近區(qū)短路對主變壓器的影響及管控措施研究

劉德坤，張國瑞，李志超，何方明，郭兆光，王家蓬

（國網(wǎng)北京通州供電公司，北京 100149）

0 引言

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，電力變壓器發(fā)揮著極其重要的作用，是電壓變換和電能分配環(huán)節(jié)不可或缺的核心組成部分。隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，電網(wǎng)容量也在連年增長，給變壓器的長期穩(wěn)定運行帶來了巨大的挑戰(zhàn)。為了持續(xù)可靠地為全社會提供高質(zhì)量的供電服務(wù)，盡最大努力避免變壓器發(fā)生故障已經(jīng)成為電力系統(tǒng)運營維護(hù)的重要工作內(nèi)容之一。然而變壓器在長期高負(fù)荷運行的情況下，故障可以說是必然的，只是概率大小而已。因此，對變壓器故障進(jìn)行分析并探討有效的預(yù)防措施，對于電網(wǎng)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。結(jié)合事故實例，給出分析、檢查和處理過程

1 變壓器故障及試驗情況

1.1 故障概況

故障變壓器所在變電站有2 臺主變，其中110 kV 系統(tǒng)為單母線分段運行，2#主變本體重瓦斯保護(hù)動作跳閘，112、202 分閘，母聯(lián)245 自投成功，2#變負(fù)荷由1#主變帶出，該變電站單電源、單主變運行。

1.2 試驗情況

1.2.1 設(shè)備主要參數(shù)

該變電站2#主變1991 年出廠，額定容量為31 500 kV·A，型號為SFZ9-31500/110，接線組別為YN.d11，冷卻方式為自然油循環(huán)風(fēng)冷。

1.2.2 油色譜試驗情況

試驗結(jié)果見表1，可以看出，氫氣、乙炔、總烴均已超過正常值。上次油色譜分析時間為2020 年6 月30 日，測試結(jié)果正常。

表1 油色譜分析結(jié)果

1.2.3 電氣試驗情況

對變壓器繞組特性、絕緣電阻、電容及介損、高壓直流電阻進(jìn)行測試，特性曲線如圖1、圖2 所示。測試結(jié)論如下：

圖1 2#變壓器高壓繞組頻率響應(yīng)特征曲線

圖2 2#變壓器低壓繞組頻率響應(yīng)特征曲線

（1）2#主變低壓繞組對地、對鐵芯絕緣電阻不合格。

（2）2#主變低壓繞組整體介損、電容值不合格，且存在放電現(xiàn)象。

（3）2#主變低壓繞組直流電阻嚴(yán)重超標(biāo)。

（4）2#主變高壓、低壓繞組變形，波形基本與2007 年修后試驗相同，但相對系數(shù)較差。

2 故障原因分析

變壓器短路沖擊累積效應(yīng)的最大特點是給變壓器帶來可累積且不可逆的負(fù)面影響，在短路沖擊狀態(tài)下，變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)微小的損傷，并且每次短路沖擊造成的這種損傷都會進(jìn)行累加，當(dāng)其損傷程度達(dá)到特定閾值時，變壓器就會永久失效。單次的短路沖擊對變壓器的影響是微小的，不影響其正常工作，但長期的短路沖擊累加會導(dǎo)致變壓器永久性損壞。

短路沖擊累計效應(yīng)又可以進(jìn)一步細(xì)分為熱效應(yīng)和短路力效應(yīng)，因此在分析此類故障問題時應(yīng)牢牢把握這兩種關(guān)鍵的物理效應(yīng)逐一進(jìn)行排查，作用機(jī)理如圖3 所示。

圖3 短路沖擊累積效應(yīng)作用機(jī)理

對于變壓器繞組而言，其形變可能是彈性的，也可能是非彈性的，這主要取決于其所受沖擊力的大小。如果沖擊力在繞組材料的屈服極限之內(nèi)，則繞組所產(chǎn)生的變形是可逆的；當(dāng)沖擊力足夠大時，繞組形變將會超出材料的屈服強(qiáng)度而發(fā)生塑性形變，并且這種形變會逐步累積起來，進(jìn)而導(dǎo)致繞組的永久性破壞，引發(fā)變壓器故障。

根據(jù)短路電流的瞬變函數(shù)進(jìn)行理論分析不難發(fā)現(xiàn)，短路故障發(fā)生后的0.01 s 就會出現(xiàn)電磁載荷峰值，此后逐步衰減，盡管電磁載體持續(xù)存在，然而，材料塑性區(qū)會產(chǎn)生一種強(qiáng)化效應(yīng)而阻止繞組繼續(xù)出現(xiàn)塑性形變。在此情況下，峰值能量仍然是短路累積效應(yīng)電磁載荷的主要成分。而短路沖擊時長主要決定了熱效應(yīng)的積累。

