變壓器抗短路能力不足原因分析及治理措施研究

肖成健

（云南電網有限責任公司紅河供電局，云南 紅河 661100）

0 前言

電力變壓器是電網中的重要設備，其抗短路沖擊能力一直受到運行部門和制造廠商的高度重視。由于大電網建設的需要，變壓器的電壓等級和容量不斷增加，線圈的運行電流也隨之增大，電力變壓器近區短路，尤其是負載短路時，故障電流產生的巨大電磁力對變壓器繞組的危害極大[1]（見圖1、圖2）。

圖1 軸向抗短路能力不足

圖2 幅向抗短路能力不足

本文通過理論與實踐相結合的分析方法，找出了造成變壓器抗短路能力不足的四個方面原因，并給出了治理措施，為變壓器抗短路能力治理提供了技術措施，能有效消除或降低變壓器運行風險。

1 變壓器抗短路能力分析

當變壓器發生近區突發短路時，最大短路電流為額定電流的25~30倍甚至更大，根據通流導線在磁場中的受力基本計算公式：

式中：B為與導線相垂直的磁通密度，T；I為導線中的電流，A；L為導線的長度，m；W為繞組的匝數。

由式（1）推得幅向電磁力計算式為：

式中：Fx為幅向電磁力，N；μ0為洛氏系數；Idmax為最大短路電流幅值（即沖擊短路電流值ich），A；Lpj為每匝導線的平均周長，m；W為繞組的每相額定匝數，對有分接頭取中間位置時的匝數。H為繞組的實際高度，m。

由式（2）可知，短路產生在繞組間的電磁力和最大短路電流的平方成正比。短路時變壓器繞組要承受的巨大電磁機械力是正常運行時的幾百倍，而且產生極為迅速，通常在數十個毫秒內，斷路器還來不及切斷系統，巨大的電磁力可能使變壓器的繞組等許多構件損壞[3]。

某電網公司對在運的44組500 kV變壓器、256臺220 kV主變，742臺110 kV主變開展了抗短路能力校核。結果顯示1組500 kV變壓器中、低壓繞組抗短路能力不足；92臺220 kV變壓器抗短路能力不足，其中安全系數在0.7以下的有14臺，安全系數在0.7~0.9之間的有20臺，安全系數在0.9以上的有58臺；105臺110 kV變壓器抗短路能力不足，其中安全系數在0.7以下的有44臺，安全系數在0.7~0.9有43臺，安全系數在0.9以上的有18臺。變壓器損壞風險和電網運行風險極高。

綜合分析認為，造成變壓器抗短路能力不足的主要原因如下：

1.1 設計時對供電電源點的考慮不充分

有的廠家是按照一個繞組對的形式來計算變壓器的短路電流，比如按照高-中、高-低、中-低運行方式來計算各側短路電流的，此時相當于將三繞組變壓器簡化為雙繞組變壓器的形式進行考慮，一個電源點，一個負荷側；也有廠家是按照一側短路，另外兩側供電的方式來進行考慮的，比如低壓側短路，此時高、中壓側同時向低壓供電，中壓短路，高、低壓同時向低壓供電的方式計算。下面簡單說明考慮不同電源點接入時，短路電流計算過程中的差異。

圖3是在低壓側短路時，如果僅考慮一側供電時的等效電路圖。如果高壓側供電，中壓側無電源（懸空），相當于高壓的短路阻抗與低壓側短路阻抗串聯。同理，如果不考慮高壓側供電（懸空），僅考慮中壓側有電源接入，相當于中壓的短路阻抗與低壓側短路阻抗串聯，阻抗值相對較大。

圖3 高壓（中壓）供電時的等效電路

圖4是低壓側三相對稱短路時，高、中壓側共同對低壓供電時的等效電路圖，此時相當于高壓、中壓并聯對低壓供電，從等效阻抗的角度來看，相當于高、中壓的短路阻抗并聯后與低壓側短路阻抗串聯，阻抗值較僅考慮一側供電時要小得多。

