變壓器運(yùn)行中短路損壞的原因分析
摘要：通過(guò)上海近幾年出口短路造成變壓器損壞的具體實(shí)例分析了由于電磁線原因造成變壓器損壞和目前存在的問(wèn)題，并就電力變壓器的設(shè)計(jì)和電磁線的選用提出了建議。
1 前言
????? 近年來(lái)，變壓器事故時(shí)有發(fā)生，而且有增長(zhǎng)的趨勢(shì)。從變壓器事故情況分析來(lái)看，抗短路能力不夠已成為電力變壓器事故的首要原因，對(duì)電網(wǎng)造成很大危害，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全運(yùn)行。
????? 本文就上海市電力公司近十多年來(lái)因電力變壓器外部短路而造成損壞事故的情況作一分類分析，進(jìn)而提出目前有關(guān)電磁線選用存在的問(wèn)題和減少這一類事故的措施，以促進(jìn)制造廠對(duì)產(chǎn)品的改進(jìn)和完善，同時(shí)促使運(yùn)行單位進(jìn)一步提高運(yùn)行管理水平。
????? 2 變壓器短路事故情況
????? 從1993年1月至2002年12月，上海電網(wǎng)變壓器累計(jì)發(fā)生短路損壞事故17臺(tái)次，占整個(gè)損壞事故的77.3％，為主要損壞原因，總?cè)萘?750MVA。其中500kV級(jí)2臺(tái)次、220kV級(jí)13臺(tái)次、110kV級(jí)2臺(tái)，低壓線圈嚴(yán)重變形不得不更換線圈的220kV級(jí)1臺(tái)，110kV級(jí)1臺(tái)，在變壓器改造中發(fā)現(xiàn)220kV級(jí)低壓繞組有變形現(xiàn)象4臺(tái)，運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)500kV繞組有變形跡象有2臺(tái)。特別自1995年以來(lái)，變壓器損壞事故呈上升趨勢(shì)，而且事故影響范圍不斷在擴(kuò)大，其事故主要表現(xiàn)形式為：
????? 1) 外部多次短路沖擊，線圈變形逐漸嚴(yán)重，最終絕緣擊穿損壞居多；
????? 2) 外部短時(shí)內(nèi)頻繁受短路沖擊而損壞；
????? 3) 長(zhǎng)時(shí)間短路沖擊而損壞；
????? 4) 一次短路沖擊就損壞。
????? 3 變壓器短路損壞的主要形式
????? 根據(jù)近幾年的變壓器因出口短路而發(fā)生損壞的情況，變壓器在短路故障時(shí)，其損壞主要有以下幾種特征及產(chǎn)生的原因。
????? 3.1軸向失穩(wěn)
????? 這種損壞主要是在輻向漏磁產(chǎn)生的軸向電磁力作用下，導(dǎo)致變壓器繞組軸向變形，該類事故占整個(gè)損壞事故的52.9％。
????? 3.1.1線餅上下彎曲變形
????? 這種損壞是由于兩個(gè)軸向墊塊間的導(dǎo)線在軸向電磁力作用下，因彎矩過(guò)大產(chǎn)生永久性變形，通常兩餅間的變形是對(duì)稱的。
????? 3.1.2繞組或線餅倒塌
????? 這種損壞是由于導(dǎo)線在軸向力作用下，相互擠壓或撞擊，導(dǎo)致傾斜變形。如果導(dǎo)線原始稍有傾斜，則軸向力促使傾斜增加，嚴(yán)重時(shí)就倒塌；導(dǎo)線高寬比例大，就愈容易引起倒塌。
????? 端部漏磁場(chǎng)除軸向分量外，還存在輻向分量，二個(gè)方向的漏磁所產(chǎn)生的合成電磁力致使內(nèi)繞組導(dǎo)線向內(nèi)翻轉(zhuǎn)，外繞組向外翻轉(zhuǎn)。
????? 3.1.3 繞組升起將壓板撐開(kāi)
????? 這種損壞往往是因?yàn)檩S向力過(guò)大或存在其端部支撐件強(qiáng)度、剛度不夠或裝配有缺陷。
????? 3.2 輻向失穩(wěn)
????? 這種損壞主要是在軸向漏磁產(chǎn)生的輻向電磁力作用下，導(dǎo)致變壓器繞組輻向變形，占整個(gè)損壞事故的41.2%。
