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變壓器運(yùn)行中短路損壞的原因分析論文
摘要：通過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。
關(guān)鍵詞：變壓器抗短路能力電動(dòng)力繞組電磁線事故
1 前言
近年來，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，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
這種損壞往往是因?yàn)檩S向力過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。
4 變壓器短路損壞的常見部位
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)加劇；(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(dāng)?shù)脑挘瑫?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)均有重合閘過程，因此如果短路點(diǎn)一時(shí)無法消失的話，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)根本無這方面的要求，從發(fā)生故障的變壓器來看均是軟導(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(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)�，F(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)中也暴露出一些問題。除了在結(jié)構(gòu)方面尚存在一些沒有充分認(rèn)識(shí)的因素外，設(shè)計(jì)和工藝操作方面存在的問題值得制造廠及運(yùn)行單位引起重視。
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