電力變壓器低壓側短路特點分析與解決方案

王凱

摘要：近年來，低壓載荷不斷提高，同時出口負荷的復雜性逐漸增加，導致因變壓器低壓側出口短路引起的變壓器損壞故障，已經成為影響電力系統可靠運行的重要因素。在低壓側故障中，不同的電壓級別會造成不同程度的損壞，且不同等級電壓變壓器中運用的低壓技術要求和運行環境也并不相同。電力變壓器是電網的重要組成部分，同時也是重要主設備，如果發生故障將對系統運行安全帶來較嚴重的影響。基于此，本次研究以電力變壓器低壓側短路特點為研究對象，集中分析電力變壓器低壓側短路特點以及可靠性，以期為改善電力變壓器低壓側短路的問題提供相應的參考。

關鍵詞：電力變壓器;低壓側短路;特點分析

在傳統的研究以及理論下，對三繞組電力變壓器低壓側載流在基于負荷情況下，進行性能評估以及安全性評估，其中基本原則滿足正常運行或者短時過載下的溫升條件[1]。電力變壓器是電網的重要組成部分，同時也是重要主設備，如果發生故障將對系統的運行安全帶來影響。基于此，本次研究以電力變壓器低壓側短路特點為研究對象，集中分析電力變壓器低壓側短路特點以及可靠性的提升，為改善電力變壓器低壓側短路的問題提供相應的參考。具體分析如下：

1 低壓短路故障特點分析

短路故障一般分為平衡繞組短路和低壓短路。平衡繞組短路電流為零序電流，同時不存在出口三相短路工況，與本文所討論的低壓出口短路存在本質差異，不屬于本文分析研究范圍。低壓帶有負荷，三相引出，同時存在出口短路的可能性，需要重點關注[2]。高壓側與中壓側聯合供電，低壓側短路工況對低壓繞組的電流沖擊最為嚴重，在較早期的分析研究中，僅研究了高壓供電低壓短路的故障情況。

時代不斷發展，低壓側短路逐漸受到科研人員的重視，且進行了具有針對性的研究，經過不斷深入分析與探討，得出低壓側短路具有以下四種情況：一、由于低壓角接的原因，導致出口單相接地短路電流較小，這種工況不構成對變壓器的破壞損傷，可以忽略;二、在兩相相間、兩相接地和三相對稱短路工況下，對低壓故障相的沖擊基本相似，均是最大沖擊電流以及低壓短路容易出現嚴重的沖擊狀態;三、低壓出線相間絕緣距離相對較小，其中異物、開關柜故障都可能導致絕緣擊穿，從而引起低壓側短路故障，發生幾率相對較高，且容易發展成為三相對稱短路的情況;四、低壓側保護動作時間相對于高壓側和中壓側保護動作時間相對較長。

2 變壓器短路沖擊作用特點

變壓器短路沖擊作用特點主要為：半容量承受較大沖擊、動熱效應綜合作用明顯以及內繞組結構特點與受力。變壓器低壓側短路對變壓器沖擊較嚴苛，主要針對性從變壓器的作用特點進行加強，同時對防短路沖擊措施進行分析與研究。半容量承受的沖擊相對較大，變壓器沖擊電流倍數較其他運行方式增加了一倍以上[3]。且動熱效應綜合作用明顯，同時在持續的大電流沖擊作用下，短路故障后熱效應與機械效應綜合作用更具有明顯性，沖擊損壞面會發生擴大的情況，且可能迅速發展成內部的匝間或餅間短路，從而導致損壞變壓器。由于動熱效應的綜合作用，短路損壞現象將出現明顯特征，具體特征因長時間短路產生熱能作用在繞組上，此過程根據標準按絕熱考慮，同時根據相關的實驗研究結論，自粘漆在120°C以上粘合程度會迅速下降，進而會導致導線整體強度與剛度降低。導線絕緣紙局部熱老化與機械累積作用會形成局部破損，將發展為繞組內部的匝間或者餅間短路，具體表現為故障后低壓的絕緣碳化，局部導線會發生變形以及熔斷的現象。

3 優化方案與提升策略

根據以上的綜合情況分析，三繞組變壓器低壓短路運行工況惡劣、短路電流大以及單次沖擊時間較長等外部不利因素，結構上存在阻抗偏小、額定容量低于全容量以及繞組壓緊系統控制難等缺點，將會呈現出短路工況下幅向及軸向機械力大、動熱效應綜合作用、累積破壞性強等特點[4]。電網安全的運行中低壓側短路起到重大作用，近年來，研究人員對低壓側短路問題逐漸加強重視具體通過以下方案增強安全性：（1）低壓出線“絕緣化”處理，具體進行變壓器低壓出線附加絕緣，降低低壓近區短路的概率，同時減少短路對變壓器的沖擊次數;（2）變壓器采用高阻抗變壓器，以此可以達到減小沖擊電流幅值的目標，其中實現形式包括串抗結構、高壓內置結構和分裂繞組結構。（3）可以加強繼電保護的保護措施，以此降低動作的延時情況，減少機械累積與短路熱效應之間相互影響。（4）導線方面整體采用高屈服強度高耐溫等級的自粘性換位導線，從整體“骨架”上進行提升抗低壓短路沖擊的能力。（5）可以從結構上加強低壓繞組抗短路能力，做到有效支撐和軸向壓緊的合理性。

在上述分析的基礎上還可以開展更為宏觀與全局治理與優化，具體可以從以下幾個方面進行：（1）對于低壓額定容量可以根據運行方式進行選擇比例，使比例的選擇更具有合理性，期間如果出現低壓側存在出口處短路的概率，考慮額定容量時就不能僅考慮負荷限制這一方面，如果是普通抗阻的情況，應提升至全容量[5]。如果是1/3容量或者是更低容量的變壓器，僅適合高阻抗變壓器或者平衡繞組的結構;（2）通過改變高阻抗變壓器高于低阻抗變壓器造價的傳統觀念，成本是影響性能的重要因素，普通阻抗變壓器在考慮抗短路能力時沒有任何優勢，在同等條件下，同時滿足短路可靠性的前提下，成本可能高于高阻抗變壓器;（3）可以推廣使用高溫自粘性換位導線和耐熱絕緣材料，可以使導線以及絕緣材料在短路熱效應的作用下仍然能保持較好的機械性能，從而減少熱效應對動穩定能力的影響。（4）產生短路故障的原因較多，應對可能產生短路累積效應的因素進行必要的時間和數據進行記錄。低壓側短路沖擊相比其他沖擊更容易達到較嚴重的程度，沖擊累積作用相較明顯，在出現短路故障后，對故障應進行合理的評估，然后在進行投運。

結語

本次研究分析了電力變壓器低壓側短路特點，減少沖擊次數、采用高阻變壓器、加強繼電保護措施、采用高屈服強度高耐溫等級自粘性換位導線，豐富了關于電力變壓器低壓側短路特點的研究成果，并為其他變壓器改善電力變壓器低壓側短路的問題提供了參考，關于這一問題還可以通過具體試驗的數據分析進行研究，以此提升電力變壓器抗低壓側短路的次數。

參考文獻

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