知識收藏 |干式變壓器運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干式變壓器損壞的具體實(shí)例分析了由于電磁線(xiàn)原因造成干式變壓器損壞和目前存在的問(wèn)題，并就電力干式變壓器的設計和電磁線(xiàn)的選用提出了建議。關(guān)鍵詞：干式變壓器 抗短路能力 電動(dòng)力 繞組 電磁線(xiàn) 事故1　前言近年來(lái)，干式變壓器事故時(shí)有發(fā)生，而且有增長(cháng)的趨勢。從干式變壓器事故情況分析來(lái)看，抗短路能力不夠已成為電力干式變壓器事故的先要原因，對電網(wǎng)造成很大危害，嚴重影響電網(wǎng)安全運行。 本文就上海市電力公司近十多年來(lái)因電力干式變壓器外部短路而造成損壞事故的情況作一分類(lèi)分析，進(jìn)而提出目前有關(guān)電磁線(xiàn)選用存在的問(wèn)題和減少這一類(lèi)事故的措施，以促進(jìn)制造廠(chǎng)對產(chǎn)品的改進(jìn)和完善，同時(shí)促使運行單位進(jìn)一步提高運行管理水平。2　干式變壓器短路事故情況 從1993年1月至2002年12月，上海電網(wǎng)干式變壓器累計發(fā)生短路損壞事故17臺次，占整個(gè)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(xiàn)圈嚴重變形不得不更換線(xiàn)圈的220kV級1臺，110kV級1臺，在干式變壓器改造中發(fā)現220kV級低壓繞組有變形現象4臺，運行中發(fā)現500kV繞組有變形跡象有2臺。特別自1995年以來(lái)，干式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(xiàn)圈變形逐漸嚴重，較終絕緣擊穿損壞居多； 2) 外部短時(shí)內頻繁受短路沖擊而損壞； 3) 長(cháng)時(shí)間短路沖擊而損壞； 4) 一次短路沖擊就損壞。3　干式變壓器短路損壞的主要形式 根據近幾年的干式變壓器因出口短路而發(fā)生損壞的情況，干式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 這種損壞主要是在輻向漏磁產(chǎn)生的軸向電磁力作用下，導致干式變壓器繞組軸向變形，該類(lèi)事故占整個(gè)損壞事故的52.9％。 3.1.1線(xiàn)餅上下彎曲變形 這種損壞是由于兩個(gè)軸向墊塊間的導線(xiàn)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稱(chēng)的。 3.1.2繞組或線(xiàn)餅倒塌 這種損壞是由于導線(xiàn)在軸向力作用下，相互擠壓或撞擊，導致傾斜變形。如果導線(xiàn)原始稍有傾斜，則軸向力促使傾斜增加，嚴重時(shí)就倒塌；導線(xiàn)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繞組導線(xiàn)向內翻轉，外繞組向外翻轉。 3.1.3 繞組升起將壓板撐開(kāi) 這種損壞往往是因為軸向力過(guò)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(chǎn)生的輻向電磁力作用下，導致干式變壓器繞組輻向變形，占整個(gè)損壞事故的41.2%。 3.2.1 外繞組導線(xiàn)伸長(cháng)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(xiàn)的拉應力過(guò)大會(huì )產(chǎn)生永久性變形。這種變形通常伴隨導線(xiàn)絕緣破損而造成匝間短路，嚴重時(shí)會(huì )引起線(xiàn)圈嵌進(jìn)、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(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線(xiàn)向內翻轉，外繞組向外翻轉。 3.2.3內繞組導線(xiàn)彎曲或曲翹 輻向電磁力使內繞組直徑變小，彎曲是由兩個(gè)支撐(內撐條)間導線(xiàn)彎矩過(guò)大而產(chǎn)生永久性變形的結果。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(huà)，這種變形是對稱(chēng)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)生局部失穩形成曲翹變形。 3.3引線(xiàn)固定失穩 這種損壞主要由于引線(xiàn)間的電磁力作用下，造成引線(xiàn)振動(dòng)，導致引線(xiàn)間短路，這種事故較少見(jiàn)。4　干式變壓器短路損壞的常見(jiàn)部位 根據近幾年的干式變壓器因出口短路而發(fā)生損壞的情況，干式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對應鐵軛下的部位 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較小，故大多通過(guò)油路和鐵軛間閉合，磁場(chǎng)相對集中，作用在線(xiàn)餅的電磁力也相對較大；(2)內繞組套裝間隙過(guò)大或鐵心綁扎不夠緊實(shí)，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較不可靠的，該部位的線(xiàn)餅往往難以達到應有的預緊力，因而該部位的線(xiàn)餅較易變形。 