电力变压器动稳定破坏的分析和对策.pdf

第 3 9卷第 12 期 2 0 0 ?年 1 2 月 盈藩 2 诵 月月佰 笋 r 几 肠书 刀 斤 V o } 3 9 D e c e mb e r黑 电力变压器动稳定破坏的分析和对策 董学广 ( 广州供电分公司，广东 广州 510 6 0 。 ) 摘要: 对大 塑电力变压器绕纪在变压 器发生外 部短路时所受的辐向力和轴向力进行了 分析和计算， 比 较了国内弘 不厦的厅算方法和得出的不司结果 关键词 : 变压器;绕组 ;短路 ;机械强度;辐向 力;轴向力 中国分类号: T M4 O 7文献标识码: B文章编号: 1 0 0 1 一 8 4 2 5 ( 2 0 0 2 ) 1 2 一 ( ) 0 4 0 一 f )4 概述 近年来 ， 广东 省电 力工业发展 迅速 ， 变压 器的 台数不断增加， 1 1 队V级及以 卜 电压等级变压器的 台数和容量已分别从 1 9 9 0年的4 5 3台、 2 2 3 8 5 M V A 增长到2 0 0 0年底的 1 4 7 3 台、 1 0 3 3 2 4 MV A 。从 1 9 9 0 年到 2 0 00 年共发生了61 台次的变压器事故， 事故 原因统计如表 1 ， 按年份统计事故分布如表 2 通过表1 、 表 2 可看出， 近凡年来， 因变压器抗短 路强度不足所造成的故障一直是一个突出问题，已占 各种事故原因排序的首位。变压器抗短路能力研究已 成为国内外变压器制造业十分关注的科研课题 表 1 享 故 原 因统 计 受力计算明显有差距，因而所制造的变压器的抗短 路能力不足。在我国， 变压器出厂前都经过严格的轴 向应力校核， 但很多制造厂都忽视了对层压木板的轴 向强度校核， 使之成为变压器结构的薄弱环节。探讨 提高变压器抗短路能力的措施已成为当前的重要课 题 小故原囚. 事 故 台 次 } 「、 、 ， 故 台 次 / %事故容 最 / M V A 占事故 容最 / % 功 部 少 到 制 造1 艺一 一 2 7 4 42 l荔摆 1 1 4 2 30 一一一户 」丝 水受潮 一 一 一 71 1 5 . 2 2 344 亡 份 问越 一 一 1 1 5 戴军 子 过 电压 69 名 总 计 一一6 ， /5 0 5 9 5/ 表 2按 年份 统计 事 故 分 布 2 变压器绕组受力分析 当绕组中流过电流时，将会在绕组周围产生漏 磁场， 在绕组中间部分的磁力线与心柱轴线相平行. 而在绕组端部的磁力线发生弯曲，产生轴向分量和 辐向分量 绕组中的电流与漏磁场相互作用的结果， 在绕组内产生电动力。 轴向漏磁场产生辐向力， 而辐 向漏磁场产生轴向力。 21 辐 向力 绕组中电流 在轴向产生轴向漏磁场B 、 ( 图] ) . B与绕组中电 流相互作用产生 辐向力凡 它作用J 高压绕组上时， 因沿整个圆周都受到这个力的作用， 故辐向力可使高压绕组沿径向向四周延伸。 此外‘ 凡 又作用在低压绕组上，可将低压绕组沿径向向内压 缩 ， 所 以辐向力最后将使高、 低压绕组间主空道的绝 铁 毛 近2 0 年来，我国多数变压器厂都沿用传统方 法进行变压器绕组机械强度校核， 虽然考虑到了绕 组的辐向弹塑性支撑问题，但由于没有现成的公 式 在计算中只能采用经验公式。跟国外权威的计 算方法( 目前， 国外已做到按支撑总数的一半作为 有效支撑考虑辐向力校核) 相比， 对变压器绕组的 低压绕 组 乙 丛 典 ” 象广 (a)轴向漏磁分布(l， ) 辐向漏磁分布 图1 绕组漏磁场分布 万方数据 第 , -期 董 学 厂 : 电 力 要 压 器动 稳 定 破 坏 的 分 析 和 对 策 低。组;io } 高、绕组 图 2作 用 在 高 、 低 压 绕 组 的 辐 向 力 缘距离扩大， 如图2所示 2 0 0 1 年， 广州某变电站 1 1 O k V主变压器在吊检 时发现其低压绕组上有鼓包，其最高处达 1 O c m- 2 0 c m， 部分绝缘被损坏。根据国外文献提供的计算 公式川 ， 对变压器低压绕组的辐向力进行校核。若每 线饼的临界失稳强度为每一线饼的辐向受力的 1 .8 - 2 . 0 倍( 注: 系数“ 1 .8 - 2 . 0 倍” 是广东省某电力变 压器厂根据机械强度校核经验， 并采取适当的裕度 得出的) ， 则该变压器可满足安全要求， 且有较强的 耐受辐向电动力的能力， 否则。 该变压器不满足安 个要求 2 . 1 . 1 整个内绕组 的辐 向力 图3 低压绕组变形 式中 E铜导线的弹性模量， E = 1 .2 5 x 1 0 N / m m 乙 —低压绕组的有效支撑数，为实际支撑 数 的 一 半 ，Z ,= 哥 = 4 R 一低 ”组 的 驰粉，“ = 2 m7 2 2 .52 = 3 6 1 25 - 综合上述 ， 3 1 . 