主變壓器抗短路能力不足的危害及應(yīng)對(duì)措施

鄒明浩

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司梅州供電局，廣東 梅州 514000）

近年來(lái)隨著用電量的不斷加大，主變壓器單臺(tái)容量持續(xù)增長(zhǎng)，電力系統(tǒng)中短路電流水平呈逐年上升趨勢(shì)，嚴(yán)重影響著主變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008—2018 年，廣東電網(wǎng)范圍內(nèi)因主變壓器抗短路能力不足引起的故障約占主變壓器故障總數(shù)的1/3左右，是造成主變壓器故障的主要原因。

為解決上述問題，2018年廣東電網(wǎng)依照網(wǎng)公司反事故措施的各項(xiàng)要求，對(duì)公司范圍內(nèi)運(yùn)行超過15年的110～500 kV 主變壓器開展抗短路能力專項(xiàng)核算，開展主變壓器抗短路能力不足專項(xiàng)整治及改造，從根本上避免因外部短路造成的主變壓器內(nèi)部受損故障。

1 基本原理

1.1 影響因素

據(jù)統(tǒng)計(jì)，廣東電網(wǎng)110～500 kV 主變壓器中有321 臺(tái)出廠年限超過15 年，其中2000 年以前的占59.5%。上述主變壓器出廠時(shí)只通過靜力學(xué)理論來(lái)計(jì)算短路電流閾值，未考慮其流過短路電流時(shí)的瞬時(shí)沖擊力，抗短路能力無(wú)法滿足現(xiàn)階段電網(wǎng)發(fā)展需求。此外，主變壓器長(zhǎng)久使用后，運(yùn)行環(huán)境及運(yùn)行狀態(tài)等會(huì)影響內(nèi)部構(gòu)件的安全性能和絕緣性能，易出現(xiàn)繞組變形、絕緣老化等質(zhì)量缺陷，降低主變壓器整體抗短路能力。

1.2 主要危害

110～500 kV主變壓器運(yùn)行負(fù)荷較大，在內(nèi)部構(gòu)件機(jī)械強(qiáng)度不足、線路絕緣性能欠佳等情況下，當(dāng)經(jīng)受短路電流沖擊時(shí)，會(huì)在繞組間產(chǎn)生短路熱效應(yīng)及電動(dòng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致主變壓器發(fā)生爆炸。

熱效應(yīng)。主變壓器運(yùn)行時(shí)受電流變化的影響，會(huì)出現(xiàn)空載損耗和負(fù)載損耗，造成主變壓器運(yùn)行溫度上升。此時(shí)，若主變壓器遭受外部短路故障，則瞬時(shí)電流增加，空載損耗和負(fù)載損耗驟升，短路電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)將直接造成主變壓器主絕緣擊穿和內(nèi)部損毀，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。

電動(dòng)力。主變壓器運(yùn)行時(shí)電流在繞組間產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，因電磁感應(yīng)在繞組中會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)，若主變壓器遭受外部短路故障，則瞬時(shí)電流增加，施加在繞組上的電動(dòng)力也隨之增加，當(dāng)超過閾值時(shí)將導(dǎo)致內(nèi)部繞組嚴(yán)重變形損毀。

2 診斷評(píng)估

2.1 診斷方法

廣東電網(wǎng)110～500 kV 主變壓器抗短路能力評(píng)估時(shí)通過組件檢驗(yàn)和性能評(píng)測(cè)兩部分開展。其中組件檢驗(yàn)主要進(jìn)行主變壓器的外觀構(gòu)件檢查，如套管絕緣、分接開關(guān)動(dòng)作、繼電器密封性、端子箱可靠性等，執(zhí)行DL/T 573—2021《電力變壓器檢修導(dǎo)則》標(biāo)準(zhǔn)，具體檢驗(yàn)項(xiàng)目如下：

套管。對(duì)電容型套管的油位、密封情況、緊固情況、完整性、清潔度進(jìn)行檢查，并進(jìn)行本體絕緣試驗(yàn)。

分接開關(guān)。檢查有載分接開關(guān)的切換開關(guān)、選擇開關(guān)、范圍開關(guān)、操作機(jī)構(gòu)箱等部件的絕緣狀況、功能性、緊固情況、完整性及清潔度等進(jìn)行檢查試驗(yàn)。

壓力釋放閥。檢查壓力釋放閥的完整性、清潔度、密封性、動(dòng)作正確性，并送往專業(yè)機(jī)構(gòu)校驗(yàn)。

氣體繼電器。對(duì)氣體繼電器的完整性、密封情況進(jìn)行檢查，并送往專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行校驗(yàn)。

溫度計(jì)。檢查溫度計(jì)的完整性、清潔度、指示準(zhǔn)確性，并送往專業(yè)機(jī)構(gòu)校驗(yàn)；檢查閥門各部件的完整性和密封性、清潔度。

閥門。對(duì)閥門各部件的完整性和密封性、清潔度進(jìn)行檢查。

端子箱。檢查端子箱表面油漆、清潔度，檢查端子完好性、密封性，并進(jìn)行絕緣電阻及防凝露加熱器試驗(yàn)檢查。

吸濕器。檢查吸濕器的油杯、玻璃罩的清潔度、完整性及吸附劑有效性。

性能評(píng)測(cè)則將通過主變壓器安裝點(diǎn)短路電流與主變壓器可承受短路電流進(jìn)行比較，判斷主變壓器是否存在抗短路能力不足缺陷。一般包括繞組基本參數(shù)、短路阻抗參數(shù)等測(cè)評(píng)指標(biāo)。繞組基本參數(shù)包括額定電壓、容量、出線方式、繞組形式、內(nèi)徑、匝數(shù)、幅向、墊塊、導(dǎo)線類型、導(dǎo)線參數(shù)、屈服強(qiáng)度等；短路阻抗參數(shù)包括短路阻抗的最正分接、額定分接、最負(fù)分接等。