????? 3.2.1 外繞組導(dǎo)線伸長(zhǎng)導(dǎo)致絕緣破損
????? 輻向電磁力企圖使外繞組直徑變大，當(dāng)作用在導(dǎo)線的拉應(yīng)力過(guò)大會(huì)產(chǎn)生永久性變形。這種變形通常伴隨導(dǎo)線絕緣破損而造成匝間短路，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起線圈嵌進(jìn)、亂圈而倒塌，甚至斷裂。
????? 3.2.2 繞組端部翻轉(zhuǎn)變形
????? 端部漏磁場(chǎng)除軸向分量外，還存在輻向分量，二個(gè)方向的漏磁所產(chǎn)生的合成電磁力致使繞組導(dǎo)線向內(nèi)翻轉(zhuǎn)，外繞組向外翻轉(zhuǎn)。
????? 3.2.3內(nèi)繞組導(dǎo)線彎曲或曲翹
????? 輻向電磁力使內(nèi)繞組直徑變小，彎曲是由兩個(gè)支撐(內(nèi)撐條)間導(dǎo)線彎矩過(guò)大而產(chǎn)生永久性變形的結(jié)果。如果鐵心綁扎足夠緊實(shí)及繞組輻向撐條有效支撐，并且輻向電動(dòng)力沿圓周方向均布的話，這種變形是對(duì)稱的，整個(gè)繞組為多邊星形。然而，由于鐵芯受壓變形，撐條受支撐情況不相同，沿繞組圓周受力是不均勻的，實(shí)際上常常發(fā)生局部失穩(wěn)形成曲翹變形。
????? 3.3引線固定失穩(wěn)
????? 這種損壞主要由于引線間的電磁力作用下，造成引線振動(dòng)，導(dǎo)致引線間短路，這種事故較少見(jiàn)。
????? 4 變壓器短路損壞的常見(jiàn)部位
????? 根據(jù)近幾年的變壓器因出口短路而發(fā)生損壞的情況，變壓器在短路故障時(shí)，其繞組損壞部位主要有以下幾種。
????? 4.1對(duì)應(yīng)鐵軛下的部位
????? 該部位發(fā)生變形原因有：(1)短路電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)是通過(guò)油和箱壁或鐵心閉合，由于鐵軛的磁阻相對(duì)較小，故大多通過(guò)油路和鐵軛間閉合，磁場(chǎng)相對(duì)集中，作用在線餅的電磁力也相對(duì)較大；(2)內(nèi)繞組套裝間隙過(guò)大或鐵心綁扎不夠緊實(shí)，導(dǎo)致鐵心片二側(cè)收縮變形，致使鐵軛側(cè)繞組曲翹變形；(3)在結(jié)構(gòu)上，軛部對(duì)應(yīng)繞組部分的軸向壓緊是最不可靠的，該部位的線餅往往難以達(dá)到應(yīng)有的預(yù)緊力，因而該部位的線餅最易變形。
????? 4.2調(diào)壓分接區(qū)域及對(duì)應(yīng)其他繞組的部位
????? 該區(qū)域由于：(1)安匝不平衡使漏磁分布不均衡，其幅向額外產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)在線圈中產(chǎn)生額外軸向外力，這些力的方向總是使產(chǎn)生這些力的不對(duì)稱性增大。軸向外力和正常幅向漏磁所產(chǎn)生的軸向內(nèi)力一樣，使線餅向豎直方向彎曲，并壓縮線餅件的墊塊，除此之外，這些力還部分地或全部地傳到鐵軛上，力求使其離開(kāi)心柱，出現(xiàn)線餅向繞組中部變形或翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象；
????? (2)該部位的線餅為力求安匝平衡或分接區(qū)間的應(yīng)有絕緣距離，往往要增加較多的墊塊，較厚的墊塊致使力的傳遞延時(shí)，因而對(duì)線餅撞擊也較大；(3)繞組套裝后不能確保中心電抗高度對(duì)齊，致使安匝進(jìn)一步加劇不平衡；(4)運(yùn)行一段時(shí)間后，較厚的墊塊自然收縮量較大，一方面加劇安匝不平衡現(xiàn)象，另一方面受短路力時(shí)跳動(dòng)加??；(5)在設(shè)計(jì)時(shí)間為力求安匝平衡，分接區(qū)的電磁線選用了較窄或較小截面的線規(guī)，抗短力能力低。