圖4 高、中壓同時供電時的等效電路

現代電網中運行的變壓器，實際高、中壓側均有電源接入的情況較為常見，因此，在變器設計時，僅考慮在一側供電的條件下來計算變壓器遭受近區短路電流的能力顯然是不能滿足運行需要的。

1.2 材料選取不當

一是繞組采用雙螺旋換位導線，抗短路能力較差；二是導線材質較軟，抗屈服強度較差；三是繞組內徑側支撐骨架強度不夠，不能承受幅向壓縮短路力作用。

1.3 制造工藝控制不好

一是軸向壓緊時，壓釘擰緊不均勻，墊塊受力不均或松動；二是墊塊裝配時，同一繞組的撐條墊塊高度差控制不合理，導致各撐條上墊塊受力不均勻；三是鐵軛絕緣端圈上的墊塊應分布不均勻，位置公差控制不好；四是繞制繞組時，導線拉緊不均，造成線餅幅向不緊實[6]；五是干燥處理后同相繞組的高度公差控制不好，導致各繞組壓緊力不均勻；六是繞組套裝不夠緊實。

1.4 電網擴充使得系統阻抗變小

隨著電網規模的擴充，新的電源點不斷接入電網，系統阻抗值將變小，根據GB 1094.5短路電流計算公式：

式中：系統阻抗Zs與短路電流I成反比，即系統阻抗越小，短路電流越大，變壓器繞組承受的電磁機械力也就越大，變壓器越容易受損。

2 提高變壓器短路能力措施

提高變壓器短路能力措施主要包括以下幾個方面做工作，首先，對于新產品而言，廠家需要在設計、工藝及選材方面考慮足夠的裕度，來滿足變壓器運行中抗短路能力不足的問題；其次，對于已經投運的產品，并且已經確認該產品存在抗短路能力不足的問題時，主要可以從兩個方面來做工作，一是從限制短路電流方面來實現，從而達到提高變壓器抗短路能力的目的；二是從提高變壓器自身抗短路力方面入手，在不改變運行環境的條件下提高自身能力。

2.1 新產品設計時考慮因素

提高變壓器自身抗短路力，設備廠家主要考慮的手段包括設計、選材及工藝等方面，主要采用的措施有：

2.1.1 設計方面

1）變壓器設計時，要充分考慮變壓器一側近區短路時，另外兩側可能供電的方式，從工程設計單位獲取電網的系統規劃數據，據實計算變壓器繞組可能承受的最大穿越電流，并留有冗余量地校核變壓器抗短路能力，從源頭上采取技術手段提高變壓器自身的抗短路能力。

2）安匝平衡計算時，控制導線應力及軸向力的計算值在規定范圍以內，許用應力的取值，應考慮銅導線材質及力學性能的分散性[4]。

3）準確地選取與保持足夠的軸向預緊力，軸向預緊力不僅與繞組的軸向短路力有關，而且與繞組軸向高度上的絕緣材料有關。軸向預緊力既要大于計算出的最大軸向短路力，也要考慮不使線圈發生傾倒。