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(chǎn)生的漏磁場(chǎng)在線(xiàn)圈中產(chǎn)生額外軸向外力，這些力的方向總是使產(chǎn)生這些力的不對稱(chēng)性增大。軸向外力和正常幅向漏磁所產(chǎn)生的軸向內力一樣，使線(xiàn)餅向豎直方向彎曲，并壓縮線(xiàn)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，出現線(xiàn)餅向繞組中部變形或翻轉現象； (2)該部位的線(xiàn)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(shí)，因而對線(xiàn)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(jìn)一步加劇不平衡；(4)運行一段時(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象，另一方面受短路力時(shí)跳動(dòng)加??；(5)在設計時(shí)間為力求安匝平衡，分接區的電磁線(xiàn)選用了較窄或較小截面的線(xiàn)規，抗短力能力低。 4.3換位部位 這部位的變形常見(jiàn)于換位導線(xiàn)的換位和單螺旋的標準換位處。 換位導線(xiàn)的換位，由于其換位的爬坡較普通導線(xiàn)的換位為陡，使線(xiàn)匝半徑不同的換位處產(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)生的附加力，致使線(xiàn)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(shí)又具有換位導線(xiàn)換位變形特征，因此該部位的線(xiàn)餅更容易變形。 4.4繞組的引出線(xiàn) 常見(jiàn)于斜口螺旋結構的繞組，該結構的繞組，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(xiàn)拐角部位產(chǎn)生一個(gè)橫向力而發(fā)生扭曲變形現象。另外螺旋繞組在繞制過(guò)程中，有剩余應力存在，會(huì )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(xiàn)間 常見(jiàn)于低壓引線(xiàn)間，低壓引線(xiàn)由于電壓低流過(guò)電流大，相位120度，使引線(xiàn)相互吸引，如果引線(xiàn)固定不當的話(huà)，會(huì )發(fā)生相間短路。5　干式變壓器短路故障原因分析 因干式變壓器出口短路導致干式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(zhì)量、工藝水平、運行工況等因數有關(guān)，但電磁線(xiàn)的選用是關(guān)鍵。從近幾年解剖干式變壓器，對其事故進(jìn)行分析來(lái)看，與電磁線(xiàn)有關(guān)的大致有以下幾個(gè)原因。 5.1基于干式變壓器靜態(tài)理論設計而選用的電磁線(xiàn)，與實(shí)際運行時(shí)作用在電磁線(xiàn)上的應力差異較大。 5.2目前各廠(chǎng)家的計算程序中是建立在漏磁場(chǎng)的均勻分布、線(xiàn)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(shí)上干式變壓器的漏磁場(chǎng)并非均勻分布，在鐵軛部分相對集中，該區域的電磁線(xiàn)所受到機械力也較大；換位導線(xiàn)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，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、有調壓分接的對應部位的線(xiàn)餅先先變形的根本原因。 5.3抗短路能力計算時(shí)沒(méi)有考慮溫度對電磁線(xiàn)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(shí)際運行情況，根據試驗結果，電磁線(xiàn)的溫度對其屈服極限?0.2影響很大，隨著(zhù)電磁線(xiàn)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(shí)下降10％以上，延伸率則下降40％以上。而實(shí)際運行的干式變壓器，在額定負荷下，繞組平均溫度可達105℃，較熱點(diǎn)溫度可達118℃。一般干式變壓器運行時(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(huà)，將在非常短的時(shí)間內(0.8s)緊接著(zhù)承受第二次短路沖擊，但由于受較好次短路電流沖擊后，繞組溫度急劇增高，根據GBl094的規定，較高允許250℃，這時(shí)繞組的抗短路能力己大幅度下降，這就是為什么干式變壓器重合閘后發(fā)生短路事故居多。 5.4采用普通換位導線(xiàn)，抗機械強度較差，在承受短路機械力時(shí)易出現變形、散股、露銅現象。