孙权威 区伟潮 谭志保

(广东电网公司佛山供电局，广东 佛山 528000)

220 kV变压器抗短路能力试验研究

孙权威 区伟潮 谭志保

(广东电网公司佛山供电局，广东 佛山 528000)

作为电力系统中传输以及分配电能的枢纽，变压器的可靠性对用户用电质量及整个系统安全都有着重要的意义。现就如何提高220 kV变压器的抗短路能力进行分析探讨。

220 kV变压器；抗短路能力；校验

0 引言

近些年来，大型电力变压器因外部短路引起的线圈损坏事故增多，制造和使用部门对变压器线圈耐受短路能力的问题给予了足够的重视。随着电力系统容量的扩大，使得其对于变压器在电力系统短路中运行的能力要求更加严格。

对变压器抗短路能力进行试验主要是为了检验变压器在短路事故中的承受能力，是利用试验中强短路电流产生的电动力检验变压器中的各部件的机械强度，是对变压器设计、制造的综合技术能力和工艺水平的考核。

为此，相关部门也制定了一系列标准，其中包括1998年制造和使用部门举行的全国性会议通过了《关于预防110 kV及以上变压器短路损坏事故综合措施的意见》。虽然很多制造厂在变压器抗短路能力方面采取或正在采取一些改进措施，并取得了一批≤110 kV及个别220 kV样品变压器通过突发短路试验的成绩，但仍然存在一些问题，如工作开展得不平衡、设计和工艺等方面的改进和提高不明显、其他绝缘问题以及在≥220 kV大容量变压器的工作及验证试验还有很大差距等。因此，大型电力变压器的抗短路能力问题目前还未得到解决。而大型电力变压器因外部短路导致绕组变形损坏的事故，绝大多数是因制造质量问题使内绕组机械失稳而造成。很多变压器制造厂不计算内线圈的机械失稳问题或计算方法不当，再加上材料和工艺问题，难以保证内线圈有足够的抗短路强度。

1 现状与成因分析

作为电力系统中的一个重要设备，变压器是否正常对电力系统的运行有着直接的影响。近年来，变压器短路故障呈现上升趋势，造成变压器绕组损坏的几率增加，严重威胁着变压器的正常运行。据国家电力公司不完全统计，仅在1990—1997年间国内110 kV及以上电压等级的变压器，受到短路故障冲击影响出现的事故已经达到了145台次，是同期总事故台次的31%，如表1所示。而对于厂用变压器(包括厂变和备变)，该问题则更加突出。一方面，是因为变压器抵抗短路的设计水平还不够，变压器生产的厂家在技术方面还有待提高；另一方面，为了能够找到又快又准确的方法解决变压器绕组是否发生有害的变形问题，以用在变压器绕组故障判断的实践当中去，而这种方法就是变压器绕组变形测试技术。

1.1 绕组变形的定义

电力行业标准DL/T911—2004《电力变压器绕组变形的频率响应分析法》对绕组变形定义为：电力变压器绕组由于机械力和电动力的影响出现了径向尺寸变化的情况，一般表现为绕组局部出现扭曲或者移位等。变压器受到短路电流的影响或者在运输中受到碰撞都会导致其变形，这会对变压器的运行产生最为直接的影响。

表1 1990 —1997年变压器短路损坏事故统计表

1.2 绕组变形的原因

导致绕组变形的原因主要有以下几点：

1.2.1 短路故障电流冲击

在运转过程中，电力变压器可能会受到各种各样的短路故障电流的冲击，尤其是变压器的出口是最容易受到短路冲击的，这些巨大的短路电流会使变压器绕组受到强烈的电动力，这些电动力通常是正常电动力的十倍甚至百倍，从而导致变压器绕组快速发热。在温度过高的情况下，导线的机械强度就会慢慢变小而使变压器电阻更容易遭受破坏或者变形。

短路故障电流的冲击是变压器绕组变形的最主要的一个外因。我们知道，电力变压器绕组是由绝缘垫块组成的，而这个系统的动特性在出现短路时并不是不变化的，这是与绝缘垫块的弹性和垫块压紧的程度有关，也就是说，绝缘垫块的弹性和作用力是相关的。但是电动力本身不是一成不变的，而是根据一定的规律而发生变化，这种规律十分复杂。尽管对于短路在变压器上的电动力研究在20世纪40年代就已经开始，但是因为该分析十分复杂，至今还无法使用理论上的计算结果来体现变压器承受突发短路电流冲击的能力。

由理论分析可知，在变压器上的电动力有2种，一是横向的动力，另一种是纵向的动力。横向力作用的方向依据线圈的位置和电流的方向来确定，对于双线圈变压器来说，横向力向外拉伸线圈，压缩内线圈，主要是以提高内部线圈对于横向力的刚度为目的。一般是把线圈绕到绝缘筒的撑条上，而线圈这时就需要承担压缩力和撑条引起的弯曲力。如果这2种合应力比线圈的刚度高，就会导致线圈出现永久性变形，或者出现梅花、鼓包状变形。

变压器线圈的纵向力很容易使线段和线匝弯曲，压缩线段间的垫块部分地传递到铁轭中使其离开心柱。一般来说，弯曲力产生的最大段是在线圈的端部，最大压缩力则产生于线圈中心的垫块上面。如果线圈不等高或者磁势不均匀，就会更加容易导致变压器事故的出现。

由此可见，如果变压器在运转中突然受到了短路故障电流的冲击，线圈就会遭受到很大的径向力和轴向力的作用。变压器绕组在最初出现故障的时候一般是内绕组发生扭曲或者移位等变形，而且这些变形是不可挽救的，进而发展成为绝缘破坏，之后就会出现匝间短路、主绝缘放电等。

