內蒙古電網變壓器抗短路能力核算與評估

胡耀東，郭紅兵，付文光，鄭 璐

（1.內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；2.內蒙古自治區高電壓與絕緣技術企業重點實驗室，呼和浩特 010020）

0 引言

變壓器是電力系統的關鍵設備，其健康狀態直接影響電力系統的安全穩定運行。變壓器在運行時有可能遭受短路沖擊，流經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力，若變壓器的抗短路能力不足，繞組將出現鼓包、扭曲、形變等現象，嚴重時還會發生線圈燒毀、斷股、匝間短路等事故，造成巨大的經濟損失。2019年內蒙古電力科學研究院進行變壓器抗短路能力排查工作，科學評估了變壓器可耐受短路電流能力，為針對性地開展運維檢修提供可靠的數據支撐。

1 變壓器抗短路能力評估原理

1.1 短路過程建模

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

圖1 單相雙繞組變壓器低壓側發生短路等效電路圖

圖2 短路電流仿真波形

1.2 短路時繞組受力分析

變壓器發生外部短路時，繞組中的某段導體周圍磁場可視為均勻的，在磁場中受到的電動力可看作無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 為導體長度的微分，電磁力的方向由左手定則確定。

同心式繞組中流過電流產生的漏磁通以軸向漏磁通為主[1-2]，繞組某點在軸向漏磁通與電流作用下受到的電磁力F可分解為橫向電動力Fq（徑向力）和縱向電動力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力

短路發生時繞組受到的電動力與流過的電流成正比，當電動力達到繞組及附件的機械強度臨界值時，流過繞組的電流有效值即為短路電流限值。在設備采購環節電力企業向制造廠家提供安裝位置的系統短路視在容量，用以計算短路電流；制造廠家在產品交付時向電力企業提供產品的短路電流限值承諾值，但是該數據多為廠家的理論計算結果，部分廠家提供的數據過大。

1.3 評估方法

本文基于實際電網運行環境的變壓器短路電流計算數據，對比該變壓器的短路電流限值，評估變壓器當前可耐受短路電流的能力。相同廠家、相同型號、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，抗短路能力評估的關鍵在于建立變壓器可承受短路電流限值的樣本數據庫。

2 變壓器可承受短路電流限值數據庫

變壓器可承受短路電流限值數據庫通過2個途徑建立：一是對制造廠家承諾的短路電流限值進行修正，二是統計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計及修正

變壓器制造廠家的抗短路能力計算軟件各不相同，輸入相同的設計參數，也會出現計算結果不一致的情況。使用制造廠家提供的短路電流限值時，應按照統一的標準對其采用修正系數進行修正。各制造廠家修正系數獲取過程如下[4]：選取1臺變壓器在實驗室進行短路試驗，不斷加大短路電流，直至各繞組發生顯著變形，記錄各繞組實際可承受電流值，將其與各制造廠家計算的短路電流限值對比，得到各制造廠家算法的修正系數。

2.1.1 被試變壓器參數

被試變壓器由沈陽變壓器廠于1994 年生產，1995 年投運。該變壓器運行后，未經歷重大事故，運行情況良好，各項試驗指標均處于正常水平。被試變壓器的參數及沈陽變壓器廠提供的可承受短路電流限值計算值如表1所示。

表1 被試變壓器參數

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各個相的短路電流，控制短路時間，使用阻抗法測量變壓器的繞組變形情況，當電抗初始變化率大于1.6%或具有明顯變化趨勢時停止試驗繞組的通流。

2.1.2 試驗結果

通過試驗得出被試變壓器實際能夠承受的最大短路電流為：中壓側2.8 kA，低壓側12.12 kA。因此沈陽變壓器廠生產的變壓器中壓側的抗短路能力修正系數為2.8/1.95≈1.44，低壓側的修正系數為12.12/10≈1.21。

以下舉例說明修正系數的意義。將被試變壓器設計參數交付A 廠家進行計算，假設A 廠家計算的可承受短路電流限值為中壓側5.6 kA，低壓側24.24 kA，已知被試變壓器真實耐受電流為中壓側2.8 kA，低壓側12.12 kA，則A廠家中壓側、低壓側的抗短路能力修正系數為0.5、0.5，可認為A廠家計算值比實際值大（2倍）。同樣，A廠家利用自己的算法對其生產的變壓器進行短路電流限值計算，也比實際值大（2倍），在考查其抗短路能力時，中、低壓側實際耐受電流應為計算值的一半（乘以修正系數0.5）。

將此變壓器設計參數交由其他制造廠家進行計算，得到部分修正系數如表2所示。

表2 部分變壓器制造廠家短路電流限值修正系數

將制造廠家的各型號變壓器短路電流限值計算值乘以表2 的修正系數進行修正，得到更為準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據庫。

2.2 基于故障案例的變壓器短路電流限值

內蒙古電力科學研究院從2016 年起開展主變壓器精確評價，已診斷出16臺主變壓器繞組發生了顯著變形（220 kV 變壓器5 臺、110 kV 變壓器11臺），有15臺已得到返廠解體驗證。統計16臺變壓器的短路阻抗和母線短路電流，可以計算得到變壓器各個繞組流經的最大短路電流，可作為相同廠家、相同型號及相同批次的其他變壓器抗短路能力評估的基礎數據，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據庫，據此可對全網變壓器的抗短路能力進行全面的核算與評估。

