所有事故類型中占比高達30%~50%[3]。大型電力變壓器的抗短路能力直接決定著電網(wǎng)的安全運行水平，有效評估變壓器抗短路能力并進行治理，對電網(wǎng)企業(yè)具有重要意義。

1 變壓器抗短路能力評估現(xiàn)狀

1.1 試驗局限性

國內(nèi)電力變壓器短路試驗標準通常依照GB/T 1094.5—2008《電力變壓器第5部分：承受短路的能力》[4]，短路試驗電壓至少為被測變壓器額定電壓的1.2倍，每相試驗次數(shù)至少為3次，試驗條件要求高、難度大，且費用較高，一臺220 kV（180 MVA）變壓器的短路試驗費用（不包含運費）為100萬元左右。

1.2 初期核算不準確

在變壓器短路的過渡過程中，繞組和結(jié)構(gòu)件圍繞起始位置不斷振動，短路電流與漏磁場的變化關(guān)系為非線性關(guān)系。廠家進行變壓器抗短路能力核算時，動態(tài)短路力計算模型的選擇[5-7]、繞組絕緣材料的彈性[8]、運行工況和邊界條件的限制[9]等因素都會造成核算結(jié)果的不確定。加之1996年之前生產(chǎn)的變壓器工藝和材料方面均存在缺陷，短路試驗尚未普及，抗短路能力難以核算[10-11]，無法為電力企業(yè)變壓器運行維護提供切實可行的依據(jù)。

1.3 在運變壓器抗短路能力核查困難

除了變壓器自身結(jié)構(gòu)的抗短路能力外，頻繁遭受出口和近區(qū)短路沖擊也是造成在運變壓器繞組變形的最主要原因。隨著系統(tǒng)短路容量的不斷增加，近區(qū)短路電流隨之上升，該類故障數(shù)量呈持續(xù)上升趨勢。部分遭受沖擊的變壓器不會突然損壞，而是帶缺陷繼續(xù)運行，但繞組的機械強度下降，而繞組變形的檢測手段，有的易受現(xiàn)場干擾，對微小變形檢出率低（如頻響法），有的需要停電測試（如電容-電抗比對法），還有的回傳信號可靠度低（如在線監(jiān)測裝置），這些都會造成在運變壓器抗短路能力核查困難。

2 變壓器抗短路能力評估思路

為評估變壓器抗短路能力，有效遏制因無法掌握變壓器抗短路能力及水平而引發(fā)電網(wǎng)安全事故，選取內(nèi)蒙古電網(wǎng)2010年前投運的110 kV及220 kV 2個電壓等級共計1050臺S9型變壓器作為樣本開展統(tǒng)計分析，其中220 kV變壓器330臺，110 kV變壓器720臺。

主要評估思路：應用統(tǒng)計學工具，計算變壓器各繞組耐受電流值，利用修正系數(shù)對廠家提供的所有變壓器最大短路電流承諾值逐一修正，將已確診的繞組變形變壓器歷史耐受電流數(shù)據(jù)納入變壓器可承受短路電流限值樣本數(shù)據(jù)庫；從系統(tǒng)側(cè)出發(fā)對變壓器短路電流進行計算，并以一定數(shù)量的群組變壓器短路電流限值樣本和實際運行方式下短路電流統(tǒng)計值進行特征比對，形成變壓器抗短路能力綜合評估結(jié)果，反映變壓器抗短路能力綜合治理的緊迫程度。同時采取多種驗證方式對評估結(jié)果進行有效性驗證，對評估算法和過程進行總結(jié)和補充，不斷完善變壓器的抗短路能力評估與治理手段。

變壓器耐受電流值選取變壓器制造廠家的承諾值或故障案例中的同家族變壓器短路電流限制值。變壓器可能遭受的最大短路電流由短路電流快速計算模型計算得出。該模型分別考慮變壓器發(fā)生三相和單相短路的情況下，通過對變壓器高中壓側(cè)外部系統(tǒng)進行等值，利用母線短路電流和生產(chǎn)管理系統(tǒng)中變壓器參數(shù)反推系統(tǒng)的等值阻抗，得出流過不同繞組的短路電流值。并將具有約束關(guān)系的電流值進行比較，最終得到變壓器各繞組可能遭受的最大短路電流值。若變壓器可承受的最大短路電流小于可能遭受的最大短路電流，說明該變壓器抗短路水平不足，可能會造成繞組變形或絕緣能力的巨大破壞，無法適應當前系統(tǒng)容量下的電氣運行環(huán)境。

