配電變壓器抗短路能力抽檢研究

李雪桓 吳明孝 周少珍 高超 楊濤 王震宇

摘 要：本研究對(duì)2020年配電變壓器抽檢情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明短路承受能力試驗(yàn)的合格率遠(yuǎn)低于其他試驗(yàn)項(xiàng)目。同時(shí)，對(duì)短路承受能力試驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡單介紹，并對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的各類不合格情形進(jìn)行詳細(xì)分類介紹，以期為配變供應(yīng)商從設(shè)計(jì)制造等環(huán)節(jié)提升配變抗短路性能提供借鑒。

關(guān)鍵詞：配電變壓器;短路承受能力;抽檢

中圖分類號(hào)：TM421 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）28-00-04

Abstract： This study makes a statistical analysis on the sampling inspection of distribution transformers in 2020. The results show that the qualified rate of short-circuit withstand capacity test is much lower than that of other test items. At the same time， the mathematical model of short-circuit withstand capacity test is briefly introduced， and various unqualified situations in the test are introduced in detail， in order to provide reference for distribution transformer suppliers to improve the short-circuit resistance of distribution transformer from design and manufacturing.

Keywords： distribution transformers;short-circuit withstand ability;sampling inspection

為了加強(qiáng)對(duì)變壓器中標(biāo)供應(yīng)商的質(zhì)量管控，提升入網(wǎng)變壓器產(chǎn)品質(zhì)量，國網(wǎng)河南省電力公司物資質(zhì)量檢測中心自2012年起對(duì)入網(wǎng)配變開展質(zhì)量檢測工作[1]。近年來，檢測中心持續(xù)提升檢測能力，不斷完善試驗(yàn)項(xiàng)目。2020年，檢測中心建成配電變壓器綜合性能檢測實(shí)驗(yàn)室，完善了配變短路承受試驗(yàn)檢測能力，實(shí)現(xiàn)了配變的全項(xiàng)目檢測，依據(jù)《電網(wǎng)物資質(zhì)量檢測能力標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)導(dǎo)則（試行）》，已具備配電變壓器A級(jí)檢測能力。

近年來，不少學(xué)者針對(duì)配電變壓器的抽檢工作開展了相關(guān)研究[2-4]。依據(jù)配電變壓器抽檢大數(shù)據(jù)分析，在所有試驗(yàn)項(xiàng)目中，短路承受能力試驗(yàn)的合格率遠(yuǎn)低于其他試驗(yàn)項(xiàng)目。國網(wǎng)公司針對(duì)配變抗短路能力不足這一典型質(zhì)量問題，多次組織開展專項(xiàng)整治行動(dòng)，以提高入網(wǎng)配變抗短路性能，切實(shí)促進(jìn)設(shè)備行業(yè)水平進(jìn)一步提升。本文對(duì)2020年配電變壓器抽檢情況進(jìn)行簡單介紹，而后針對(duì)檢測不合格率最高的短路承受能力試驗(yàn)進(jìn)行深入分析。

1 配電變壓器抽檢結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

2020年，河南省電力公司物資質(zhì)量檢測中心共完成341臺(tái)配電變壓器的質(zhì)量檢測工作，容量覆蓋50～630 kVA，型號(hào)涉及疊鐵心、立體卷鐵心及非晶合金等多種類型，主要試驗(yàn)項(xiàng)目的檢測合格率如圖1所示。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，短路承受能力試驗(yàn)的合格率（79.7%）遠(yuǎn)低于其他試驗(yàn)項(xiàng)目，抗短路能力不足已成為配電變壓器的典型質(zhì)量問題。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同類型的鐵心，短路承受能力試驗(yàn)合格率差別較大，其中非晶合金配電變壓器的抗短路性能最差，檢測合格率僅為55.5%，詳見圖2。

2 短路承受能力試驗(yàn)數(shù)學(xué)模型

為簡化分析，下面以最簡單的情況——單相變壓器突發(fā)短路為例，采用簡化等效電路，對(duì)短路承受能力試驗(yàn)的原理進(jìn)行分析。單相變壓器突發(fā)短路等效電路如圖3所示[5]。

變壓器高壓側(cè)施加電壓，當(dāng)t=0時(shí)，開關(guān)閉合時(shí)，低壓側(cè)突發(fā)短路，此時(shí)：

式中：α為t=0突發(fā)短路時(shí)電壓u的初始相角;R和L分別為短路時(shí)變壓器的等值電阻和電感。

求解可得：

式中：為短路電流的穩(wěn)態(tài)分量;為短路電流的暫態(tài)分量;為穩(wěn)態(tài)短路電流的有效值，X=ωL為漏電抗;為阻抗

分析可得，當(dāng)初始相角α=0，即電壓過零時(shí)開關(guān)閉合，短路電流可達(dá)到最大值，此時(shí)有：

經(jīng)過半個(gè)周期即ωt=π時(shí)，短路電流ik達(dá)到最大值，此時(shí)有：

式中：為突發(fā)短路電流最大值與穩(wěn)態(tài)短路電流最大值之比。

據(jù)此類推，對(duì)于三相變壓器，如在某相繞組電壓過零時(shí)合閘，經(jīng)過半個(gè)周期后，可在該相繞組上得到最大的非對(duì)稱短路電流。

