電力變壓器短路故障原因分析與預(yù)防措施
0 引言
在電力系統(tǒng)中，變壓器作為電力系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，其運(yùn)行的可靠性如何，直接關(guān)系到電網(wǎng)系統(tǒng)能否安全運(yùn)行。近年來，變壓器發(fā)生的事故較多，2001年度變壓器事故按原因統(tǒng)計表明，變壓器事故損壞的主要原因是外部短路故障及變壓器密封不良導(dǎo)致設(shè)備進(jìn)水受潮、設(shè)計及制造工藝不良、過電壓、安裝工藝不良、誤操作等。外部短路故障引起變壓器損壞是電力變壓器事故的首要原因，而變壓器本身抗短路能力不夠是造成設(shè)備損壞的主要原因。筆者曾參加110KV沙星變電站＃2主變的事故分析和事故處理，下面就以此事例作一說明。
1 事故過程
110KV沙星變電站＃2主變型號為SFZ8－40000／110，該變壓器于2000年6月15日投產(chǎn)。2001年8月23日16：50分，10KV饋線遭受雷擊，10KVF5出線電纜頭與架空線連接處避雷器爆炸，電流速斷保護(hù)動作，0．2秒F5開關(guān)保護(hù)動作，開關(guān)跳閘，經(jīng)過2．0秒開關(guān)自動重合閘，F(xiàn)5開關(guān)自動合上，0．775秒F5開關(guān)再次跳閘，2．23秒變壓器復(fù)合電壓保護(hù)動作，跳10KV分段開關(guān)，同時變壓器瓦斯繼續(xù)電器保護(hù)動作跳主變高低壓開關(guān)，事故過程保護(hù)動作一切正?！，F(xiàn)場我們對變壓器進(jìn)行吊罩檢查發(fā)現(xiàn)：變壓器低壓側(cè)B相中部嚴(yán)重變形，造成匝間短路，且A、C相也幅向變形嚴(yán)重。
2 事故分析
經(jīng)過分析認(rèn)為：該變壓器低壓繞組的繞制采用軟紙筒而不是采用硬紙筒繞制，幅向強(qiáng)度不夠。另外線路短路受多次重合閘的沖擊也是變壓器變形損壞的原因之一。
理論分析表明：變壓器線圈通常是由以絕緣墊塊隔開的紙包銅或鋁線段所構(gòu)成的。這種系統(tǒng)的動特性在發(fā)生突發(fā)短路時是變化的，由于絕緣墊塊的彈性與其壓緊程度有關(guān)，即與作用力有關(guān)。而電動力是按復(fù)雜的規(guī)律變化的，作用在變壓器線圈上的電動力可分為軸向力和徑向力兩種。徑向力的作用方向取決于線圈相互位置及其電流的方向，為提高內(nèi)部線圈對徑向力的剛度，通常是將線圈繞制在由絕緣筒支撐的撐條上，此時該線圈不但要受到壓縮應(yīng)力的作用，還會受到撐條所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力的作用；變壓器線圈受到的軸向力可使線段和線匝在豎直方向彎曲，壓縮線段間的墊塊，并部分地傳遞到鐵軛?？梢姡?dāng)＃2主變在運(yùn)行過程中發(fā)生這種突發(fā)性短路故障電流沖擊時，每個線圈都將受到強(qiáng)大的徑向力和軸向力的作用，而＃2主變低壓繞組采用軟紙筒繞制，幅向強(qiáng)度不夠，在短路電流作用下，強(qiáng)大的徑向力和軸向力的作用導(dǎo)致線圈的嚴(yán)重變形。
一般而言，變壓器繞組初始故障的表現(xiàn)形式大多表現(xiàn)為內(nèi)繞組出現(xiàn)變形，發(fā)生鼓包、扭曲、移位等不可恢復(fù)的變形現(xiàn)象，其發(fā)展的典型形式是絕緣破壞，隨后發(fā)生匝間短路、餅間擊穿、主絕緣段放電或完全擊穿。此外，變壓器受到短路電流沖擊次數(shù)越多，承受最大短路峰值電流的概率也越高，越有可能導(dǎo)致線圈變形。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，運(yùn)行變壓器一旦發(fā)生繞組變形，將導(dǎo)致累積變形效應(yīng)，出現(xiàn)惡性循環(huán)?！ ?br /> 變壓器因短路電流的作用發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞，給電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，也給社會帶來了不可估量的損失。從本次事故中，筆者認(rèn)為必須在多方面采取有效措施，以減少各種損失。
3 減少變壓器因短路電流作用損壞擬采取的措施
3．1 對變壓器進(jìn)行短路試驗(yàn)，以防患于未然