1.2.2 意外冲撞

在运输电力变压器的时候，或者在安装过程中也会因为意外的冲击或者是振动而导致变压器绕组出现变形的情况。

1.2.3 保护系统存在死区，动作失灵

在保护系统中出现死区或者动作失灵都会使得变压在承受短路电流的时间加长，这也是引起绕组变形的一个原因。据初步统计数据发现，意外短路情况中，因为无法及时跳闸而导致变压器出现短路事故的数量已经占到总事故的30%之多。

1.2.4 绕组承受短路能力不够

在变压器出现短路的时候，其受到电流冲击会出现变形。到现在为止，全国110 kV变压器事故调查已经表明了绕组承受短路能力不足是变压器事故的主要内部原因，这严重阻碍了变压器的可靠运行。

1.3 绕组变形的危害

在电力变压器运行过程中绕组变形是一个很大的隐患。经多次变压器的试验说明，当绕组发生变形后，通过绝缘或者油的试验都很难发现。

根据第十二届国际大电网会议委员会的评估，变压器绕组出现绝缘故障多是因为绝缘最初机械损伤造成的。电力变压器在受到短路故障电流冲击的时候绕组开始局部变形，就算是没有立刻被损坏也会留下故障隐患。例如：

(1) 绝缘的距离出现了变化，固体的绝缘出现了损伤导致局部放电，一旦遇到雷电在电压的作用下就会出现匝间、饼间击穿等现象而造成绝缘事故。在电压正常的运行当中，局部放电的长时间作用也会使绝缘击穿事故出现。

(2) 当绕组的性能开始降低的时候，如果再次受到短路事故就会无法承受而受损。

变压器绕组发生变形既然无法避免，那么如何才能知道其是否发生了变形呢？绕组变形的程度如何，还能不能运行？绕组变形的位置在哪里，又应该怎么处理？对此，要积极进行绕组诊断工作，及时找出出现绕组变形的变压器并且进行检查和维修，这样不仅可以减少人力物力的花费，而且还能防止变压器事故的出现。

现在，世界上很多国家都在进行绕组变形的诊断工作，一些国家也把绕组变形的诊断工作纳入到了预防性试验项目的首要地位。

2 试验评估方法

抗短路能力核算模型主要考虑变压器出厂时的设计、材质和工艺相关的因素。国家标准GB1094.5—2008《电力变压器 第5部分：承受短路的能力》规定电力变压器在由外部短路引起的过电流作用下应无损伤要求，其中对于材料和部件许用力和应力的限值规定有很大变化。附录A叙述了电力变压器承受过电流的耐热能力的计算和承受相应动稳定能力的特殊试验和理论计算评估方法。

电力变压器承受短路动稳定能力的理论评估，是由对其主要机械强度特征进行设计评审构成。设计评审应检查在规定的短路故障条件下，产品设计中所出现的最大临界机械力和应力的数值，并将这些数值或是与一台短路试验合格的且被认为与待评估变压器相类似的参考变压器的相对应数值进行比较，或是对照制造单位的短路强度设计规范对待评估变压器进行检查。在变压器评估中，一种是将其与一台短路试验合格的参考变压器进行对比，另一种方法则是对短路强度设计对照国标进行检查。

3 参考变压器SFPSZ10 -180000/220评估

2008年6月，某电力公司SFPSZ10-180000/220电力变压器顺利通过国家变压器质量监督检验中心和荷兰KEMA监视的突发短路试验，至今仍在电网安全运行。表2中，其短路试验时有多个分接选择。为便于计算对比,短路阻抗列出实测值。

表2 通过短路试验的变压器SFPSZ10 -180000/220

表3为SFPSZ10-180000/220短路试验高压电流峰值，HV17-MV分接高压短路电流峰值9.537 kA，比表1三相短路高压短路电流峰值增加约9.82%。

表3 SFPSZ10 -180000/220短路试验高压电流峰值

表4为SSZ11-180000/220变压器短路力和应力对比，其中低压绕组为HV17-LV时的力和应力，中压、高压、高调绕组为HV17-MV时的力和应力，供评估该类220 kV变压器做参考。上述应力均满足评估要求。后续以此作为SSZ11-180000/220的参考变压器。

4 结语

国家两行业对提高变压器抗短路能力已较全面地提出过要求，这里只就近期的新问题提出建议：

(1) 制造部门在向使用部门提交突发短路试验成功的变压器计算报告的同时，还应提供行之有效的关键工艺措施，确保其用于所有产品中，使用部门驻厂监造的重点任务之一是了解并督促这些措施的实施。

(2) 变压器内线圈机械强度的有效措施包括采用半硬或自粘性换位导线以及将线圈绕制在硬绝缘筒上等。应检查半硬铜线的σ0.2值和自粘性换位导线的粘结质量，如检查线圈出线部位的粘接情况，或取一小段自粘性换位导线样品与本线圈一起烘燥后检查样品导线的粘结情况等。

表4 SSZ11-180000/220短路力和应力

(3) 保证大型变压器线圈轴向压紧的措施应包括线圈垫块采用预密化、内外多个线圈均能压紧的工艺和检测措施。建议线圈整体套装并烘燥后采用压敏纸等方法检测各线圈圆周和径向的压紧状况。对于330～500 kV变压器和大容量220 kV变压器，宜采用单独的调压绕组，以降低轴向力。

[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

孙权威(1981—)，男，黑龙江牡丹江人，工程师，副主管，研究方向：电力设备状态管理。