變壓器運行中短路損壞的原因分析

　　摘要：通過上海近幾年出口短路造成變壓器損壞的具體實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題，并就電力變壓器的設計和電磁線的選用提出了建議。
　　1　前言

????? 近年來，變壓器事故時有發生，而且有增長的趨勢。從變壓器事故情況分析來看，抗短路能力不夠已成為電力變壓器事故的首要原因，對電網造成很大危害，嚴重影響電網安全運行。
????? 本文就上海市電力公司近十多年來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，進而提出目前有關電磁線選用存在的問題和減少這一類事故的措施，以促進制造廠對產品的改進和完善，同時促使運行單位進一步提高運行管理水平。

????? 2　變壓器短路事故情況

????? 從1993年1月至2002年12月，上海電網變壓器累計發生短路損壞事故17臺次，占整個損壞事故的77.3％，為主要損壞原因，總容量2750MVA。其中500kV級2臺次、220kV級13臺次、110kV級2臺，低壓線圈嚴重變形不得不更換線圈的220kV級1臺，110kV級1臺，在變壓器改造中發現220kV級低壓繞組有變形現象4臺，運行中發現500kV繞組有變形跡象有2臺。特別自1995年以來，變壓器損壞事故呈上升趨勢，而且事故影響范圍不斷在擴大，其事故主要表現形式為：
????? 1) 外部多次短路沖擊，線圈變形逐漸嚴重，最終絕緣擊穿損壞居多；
????? 2) 外部短時內頻繁受短路沖擊而損壞；
????? 3) 長時間短路沖擊而損壞；
????? 4) 一次短路沖擊就損壞。

????? 3　變壓器短路損壞的主要形式

????? 根據近幾年的變壓器因出口短路而發生損壞的情況，變壓器在短路故障時，其損壞主要有以下幾種特征及產生的原因。
????? 3.1軸向失穩
????? 這種損壞主要是在輻向漏磁產生的軸向電磁力作用下，導致變壓器繞組軸向變形，該類事故占整個損壞事故的52.9％。
????? 3.1.1線餅上下彎曲變形
????? 這種損壞是由于兩個軸向墊塊間的導線在軸向電磁力作用下，因彎矩過大產生永久性變形，通常兩餅間的變形是對稱的。
????? 3.1.2繞組或線餅倒塌
????? 這種損壞是由于導線在軸向力作用下，相互擠壓或撞擊，導致傾斜變形。如果導線原始稍有傾斜，則軸向力促使傾斜增加，嚴重時就倒塌；導線高寬比例大，就愈容易引起倒塌。
????? 端部漏磁場除軸向分量外，還存在輻向分量，二個方向的漏磁所產生的合成電磁力致使內繞組導線向內翻轉，外繞組向外翻轉。
????? 3.1.3 繞組升起將壓板撐開
????? 這種損壞往往是因為軸向力過大或存在其端部支撐件強度、剛度不夠或裝配有缺陷。
????? 3.2 輻向失穩
????? 這種損壞主要是在軸向漏磁產生的輻向電磁力作用下，導致變壓器繞組輻向變形，占整個損壞事故的41.2%。
????? 3.2.1 外繞組導線伸長導致絕緣破損
????? 輻向電磁力企圖使外繞組直徑變大，當作用在導線的拉應力過大會產生永久性變形。這種變形通常伴隨導線絕緣破損而造成匝間短路，嚴重時會引起線圈嵌進、亂圈而倒塌，甚至斷裂。
????? 3.2.2 繞組端部翻轉變形
????? 端部漏磁場除軸向分量外，還存在輻向分量，二個方向的漏磁所產生的合成電磁力致使繞組導線向內翻轉，外繞組向外翻轉。
????? 3.2.3內繞組導線彎曲或曲翹
????? 輻向電磁力使內繞組直徑變小，彎曲是由兩個支撐(內撐條)間導線彎矩過大而產生永久性變形的結果。如果鐵心綁扎足夠緊實及繞組輻向撐條有效支撐，并且輻向電動力沿圓周方向均布的話，這種變形是對稱的，整個繞組為多邊星形。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，實際上常常發生局部失穩形成曲翹變形。
????? 3.3引線固定失穩
????? 這種損壞主要由于引線間的電磁力作用下，造成引線振動，導致引線間短路，這種事故較少見。