2.1.2 材料選取方面

1）選用半硬導線。將導線從軟導線變成半硬導線，實際上是提高導線抗屈服強度，在繞組受到短路沖擊時，可以提高變壓器線圈的抗短路能力；

2）選用自粘換位導線。線圈材質采用自粘換位導線，較其他導線抗短路能力更強；

3）選用硬紙筒做骨架。承受幅向壓縮短路力作用的繞組內徑側，要用硬紙筒做骨架，加強骨架和鐵芯之間的支撐。

2.1.3 制造工藝方面

1）對繞組進行軸向壓緊時，各壓釘要均勻擰緊，壓裝完成要檢查各繞組的壓緊情況，每個墊塊都要壓緊的不得松動[7]。

2）墊塊裝配時，要加強對各撐條上墊塊總高度進行控制，使各撐條上墊塊受力均勻，同一繞組的撐條墊塊高度互差控制在合理的范圍內[6]。

3）鐵軛絕緣端圈上的墊塊應分布均勻，位置公差控制在一定的范圍內，厚度要一致[6]。

4）在繞制繞組時，要求導線均應拉緊，以保證線餅幅向緊實[6]。

5）繞組采用恒壓干燥處理，以穩定繞組的軸向尺寸,控制同相繞組的高度公差，以便各繞組能均勻壓緊。

6）繞組套裝要緊實，尤其是內側繞組一定要撐緊，各撐條均不得懸空。

2.2 電網擴充造成在運變壓器抗短路能力不足

電網運行單位應根據電網運行方式安排定期開展在運變壓器的抗短路能力校核，對抗短路能力不足運行的變壓器，及時采取限流措施。在限制短路電流方面，電網通常可采取的措施包括：改變電力網結構、調整系統運行方式、安裝限流電抗器和加強設備運維等。

2.2.1 改變電力網結構

當更高一級的輸電網絡形成并不斷的發展以后，可以將原電壓等級的網絡作為配電網考慮分成若干區，輻射形接入更高一級的電網，大電廠直接接入更高一級的電網中[2]，如此一來，原有電壓等級電網的短路電流將隨之降低。

如：隨著500 kV、220 kV電網架的不斷完善，若某個區域內的某臺變壓器110 kV側抗短路能力不足，可考慮將該電壓等級網絡進行分層分區運行，這是限制該電壓等短路電流最直接最有效的方法，但是實行電網分區運行后, 解開了各片電網之間的聯系，導致供電可靠性明顯降低。

2.2.2 變電所采用母線分段運行

通過將變電站母線分段、系統分列運行、阻抗增大，能有效降低短路電流水平，故障線路切除后，通過備自投功能恢復母線和其他非故障線路運行。該措施實施方便，但是措施削弱了系統的連接，降低了系統的安全裕度和系統運行的可操作性，備自投成功后，母線負荷需要重新分配，短時可能引起負荷分配不均衡或母線電壓下降，導致低壓保護動作甚至損壞負荷側設備。

2.2.3 加裝變壓器中性點小電抗接地

在星形接線的變壓器中性點加裝小電抗并接地，正常方式下對變壓器和電網的運行沒有影響。三相短路故障方式下，加裝的中性點小電抗對于減輕短路電流效果較差，但是發生不對稱故障時，中性點小電抗對于限制短路電流的零序分量有明顯的效果。而且變壓器中性點加裝小電抗接地后，變壓器中性點較直接接地時的絕緣水平有較高的要求，對于零序阻抗有一定影響。

2.2.4 采用限流電抗器

加裝限流器增加系統的阻抗，以限制短路電流水平。加裝限流器主要有兩種方式，第一種是在變壓器低壓側直接串聯干抗，增加變壓器的阻抗；另一種方式是在加裝可控故障限流器，目前可控技術已開始應用于串聯電抗器中，正常時阻抗為零，在發生短路故障且電流流過限制裝置時以極短的時間觸發，阻抗增大，起到限制短路電流的效作用。但增加的電抗器在變壓器的保護范圍內，電抗器故障將啟動變壓器保護跳開各側斷路器，降低了變壓器的可用系數。

在不改變設備參數的情況下，綜合考慮各措施的影響因素及可行性，選擇在主變低壓側串聯限流器對系統安全穩定運行影響較小，也是較為經濟的方式。

2.2.5 改變設備參數,提高變壓器自身抗短路力

對已經運行了一段時間的變壓器，改變設備參數,提高自身抗短路能力的方法主要包括返廠處理和現場加固處理兩個方面。

1）返廠處理

返廠處理主要措施包括用現有的設計、工藝及原材料，針對變壓器繞組和內部附件進行改進，以達到提高變壓器抗短路能力的目的。主要的方法有安匝平衡的重新計算，采用安匝更為平衡的線圈布置方式；將原來導線換成半硬導線或自粘換位導線，支撐絕緣件采用更高強度的紙板作為支撐材料；將現有的恒壓干燥技術用于被改造變壓器的線圈裝配，進一步提升變壓器的抗短路能力。

