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10KV变压器低压短路导致结果

时间:2013-6-4 10:14:51 点击:6125

10KV变压器低压短路导致结果

1 前言

    电力变压器在电力系统中运行,发生短路是人们竭力避免而又不能绝对避免的,特别是出口(首端)短路,巨大的过电流产生的机械力,对电力变压器危害极大。因此,国家标准GB1094和国际标准IEC76均对电力变压器的承受短路能力作出了相应规定,要求电力变压器在运行中应能承受住各种短路事故。然而,近五年来对全国110kV及以上电压等级电力变压器事故统计分析表明,因短路强度不够引起的事故已成为电力变压器事故的首要原因,严重影响了电力变压器的安全、可靠运行。

    本文就因外部短路造成电力变压器损坏事故的情况作一统计分析,进而提出了减少这一类事故的措施,试图以此促进制造厂对电力变压器产品的改进和完善,同时促使运行部门进一步提高运行管理水平。

2 大型电力变压器短路事故情况

    根据1991~1995年的不完全统计,全国110kV及以上电压等级电力变压器共发生事故317台次,事故总容量为25348.6MVA。以台数计的平均事故率为0.83%,以容量计的平均事故率为1.10%。在这些事故中,因外部短路引起电力变压器损坏的有93台次,容量为6677.6MVA,分别占同期总事故台次的29.3%,占总事故容量的26.3%(详见表1)。

    表1 1991~1995年全国电力变压器短路事故台次及容量统计


    由表1不难看出,电力变压器短路强度不够已成为导致电力变压器损坏事故的主要原因之一,也成为电力变压器运行中的突出问题。为此,提高大型电力变压器抗短路能力势在必行。

3 大型电力变压器短路事故原因分析

3.1 电力变压器本身动稳定性能差

    电力变压器因外部短路而损坏的因素很多,情况也比较复杂。但从近五年来电力变压器短路事故发生的过程、现象及其事后的解体检查情况看,电力变压器之所以短路后立即造成损坏,主要是电力变压器本身抗短路能力不够。也就是说,电力变压器动稳定性能先天不足,追其原因大致有以下几点:

    (1)变压器结构设计中,对作用在电力变压器绕组上的电动力,仅用静力学的理论计算,看来是不能正确反映电力变压器承受短路电流冲击能力的。因为绕组各部分的作用力和形变的关系是很复杂的,也是随时间在变化的。因此,只有对动态过程进行分析,才能使电动力的研究结果更符合实际情况。正是这一原因致使一部分电力变压器在遭受低于规定强度的短路电流冲击,且保护速动下,仍然发生绕组变形现象,甚至导致绝缘击穿。这明显地说明这些电力变压器的动稳定性较差,不能承受短路瞬间的非对称电流第一个峰值产生的电动力作用。如东北辽阳变电站一台DFPSF-250000/500电力变压器,在发生互感器事故时形成低压侧三相短路,造成低压侧引线支架多处断裂,绕组变形,低压X2端绕组与铁心短路。事故时短路电流为105kA,低于电力变压器应承受的电流值,保护动作也正常,但仍使变压器损坏。又如江苏谏壁发电厂一台SFP-360000/220变压器,在机组与电网解裂时,机组纵向差动保护、主变重瓦斯保护和发电机负序、主变零序保护动作,压力释放阀动作喷油、起火,导致A相高压绕组变形,偏离轴线倾斜;A相低压绕组有几十根线匝从铁心柱和压板间冒出,严重变形;A相铁心严重损坏。

    事故后,多次组织由各方面专家组成的事故分析小组,对事故进行细致的分析,认为造成电力变压器严重损坏的主要原因是电力变压器承受短路能力不够。吊心检查还发现上述两组电力变压器的低压绕组均采用机械强度很差的换位导线。此外,还有因绕组的动稳定强度不够发生重复性事故。如山西神头第一发电厂2号联变120000kVA/500kV单相自耦电力变压器,继1990年B相事故后,又发生C相类似事故。运行中,由于220kV单相短路发展为B、C相短路,持续220ms,电力变压器压力释放阀动作,高压套管爆破,油箱焊缝开裂10处,绕组严重变形。这说明该组电力变压器没有承受近区短路故障的能力。