????? 4.3換位部位
????? 這部位的變形常見(jiàn)于換位導(dǎo)線的換位和單螺旋的標(biāo)準(zhǔn)換位處。
????? 換位導(dǎo)線的換位，由于其換位的爬坡較普通導(dǎo)線的換位為陡，使線匝半徑不同的換位處產(chǎn)生相反的切向力，這對(duì)大小相等方向相反的切向力，致使內(nèi)繞組的換位向直徑變小，方向變形，外繞組的換位力求線匝半徑相同，使換位拉直，內(nèi)換位向中心變形，外換位向外變形，而且換位導(dǎo)線厚度越厚，爬坡越陡，變形越嚴(yán)重。另外，換位處還存在軸向短路電流分量，所產(chǎn)生的附加力，致使線餅變形加劇。
????? 單螺旋的標(biāo)準(zhǔn)換位，在空間上要占一匝的位置，造成該部位安匝不平衡，同時(shí)又具有換位導(dǎo)線換位變形特征，因此該部位的線餅更容易變形。
????? 4.4繞組的引出線
????? 常見(jiàn)于斜口螺旋結(jié)構(gòu)的繞組，該結(jié)構(gòu)的繞組，由于二個(gè)螺旋口安匝不平衡，軸向力大，同時(shí)又有軸向電流存在，使引出線拐角部位產(chǎn)生一個(gè)橫向力而發(fā)生扭曲變形現(xiàn)象。另外螺旋繞組在繞制過(guò)程中，有剩余應(yīng)力存在，會(huì)使繞組力求恢復(fù)原狀現(xiàn)象，故螺旋結(jié)構(gòu)的繞組，受短路電流沖擊下更容易扭曲變形。
????? 4.5引線間
????? 常見(jiàn)于低壓引線間，低壓引線由于電壓低流過(guò)電流大，相位120度，使引線相互吸引，如果引線固定不當(dāng)?shù)脑?，?huì)發(fā)生相間短路。
????? 5 變壓器短路故障原因分析
????? 因變壓器出口短路導(dǎo)致變壓器內(nèi)部故障和事故的原因很多，也比較復(fù)雜，它與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原材料的質(zhì)量、工藝水平、運(yùn)行工況等因數(shù)有關(guān)，但電磁線的選用是關(guān)鍵。從近幾年解剖變壓器，對(duì)其事故進(jìn)行分析來(lái)看，與電磁線有關(guān)的大致有以下幾個(gè)原因。
????? 5.1基于變壓器靜態(tài)理論設(shè)計(jì)而選用的電磁線，與實(shí)際運(yùn)行時(shí)作用在電磁線上的應(yīng)力差異較大。
????? 5.2目前各廠家的計(jì)算程序中是建立在漏磁場(chǎng)的均勻分布、線匝直徑相同、等相位的力等理想化的模型基礎(chǔ)上而編制的，而事實(shí)上變壓器的漏磁場(chǎng)并非均勻分布，在鐵軛部分相對(duì)集中，該區(qū)域的電磁線所受到機(jī)械力也較大；換位導(dǎo)線在換位處由于爬坡會(huì)改變力的傳遞方向，而產(chǎn)生扭矩；由于墊塊彈性模量的因數(shù)，軸向墊塊不等距分布，會(huì)使交變漏磁場(chǎng)所產(chǎn)生的交變力延時(shí)共振，這也是為什么處在鐵心軛部、換位處、有調(diào)壓分接的對(duì)應(yīng)部位的線餅首先變形的根本原因。
????? 5.3抗短路能力計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮溫度對(duì)電磁線的抗彎和抗拉強(qiáng)度的影響。按常溫下設(shè)計(jì)的抗短路能力不能反映實(shí)際運(yùn)行情況，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，電磁線的溫度對(duì)其屈服極限?0.2影響很大，隨著電磁線的溫度提高，其抗彎、抗拉強(qiáng)度及延伸率均下降，在250℃下抗彎抗拉強(qiáng)度要比在50℃時(shí)下降10％以上，延伸率則下降40％以上。而實(shí)際運(yùn)行的變壓器，在額定負(fù)荷下，繞組平均溫度可達(dá)105℃，最熱點(diǎn)溫度可達(dá)118℃。一般變壓器運(yùn)行時(shí)均有重合閘過(guò)程，因此如果短路點(diǎn)一時(shí)無(wú)法消失的話，將在非常短的時(shí)間內(nèi)(0.8s)緊接著承受第二次短路沖擊，但由于受第一次短路電流沖擊后，繞組溫度急劇增高，根據(jù)GBl094的規(guī)定，最高允許250℃，這時(shí)繞組的抗短路能力己大幅度下降，這就是為什么變壓器重合閘后發(fā)生短路事故居多。
