关于电力变压器承受短路能力问题的探讨

颜宏伟 郑原原

摘 要：从标准的要求出发，阐明电力变压器承受短路能力的重要性和达到制造能承受短路能力的高强度电力变压器的难处。分析了110kV电力变压器短路强度的关键，进一步阐述了如何开展短路强度的试验，并建议制造厂与使用部门密切合作，开展产品试验及运行调查，从而逐步提高大变压器承受短路的能力。

关键词：电力变压器；短路；力；試验

1、机械强度的难点

电力变压器在系统中运行，其系统的实际短路容量是确定的。该标准将其定义为电压等级的视在容量，例如，110kV为8000MVA，但是实际测试31500kVA/110kV变压器时，系统阻抗仅为3.6%。当设计变压器以承受系统短路的电磁力时，通常假定变压器连接到能够无限的网络系统，并且电流相当于三相短路电流的第一个峰值流经变压器绕组。根据国标规定，不对称系数为1.8时，表示可能发生的最严重的短路情况。

首先，变压器绕组的机械强度与设计、结构、制造、工艺、材料、测试、运行和维护等诸多因素有关，尤其是测试难度大而且成本高，而且短路测试不能用作例行测试项目。此外，变压器绕组的机械强度逐渐降低，因此单故障变压器的机械强度可能远远高于各种故障条件下的机械强度。另外，变压器的最终强度仅等于变压器复杂结构中最弱部分的强度，机械强度随着运行而逐渐减弱，导致最终的损坏，包括短路“寿命”问题。由于系统条件对短路强度的影响相当复杂，到目前为止分析受到限制，可以说很少有人知道，尚不足得出一个明确的结论。

其次是设计和流程很难达到完全一样的。在力计算方面，径向电磁力很容易计算，因为它们是由轴向泄漏磁场产生的。与实际和精确的电抗计算类似，最终的性能是内部和外部绕组分别承受向内和向外压力以及拉力的圆周力。问题是可以在工艺和结构上做多少工作，尤其是内绕组的稳定性。就轴向力而言，它是由径向磁场产生的，特别是其余安匝法的原理使许多国家的作者获得了特定的计算方法。目前，已经研究了更准确的计算方法。原则上，只要高低压绕组安匝完全平衡，就不考虑末端轴向漏磁，即没有轴向电磁力。然而，在真实的变压器中，龙头存在，导致多余的安匝轴向力可以通过以下方法计算。为了解决由其余安匝产生的轴向机械力，绕组末端漏磁产生的轴向力以及绕组制造过程中不平衡高低电压产生的内部压力，在绕组的两端施加压力以压紧绕组。在短路条件下，绕组在工厂内压缩或压缩不足。之后，运行热油循环会导致绝缘垫松动，或者二次短路事故后绝缘垫松动，导致短路状态下的焊盘松动和不对齐，导致电线崩溃，最终导致故障。所有这些不仅是一个计算问题，而且还是一个实际的结构和过程问题。更重要的是，两者必须协调一致才能达到所需的机械纱线。实际上，两者很难完全达成协议。这不仅因工厂而异，而且同一工厂，同一规格和不同平台往往难以保持一致。

2、解决配电变压器强度的经验

1965～1966年，当时的沈阳变压器厂率先用铜、铝各一台1000kVA/10kV配电变压器在苏家屯电网上进行了短路试验（当时不选相合闸，只是推上去），结果两台变压器高压绕组扭曲，高、低压绕组均有不同程度的损坏。尽管未获成功，但对短路试验开始有了感性认识。以后，从1982年开始试验SL7和S9，到1995年试验新型S930～1600kVA/10kV配电变压器，在前后十几年中，采用的方法是边试制边做短路试验。不合格，再改进，直到合格为止。试验合格SL714台，S912台，新型S937台，SL7、S9、新型S9正式试验合格率达到90%以上。在各有关工厂完成试制后，又有大批工厂试生产和做短路试验。据统计到目前为止，包括S7在内，沈阳高压开关厂、虎石台试验站、西安高压电器研究所试验站、北京电科院试验站、上海华通开关厂试验站等，共试配电变压器约300台。