    (2)在电力变压器制造中,绕组轴向压紧工艺不佳。这不仅使绕组最终未能达到设计和工艺要求的高度,不能使其始终保持紧固状态,而且在短路轴向力的作用下,绕组有可能出现松动或变形现象。发生这一问题是与一些变压器厂没有很好地针对国内材料和工艺现状,而盲目地采用同一绝缘压板结构有关。采用这种结构虽然可节省端部绝缘距离,降低附加损耗,但是采用这种结构通常需要对垫块进行密化处理。在绕组加工好后,还应对单个绕组进行恒压干燥,并测量出绕组压缩后的高度。把同一压板下的各个绕组调整到同一高度,然后在总装时用油压装置对绕组施加规定的压力,最终达到设计和工艺要求的高度。只有经过这样严格的工艺处理,才能保证总装时同一压板下的各绕组都能够被压紧,而且能够在运行过程中保持稳定。否则就可能带来质量上的重大隐患。如湖南长沙电业局岳屏站的一台SFZ8-31500/110Y结电力变压器,运行中低压10kV线路故障短路,在速断保护正确动作的情况下,电力变压器重瓦斯跳闸,造成A相绕组首端受损,绕组严重扭曲位移,B、C两相低压绕组也有扭曲现象。经检查,高、低压绕组的上部有明显的高度差,在同一压板下受力不均。再如山西的一台31500kVA/110kV双绕组电力变压器,尽管在运行及常规试验中没有发现任何异常,但用频响法却测试出低压绕组已有变形,经吊罩检查发现,绕组上夹件的下支板上翘20mm,绕组轴向尺寸相应拉长20mm,并呈现纵向大波浪状。返厂解体检查发现,高压绕组基本完好,低压绕组有严重变形,大部分垫块松脱,轴向完全处于自由状态。只是由于其线饼间仍然保持平行而未导致绝缘击穿,以致于这样的电力变压器在停运前还在带满负荷运行。该电力变压器是用一块绝缘压板压两个绕组。据调查,该电力变压器在运行的7年间曾遭受多次冲击(开关速断动作64次,过流动作8次,跳闸后重合闸动作17次)。分析该台电力变压器绕组严重变形的主要原因是由于制造过程中低压绕组压紧不够,在受短路力作用时产生轴向位移,促使高、低压绕组间高度差逐步扩大,导致绕组安匝不平衡加剧,使漏磁造成的轴向力一次比一次增大。110kV电力变压器类似的例子是比较多的。

    再有绝缘压板的材质,同样也是需要密切注意的问题。钢压板的刚度较大,压板的支撑力到端部的压力传递过程比较简单。但如果采用层压木(纸)板,情况要复杂得多,应特别注意压板本身的机械强度和刚度。在多起事故中都已发现层压纸板被折断(有的断裂成几块)的情况。如湖南衡阳白沙洲一台SFZ8-31500/1101号主变,配电室因进入小动物造成短路,开关动作后重合闸成功而重瓦斯动作跳闸。吊罩检查发现,B、C相压板折断,低压绕组向上冲出,严重变形,并有不少线股折断。又如黑龙江齐齐哈尔局北关变电所SFZ7-31500/110主变压器,当10kV配电线路故障,重合闸不良强送电时,主变重瓦斯动作。吊罩检查发现B相绕组层压板翘折翻起,B相低压绕组隆起。由于绕组层压板采用的层压材质不良,经受不住短路电流冲击,酿成事故。再如湖南岳阳枫树坡一台SFZ8-31500/110电力变压器,由于吊车操作时碰线,造成低压b、c两相短路,致使A、B相层压板折断3块。为此,建议对已经发现压板强度不够的设计尽快进行改进。此外,由于辐向力的作用,往往使内绕组向铁心方向挤压,铁心烧损的情况屡有发生。因此,应加强内绕组与铁心柱间的支撑,一般可通过增加撑条数目,并采用厚一些的纸筒作绕组骨架等措施来提高绕组的辐向动稳定性能。