3 抗短路能力評估過程

3.1 廠家承諾的短路電流限值統(tǒng)計及修正

為檢驗廠家承諾的短路電流的準確性，向30余個變壓器廠家公開了一臺沈陽變壓器廠生產(chǎn)的220 kV S9型變壓器設計參數(shù)。S9型變壓器在制造工藝和材料上近幾十年未發(fā)生大的變動。該變壓器于1995年投運，整個運行期間運行情況良好，未發(fā)生過任何事故。變壓器銘牌參數(shù)見表1。

表1 S9型變壓器銘牌參數(shù)

該變壓器在虎石臺強電流試驗站完成短路試驗。試驗中逐漸增加沖擊電流，在沖擊后進行電抗測量，直至電抗超標后對變壓器進行解體檢查。解體后高壓繞組變形不明顯，中壓和低壓繞組解體情況見圖1。最終得到各繞組可承受的短路電流限值分別為：1.022 kA（高壓）、2.8 kA（中壓）和12.12 kA（低壓）。

圖1 中壓和低壓繞組解體情況

在遭受短路沖擊時，由于非分裂繞組結(jié)構(gòu)的電力變壓器幅向漏磁小于軸向漏磁，幅向電動力占主導地位，電源側(cè)繞組與短路側(cè)繞組瞬時電流方向近似相反，外側(cè)繞組受張力，內(nèi)側(cè)繞組受斥力，該電動力使得繞組對間的主漏磁空道面積增大；另一方面，中、低壓繞組額定電流通常是高壓繞組的數(shù)倍，因此，在短路狀態(tài)下，中、低壓繞組承受的電磁力為高壓繞組承受電動力的數(shù)十倍到數(shù)百倍，使得繞組遭受短路沖擊時，多表現(xiàn)為中、低壓繞組強制變形或自由變形，從而導致包含變形繞組的繞組對短路電抗發(fā)生變化。所以，廠家在核算變壓器抗短路能力時也只針對中、低壓繞組進行，高壓繞組的最大短路電流只是作為參考，根據(jù)變比簡單折算。

樣本庫內(nèi)的廠家根據(jù)變壓器設計參數(shù)，基于自有模型計算出可承受短路電流限值，進而得到不同廠家、不同型號的誤差修正系數(shù)，利用該系數(shù)對所有變壓器最大短路電流承諾值逐一修正，從而得到更準確的廠家承諾值，作為抗短路能力評估的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。該修正系數(shù)僅針對同廠、同型號、同批次的變壓器（見表2）。

表2 樣本庫變壓器廠家的修正系數(shù)統(tǒng)計

通過修正系數(shù)可大致了解不同廠家生產(chǎn)的變壓器的可靠性。統(tǒng)計結(jié)果與樣本庫變壓器實際運行情況吻合度較高。

3.2 短路電流快速計算模型

圖2為系統(tǒng)高、中壓側(cè)母線的等值網(wǎng)絡圖，該系統(tǒng)的三相短路電流可利用如圖3所示的正序網(wǎng)絡得到[11]。設XHE1和XME1為從故障點看去的系統(tǒng)等值阻抗。

圖2 系統(tǒng)高、中壓側(cè)母線的等值網(wǎng)絡圖

圖3 等值正序網(wǎng)絡圖

令等值電勢E1=E2=1.0，則有：

對于單相短路的情況，可通過圖4的復合序網(wǎng)絡進行計算。其中變壓器阻抗需通過星角變換（如圖5所示）。進行星角變換后，轉(zhuǎn)換后的系統(tǒng)高壓零序等值阻抗XHP0=X0H//XΔ1，轉(zhuǎn)換后的系統(tǒng)中壓零序等值阻抗XMP0=X0M//XΔ2。定義從故障點看去的正序、零序阻抗為XS1和XS0。上述阻抗可分別利用系統(tǒng)故障點的高壓正序等值阻抗XHE1和高壓零序等值阻抗計算得到。XS1通過式（1）可求得，XS0計算公式方法見式（2）：