3、110kV电力变压器短路强度的关键所在

解决配电变压器短路强度问题的经验是：“多重测试”。但是，其难度并不局限于上述情况，而必须以进一步的学习标准为基础。有人认为经过短路测试的变压器不能通过电网，不能投入电网使用，或者必须拆除高低压绕组进行检查，然后报废，否则会损坏，操作不可靠。众所周知，绝缘耐电压试验（动力频率，冲击，操作冲击等）和短路机械阻力试验属于强度评定试验。如果阻力通过，从宏观上讲，不会有任何损害。但从微观角度来看，难以断定没有一点影响。目前，变压器必须通过各种耐压试验，不耐电压试验的产品不能投入使用，这是普遍接受的。在机械电阻方面，对于配电变压器，已经通过短路测试超过十年的产品已经与网络相连，取得了良好的效果。以上对大型变压器的看法与逻辑不一致。

根据IEC76-5和GB1094.5-85变压器耐受短路能力要求，（待完成）在短路试验后满足以下三个要求，认为短路试验变压器合格：（1）重复所有常规测试，全部合格；（2）在短路测试过程中，没有发现缺陷（如明显的位移，变形，绕组放电痕迹，连接线和支撑结构等）；（3）同心绕组测试前后电抗测量值的差异不大于2%，通过标准认证并投入使用的变压器应该没有问题。

4、如何开展短路强度的试验

短路强度测试的发展是重要和必要的，这需要逐步规划和组织困难，而且是制造商和用户应该密切关注的一个项目，只有双方团结一致，经过一段时间的努力才能取得基本的解决。在配电变压器方面的十年经验证明，经过大量测试和改进之后，国产新S9产品的短路强度得到了显着提高。可以说这个水平已经达到并超过了国外同类产品的水平（不是整个产品的所有指标），这是值得高兴的事情。我国有许多工厂生产110kV级变压器，他们的生产历史各不相同，产量差异很大。毫无疑问，所有这些工厂都需要保证产品的短路电阻，但都要求进行短路测试。在同一时间或同时进行短路测试是存在问题的很可能一大批产品都存在问题。

合格的工厂在进行短路试验时，应进行电磁计算分析等机械强度的科学研究，讨论本项目的计算方法，并对钢材、绝缘材料的性能进行实验研究，并对支撑材料（层压木），还有加工测试（如垫准备，干燥，压力计算等），最后机械结构可以承受力和应变分析。将这些理论分析与实际模型试验相结合，不断改进计算方法和工艺结构，实现精确计算、工艺实用、结构可靠性高，指导实际产品的设计和加工，并通过产品检测合格和没有合格的最终判断和改进来实现项目的实际需求并使产品具有可靠的机械强度。

结语

综上所述，短路强度试验的开展是重要的和必要的。难点再大也要有计划、有组织地逐步开展起来，这应该是制造与使用双方都应十分关注的项目，也只有双方联合起来，经过一段时间的努力，才能获得基本解决。配电变压器十几年的经验证明，在做了大量试验和改进之后，国产新型S9产品，短路强度有了显著的提高，可以说达到并超过了国外同类产品该项水平（不是指整台产品各项指标），这是值得高兴的。

参考文献

[1]张博.多次短路冲击条件下的大型变压器绕组强度与稳定性研究[D].沈阳工业大学，2016.

[2]李晚晴.基于振动信号分析的电力变压器状态检修系统研究[D].北京交通大学，2016.

[3]吴书有.基于振动信号分析方法的电力变压器状态监测与故障诊断研究[D].中国科学技术大学，2009.

[4]俞剑刚.大型油浸式电力变压器绝缘受潮的综合分析处理[D].浙江大学，2008.

[5]贺以燕.从设计、工艺、结构与试验等方面探讨提高变压器抗短路能力的问题[J].变压器，1997（10）：1-11.

（作者身份证号码：1 320122198604134419；

2 320122199003023216）