    (3)引线固定支点不够、支架不牢固、引线焊接不良等也是导致电力变压器事故的原因之一。如某厂生产的一台SFPF-360000/330电力变压器,由于引线的固定垫块间隔太大(垫块数不够),当发生短路时,低压引线变形,造成木支架和垫块脱落、三支套管根部断裂、油箱变形开裂,低压绕组有位移的事故。短路事故后发现变压器夹持引线的木支架裂开和木螺杆折断的情况有多起,因此应加强有关木夹件的强度。

3.2 运行管理不当

    在所有短路事故中,同时也包括某些由于运行管理不当而造成电力变压器损坏的情况,如短路事故发生后不试验、不检查,投入运行后损坏;10kV线路重合闸投入不当,对部分永久性短路故障重合闸后,加剧了电力变压器的损坏;还有因保护失灵、开关拒动、失去直流电源或容量不足等,致使短路故障切除时间过长,导致电力变压器损坏。如河南濮阳化北一台SFSZ7-31500/1101号主变,在事故前两天因出口短路造成差动保护动作后未进行试验,重新投运时重瓦斯保护动作跳闸、安全气道喷油。检查结果为中压绕组A相上部调压段多处匝间短路并烧断(31~40饼)。说明再次投运前电力变压器已有损坏。再如山西太原供电局新店站SFSZ7-31500/1101号主变,因10kV系统故障导致直流消失,由手动操作跳闸,电力变压器受长时间短路作用损坏。粗略统计结果表明,在遭受外部短路时,因不能及时跳闸而发生损坏的电力变压器约占短路损坏事故的30%,当然也包括其中有的电力变压器动稳定性并未过关,只是不易区分而已。

    另外,运行中人为误操作形成短路,增加了短路事故的引发因素。如上海闸北发电厂的SFPS7-63000/1107号主变,在运行中由于误操作引起弧光短路,将电力变压器烧坏。C相的中压和低压绕组严重变形烧坏,A相的中压绕组出现局部变形。

    由上可见,在电力变压器运行管理上有需要总结和改进之处。

4 值得重视的几个问题

4.1 因外部短路造成的电力变压器损坏事故呈增长的趋势

    由表1不难看出,电力变压器短路事故台次占同期事故台次的百分数是逐年增长的,特别是1995年竟达49%左右,这已达到不能容忍的地步了。之所以出现这一局面,除了上述原因之外,还与长期受试验条件所限,未能对110kV及以上电力变压器在投运前对其短路强度进行考核,以及近年来城网改造对110kV电力变压器需要量剧增,制造厂忽视了产品质量等情况有关。正因为这样,一些制造厂的产品遇上一次外部短路即发生损坏事故。事故后有些制造厂在结构上未做任何改进又投产了而有些制造厂虽然对结构做了一些改进,但因试验条件有限或耗资巨大,也无法来验证各项改进措施的有效性,其电力变压器短路事故仍然未见明显减少。为此,要求变压器制造厂在目前国内已具备短路试验能力的情况下,应选取有一定代表性的产品进行短路试验,以实际来考核典型产品承受短路的能力,同时验证短路力的计算公式和各项工艺措施的有效性,最终达到提高产品的抗短路能力的目的。

    4.2 所统计的短路事故中110kV电力变压器居多表2列出了近五年因短路而造成不同电压等级电力变压器损坏事故的情况。

    表2 电力变压器短路事故按电压等级分布情况表

    从表2可以看出,110kV级电力变压器的短路事故台次约占总短路事故台次的71%,而其中31500kVA/110kV电力变压器的短路事故台次又占110kV级的短路事故台次的53%。之所以110kV电力变压器的短路事故居多,这是因为110kV电力变压器是直接降压到10kV配电系统的设备。10kV系统的短路故障的发生概率高,而电力变压器的设计和制造工艺往往不能作出承受短路能力的保证,又缺乏对实际承受能力的检验。加之生产110kV电力变压器的制造厂逐年增加,生产工艺的分散性加剧了产品质量的不稳定性,因此使电力变压器损坏事故逐年增多。另外,随着工农业发展,提供10kV用户的回路扩大,所用配电设备的质量良莠不齐等原因使10kV系统短路故障的概率升高。如宁夏固原三营一台SFSZ8-20000/1101号变,运行仅半年,由于外力破坏,造成10kV出口短路,导致电力变压器C相低压绕组烧坏。又如广西钦州牛头湾一台SFPS-31500/1102号变,运行也仅半年,由于线路末端短路,因中压B相第三档分接(无励磁调压)引线烧断,导致Bm绕组内部短路烧损。再如石家庄北郊SFZ8-40000/1101号变,在投运一年半后,因10kV电缆出线在300m处发生故障,短路电流为15.04kA,0.25s跳闸,造成电力变压器层压板断裂,支撑压钉开焊,B、C相绕组变形,B相绕组对铁心放电,铁心接地片及引线烧断。