大型變壓器的運(yùn)行可靠性，首先取決于其結(jié)構(gòu)和制造工藝水平，其次是在運(yùn)行過程中對設(shè)備進(jìn)行各種試驗(yàn)，及時掌握設(shè)備的工況。要了解變壓器的機(jī)械穩(wěn)定性，可通過承受短路試驗(yàn)，針對其薄弱環(huán)節(jié)加以改進(jìn)，以確保對變壓器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計時做到心中有數(shù)。
3．2 規(guī)范設(shè)計，重視線圈制造的軸向壓緊工藝
制造廠家在設(shè)計時，除要考慮變壓器降低損耗，提高絕緣水平外，還要考慮到提高變壓器的機(jī)械強(qiáng)度和抗短路故障能力。在制造工藝方面，由于很多變壓器都采用了絕緣壓板，且高低壓線圈共用一個壓板，這種結(jié)構(gòu)要求要有很高的制造工藝水平，應(yīng)對墊塊進(jìn)行密化處理，在線圈加工好后還要對單個線圈進(jìn)行恒壓干燥，并測量出線圈壓縮后的高度；同一壓板的各個線圈經(jīng)過上述工藝處理后，再調(diào)整到同一高度，并在總裝時用油壓裝置對線圈施加規(guī)定的壓力，最終達(dá)到設(shè)計和工藝要求的高度。在總裝配中，除了要注意高壓線圈的壓緊情況外，還要特別注意低壓線圈壓緊情況的控制。由于徑向力的作用，往往使內(nèi)線圈向鐵心方向擠壓，故應(yīng)加強(qiáng)內(nèi)線圈與鐵心柱間的支撐，可通過增加撐條數(shù)目并采取厚一些的紙筒作線圈骨架等措施來提高線圈的徑向動穩(wěn)定性能。
3．3 現(xiàn)場施工工藝及交接試驗(yàn)應(yīng)滿足規(guī)范要求
現(xiàn)場進(jìn)行變壓器的安裝時，必須嚴(yán)格按照廠家說明書和規(guī)范要求進(jìn)行施工，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，對發(fā)現(xiàn)的隱患必須采取相應(yīng)措施加以消除。
3．4 使用可靠的器身定位裝置，避免在運(yùn)輸中發(fā)生位移
器身定位是防止運(yùn)輸中發(fā)生位移的關(guān)鍵。目前，大型變壓器一般采用火車、汽車、船舶等運(yùn)輸。在運(yùn)輸過程中，不可避免地要受到外力的作用，輕則使得器身緊固件松動，如導(dǎo)致線圈端部壓緊裝置（壓環(huán)的正反壓釘）和引線支架的緊固螺栓松動等；嚴(yán)重的則造成線圈內(nèi)部發(fā)生相對位移，油道尺寸變動，或者油箱局部變形受損。因此，運(yùn)輸中除器身在箱內(nèi)裝有加固支撐外，油箱外部還應(yīng)有拉繩綁緊，以防左右擺動。同時，還應(yīng)加裝三維沖撞記錄儀，以監(jiān)視運(yùn)輸過程中有無異常撞擊。
3．5 加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)，使用可靠的短路保護(hù)系統(tǒng)
運(yùn)行維護(hù)人員應(yīng)加強(qiáng)變壓器的檢查和維護(hù)保修管理工作，以保證變壓器處于良好的運(yùn)行狀況，并采取相應(yīng)措施，降低出口和近區(qū)短路故障的幾率。為盡量避免系統(tǒng)的短路故障，對于已投運(yùn)的變壓器，首先配備可靠的供保護(hù)系統(tǒng)使用的直流系統(tǒng)，以保證保護(hù)動作的正確性；其次，應(yīng)盡量對因短路跳閘的變壓器進(jìn)行試驗(yàn)檢查，可用頻率響應(yīng)法測試技術(shù)測量變壓器受到短路跳閘沖擊后的狀況，根據(jù)測試結(jié)果有目的地進(jìn)行吊罩檢查，這樣就可有效地避免重大事故的發(fā)生。
4 結(jié)束語
變壓器能否承受各種短路電流主要取決于變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝，且與運(yùn)行管理、運(yùn)行條件及施工工藝水平等方面有很大的關(guān)系，變壓器短路事故對電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行危害極大，為避免事故的發(fā)生，應(yīng)從多方面采取有效的控制措施，以保證變壓器及電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
信息來源：揚(yáng)州拓普電氣科技有限公司 信息整理：ewkbg.com