0 7 8 3 4 . 9 6 8 - 0 . 8 8 9 9 0 N / m 工 n 2 层压木板不满足最大弯矩I F 3 况下的轴向机械 力要求 综止 _ 所述， 该变压器在出厂前虽然经过对内、 外 绕组的1 t . , 拉应力和弯曲应力的校核， 但忽略了对层 压木板的轴向力校核 ( 国内很多生产厂都不校核层 压木板的轴向机械强度) .采用国外的计算力 一法， 证 明该上变低乐绕组轴、 辐向强度均较差， 不能满足系 统要求， 这与该变压器的实际运行情况相符 在我局，主变压器运行 3 - 5年后吊罩检查时， 常发现层压木板的部分下压螺钉返松， 返松最大距 离超过 ! c m一 这是由于变压器运行一段时间后， 绕组 匝绝缘、 纸筒、 垫块收缩所致， . L会引起绕组辐向和 轴向错位变形。此时， 即使数值不大的短路力也会 使绕组发生严重的变形， 造成变I t . 器损坏 3 增强变压器抗短路能力的措施 运行中的电力变压器受短路冲击后发生故障。 从 变I t 器结构本身来讲， 其抗短路能力不足是主要原因 解决其承受短路后的动稳定能力不足的问题， 应从设 i {制造工艺、 运行维护和试验检测等几方面人手 31 从设计和制造工艺上入手 目前国内许多变压器制造厂仍在沿用传统的 方法进行绕组机械强度校核， 难以保证内绕组有足 够的抗短路强度应借鉴国外有关计算方法， 从设 计上寻求吏合理的机械强度动态计算。针对 目前我 国日益增大的电力系统短路容量， 并结合国内典型 的变(t 器失稳事故进行验算， 适当放宽设计安全裕 度， 力求通过更全面、 更科学的理论计算， 设计出适 应电力系统运行要求的变压器。此外， 半硬铜导线 和自粘换位导线都有较高的屈服点， 应大力采用 从工艺上加强辐向强度。建议在 1 1 0 k V和 2 2 0 k V变压器低压侧的 l O k V或 3 5 k V绕组上采用 硬纸筒作内衬， 适当增加撑条数来增强抵御短路冲 击时辐向压缩力。从近年的事故来看， 变压器低压 绕组辐向变形占较大比例 在铁心方面， 应在铁心间阶梯间隙用酚醛圆捧 填塞支撑 ， 以改善铁心的圆度; 应增加上( 下) 夫件 上的压钉， 以提高内绕组的径向动稳定性能， 使轴 向受力均匀， 抗短路能力得到提高 在绕组方面， 用性能好的绕组压床， 采用恒压 干燥工艺， 提高油道垫块的压缩系数 ， 使绕组轴向 尺寸的固化程度提高， 减小轴向变形 ， 绕组承受轴 向力的能力随之提高。 3 .2 开展短路试验 目前由于对变压器进行短路试验的困难较多， 使得运行单位对变压器的抗短路能力难于完全掌 握。目前国标 G B 1 0 9 4 . 5 - 1 9 8 5中将电力变压器的短 路试验列为特殊试验， 只是当用户与厂家达成协议 后才进行。由于短路试验才是最有效和最直接的考 核变压器耐短路能力的手段， 因而有必要形成一种 机制， 如优先订购已通过短路试验的变压器， 以激 励制造厂对变压器开展短路试验 3 . 3 开展变压器绕组变形测试 电力系统有不少变压器是由于低压侧近区受 到多次 短路冲击而 损坏的。如1 9 9 6 年1 2 月， 深圳 局梅林站 1 号主变绕组变形是由于低压侧近距离 外部出口先后屯次受到短路冲击; 云浮初城站 1 号 主变在 1 9 9 9年 1 月至 8 月间经历了5次 I O k V近 区短路后， 绕组严重损坏 ; 东莞威远站 1 号主变在 1 9 9 9 年 3月， 经多次出口短路， 造成 B相低压绕组 波浪状变形 ， 导致第一饼至第五饼绕组匝间短路， C 相整体也呈波浪状变形 我局从 1 9 % 年开始对 1 1 0 k V及以 卜 变压器进 行绕组变形普查。至 1 9 9 9年底已测量变压器 8 9 8 台， 其中有 1 1 台变压器已发生绕组近区短路。由于 及时对其进行了变形测试， 发现了绕组严重变形， 并 采取一r 退运大修措施。以上事例说明， 绕组变形测试 作为一种新的对变压器进行检验的手段，可以及日 士 发现变压器由于受一次或多次短路冲击后所造成的 绕组变形，并通过及时的吊检和大修可避免重大事 故的发生。几年来通过大量的现场测试以及数据资 料的积累分析， 在变压器的“ 变形” 诊断技术上已经 万方数据 第 1 2期 董学广: 电力变压器动稳定破坏的分析和对策 取得了一 定的成果和经验， 建议大力推广此新技术 34 开展变压器状态检修 通过采取必要的手段，检测电力变压器故障发 展过程相关的参数， 科学判断其性能状态， 以确定变 1 十 器是否需要进行大修， 改变以往都遵循的“ 到期必 修” 原则， 做到“ 应修必修、 修必修好” ， 使变压器检修 更n . 