????? 4　變壓器短路損壞的常見部位

????? 根據近幾年的變壓器因出口短路而發生損壞的情況，變壓器在短路故障時，其繞組損壞部位主要有以下幾種。
????? 4.1對應鐵軛下的部位
????? 該部位發生變形原因有：(1)短路電流所產生的磁場是通過油和箱壁或鐵心閉合，由于鐵軛的磁阻相對較小，故大多通過油路和鐵軛間閉合，磁場相對集中，作用在線餅的電磁力也相對較大；(2)內繞組套裝間隙過大或鐵心綁扎不夠緊實，導致鐵心片二側收縮變形，致使鐵軛側繞組曲翹變形；(3)在結構上，軛部對應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到應有的預緊力，因而該部位的線餅最易變形。
????? 4.2調壓分接區域及對應其他繞組的部位
????? 該區域由于：(1)安匝不平衡使漏磁分布不均衡，其幅向額外產生的漏磁場在線圈中產生額外軸向外力，這些力的方向總是使產生這些力的不對稱性增大。軸向外力和正常幅向漏磁所產生的軸向內力一樣，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，力求使其離開心柱，出現線餅向繞組中部變形或翻轉現象；
????? (2)該部位的線餅為力求安匝平衡或分接區間的應有絕緣距離，往往要增加較多的墊塊，較厚的墊塊致使力的傳遞延時，因而對線餅撞擊也較大；(3)繞組套裝后不能確保中心電抗高度對齊，致使安匝進一步加劇不平衡；(4)運行一段時間后，較厚的墊塊自然收縮量較大，一方面加劇安匝不平衡現象，另一方面受短路力時跳動加劇；(5)在設計時間為力求安匝平衡，分接區的電磁線選用了較窄或較小截面的線規，抗短力能力低。
????? 4.3換位部位
????? 這部位的變形常見于換位導線的換位和單螺旋的標準換位處。
????? 換位導線的換位，由于其換位的爬坡較普通導線的換位為陡，使線匝半徑不同的換位處產生相反的切向力，這對大小相等方向相反的切向力，致使內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，內換位向中心變形，外換位向外變形，而且換位導線厚度越厚，爬坡越陡，變形越嚴重。另外，換位處還存在軸向短路電流分量，所產生的附加力，致使線餅變形加劇。
????? 單螺旋的標準換位，在空間上要占一匝的位置，造成該部位安匝不平衡，同時又具有換位導線換位變形特征，因此該部位的線餅更容易變形。
????? 4.4繞組的引出線
????? 常見于斜口螺旋結構的繞組，該結構的繞組，由于二個螺旋口安匝不平衡，軸向力大，同時又有軸向電流存在，使引出線拐角部位產生一個橫向力而發生扭曲變形現象。另外螺旋繞組在繞制過程中，有剩余應力存在，會使繞組力求恢復原狀現象，故螺旋結構的繞組，受短路電流沖擊下更容易扭曲變形。
????? 4.5引線間
????? 常見于低壓引線間，低壓引線由于電壓低流過電流大，相位120度，使引線相互吸引，如果引線固定不當的話，會發生相間短路。

????? 5　變壓器短路故障原因分析

????? 因變壓器出口短路導致變壓器內部故障和事故的原因很多，也比較復雜，它與結構設計、原材料的質量、工藝水平、運行工況等因數有關，但電磁線的選用是關鍵。從近幾年解剖變壓器，對其事故進行分析來看，與電磁線有關的大致有以下幾個原因。
????? 5.1基于變壓器靜態理論設計而選用的電磁線，與實際運行時作用在電磁線上的應力差異較大。
????? 5.2目前各廠家的計算程序中是建立在漏磁場的均勻分布、線匝直徑相同、等相位的力等理想化的模型基礎上而編制的，而事實上變壓器的漏磁場并非均勻分布，在鐵軛部分相對集中，該區域的電磁線所受到機械力也較大；換位導線在換位處由于爬坡會改變力的傳遞方向，而產生扭矩；由于墊塊彈性模量的因數，軸向墊塊不等距分布，會使交變漏磁場所產生的交變力延時共振，這也是為什么處在鐵心軛部、換位處、有調壓分接的對應部位的線餅首先變形的根本原因。
????? 5.3抗短路能力計算時沒有考慮溫度對電磁線的抗彎和抗拉強度的影響。按常溫下設計的抗短路能力不能反映實際運行情況，根據試驗結果，電磁線的溫度對其屈服極限?0.2影響很大，隨著電磁線的溫度提高，其抗彎、抗拉強度及延伸率均下降，在250℃下抗彎抗拉強度要比在50℃時下降10％以上，延伸率則下降40％以上。而實際運行的變壓器，在額定負荷下，繞組平均溫度可達105℃，最熱點溫度可達118℃。一般變壓器運行時均有重合閘過程，因此如果短路點一時無法消失的話，將在非常短的時間內(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GBl094的規定，最高允許250℃，這時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生短路事故居多。
????? 5.4采用普通換位導線，抗機械強度較差，在承受短路機械力時易出現變形、散股、露銅現象。采用普通換位導線時，由于電流大，換位爬坡陡，該部位會產生較大的扭矩，同時處在繞組二端的線餅，由于幅向和軸向漏磁場的共同作用，也會產生較大的扭矩，致使扭曲變形。如楊高500kV變壓器的A相公共繞組共有71個換位，由于采用了較厚的普通換位導線，其中有66個換位有不同程度的變形。另外吳涇1l號主變，也是由于采用普通換位導線，在鐵心軛部部位的高壓繞組二端線餅均有不同翻轉露線的現象。
????? 5.5采用軟導線，也是造成變壓器抗短路能力差的主要原因之一。由于早期對此認識不足，或繞線裝備及工藝上的困難，制造廠均不愿使用半硬導線或設計時根本無這方面的要求，從發生故障的變壓器來看均是軟導線。
????? 5.6繞組繞制較松，換位或糾位爬坡處處理不當，過于單薄，造成電磁線懸空。從事故損壞位置來看，變形多見換位處，尤其是換位導線的換位處。
????? 5.7繞組線匝或導線之間未固化處理，抗短路能力差。早期經浸漆處理的繞組無一損壞。
????? 5.8繞組的預緊力控制不當造成普通換位導線的導線相互錯位。
????? 5.9套裝間隙過大，導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緊力不均勻，短路沖擊時造成線餅的跳動，致使作用在電磁線上的彎應力過大而發生變形。
????? 5.11外部短路事故頻繁，多次短路電流沖擊后電動力的積累效應引起電磁線軟化或內部相對位移，最終導致絕緣擊穿。