本次綜合評(píng)估過程中利用廣東電網(wǎng)變壓器抗短路能力計(jì)算及管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其主要包括信息管理、短路電流水平咨詢、計(jì)算管理、數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)管理5 大功能模塊，分別完成信息維護(hù)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算、能力評(píng)級(jí)和綜合管控等一系列工作，如圖1所示。

圖1 廣東電網(wǎng)主變壓器抗短路能力評(píng)估系統(tǒng)架構(gòu)

上述平臺(tái)中利用ansys的有限元分析法構(gòu)建主變壓器模型，將基礎(chǔ)信息、運(yùn)行參數(shù)、電流數(shù)據(jù)等導(dǎo)入到模型中，進(jìn)行主變壓器承載能力的計(jì)算。同時(shí)，考慮動(dòng)態(tài)位移量、累積效應(yīng)因素等，建立衰減曲線，提升主變壓器抗短路分析的可靠性和準(zhǔn)確性。在對(duì)主變壓器抗短路能力進(jìn)行綜合評(píng)估后，根據(jù)具體情況，在歷史數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上提出了有效治理措施及建議，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

2.2 診斷結(jié)果

經(jīng)診斷校核，廣東電網(wǎng)110～500 kV 主變壓器出廠年限超過15 年的321 臺(tái)中，有111 臺(tái)存在抗短路能力不足缺陷，其中包括110 kV 主變壓器82 臺(tái)，220 kV主變壓器29臺(tái)。后續(xù)工作中須針對(duì)其評(píng)估結(jié)果進(jìn)行全面改造，以提升主變壓器的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

3 解決措施

3.1 技術(shù)方案

根據(jù)廣東電網(wǎng)110～500 kV 主變壓器抗短路能力不足缺陷情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出了更換新變壓器、返廠改造、現(xiàn)場(chǎng)改造或加裝限流電抗器等多種改造方式，具體改造方案如表1所示。

表1 廣東電網(wǎng)110～500 kV主變壓器改造方案

3.2 注意事項(xiàng)

3.2.1 更換繞組

在提升主變壓器整體抗短路能力時(shí)，整體更換后的繞組在原材料、結(jié)構(gòu)等方面應(yīng)滿足以下要求：

內(nèi)置式調(diào)壓線圈須采用半硬導(dǎo)線或者自粘換位導(dǎo)線，屈服強(qiáng)度不低于170 N/mm2，電流密度不高于3.5 A/mm2。

低壓繞組及自耦變壓器公共繞組線圈須采用（無(wú)氧）半硬導(dǎo)線或自粘性換位銅導(dǎo)線繞制，220 kV和500 kV變壓器所采用的半硬導(dǎo)線的拉伸屈服強(qiáng)度σ0.2不小于170 N/mm2，110 kV 變壓器所采用的半硬導(dǎo)線的拉伸屈服強(qiáng)度σ0.2不小于150 N/mm2。

內(nèi)側(cè)線圈須采用厚度≥3 mm、密度大于1.15 g/cm3的硬紙筒或機(jī)械強(qiáng)度更優(yōu)的材料做骨架筒，骨架筒在繞制線圈前應(yīng)進(jìn)行干燥定型處理。

線圈壓板宜采用整體壓板結(jié)構(gòu)，壓腳或壓釘?shù)膫€(gè)數(shù)不少于4個(gè)/相。

繞組設(shè)計(jì)應(yīng)使電流和溫度沿繞組均勻分布，并使繞組在承受全波和截波沖擊試驗(yàn)時(shí)得到最佳的電壓分布。

制造廠須提供主變壓器承受短路能力計(jì)算書，計(jì)算相關(guān)數(shù)值。

3.2.2 變壓器油的選用

所選用的主變壓器絕緣油應(yīng)是符合國(guó)標(biāo)GB 2536—2011《電工流體變壓器和開關(guān)用的未使用過的礦物絕緣油》、GB/T 7595—2017《運(yùn)行中變壓器油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，且不含腐蝕性硫。絕緣油除含有抗氧化劑外，不得含有任何添加劑。與油體相接觸的絕緣材料、膠、漆等與油應(yīng)有良好的相容性。

應(yīng)選用由環(huán)烷基原油提煉的變壓器絕緣油（25號(hào)/傾點(diǎn)-20 ℃）。

3.2.3 絕緣件設(shè)置

墊塊、撐條材料應(yīng)采用密度大于1.15 g/cm3的高密度紙板。

同一絕緣件所用的材料不應(yīng)混用。

3.2.4 密封件設(shè)置

主變壓器除箱沿外，所用橡膠密封件應(yīng)選用以丙烯酸酯或氟橡膠為主體材料的密封件，保證不滲漏油。所有密封圈應(yīng)有壓縮限位，在正常安裝情況下，外觀看不到密封圈。

所選用的丁氰橡膠密封件和丙烯酸酯密封件均應(yīng)按照GB/T 7759.1—2015《硫化橡膠或熱縮性橡膠壓縮永久變形的測(cè)定》進(jìn)行熱空氣壓縮永久變形試驗(yàn)和按照GB/T 7762—2003《硫化橡膠或熱縮性橡膠耐臭氧龜裂靜態(tài)拉伸試驗(yàn)》進(jìn)行耐臭氧龜裂靜態(tài)拉伸試驗(yàn)。