4.3 在损坏的电力变压器中明显地反映了变形的积累效应

    如上所述的山西一台31500kVA/110kV电力变压器即为典型实例。该电力变压器在运行的7年间,10kV侧竟遭受多次冲击,低压绕组已有明显变形,在停止运行前仍带满负荷运行。要不是及时用频响法测试出低压绕组发生变形,很难说在什么时候这台电力变压器就会发生事故。从中我们可以得出,运行中电力变压器一旦发生绕组变形,短路冲击后,即使不立即发生击穿,也会因绕组的残余变形而造成严重的故障隐患。如湖北青山电厂一台63000/110升压变,发生短路后速断跳三侧开关,经预试合格再投运一个月后,油中特征气体增长。停运检修发现35kV绕组已整体变形,包括10kV绕组多处露铜,导线有烧融。因此,对于绕组已有变形仍在运行的电力变压器来说,虽然并不意味着会立即发生绝缘击穿事故,但根据变形情况不同,当再次遭受并不大的过电流或过电压、甚至在正常运行的铁磁振动作用下,也可能导致绝缘击穿事故。所以,有些“雷击”或“突发”事故中很可能隐藏着绕组变形的故障因素。对此,运行部门和制造厂都应有充分的认识而千万不能存有侥幸心理。

4.4 大型自耦电力变压器第三绕组外部短路引起变压器损坏事故不容忽视

    继过去多次500kV联络变压器第三绕组外部短路引起变压器损坏事故之后,近几年来,在330kV、220kV自耦(三绕组)变压器上也连续发生了几次低压绕组在外部短路时损坏的事故。如西安北郊变电站一台OSFPZ7-240000/3301号主变,由于35kV侧短路,引起A、B相低压绕组变形位移,并有绝缘损伤,第1、80和81饼断股。与以往的500kV电力变压器事故类似,自耦电力变压器的第三绕组不是能量输送对象,虽然设计容量小,但引起短路后将链及主磁通,瞬间吸收很大的电磁功率。因此,对第三绕组必须采取特殊的技术措施来保证短路机械强度。否则,一旦外部发生短路,事故难免,而三相输变电系统中发生短路是不可避免的。

4.5 在对电力变压器的动、热稳定能力运行考核时,提高其动稳定能力是问题的关键

    众所周知,电力变压器在运行中一旦发生单相对地短路或两相之间短路或三相之间短路时,电力变压器绕组中就会流过很大的短路电流。在此电流作用下,一方面会使电力变压器各部分承受巨大的电动力,致使绕组发生畸变或崩掉;另一方面会在绕组中产生很大的热量,致使绕组烧毁或因热效应作用而使导线退火,造成绕组永久性变形。因此,国家标准对短路电流持续时间作了明确规定,要求短路电流作用时间为2s时,绕组达到的最高平均温度不应超过其最大允许值(铜导线为250℃,铝导线为200℃)。

    然而,在实际运行中也曾出现过短路时间持续3min而电力变压器未发生损坏的事例。当然,这与短路电流倍数的大小有关。这说明,由于短路电流作用时间过长而损坏的电力变压器,除与其本身的热稳定性能有关外,很可能也与动稳定性能有关。由此看来,提高其动稳定能力是问题的关键。