针对性和必要性，从而实现对电力变压器实行 “ 状态检修” 35 变压器遭受近区短路冲击后应做的试验 庄变压器遭受近区短路冲击后， 应进行如下试验: ( ! ) 绝缘油中溶 解气体的色谱 分析; ( 2 ) 二相绕组直流电阻; ( 3 ) 短路阻抗; ( 4 ) 卞载电流和损耗; ( 5 ) 绕组位移测试_ 综合分析各个试验的结果，井对结果与历史数 据比较， 对变压器作出准确、 可靠的状态判断。 3 .6 改善变压器运行工况 运行单位应尽量改善运行条件，减轻主变出口 短路影响 ( 幼变电站配置故障录波装置， 或选用具有故障 录波功能的 ! 1 O k V及以下线路微机保护， 记录变压 器各侧电气参量和继保跳fm ] 信号等，给故障分析提 供科学依据和减少事故处理时间- ( 2 ) 系统中短路事故是难以避免的， 特别是中、 低压系统、 在保证保护动作正确性和选择性前提下， 应尽可能缩短保护动作整定时间_ ( 3 ) 推广新技术。高压配电装置宜选用全工况开 关柜 母线排采用绝缘包敷以防小动物爬人造成短路 ( 4 ) 采用清扫、 增加爬电距离、 刷绝缘涂料等措 施， 防止线路出口段和变电站污闪事故的发生， 减少 短路电流对主变的冲击。 ( 5 ) 对故障率高的架空馈线， 根据需要可在进线 段 2 k m以内采用架空绝缘线。 事故高发地段的导线 进行绝缘包敷， 以减少线路故障 全电缆线路的出线 开关应退出重合闸 ( 6 ) 加强变电继电保护 、 直流系统的维护和定 校， 确保继电保护可靠动作 加强无人值班变电站远 动装置的管理 ( 7 ) 确保继保动作和开关位置信号正确传送， 以 免值班人员误判断、 误操作， 导致设备损坏 4 结论 在电力变压器出厂前， 虽然对内、 外绕组的I + . 拉有关应力和弯曲应力等动稳定的计算经过了校 核， 但与国外有关的校核计算方法相比， 还是存在 定的差距。许多变压器厂甚至忽略了对层压木板的 轴向力校核。可见， 变压器抗短路能力的小足， 关键 原因在于设计及制造工艺。参照国外先进变压器制 造厂的校验方法， 提高设计裕度， 是提高变压器抗短 路能力的关键 针对目前国内变压器的运行情况， 本 文从推广绕组变形测试、 实行状态检修 提高运行监 测和运行环境三个方面提出了运行措施，希望能为 实际生产提供有益的参考意见 参考文献 : 变压器专门委员会电力变压器短路时绕组的机械强度 I C I日木电气学会技术报告( 1 部) 第8 9号 东京: 1 9 6 9 变压器制造技术从书编审委员会编变压器钦b制造工 艺[M] . 北京: 机械工业出版社1 9 9 8 路长柏 朱英浩， 张怀灵， 等电力变压器计算[1 T 1 . 4尔 滨: 黑龙江科学技术出版社， t 9 8 6 . 变压器制造技术丛书编审委员会编.变压器绕组制造上 艺「M] . 北京:机械工业出版社, 1 9 9 8 S o lu t io n a n d A n a ly s is o f D y n a m i c S ta b i lit y D a m a g e in P o w e r T r a n s f o r m e r s DO NG X u e - g u a n g ( G u a n g z h o u E l e c t r i c P o w e r C o m p a n y , G u a n g z h o u 5 1 0 6 0 0 , C h i n a ) A b s t r a c t : T h e r a d i a l a n d a x i a l f o r c e s i n w i n d i n g s o f p o w e r t r a n s f o r m e r s w h i c h a r e in s h o r t c i r c u i t a r e a n a ly z e d a n d c a l c u l a t e d . "17 i c r e s u l ts a n d c a l c u l a ti n g m e t h o d s a t h o m e a n d a b r o a d a r e c o m p a r e d . K e y w o r d s : T r a n s f o r m e r ; W i n d i n g ; S h o r t c i r c u i t ; Me c h a n i c a l s t r e n g t h ; R a d i a l f o r c e ; A x i a l f o r c e 收稿日期:2 0 0 2 - 0 9 - 0 - 1 作者简介: 董学广〔 1 9 6 8 - ) , 男。 广州市人， 华南理T .大学硕士研究生. 广州供电分公司变电工程师. 从事电力设备运行、 检 修及继电保护技术工作万方数据