變壓器繞組變形失穩分析

吳長波

（國網能源寶清煤電化有限公司，黑龍江 雙鴨山 155660）

一臺雙卷油浸式變壓器，在一次廠用電短路事故中燒損，停電修復花費了很長時間，造成發電量損失價值遠遠高于變壓器本身的價格。此變壓器1992年投入運行，事故前處于正常供電狀態，在啟動大容量設備時，10kV母線絕緣對地擊穿，弧光引起母線三相短路，變壓器 10kV低壓側進線開關發生觸頭燃熔、粘連，保護動作又未能直接跳開此變壓器高壓側進線開關，使故障切除時間延長達3s之久。吊芯發現高低壓繞組嚴重變形，低壓繞組有一處絕緣擊穿，繞組上下有竄動，墊板損壞，壓環碎裂。本文通過短路電流在變電器繞組上的作用力，使繞組發生變形失穩的過程和原因的分析，提出預防變壓器繞組變形失穩措施。

1 短路時繞組電磁力分析

在發生短路事故時，作用在變壓器繞組上的短路電磁力一方面隨短路電流的大小不斷變化；另一方面在短路電磁力的作用下，繞組及其支撐結構不是靜止不動的，在這個過程中，變壓器繞組要承受輻向電磁力與軸向電磁力聯合作用，使繞組沿軸向上下振動，同時輻向拉伸力使外側繞組直徑增大，輻向壓縮力使內側繞組直徑減小，這必然會引起漏磁場也隨著發生變化，而漏磁分布的改變又將引起繞組受力也隨著發生變化。由于保護未能及時切除此變壓器，這種不斷變化的短路電磁力作用時間越長，對變壓器繞組變形破壞力就越大。據統計，在短路引起的繞組損壞事故中，輻向壓縮力比輻向拉伸力更有破壞性，往往是繞組絕緣擊穿的主要原因。

通過觀察發現，此變壓器繞組除其外部嚴重變形外，與鐵心窗口接觸處的內側繞組也有嚴重的變形、且有擊穿現象。這一方面是由于鐵心窗口內部區域的漏磁場比鐵心窗口外部區域的漏磁場要強，所以此部分繞組所受的短路電磁力相對比較大；另一方面是由于鐵心窗口內部的繞組軸向壓緊比較薄弱，因此繞組相應部位變形比較大。

查找此變壓器跳閘記錄，從投運以來已經發生過兩次短路保護動作跳閘事故。在本次短路事故中，因繞組支撐結構強度不足，發生輻向失穩變形，使繞組相間和對地、匝間絕緣強度都隨著失穩而發生了改變，其中匝絕緣強度變化最大（即絕緣層可能會出現破裂），出現絕緣擊穿。如保護不能及時切除故障電流，將會進一步導致更嚴重的局部繞組擊穿。

2 引起輻向失穩的主要原因

圖1是變壓器繞組在輻向短路電磁力作用下輻向失穩的典型形式。

圖1

引起變壓器繞組輻向失穩變形因素很多，主要有以下幾個方面：

1）制造廠在設計時沒有充分考慮適當的安全裕度，使實際繞組承受的輻向穩定力，不能滿足現場短路電流的沖擊。

2）由于生產工藝差，造成繞組裝配間隙過大，所以在大短路電流時，可能造成繞組內某些支撐結構失效。

3）繞組外圍的邊界不一致造成的繞組漏磁場不是軸對稱磁場，從而導致繞組所受的輻向壓縮力沿圓周方向不均勻分布。在短路時，結構上比較薄弱的撐條間隔處最先失穩而破壞。

4）多次短路事故可能在繞組上形成變形積累，在以后某次短路力作用時可能超過其支撐結構實際承受能力，而造成失穩變形。

本次損壞的雙卷式油浸變壓器已連續運行多年，在發生兩次短路事故后，沒有及時進行頻率響應分析了解繞組實際變形情況，也沒有進行吊芯檢查。在發生母線三相短路時，變壓器繞組變形已經達到支撐結構不能承受的程度，因此發生變形失穩、擊穿、燒損。

3 預防措施

為防止變壓器繞組變形失穩，除嚴格控制變壓器制造質量外，對已投運的大型變壓器需要考慮以下幾個方面：

1）應采取有效措施，減少母線發生短路的機會。一旦母線側發生短路，保護應盡快切除母線供電變壓器。同時在母線短路未切除之前，廠用備用電源不能自投于故障母線。

2）對 110kV（66kV）及以上電壓等級的變壓器要有故障錄波在線監視裝置，掌握短路故障電流大小以及故障持續時間，作為判斷繞組變形情況參考。

3）對運行中的大型變壓器要進行頻率響應分析的測量，以便與事故發生后的頻率響應分析結果進行比較，合理判斷變壓器繞組變形程度。

4）大型變壓器出口短路后，應該進行繞組變形試驗，與制造廠提供的原始頻率響應進行比較，作為繞組有無變形及其變形程度的判斷依據，未經任何試驗和檢查不允許試投。

5）對那些通過頻率響方式測量發現繞組變形較嚴重卻仍在運行著的變壓器，應在最短時間內，有計劃地進行吊心檢查和檢修。

4 結論

變壓器是電網中的重要設備，發生故障對電力系統安全、企業生產影響很大。通過以上分析可知，防止變壓器繞組變形失穩損壞，需要加強對變壓器運行狀態監測，時時了解繞組變形情況，當繞組變形較大時應及時停電維修。可減少變壓器燒損的幾率，避免不可預計的電力中斷事故。

[1]王曉鶯.變壓器故障與監測[M].北京:機械工業出版社,2004.3.

[2]謝毓城.電力變壓器手冊[M]. 北京:機柜工業出版社,2003.2.