在電力系統(tǒng)中，變壓器作為電力系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，其運(yùn)行的可靠性如何，直接關(guān)系到電網(wǎng)系統(tǒng)能否安全運(yùn)行。近年來，變壓器發(fā)生的事故較多，2001年度變壓器事故按原因統(tǒng)計表明，變壓器事故損壞的主要原因是外部短路故障及變壓器密封不良導(dǎo)致設(shè)備進(jìn)水受潮、設(shè)計及制造工藝不良、過電壓、安裝工藝不良、誤操作等。外部短路故障引起變壓器損壞是電力變壓器事故的首要原因，而變壓器本身抗短路能力不夠是造成設(shè)備損壞的主要原因。筆者曾參加110KV沙星變電站＃2主變的事故分析和事故處理，下面就以此事例作一說明。
1 事故過程
110KV沙星變電站＃2主變型號為SFZ8－40000／110，該變壓器于2000年6月15日投產(chǎn)。2001年8月23日16：50分，10KV饋線遭受雷擊，10KVF5出線電纜頭與架空線連接處避雷器爆炸，電流速斷保護(hù)動作，0．2秒F5開關(guān)保護(hù)動作，開關(guān)跳閘，經(jīng)過2．0秒開關(guān)自動重合閘，F(xiàn)5開關(guān)自動合上，0．775秒F5開關(guān)再次跳閘，2．23秒變壓器復(fù)合電壓保護(hù)動作，跳10KV分段開關(guān)，同時變壓器瓦斯繼續(xù)電器保護(hù)動作跳主變高低壓開關(guān)，事故過程保護(hù)動作一切正?！，F(xiàn)場我們對變壓器進(jìn)行吊罩檢查發(fā)現(xiàn)：變壓器低壓側(cè)B相中部嚴(yán)重變形，造成匝間短路，且A、C相也幅向變形嚴(yán)重。
2 事故分析
經(jīng)過分析認(rèn)為：該變壓器低壓繞組的繞制采用軟紙筒而不是采用硬紙筒繞制，幅向強(qiáng)度不夠。另外線路短路受多次重合閘的沖擊也是變壓器變形損壞的原因之一。
理論分析表明：變壓器線圈通常是由以絕緣墊塊隔開的紙包銅或鋁線段所構(gòu)成的。這種系統(tǒng)的動特性在發(fā)生突發(fā)短路時是變化的，由于絕緣墊塊的彈性與其壓緊程度有關(guān)，即與作用力有關(guān)。而電動力是按復(fù)雜的規(guī)律變化的，作用在變壓器線圈上的電動力可分為軸向力和徑向力兩種。徑向力的作用方向取決于線圈相互位置及其電流的方向，為提高內(nèi)部線圈對徑向力的剛度，通常是將線圈繞制在由絕緣筒支撐的撐條上，此時該線圈不但要受到壓縮應(yīng)力的作用，還會受到撐條所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力的作用；變壓器線圈受到的軸向力可使線段和線匝在豎直方向彎曲，壓縮線段間的墊塊，并部分地傳遞到鐵軛?？梢姡?dāng)＃2主變在運(yùn)行過程中發(fā)生這種突發(fā)性短路故障電流沖擊時，每個線圈都將受到強(qiáng)大的徑向力和軸向力的作用，而＃2主變低壓繞組采用軟紙筒繞制，幅向強(qiáng)度不夠，在短路電流作用下，強(qiáng)大的徑向力和軸向力的作用導(dǎo)致線圈的嚴(yán)重變形。
一般而言，變壓器繞組初始故障的表現(xiàn)形式大多表現(xiàn)為內(nèi)繞組出現(xiàn)變形，發(fā)生鼓包、扭曲、移位等不可恢復(fù)的變形現(xiàn)象，其發(fā)展的典型形式是絕緣破壞，隨后發(fā)生匝間短路、餅間擊穿、主絕緣段放電或完全擊穿。此外，變壓器受到短路電流沖擊次數(shù)越多，承受最大短路峰值電流的概率也越高，越有可能導(dǎo)致線圈變形。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，運(yùn)行變壓器一旦發(fā)生繞組變形，將導(dǎo)致累積變形效應(yīng)，出現(xiàn)惡性循環(huán)?！ ?br /> 變壓器因短路電流的作用發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞，給電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，也給社會帶來了不可估量的損失。從本次事故中，筆者認(rèn)為必須在多方面采取有效措施，以減少各種損失。
3 減少變壓器因短路電流作用損壞擬采取的措施
3．1 對變壓器進(jìn)行短路試驗(yàn)，以防患于未然