3 短路承受能力試驗(yàn)不合格情況分析

依據(jù)《電力變壓器 第5部分：承受短路的能力》（GB/T 1094.5—2008）[6]，被試變壓器滿足以下條件時(shí)，可認(rèn)為該變壓器短路承受能力試驗(yàn)合格。第一，短路試驗(yàn)的結(jié)果及短路試驗(yàn)期間的測量和檢查沒有發(fā)現(xiàn)故障跡象;第二，重復(fù)的絕緣試驗(yàn)和其他例行試驗(yàn)合格，雷電沖擊試驗(yàn)（如果有）合格;第三，吊心檢查沒有發(fā)現(xiàn)諸如位移、鐵心片移動(dòng)、繞組及連接線和支撐結(jié)構(gòu)變形等缺陷，或雖發(fā)現(xiàn)有缺陷，但不明顯，不會(huì)危及變壓器的安全運(yùn)行;第四，沒有發(fā)現(xiàn)內(nèi)部放電的痕跡;第五，以歐姆表示的每相短路電抗值與初始值之差不大于規(guī)定值。

對(duì)于配電變壓器，具體規(guī)定如下：如線圈為圓形同心式，試驗(yàn)前后相電抗偏差應(yīng)不超過2%（如低壓繞組為金屬箔繞制，且短路阻抗大于3%，則相電抗偏差允許有較大的值，但不大于4%）;如線圈為非圓形同心式且短路阻抗大于3%，則相電抗偏差應(yīng)不大于7.5%。

實(shí)際檢測發(fā)現(xiàn)，變壓器短路承受能力試驗(yàn)不合格，主要涉及5種不合格情形，依據(jù)2020年抽檢統(tǒng)計(jì)，各類不合格情形發(fā)生占比如表1所示，下面分別進(jìn)行簡單介紹。

需要注意的是，同一臺(tái)不合格變壓器試驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)兩種或以上不合格情形。例如，出現(xiàn)試驗(yàn)波形畸變時(shí)，相電抗偏差通常都已超出允許值。

①短路試驗(yàn)前后，相電抗偏差超出允許值。檢測過程中，每臺(tái)變壓器共需開展9次突發(fā)短路試驗(yàn)，每次試驗(yàn)后均需測量計(jì)算相電抗，以確定內(nèi)部繞組是否有較大變形。如某次試驗(yàn)后相電抗偏差超過允許值，應(yīng)立即停止試驗(yàn)，并進(jìn)行吊心檢查等故障排查工作。

以某臺(tái)型號(hào)為SBH15-M-400/10（非圓形同心式）的配電變壓器為例，該變壓器在1分接突發(fā)短路試驗(yàn)進(jìn)行到第2次時(shí)，試驗(yàn)前后相電抗測量如表2所示。

其中，A相相電抗偏差達(dá)到7.81%，超出允許偏差（7.5%），由此可判定該變壓器短路承受能力試驗(yàn)不合格。

試驗(yàn)前后相電抗超差是短路承受能力試驗(yàn)中出現(xiàn)頻次最高的不合格情形。大多數(shù)情況下，相電抗超差后的吊心檢查并不能發(fā)現(xiàn)明顯故障缺陷。這是因?yàn)橥氖阶儔浩鞯蛪豪@組在高壓繞組內(nèi)部，而吊心檢查只能觀測到高壓繞組外部，無法觀測到低壓繞組的具體變形情況。電壓電流波形一般也不會(huì)有明顯畸變，但電流有效值通常情況下已發(fā)生較大偏移。

②試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)波形異常。此種情況下，變壓器內(nèi)部通常已發(fā)生短路等嚴(yán)重故障，復(fù)測相電抗時(shí)，相電抗偏差通常已嚴(yán)重超標(biāo)。

如圖4所示，以某臺(tái)型號(hào)為SBH15-M-400/10的配電變壓器為例，該變壓器在3分接突發(fā)短路試驗(yàn)進(jìn)行到第1次時(shí)，試驗(yàn)波形異常，B、C相電流驟增。

相電抗復(fù)測時(shí)已達(dá)到兆歐級(jí)，如表3所示。初步判斷，變壓器內(nèi)部B、C相已發(fā)生相間短路。

③短路試驗(yàn)后，復(fù)測例行試驗(yàn)不通過。此種情況下出現(xiàn)最多的是外施耐壓試驗(yàn)不合格。

④短路試驗(yàn)后，吊心檢查發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。常見情形有鐵心移位、散落、繞組及連接線移位、斷裂等，如圖5、圖6所示。

⑤短路試驗(yàn)后，變壓器出現(xiàn)滲漏油等現(xiàn)象，如圖7所示。

4 結(jié)論

①抽檢統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，短路承受能力試驗(yàn)是目前配電變壓器不合格率最高的試驗(yàn)項(xiàng)目，而在各類產(chǎn)品型號(hào)中，非晶合金變壓器的抗短路性能最差。

②數(shù)學(xué)建模理論分析發(fā)現(xiàn)，在電壓過零時(shí)合閘，經(jīng)過半個(gè)周期后，可得到最大的非對(duì)稱短路電流。

③抽檢結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，短路承受能力試驗(yàn)不通過，主要有5類不合格情形。其中，相電抗偏差超出允許值是出現(xiàn)頻次最高的情形。

配變供應(yīng)商可借鑒本文中所述相關(guān)問題，從設(shè)計(jì)、制造等環(huán)節(jié)對(duì)產(chǎn)品加以改進(jìn)，以切實(shí)提升配變的抗短路性能，提高供貨質(zhì)量。

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