根據(jù)2015 年電氣試驗數(shù)據(jù)及2020 年6 月油色譜分析數(shù)據(jù)判斷2#變運行情況正常，對比本次試驗結(jié)果，判斷為變壓器低壓繞組絕緣絕緣損壞。

3 防止突發(fā)短路故障造成變壓器損壞事故的措施

3.1 防止變壓器出口短路的技術(shù)措施

（1）對10 kV 線路進(jìn)行重點監(jiān)測，尤其要關(guān)注其所帶設(shè)備的運行狀態(tài)，避免出現(xiàn)短路問題，特別是要減少近區(qū)短路故障的概率。

（2）防止小動物的入侵。變壓器的中低壓側(cè)可以考慮安裝絕緣熱縮套，也可以將原有材料升級為絕緣銅管母線。根據(jù)變壓器兩側(cè)母線的軟硬類型，相應(yīng)安裝絕緣熱縮套。如果變壓器低壓套管到開關(guān)柜距離比較長，建議更換為絕緣管母線。

（3）采取有效措施抑制單相接地時發(fā)生諧振過電壓：①對電容電流超過規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)的，加裝消弧線圈或者自動調(diào)協(xié)消弧線圈；②為減小鐵磁諧振過電壓的不良影響，可以在電壓互感器的二次開口三角安裝一個消諧器，最大限度地防止高壓熔絲和電壓互感器受到破壞；③在一次中性點對地位置另外安裝一個阻值較小的電阻器，也可以根據(jù)需要選用非線性消諧電阻。

（4）持續(xù)優(yōu)化變壓器的參數(shù)設(shè)置。變壓器的保護(hù)主要依靠自動化裝置，目前廣泛采用微機(jī)控制和主備保護(hù)裝置，再配合專門設(shè)置的母線差動保護(hù)和失靈保護(hù)裝置，可顯著改善變壓器保護(hù)裝置的綜合性能。在中低壓側(cè)，還可以安裝限時速斷保護(hù)裝置，確保故障狀態(tài)能夠迅速隔離故障點。

（5）做好變壓器選型工作，盡量采用高性能產(chǎn)品，尤其是大電源附近的變壓器，更要提升短路阻抗和抗出口短路能力，優(yōu)化主接線方式，有效限制短路電流。

3.2 防止變壓器出口短路的管理措施

（1）在設(shè)計階段，綜合考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)、設(shè)備參數(shù)和電網(wǎng)條件，結(jié)合理論計算和實際經(jīng)驗做好變壓器選型工作。在選型決策之前，要按照設(shè)備出廠時提供的短路試驗報告以及抗短路能力動態(tài)計算報告，分析該型號產(chǎn)品能否滿足當(dāng)前電力系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

（2）在生產(chǎn)階段，要加強(qiáng)大型變壓器產(chǎn)品的質(zhì)量管控，必要時安排專業(yè)技術(shù)人員深入生產(chǎn)線對繞組、總裝等關(guān)鍵工序進(jìn)行監(jiān)造，確保產(chǎn)品質(zhì)量滿足設(shè)計要求，并且防止產(chǎn)品的缺陷和隱患流入后續(xù)的交付環(huán)節(jié)。在變壓器的運輸環(huán)節(jié)，還要做好嚴(yán)格的防護(hù)和物流跟蹤。

（3）在檢修階段，要高度重視變壓器保護(hù)的校驗和傳動，根據(jù)相關(guān)規(guī)程全面落實繼電保護(hù)的定值和保護(hù)壓板的管理規(guī)定，提高保護(hù)裝置動作的靈敏性和可靠性。

（4）如果現(xiàn)有的變壓器在抗外部短路強(qiáng)度性能指標(biāo)上不夠強(qiáng)，而且在發(fā)生短路故障之后不能自動消除影響，那么在其2 km 以內(nèi)的架空線路上盡量不要設(shè)置重合閘裝置，因為重合閘一旦動作失敗就會給電網(wǎng)帶來更為嚴(yán)重的危害。如果電路由于短路而發(fā)生跳閘，必須按照相關(guān)規(guī)定開展變壓器的試驗檢查工作。

（5）定期維護(hù)避雷器，使其始終保持良好的工作狀態(tài)，在出現(xiàn)雷擊現(xiàn)象后，能夠可靠地對過電壓進(jìn)行緩沖，防止高壓雷擊直達(dá)變壓器核心部件造成永久性損壞。

（6）定期開展設(shè)備紅外、局放等狀態(tài)檢測活動，尤其是在負(fù)荷高峰時段更要及時跟蹤設(shè)備狀態(tài)，采用自動化監(jiān)測手段隨時掌握其運行情況。

（7）在電網(wǎng)規(guī)劃環(huán)節(jié)要科學(xué)設(shè)計電網(wǎng)的運行模式，從設(shè)計的角度減小短路電流的影響，避免短路對變壓器造成永久性損壞。

（8）加強(qiáng)高壓試驗工作及油務(wù)監(jiān)督工作，嚴(yán)禁設(shè)備超周期運行。