3 變壓器抗短路能力評估過程

3.1 抗短路能力管控平臺評估

變壓器的外部短路分為三相短路、相間短路、兩相接地短路及對地故障短路，任何電壓等級的繞組均可能發生以上形式的短路故障，故障相直接承受流經故障位置的短路電流，而其余繞組盡管未發生短路故障，由于變壓器內部繞組存在電路連接或多臺主變壓器存在高、中、低壓的并聯關系，當故障繞組流過短路電流時，其余繞組依然可能流過相當大的電流，因此在不同的短路形式下需要對流經每個電壓等級繞組的短路電流進行計算，同時對全網220 kV 變壓器完成抗短路能力評估。可借助專業的短路電流計算工具進行統一計算。

內蒙古電網變壓器抗短路能力管控平臺從系統側出發計算變壓器短路電流，對變壓器的外部系統進行等值計算，通過母線短路電流和變壓器參數反推系統等值阻抗，根據系統阻抗和變壓器參數求得各種短路情況下流過變壓器的短路電流，同時對影響變壓器短路電流的因素進行分析。

內蒙古電網變壓器抗短路能力管控平臺的輸入參數為運行單位，變電站名稱，變壓器運行編號、容量、類型、額定電壓、短路阻抗、聯結方式、是否為自耦變壓器、制造廠、出廠時間、出廠編號、型號、各繞組中性點接地方式、各側母線編號及其并聯母線編號、各繞組母線三相單相短路電流及中、低壓側限流電抗器阻值等。短路電流計算結果包括三相/單相短路故障時故障繞組和非故障繞組流過的短路電流，通過對比數值大小，篩選各個電壓等級繞組可能遭受的最大短路電流，如圖4所示。

圖4 各個電壓等級繞組短路電流最大值統計過程

將變壓器各個電壓等級繞組可能遭受的最大短路電流與各個電壓等級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，說明該變壓器無法承受電網的最大短路電流，變壓器有非常高的概率發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，說明變壓器的抗短路能力滿足要求，符合當前系統容量下安全穩定運行的條件。

3.2 國網變壓器抗短路中心評估

委托國網變壓器抗短路中心對變壓器抗短路能力管控平臺初步篩選出的變壓器進行再次校核，通過匯總分析，形成最終的變壓器抗短路能力評估結果。

3.3 裕度系數

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概念，如式（3）：

式中：K—裕度系數，包含高、中、低壓側裕度系數；

ILimit—變壓器某側繞組可承受的短路電流限值；

Ishort_circuit—同側繞組可能遭受的最大短路電流。

根據抗短路能力管控平臺評估邏輯，抗短路能力不足的變壓器某側的裕度系數K值小于1。對抗短路能力不足的變壓器根據K 值由低到高進行排序，即可對變壓器抗短路能力不足和改造的緊迫程度進行量化，變壓器的抗短路能力裕度系數越低，說明變壓器在發生短路故障時繞組損壞的風險概率越高，變壓器抗短路能力提升與改造的需求也更迫切[4]。

4 應用實例

在內蒙古電網開展了110 kV 及以上電壓等級的變壓器抗短路能力核算與評估。為驗證評估結果的可行性和準確性，對部分評估結果顯示抗短路能力不足的變壓器進行返廠檢修與繞組變形現場診斷，部分統計情況如下。

4.1 實例1

某變電站4號主變壓器于2006年12月生產，型號為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估結果為：裕度系數0.623，抗短路能力不足。返廠吊罩后，高壓線圈中部線餅導線向外彈出變形，線圈多處絕緣污染發黑，U 相平衡線圈上下端部若干線餅均有嚴重傾倒現象，如圖5所示。

4.2 實例2

某變電站3 號主變壓器于2006 年9 月生產，型號為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估結果為：裕度系數0.623，抗短路能力不足。返廠吊罩后，3號主變壓器的平衡線圈上方繞組存在向內傾倒現象，說明在短路故障發生時，變壓器沿軸向和幅向均發生巨大震動，導致線圈移位。

圖5 主變壓器U相平衡線圈上下端部線餅傾倒變形

4.3 實例3

某變電站2號主變壓器于2005年10月生產，型號為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估結果為：裕度系數0.92，抗短路能力不足。現場對2 號主變壓器進行繞組變形試驗，短路阻抗中-低初值變化率為1.48%，中壓-低壓最大相對互差為2.03%（大于注意值2%），電容量試驗中中壓-其他電容初值變化率為-0.75%。根據DL/T 1093—2008《電力變壓器繞組變形的電抗法檢測判斷導則》[5]，2 號主變壓器中壓繞組發生了輕微變形。

4.4 實例4

某變電站2 號主變壓器于2004 年7 月生產，型號為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估結果為：裕度系數0.52，抗短路能力不足。現場對變壓器進行繞組變形試驗，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DL/T 1093—2008《電力變壓器繞組變形的電抗法檢測判斷導則》，2號主變壓器低壓側繞組發生了輕微變形。

通過返廠解體與現場診斷試驗，抗短路能力評估準確預測了上述變壓器的運行風險，抗短路能力評估方法的有效性得到了驗證。

5 治理建議

建議對抗短路能力不足的變壓器按照裕度系數由低到高有序開展治理措施：

（1）供電單位對所轄范圍內抗短路能力不足的變壓器及時進行精確評價，掌握變壓器繞組的變形程度；

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

（3）改變系統運行方式，降低系統的短路電流水平；

（4）加裝限流裝置，降低流過繞組的短路電流；

（5）在必要時開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題。

6 結束語

通過在內蒙古電網開展110 kV 及以上電壓等級的變壓器抗短路能力核算與評估，為實施變壓器抗短路能力改造提供了技術依據，實現了變壓器故障從事后處理到事前防范的重大轉變，有效提升了變壓器狀態評價與檢修決策水平。