????? 5.4采用普通換位導(dǎo)線，抗機(jī)械強(qiáng)度較差，在承受短路機(jī)械力時(shí)易出現(xiàn)變形、散股、露銅現(xiàn)象。采用普通換位導(dǎo)線時(shí)，由于電流大，換位爬坡陡，該部位會(huì)產(chǎn)生較大的扭矩，同時(shí)處在繞組二端的線餅，由于幅向和軸向漏磁場(chǎng)的共同作用，也會(huì)產(chǎn)生較大的扭矩，致使扭曲變形。如楊高500kV變壓器的A相公共繞組共有71個(gè)換位，由于采用了較厚的普通換位導(dǎo)線，其中有66個(gè)換位有不同程度的變形。另外吳涇1l號(hào)主變，也是由于采用普通換位導(dǎo)線，在鐵心軛部部位的高壓繞組二端線餅均有不同翻轉(zhuǎn)露線的現(xiàn)象。
????? 5.5采用軟導(dǎo)線，也是造成變壓器抗短路能力差的主要原因之一。由于早期對(duì)此認(rèn)識(shí)不足，或繞線裝備及工藝上的困難，制造廠均不愿使用半硬導(dǎo)線或設(shè)計(jì)時(shí)根本無(wú)這方面的要求，從發(fā)生故障的變壓器來(lái)看均是軟導(dǎo)線。
????? 5.6繞組繞制較松，換位或糾位爬坡處處理不當(dāng)，過(guò)于單薄，造成電磁線懸空。從事故損壞位置來(lái)看，變形多見(jiàn)換位處，尤其是換位導(dǎo)線的換位處。
????? 5.7繞組線匝或?qū)Ь€之間未固化處理，抗短路能力差。早期經(jīng)浸漆處理的繞組無(wú)一損壞。
????? 5.8繞組的預(yù)緊力控制不當(dāng)造成普通換位導(dǎo)線的導(dǎo)線相互錯(cuò)位。
????? 5.9套裝間隙過(guò)大，導(dǎo)致作用在電磁線上的支撐不夠，這給變壓器抗短路能力方面增加隱患。
????? 5.10作用在各繞組或各檔預(yù)緊力不均勻，短路沖擊時(shí)造成線餅的跳動(dòng)，致使作用在電磁線上的彎應(yīng)力過(guò)大而發(fā)生變形。
????? 5.11外部短路事故頻繁，多次短路電流沖擊后電動(dòng)力的積累效應(yīng)引起電磁線軟化或內(nèi)部相對(duì)位移，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。
????? 6 建議
????? 6.1訂貨
????? (1) 對(duì)設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)充分考慮現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)狀況，取消冗余功能，選擇可靠結(jié)構(gòu)，在充分考慮電網(wǎng)的短路容量與產(chǎn)品的動(dòng)穩(wěn)定性能之后，再確定產(chǎn)品參數(shù)，根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際需要合理的配置分接開(kāi)關(guān)，對(duì)性能參數(shù)的要求應(yīng)和目前制造水平及材質(zhì)狀況相適應(yīng)。
????? (2) 優(yōu)先選用經(jīng)短路型式試驗(yàn)合格的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行抽檢短路耐受試驗(yàn)，以確保產(chǎn)品的同一性。
????? (3) 選用全自冷變壓器。由于全自冷變壓器相對(duì)其他冷卻方式的變壓器度低，用銅量大，變壓器重量重，具有較強(qiáng)抗短路能力。