????? 6　建議

????? 6.1訂貨
????? (1) 對設備選型時，應充分考慮現有產品結構狀況，取消冗余功能，選擇可靠結構，在充分考慮電網的短路容量與產品的動穩定性能之后，再確定產品參數，根據電網實際需要合理的配置分接開關，對性能參數的要求應和目前制造水平及材質狀況相適應。
????? (2) 優先選用經短路型式試驗合格的產品設計，并對產品進行抽檢短路耐受試驗，以確保產品的同一性。
????? (3) 選用全自冷變壓器。由于全自冷變壓器相對其他冷卻方式的變壓器度低，用銅量大，變壓器重量重，具有較強抗短路能力。
????? 6.2 產品設計
????? 針對前述造成短路故障的原因和問題，電氣設計和結構設計各方面應采取改進措施。要充分考慮工藝和材質的分散性，在關鍵的部位應留有足夠的裕度，當先進性與產品的可靠性有矛盾時，首先考慮保證可靠性。設計時應按高溫條件(250℃~350℃)進行抗短路能力的設計，并對特殊部位(如換位、螺旋口)要進行抗短路能力校核計算。若內線圈一定要帶分接，應優先采用獨立調壓繞組結構。同時要禁止使用普通換位導線，而盡量選用半硬以上的自粘性換位導線和組合導線；35kV及以下繞組的內支撐硬筒選用低介損無局放的環氧玻璃絲絕緣筒；軸向壓緊最好采用彈簧壓釘。
????? 6.3制造工藝方面
????? 針對前述的工藝缺陷和欠缺，提高工藝水平，加強工藝執行紀律，確保產品制造過程得到有效控制。
????? 6.4材料方面
????? 盡量選用半硬以上的自粘性換位導線和組合導線。采用高密度與油道等距的整體墊塊。35kV及以下的內繞組應優先采用環氧玻璃絲筒作繞組內支撐絕緣筒。
????? 6.5安裝
????? 為確保變壓器安裝質量，可采用實行賣方負責的安裝方式，賣方必須對整個安裝工作質量負責。現場吊芯檢查時要進行器身預緊力校核，確保變壓器器身處于緊固狀態。
????? 6.6運行管理
????? 鑒于目前運行變壓器抗外部短路強度較差的情況，對于系統短路跳閘后的自動重合或強行投運，應看到其不利的因素，否則有時會加劇變壓器的損壞程度，甚至失去重新修復的可能。運行部門可根據短路故障是否能瞬時自動消除的概率，對近區架空線(如2km以內)或電纜線路取消使用自動重合閘，或適當延長合閘間隔時間以減少因重合閘不成而帶來的危害，并且盡量對短路跳閘的變壓器進行試驗檢查。
????? 6.7科研
????? 運行單位、制造廠和材料廠應結合事故分析緊密合作，不斷開發研制新工藝、新材料，改進產品設計，提高變壓器抗短路能力水平，以滿足運行需要。
????? 總之，造成故障或事故的因素較多，但變壓器的結構設計和制造工藝仍是主要因素，在運行管理等環節中也暴露出一些問題。除了在結構方面尚存在一些沒有充分認識的因素外，設計和工藝操作方面存在的問題值得制造廠及運行單位引起重視。
?