变压器短路事故分析与处理方法

迟伟国 吕昆明

摘 要：近年来，我国电力事业飞速发展并取得一系列成就，但随着时代的进步对电力系统的供电要求也越来越高。对于当前变压器的运行现状来说，仍存在不少问题，其常发生的短路故障严重影响了电力系统运行的稳定性与安全性。因此，对于变压器短路故障的处理变得越来越重要。

关键词：变压器；短路；解决措施

1短路故障原因分析

比较常见的变压器短路故障一般有电流故障、过热故障、出口短路故障等。造成变压器短路故障的因素有很多，主要有变压器的材料质量、结构设计、电流情况、电网线路和各种突发问题等，而在发生短路故障的情况下都会使其绝缘材料严重损坏。在变压器短路故障中，有单相接地短路、两相短路及三相短路三种类型。其中，三相短路故障对变压器的损坏最为严重。由于变压器的选材质量得不到保证、绕组线匝或导线之间没有经过固化处理等，导致变压器抗机械强度差、抗短路能力不足。所以在许多短路故障中，变压器绕组会发生轴向变形，这对变压器的绝缘材料来说是极大的损害，并且在遇到强大的电流冲击时，可能会发生严重爆炸事故。同时，变压器的工作人员未及时到位进行检修也会使变压器发生短路故障。在发生短路故障之前没有进行预防、及时更换老化配件，会引发变压器的短路故障，而故障后只是简单维修没有深入调查其原因、总结经验教训，也会形成恶性的短路循环。

2.变压器短路阻抗计算

短路阻抗是当负载阻抗为零时，变压器内部的等效阻抗，它是由负载电流产生的漏磁场所引起的。为便于产品之间参数的相互对比，通常用百分数的形式来表示短路阻抗，对于在某个容量、电压范围下的变压器，其短路阻抗的百分数是相同的。

本文中笔者应用漏磁链法和有限元法分别计算了改进后新结构自耦变压器的短路阻抗。其绕组布置为：铁心-低压绕组-中压绕组-调压绕组-高压绕组。当将调压绕组全部接入时为最大分接，全部反接入时为最小分接。

根据GB1094.5-2008中规定，220kV级三相三绕组有载调压自耦变压器最大容量为240MVA，短路阻抗为：高-中8%～10%；高-低28%～34%；中-压18%～24%。此台220kV自耦变压器，容量高达250MVA，阻抗要求值：高-中15.5%；高-低50%；中-低31.5%。此阻抗值远大于常规产品。该自耦变压器基本参数如表1所示。

表1自耦变压器基本参数

2.1短路阻抗漏磁链法

自耦变压器绕组高中运行额定分接磁势分布如图2所示。

磁势平衡方程为：

（IZ-IG）WZ-IGWC=0（1）

基准磁势为：

IW=IG（WC+WZ）=IZWZ（2）

相对磁势为：

A2=（IZ-IG）WZ/IW=Kf（3）

图2绕组高低运行额定分接磁势分布图

A3=IGWC/IW=Kf（4）

等值漏磁面积为：

（5）

其中，

a13=a12+a2+a23（6）

（7）

ρ为洛式系数，用它来修正理想漏磁场与实际

漏磁场存在的差异，其计算公式如下。

（8）

其中λ=a3+a23+a2+a12+a1，是内绕组内半径到外绕组外半径之间的距离。短路阻抗百分数通过下式进行计算。

（9）

2.2短路阻抗有限元法

运用基于场路耦合的有限元法计算变压器的短路阻抗时，变压器中储存的磁场能量是在磁场建立过程中由外源做功转换而来，计算出磁场分布可以求得磁场储能，进而求取绕组短路阻抗值。