采用普通換位導線(xiàn)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(xiàn)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干式變壓器的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線(xiàn)，其中有66個(gè)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(xiàn)，在鐵心軛部部位的高壓繞組二端線(xiàn)餅均有不同翻轉露線(xiàn)的現象。 5.5采用軟導線(xiàn)，也是造成干式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(xiàn)裝備及工藝上的困難，制造廠(chǎng)均不愿使用半硬導線(xiàn)或設計時(shí)根本無(wú)這方面的要求，從發(fā)生故障的干式變壓器來(lái)看均是軟導線(xiàn)。 5.6繞組繞制較松，換位或糾位爬坡處處理不當，過(guò)于單薄，造成電磁線(xiàn)懸空。從事故損壞位置來(lái)看，變形多見(jiàn)換位處，尤其是換位導線(xiàn)的換位處。 5.7繞組線(xiàn)匝或導線(xiàn)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繞組的預緊力控制不當造成普通換位導線(xiàn)的導線(xiàn)相互錯位。 5.9套裝間隙過(guò)大，導致作用在電磁線(xiàn)上的支撐不夠，這給干式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(shí)造成線(xiàn)餅的跳動(dòng)，致使作用在電磁線(xiàn)上的彎應力過(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)力的積累效應引起電磁線(xiàn)軟化或內部相對位移，較終導致絕緣擊穿。6　建議6.1訂貨(1) 對設備選型時(shí)，應充分考慮現有產(chǎn)品結構狀況，取消冗余功能，選擇可靠結構，在充分考慮電網(wǎng)的短路容量與產(chǎn)品的動(dòng)穩定性能之后，再確定產(chǎn)品參數，根據電網(wǎng)實(shí)際需要合理的配置分接開(kāi)關(guān)，對性能參數的要求應和目前制造水平及材質(zhì)狀況相適應。(2) 優(yōu)先選用經(jīng)短路型式試驗合格的產(chǎn)品設計，并對產(chǎn)品進(jìn)行抽檢短路耐受試驗，以確保產(chǎn)品的同一性。(3) 選用全自冷干式變壓器。由于全自冷干式變壓器相對其他冷卻方式的干式變壓器度低，用銅量大，干式變壓器重量重，具有較強抗短路能力。6.2 產(chǎn)品設計針對前述造成短路故障的原因和問(wèn)題，電氣設計和結構設計各方面應采取改進(jìn)措施。要充分考慮工藝和材質(zhì)的分散性，在關(guān)鍵的部位應留有足夠的裕度，當先進(jìn)性與產(chǎn)品的可靠性有矛盾時(shí)，先先考慮保證可靠性。設計時(shí)應按高溫條件(250℃~350℃)進(jìn)行抗短路能力的設計，并對特殊部位(如換位、螺旋口)要進(jìn)行抗短路能力校核計算。若內線(xiàn)圈一定要帶分接，應優(yōu)先采用先立調壓繞組結構。同時(shí)要禁止使用普通換位導線(xiàn)，而盡量選用半硬以上的自粘性換位導線(xiàn)和組合導線(xiàn)；35kV及以下繞組的內支撐硬筒選用低介損無(wú)局放的環(huán)氧玻璃絲絕緣筒；軸向壓緊較好采用彈簧壓釘。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(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線(xiàn)和組合導線(xiàn)。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(yōu)先采用環(huán)氧玻璃絲筒作繞組內支撐絕緣筒。6.5安裝為確保干式變壓器安裝質(zhì)量，可采用實(shí)行賣(mài)方負責的安裝方式，賣(mài)方必須對整個(gè)安裝工作質(zhì)量負責?，F場(chǎng)吊芯檢查時(shí)要進(jìn)行器身預緊力校核，確保干式變壓器器身處于緊固狀態(tài)。6.6運行管理鑒于目前運行干式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(dòng)重合或強行投運，應看到其不利的因素，否則有時(shí)會(huì )加劇干式變壓器的損壞程度，甚至失去重新修復的可能。運行部門(mén)可根據短路故障是否能瞬時(shí)自動(dòng)消除的概率，對近區架空線(xiàn)(如2km以?xún)?或電纜線(xiàn)路取消使用自動(dòng)重合閘，或適當延長(cháng)合閘間隔時(shí)間以減少因重合閘不成而帶來(lái)的危害，并且盡量對短路跳閘的干式變壓器進(jìn)行試驗檢查。6.7科研運行單位、制造廠(chǎng)和材料廠(chǎng)應結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)品設計，提高干式變壓器抗短路能力水平，以滿(mǎn)足運行需要?？傊?，造成故障或事故的因素較多，但干式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(huán)節中也暴露出一些問(wèn)題。除了在結構方面尚存在一些沒(méi)有充分認識的因素外，設計和工藝操作方面存在的問(wèn)題值得制造廠(chǎng)及運行單位引起重視。

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