圖4 等值零序網(wǎng)絡星角變換后的阻抗

圖5 單相短路復合序網(wǎng)絡圖

式中：IFH0為高壓側(cè)流過繞組的短路電流；IFM0為低壓側(cè)流過繞組的短路電流。

系統(tǒng)零序阻抗由式（3）求解。式（1）和式（3）具有相同形式，求得XHP0和XMP0之后可進一步求得高中壓系統(tǒng)的零序阻抗：

通過計算系統(tǒng)阻抗即可求得變壓器各側(cè)短路情況下流過繞組的短路電流。

為使評估情況更加完整和貼近實際，結(jié)合樣本庫內(nèi)已發(fā)生短路故障的20余起案例，補充了樣本庫實際故障時的短路電流，使變壓器可承受短路電流的邊界限值更精確。

3.3 生成裕度系數(shù)樣本庫列表

為獲得樣本庫抗內(nèi)短路能力不足的變壓器的檢修緊迫程度排名，引入裕度系數(shù)的概念。其數(shù)學含義為“變壓器某側(cè)繞組可承受的最大短路電流”與“該側(cè)繞組可能遭受的最大短路電流”的比值，比值小于1即表明參評變壓器的抗短路能力不足，比值越小表明檢修和改造的緊迫程度也越迫切。樣本庫中共篩選出抗短路水平不足的220 kV變壓器43臺，110 kV變壓器122臺。按照裕度系數(shù)將變壓器劃分為3個等級，即A組-高風險（裕度系數(shù)0.3以下）、B組-中風險（裕度系數(shù)0.3~0.7，包含0.7）、C組-低風險（裕度系數(shù)0.7~1.0，不包含0.7和1.0）三個區(qū)段，按風險程度制訂檢修計劃。

4 應用驗證

目前已對37臺變壓器完成了治理，挑選其中較典型的變壓器進行驗證說明。

某變電站3號變壓器于2002年9月投運，接帶煤礦負荷，曾發(fā)生數(shù)次短路故障，抗短路能力評估得分較低，裕度系數(shù)為0.317。變壓器型號為SF?SZ9-40000/110，額定電壓為（110±8×1.25%）kV/38.5 kV/10.5 kV，聯(lián)結(jié)組別YNyn0d11。評估期間發(fā)現(xiàn)該變壓器曾出現(xiàn)色譜輕微超標，高載能供電無法臨時停電進行診斷性試驗，一直處于監(jiān)測運行中。

根據(jù)評價結(jié)果對變壓器進行了返廠解體檢修，發(fā)現(xiàn)35 kV V相、U相繞組明顯變形，U相更為嚴重（見圖6—圖7），W相也有可見變形。35 kV V相繞組多根電磁線因放電燒損（見圖8）。

圖6 U相中壓繞組嚴重變形

圖7 V相中壓繞組顯著變形

圖8 中壓繞組多根電磁線燒損

現(xiàn)場進行診斷性試驗時，對比最近一次例行試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)中壓側(cè)繞組電容量增加了7.4%；低電壓短路阻抗試驗顯示中壓與低壓繞組對間V相短路阻抗變化率達-9.1%，U相短路電抗變化率達-8.8%。上述數(shù)據(jù)說明該變壓器繞組一直帶缺陷運行。

5 結(jié)束語

相較于國內(nèi)變壓器抗短路能力研究時搭建獨立模型進行分析的方法，本文提出的方法引入修正系數(shù)，對樣本庫制造廠家的自有計算模型進行了比對核算，獲得了具有實際參考意義的抗短路能力列表，可作為相同廠家、相同型號、相同批次的變壓器抗短路能力評估的重要基礎數(shù)據(jù)。裕度系數(shù)則增加了變壓器抗短路能力的直觀性，有助于電力企業(yè)有針對性地運維和檢修設備。

試驗表明，變壓器運行期間遭受的出口短路沖擊次數(shù)、短路電流大小對設備目前可承受短路電流能力具有直接影響。變壓器在遭受短路沖擊后并不一定立即損壞，但會造成一定程度的繞組變形，導致其機械穩(wěn)定性降低，抗短路能力不斷下降，變形積累到一定程度后，再次遭受較大短路電流時就會發(fā)生嚴重故障。在特定情況下，二次保護對繞組變形的故障靈敏度不足，無法做出正確的速動反應。因此，變壓器的抗短路能力評估還要綜合分析繞組變形特性及其關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)（如電容、色譜等歷史數(shù)據(jù)），即使評估所需基礎數(shù)據(jù)存在一定的不確定性，也可以顯著提高評估的準確性。