2）現場加固

變壓器運行多年后，因絕緣件在油中長期浸泡后會有微小收縮，線圈軸向壓緊力會失去一部分，導致線圈圓周方向各點受力不均勻，線圈容易失穩，因此，在現場進行一次檢修和改造，對線圈上部壓緊機構進行微小調整，重新進行壓緊，也可以提高變壓器的抗短路能力；現場改造的具體操作分兩種情況：

①增加絕緣副壓板方法（針對單塊半圓或整圓絕緣壓板結構，見圖5）：先將干燥后泡好變壓器油的絕緣副壓板運至現場，然后對變壓器進行現場吊罩，松開壓釘，在原壓板上端增加二半塊絕緣副壓板，反90°放置（見圖6），再進行同步壓緊，同時，相間補加釬板，使線圈圓周方向各點受力均勻，可提升抗短路能力20%左右。

圖5 原絕緣壓板半圓結構示意圖

圖6 增加副壓板結構示意圖

②增加相間釬板方法（針對鐵壓板結構）：對早期的110 kV老變壓器，由于使用鐵壓板，其機械強度較絕緣壓板高很多，但因長期運行和沖擊影響，可能已失去一部分線圈軸向壓緊力，采用現場吊罩檢修方式，同時，在線圈上端用同步液壓地雷壓緊機構，重新調整壓釘軸向預緊力，并補加相間釬板（見圖7），使線圈圓周方向各點受力均勻，并恢復至出廠受力狀態。

圖7 鋼壓板調整壓釘軸向預緊力示意圖

某變壓器廠對以前改造過的各種型號的110 kV變壓器用加固方式進行現場改造前后的軟件計算驗證對比，早期變壓器的低壓繞組安全系數相對較低，在0.6左右，改造后使變壓器的安全系數有所提高（見表1）。

表1 三繞組變壓器加固壓板結構前后安全系數對比

2.2.6 加強設備運維，降低短路概率

對在運的尚未加裝限流電抗器和進行加固處理的抗短路能力不足變壓器，除調整系統運行方式限制短路電流外，還應加強設備運維，以降低短路概率，通常可從以下幾個方面入手：

1）對220 kV、110 kV主變壓器低壓側套管與低壓側過橋母線應全部采用絕緣材料包封，防止小動物或其它原因造成變壓器近區短路；

2）針對抗短路能力不足變壓器中、低壓側的電磁式電壓互感器，應滿足勵磁特性要求，防止因電壓互感器損壞導致主變近區短路；另一方面，電磁式電壓互感器發生諧振消除后(特別是長時間諧振后)，應進行勵磁特性試驗并與初始值比較，其結果應無明顯差異。

3）針對抗短路能力不足變壓器中、低壓側開關柜，一是對柜內硬母線采用絕緣材料包封，防止小動物或其它原因造成變壓器近區短路；二是加強開關柜的日常運維和巡視，同時結合預試定檢數據分析開關柜的狀態，重點關注開關柜局放數據，發現異常及時分析原因并處理；

4）加強抗短路能力不足變壓器中、低壓側出線線路進站5 km范圍內的線路運行維護，特別是客戶資產線路，以降低主變近區短路概率。

5）針對運行超過15年的110 kV及以上主變，應根據每年核算的主變可能出現的最大短路電流情況，對主變抗短路能力進行校核，對于最大短路電流超標的主變，應及時落實設備風險防控措施。

6）變壓器交接、大修和近區或出口短路造成變壓器跳閘時應進行繞組變形試驗，防止因變壓器繞組變形累積造成的絕緣事故。對判明線圈有嚴重變形并逐漸加重的變壓器，應盡快吊罩檢查和檢修處理，防止因變壓器線圈變形累積造成的絕緣事故[5]。

3 結束語

通過對變壓器抗短路能力分析，找出了造成變壓器抗短路能力不足四個方面的原因，并從變壓器設計、材料選擇、造成工藝三個方面提出了提高新變壓器抗短路能力的方法。針對在運的抗短路能力不足的變壓器，從改變電力網結構、調整系統運行方式、安裝限流電抗器和加強設備運維等4個方面有針對性地提出了治理措施，相關方法和措施具體可行，操作性強，為變壓器抗短路能力治理提供了技術措施，能有效消除或降低變壓器運行風險。