????? 6.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)
????? 針對(duì)前述造成短路故障的原因和問(wèn)題，電氣設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各方面應(yīng)采取改進(jìn)措施。要充分考慮工藝和材質(zhì)的分散性，在關(guān)鍵的部位應(yīng)留有足夠的裕度，當(dāng)先進(jìn)性與產(chǎn)品的可靠性有矛盾時(shí)，首先考慮保證可靠性。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按高溫條件(250℃~350℃)進(jìn)行抗短路能力的設(shè)計(jì)，并對(duì)特殊部位(如換位、螺旋口)要進(jìn)行抗短路能力校核計(jì)算。若內(nèi)線圈一定要帶分接，應(yīng)優(yōu)先采用獨(dú)立調(diào)壓繞組結(jié)構(gòu)。同時(shí)要禁止使用普通換位導(dǎo)線，而盡量選用半硬以上的自粘性換位導(dǎo)線和組合導(dǎo)線；35kV及以下繞組的內(nèi)支撐硬筒選用低介損無(wú)局放的環(huán)氧玻璃絲絕緣筒；軸向壓緊最好采用彈簧壓釘。
????? 6.3制造工藝方面
????? 針對(duì)前述的工藝缺陷和欠缺，提高工藝水平，加強(qiáng)工藝執(zhí)行紀(jì)律，確保產(chǎn)品制造過(guò)程得到有效控制。
????? 6.4材料方面
????? 盡量選用半硬以上的自粘性換位導(dǎo)線和組合導(dǎo)線。采用高密度與油道等距的整體墊塊。35kV及以下的內(nèi)繞組應(yīng)優(yōu)先采用環(huán)氧玻璃絲筒作繞組內(nèi)支撐絕緣筒。
????? 6.5安裝
????? 為確保變壓器安裝質(zhì)量，可采用實(shí)行賣方負(fù)責(zé)的安裝方式，賣方必須對(duì)整個(gè)安裝工作質(zhì)量負(fù)責(zé)。現(xiàn)場(chǎng)吊芯檢查時(shí)要進(jìn)行器身預(yù)緊力校核，確保變壓器器身處于緊固狀態(tài)。
????? 6.6運(yùn)行管理
????? 鑒于目前運(yùn)行變壓器抗外部短路強(qiáng)度較差的情況，對(duì)于系統(tǒng)短路跳閘后的自動(dòng)重合或強(qiáng)行投運(yùn)，應(yīng)看到其不利的因素，否則有時(shí)會(huì)加劇變壓器的損壞程度，甚至失去重新修復(fù)的可能。運(yùn)行部門(mén)可根據(jù)短路故障是否能瞬時(shí)自動(dòng)消除的概率，對(duì)近區(qū)架空線(如2km以內(nèi))或電纜線路取消使用自動(dòng)重合閘，或適當(dāng)延長(zhǎng)合閘間隔時(shí)間以減少因重合閘不成而帶來(lái)的危害，并且盡量對(duì)短路跳閘的變壓器進(jìn)行試驗(yàn)檢查。
????? 6.7科研
????? 運(yùn)行單位、制造廠和材料廠應(yīng)結(jié)合事故分析緊密合作，不斷開(kāi)發(fā)研制新工藝、新材料，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高變壓器抗短路能力水平，以滿足運(yùn)行需要。
????? 總之，造成故障或事故的因素較多，但變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝仍是主要因素，在運(yùn)行管理等環(huán)節(jié)中也暴露出一些問(wèn)題。除了在結(jié)構(gòu)方面尚存在一些沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)的因素外，設(shè)計(jì)和工藝操作方面存在的問(wèn)題值得制造廠及運(yùn)行單位引起重視。
?