当绕组中通有电流IN时，磁场能量Wm表达式为：

（10）

式中，Wm为磁场能量（J），L为绕组电感（H），IN为相电流（A）。

当短路阻抗的电阻分量忽略不计时，对应额定电流IN下的短路阻抗为：

ZK=ω·L=2ωWm/IN2（11）

ZK为短路阻抗（漏电抗），ω为电源角频率（rad/s）。

短路阻抗的百分数为：

（12）

式中，UK为短路阻抗百分数，f为频率（Hz），VA为变压器在额定运行情况下的单相容量。

2.3变压短路时油流速度

由于短路瞬间变压器油温升主要集中在绕组周围，并且短路的時间不长，变压器外壳附近的油温不会发生变化，变压器散热条件不会改变，此时的负载损耗功率远大于变压器的散热功率和变压器的铁损。因此忽略散热功率以及变压器铁损对油流的影响，设气体继电器内油流速为U，气体继电器油路横截面积为S，短路时的负载损耗为P（单位为kW），变压器油热膨胀系数为γ，变压器油的密度为ρ，变压器油的比热容为C，通过计算短路时变压器油的体积膨胀量、产生的热量与损耗，以及与时间的关系，可计算推导出（短路时）油流速公式为

U=（P·γ）/（ρ·C·S）（13）

3.案例分析

3.1概况

某变电厂故障变压器所在变电站运行方式：220kV侧为单母线分段接线，110kV侧为双母线接线，10kV侧为单母分段接线。故障前220kV各线路正常运行、110kV母线并列运行，10kV侧I、II母线分裂运行。故障时现场无检修工作，无操作，#1主变正常运行，无缺陷，开关无异常信号。

3.2变压器直流电阻试验

变压器直流电阻试验可以检查变压器绕组引线的连接情况以及各相绕组电阻的平衡情况。2015年8月5日，在油温6℃的条件下，高、中、低各相直流电阻如表2所示。高、低压两侧三相直流电阻变化幅度不大，但中压直流电阻三相互差2.26%。根据电力工业的行业标准DL/T393-2013《电力设备预防性试验规程》标准规定，电阻不平衡率的要求如表3所示。该型变压器容量180000kVA，相间不平衡率应在2%以内，推测中压C相存在断股故障。

3.3短路阻抗试验

对该故障变压器进行短路阻抗试验，如表4所示。结果显示，高压绕组对中压绕组及中压绕组对低压绕组C相短路阻抗数据异常，分别达到7.308%和3.100%。高压对中压C相偏差值已经严重超出DL/T393-2013《输变电设备状态检修试验规程》警示值2%要求。判断该变压器中压C相绕组存在匝间短路，导线断股。

3.4综合分析

（1）短路阻抗测试显示，高压绕组对中压绕组及中压绕组对低压绕组的短路阻抗异常，其中C相短路阻抗的纵比偏差严重，中压C相绕组存在异常。

（2）绕组直流电阻试验显示，中压绕组直阻相间偏差2.26%，其中，C相直阻偏差较大，超过规范规定警戒值，判断中压C相绕组存在断股故障。

（3）测量绕组电容量，高、中压绕组对低压及铁心绕组电容量增大，说明高压，中压发生位移，向外形变；低压绕组对地介损及电容量无法测试，说明低压绕组对地可能存在短路。

3.5主要修复措施

（1）清理铁心、调压绕组和A、B相高压绕组及后续准备使用的引线等。（2）完成C相高压绕组修复。更换三相中、低压绕组，采用优质半硬自粘换位导线，低压绕组内衬成型硬纸筒。（3）严格控制避雷器、重合闸等设备的质量，对于重要性不高或故障频发的重合闸应该及时退出重合闸。

结语

变压器在電力系统中是极为重要的一部分。变压器发生短路故障时，不仅会对其各项部件造成损坏，还会严重影响整个电力系统的供电，使变压器的短路故障处理变得十分重要。因此，应注意对变压器故障进行处理，及时总结经验，避免类似问题的发生。

参考文献

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[5]刘军，张安红.低阻抗大电流脉冲整流变压器开发[J].变压器，2017，54（01）：26-31.

（作者单位：1无锡天云数据中心科技有限公司；

2身份证号码：341221198812020639）