大型變壓器的運(yùn)行可靠性，首先取決于其結(jié)構(gòu)和制造工藝水平，其次是在運(yùn)行過程中對設(shè)備進(jìn)行各種試驗(yàn)，及時掌握設(shè)備的工況。要了解變壓器的機(jī)械穩(wěn)定性，可通過承受短路試驗(yàn)，針對其薄弱環(huán)節(jié)加以改進(jìn)，以確保對變壓器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計時做到心中有數(shù)。
3．2 規(guī)范設(shè)計，重視線圈制造的軸向壓緊工藝
制造廠家在設(shè)計時，除要考慮變壓器降低損耗，提高絕緣水平外，還要考慮到提高變壓器的機(jī)械強(qiáng)度和抗短路故障能力。在制造工藝方面，由于很多變壓器都采用了絕緣壓板，且高低壓線圈共用一個壓板，這種結(jié)構(gòu)要求要有很高的制造工藝水平，應(yīng)對墊塊進(jìn)行密化處理，在線圈加工好后還要對單個線圈進(jìn)行恒壓干燥，并測量出線圈壓縮后的高度；同一壓板的各個線圈經(jīng)過上述工藝處理后，再調(diào)整到同一高度，并在總裝時用油壓裝置對線圈施加規(guī)定的壓力，最終達(dá)到設(shè)計和工藝要求的高度。在總裝配中，除了要注意高壓線圈的壓緊情況外，還要特別注意低壓線圈壓緊情況的控制。由于徑向力的作用，往往使內(nèi)線圈向鐵心方向擠壓，故應(yīng)加強(qiáng)內(nèi)線圈與鐵心柱間的支撐，可通過增加撐條數(shù)目并采取厚一些的紙筒作線圈骨架等措施來提高線圈的徑向動穩(wěn)定性能。
3．3 現(xiàn)場施工工藝及交接試驗(yàn)應(yīng)滿足規(guī)范要求
現(xiàn)場進(jìn)行變壓器的安裝時，必須嚴(yán)格按照廠家說明書和規(guī)范要求進(jìn)行施工，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，對發(fā)現(xiàn)的隱患必須采取相應(yīng)措施加以消除。
3．4 使用可靠的器身定位裝置，避免在運(yùn)輸中發(fā)生位移
器身定位是防止運(yùn)輸中發(fā)生位移的關(guān)鍵。目前，大型變壓器一般采用火車、汽車、船舶等運(yùn)輸。在運(yùn)輸過程中，不可避免地要受到外力的作用，輕則使得器身緊固件松動，如導(dǎo)致線圈端部壓緊裝置（壓環(huán)的正反壓釘）和引線支架的緊固螺栓松動等；嚴(yán)重的則造成線圈內(nèi)部發(fā)生相對位移，油道尺寸變動，或者油箱局部變形受損。因此，運(yùn)輸中除器身在箱內(nèi)裝有加固支撐外，油箱外部還應(yīng)有拉繩綁緊，以防左右擺動。同時，還應(yīng)加裝三維沖撞記錄儀，以監(jiān)視運(yùn)輸過程中有無異常撞擊。
3．5 加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)，使用可靠的短路保護(hù)系統(tǒng)
運(yùn)行維護(hù)人員應(yīng)加強(qiáng)變壓器的檢查和維護(hù)保修管理工作，以保證變壓器處于良好的運(yùn)行狀況，并采取相應(yīng)措施，降低出口和近區(qū)短路故障的幾率。為盡量避免系統(tǒng)的短路故障，對于已投運(yùn)的變壓器，首先配備可靠的供保護(hù)系統(tǒng)使用的直流系統(tǒng)，以保證保護(hù)動作的正確性；其次，應(yīng)盡量對因短路跳閘的變壓器進(jìn)行試驗(yàn)檢查，可用頻率響應(yīng)法測試技術(shù)測量變壓器受到短路跳閘沖擊后的狀況，根據(jù)測試結(jié)果有目的地進(jìn)行吊罩檢查，這樣就可有效地避免重大事故的發(fā)生。
4 結(jié)束語
變壓器能否承受各種短路電流主要取決于變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝，且與運(yùn)行管理、運(yùn)行條件及施工工藝水平等方面有很大的關(guān)系，變壓器短路事故對電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行危害極大，為避免事故的發(fā)生，應(yīng)從多方面采取有效的控制措施，以保證變壓器及電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
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