    目前,对于110kV电压等级电力变压器,有些制造厂已开始着手进行短路试验的考核,预计将有助于设计和工艺的改进。而大型电力变压器还只能靠设计计算和工艺条件来控制,因此在设计制造中应保证电力变压器在最严重的短路情况下有足够的动、热稳定性。特别需要注意的是,对大型自耦电力变压器的第三绕组的承受短路能力,应采取特殊的技术措施加以保证。对于已投入运行的电力变压器,首先,应配备可靠的供保护系统使用的直流电源,并保证保护动作的正确性;第二,结合目前运行中电力变压器抗外部短路强度较差的情况,采取必要的措施以减少因重合闸不成而带来的危害;第三,对于短路跳闸的电力变压器应尽量进行试验检查。目前开展的绕组变形测试技术,对电力变压器受到短路冲击后能否继续运行提供了重要判断手段,可根据测试结果有目的地进行吊罩检查;第四,对在运行中遭受短路电流冲击的电力变压器应进行记录,并计算短路电流的倍数,以便在有条件的情况下对其绕组的变形情况进行测试和分析,安排必要的检修,避免重大事故的发生。

5 减少电力变压器短路事故的措施

    鉴于上述情况,为了减少大型电力变压器短路事故,确保大型电力变压器安全、可靠运行,应尽快提高110kV及以上电压等级电力变压器的抗短路能力。为此,电力部曾在全国变压器类设备专业工作会议中提出:

    (1)目前国内已具备大型电力变压器短路试验能力。电力部希望生产110kV及以上产品的变压器厂,按规定尽快选择产品送试。当前应侧重解决110kV产品的问题。对通过两部鉴定的联合设计的“8”型110kV电力变压器遗留的补作短路试验问题,应限期解决。其他“8”和“9”型产品,也应通过短路试验才能批量生产。为推动这项工作,希望几个大厂带头送试生产量大的代表性的产品。有关制造部门在试验验证其所开发产品的抗短路性能之前应停止向中小厂扩散、转让。

    (2)各网、省局对这项工作应予以支持配合。订货产品,必须是通过短路试验,并经检查、补强、复做例行试验合格的产品,同时还应在电网运行中考核。通过短路试验的变压器产品,电力用户应优先采用。

    (3)针对电力变压器普遍存在抗短路能力不够的问题,各制造厂应从设计、工艺等方面提高电力变压器产品的结构强度,采取一些行之有效的措施,例如:

    a.改进、修正结构强度的计算公式,将静态力计算过渡到动态力计算,以便更符合实际工况,保证设计裕度。

    b.从设计上要尽量达到安匝平衡,工艺上要严格控制绕组抗短路能力。

    c.提高绕组轴向强度的措施:采用恒压干燥,垫块预密化,改进铁轭夹件结构,采用加强的整圆形压板取代半圆形压板,必要时采用钢压板以提高压板的强度和刚度。

    增加压钉数量,严格做到各压钉和铁轭下的木楔受力均匀,确保低压绕组充分压紧;改进低压绕组结构形式,尽可能不采用老式螺旋式绕组,大力提高低压绕组端部抗短路强度。

    d.提高绕组辐向强度的措施:低压绕组应内衬高强度硬纸筒,纸筒与铁心间应填实撑好,加密圆周方面的撑条根数,增加外撑条,工艺上确保绕组辐向充分套紧。

    e.电力变压器内部裸露的导体都应加包绝缘,要加强引线支架及外壳的强度。

    f.对生产量大的电力变压器产品,其抗短路应通过试验考核,以验证强度计算的正确性。

    各厂可结合自身条件研究新的结构加强方案。在短路试验样机上得到验证的各种结构加强措施,应在相同或相烊似的产品上加以实施。

    (4)运行部门也应采取措施,降低出口和近区短路故障几率,如:提高继电保护和直流电源的可靠性,要选用可靠性高的低压设备,加强对低压母线及其所有连接设备的维护管理,防止小动物短路和其它意外短路,防止误操作和开关拒动或非同期合闸,选用全工况开关装置,防止配电室“火烧连营”。对6~10kV电缆出线或短架空出线尽量不用重合闸,以避免事故扩大。

    (5)电力变压器绕组变形测量正在各地积极开展。经测量发现有问题的电力变压器应通过吊检和其它试验进行综合判断,注意跟踪检查和修理,防止变形的积累演变成绝缘事故。避免电力变压器在经历出口短路后未经任何试验和检查就试投。

    (6)鉴于近期已有一些厂家准备做电力变压器的短路试验,建议有关部门结合系统实际运行工况,参照IEC标准,制定适合我国国情的“电力变压器短路试验导则”(包括短路时间电流倍数、判断标准等具体规定)。

作者:编辑部 来源:中国变压器网
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