變壓器短路故障原因分析

電力變壓器是供電生產的主要設備之一，造價高，制造周期長。一旦發生故障，將對整個供電系統及電力用戶造成極大的影響，而影響變壓器安全運行的主要因素之一是短路沖擊，變電站出口或近距離短路對變壓器危害極為嚴重。通過歷年對全國電力變壓器運行情況和事故的統計分析,發現因外部短路故障引起的設備損壞事故逐年增多。扼制此類事故的上升勢頭,已成為提高電力變壓器安全運行水平的關鍵。
1 變壓器短路故障的原因
變壓器本身抗短路能力不夠是引起變壓器短路損壞的主要原因。除此之外,運行管理不當也是一個不可忽視的因素。變壓器抗短路能力不夠,主要表現在一部分變壓器在遭受低于規定強度的短路電流沖擊且保護速動下,仍然發生繞組變形,甚至絕緣擊穿。例如河南開封濱河站1臺SFL6-31500/110變壓器,因低壓側所帶線路母線電纜三相短路爆炸,引起主變重瓦斯保護動作跳閘,造成變壓器低壓側A相斷線,鐵芯移位。但其短路電流僅為額定電流的4.5倍,保護動作時間為0.08s。
變壓器動穩定性能差,經受不住各種短路,究其原因大致有以下幾點: (1)在變壓器結構設計中,對作用在變壓器繞組上的電動力,僅按靜力學計算是不能正確反映變壓器突發短路電流沖擊時所承受的各種應力的。(2)選擇導線不恰當,存在重視熱性能而忽視機械應力的現象。(3)繞組軸向壓緊力不夠。(4)引線固定支點不夠、支架不牢固、引線焊接不良等。 (5)內繞組與鐵芯柱間支撐不夠。(6)制造過程中工藝條件不規范,質量控制不嚴。
由以上分析看出,變壓器的抗短路能力主要取決于結構設計和制造工藝,當然與運行管理和運行條件也有一定的關系。如有一些事故就是因保護失靈、開關拒動、失去直流等原因,致使短路故障切除時間過長,而在電、熱的共同作用下導致變壓器繞組損壞。統計事故中還有一些是運行中人為誤操作引發的變壓器短路事故。另外運行溫度、絕緣老化等也是一些變壓器發生短路損壞事故的原因。所以在變壓器運行管理上也有需要總結和改進之處。例如山西太原新店站一臺SFSZ7-31500/110變壓器,因10kV系統故障導致直流消失,由手動操作跳閘,變壓器由于受長時間短路電流作用而損壞。統計事故中還有一些是運行中人為誤操作引發的變壓器短路事故。另外運行溫度、絕緣老化等也是一些變壓器發生短路損壞事故的原因。所以在變壓器運行管理上也有需要總結和改進之處。
還有一點值得運行和制造部門重視的是,繞組變形的累積效應所造成的嚴重故障隱患。最典型的實例是上述山西太原某變電站的SFZ7-31500/110變壓器。據調查,該變壓器在運行的7年間曾遭受多次短路沖擊(開關速斷動作64次,過流保護動作8次,跳閘后重合閘動作17次),但在運行或常規試驗中沒有發現任何異常,在停止運行前仍帶滿負荷運行。如果不是用頻響法及時測試出低壓繞組發生變形,那么很難說什么時候會發生事故。從中不難看出,變壓器在運行中經多次短路沖擊后,即使不立即發生擊穿,也會因繞組的殘余變形帶來嚴重的故障隱患。因此,對于繞組已有變形而仍在運行的變壓器來說,雖然并不意味著會立即發生絕緣擊穿事故,但根據變形情況的不同,當再次遭受并不大的過電流或過電壓、甚至在正常運行的鐵磁振動作用下,也很可能導致絕緣擊穿事故。所以,有些“雷擊”或“突發”事故很可能隱藏著繞組變形的故障隱患。為此,運行和制造部門對此都應有充分的認識而不能存僥幸心理。
2 變壓器短路故障后二次保護的動作
當變壓器發生短路故障后，若故障發生在外部線路上，則主保護中的縱差保護動作使變壓器跳閘，繼而退出電網運行。
3 變壓器短路故障的表現形式和危害
3.1 變壓器繞組短路故障的主要形式
在變壓器短路電磁力作用下，繞組損壞和引線位移是變壓器短路故障最可能的后果。試驗研究和運行實踐均表明，變壓器繞組的短路電磁力作用下的損壞模式主要有以下幾種形式：
(1) 繞組變形導致匝絕緣破裂引起匝間短路，這種故障形式是直徑較小的小型配電變壓器受幅向拉伸電磁力作用在短路事故中損壞的主要形式。
(2) 繞組變形導致主絕緣強度降低而造成主絕緣擊穿，繞組變形導致主絕緣強度降低，從而造成主絕緣的擊穿事故，這是受幅向拉伸短路力作用的中型以上電力變壓器繞組的主要損壞模式。因此，在進行變壓器繞組短路強度設計時，必須考慮繞組在短路電磁力作用下殘余變形的積累效應。
(3) 繞組的幅向失穩，由于緊靠鐵心放置的變壓器內繞組或多繞組變壓器的中間繞組，在短路狀況下，可能受到幅向短路電磁力所引起的周向壓縮作用。中型以上變壓器內繞組的幅向失穩是變壓器在幅向短路電磁力作用下損壞的主要表現形式。
(4) 繞組的軸向失穩，繞組的軸向失穩是受短路軸向電動力和短路幅向電動力共同作用的繞組損壞的主要形式。
(5) 三相變壓器繞組的整體位移與傾斜，變壓器繞組的整體位移與傾斜發生在三相對稱短路故障的情況下。
3.2 變壓器繞組短路故障的危害
短路損壞變壓器按照設備損壞程度統計結果。輕度損壞是指設備的繞組有變形,引線被燒斷,但絕緣未損壞;中度損壞是指繞組明顯變形,繞組或引線被燒斷,絕緣受到一定程度損壞;重度損壞是指繞組嚴重變形、壓板被沖斷、繞組燒斷、絕緣被擊穿或燒壞,嚴重的則爆炸起火,變壓器被燒毀。
變壓器內部故障導致油流加速，可能導致重瓦斯動作，斷路器跳閘，變壓器退出電網運行。
4 變壓器停運后的電氣試驗項目
在電網中運行的變壓器，經常受到各種運行條件下的短路沖擊。目前，有些國產大型變壓器還達不到完全適應電網短路事故的要求，所以，由短路沖擊造成的變壓器故障時有發生。
變壓器由于短路故障停止運行后，要做的試驗項目有：變壓器油的色譜分析;變壓器繞組變形試驗;變壓器所有分接的直流電阻試驗;變壓器變比試驗。