变压器运行中短路损坏的原因分析
摘要：通过上海近几年出口短路造成变压器损坏的具体实例分析了由于电磁线原因造成变压器损坏和目前存在的问题，并就电力变压器的设计和电磁线的选用提出了建议。
1 前言
近年来，变压器事故时有发生，而且有增长的趋势。从变压器事故情况分析来看，抗短路能力不够已成为电力变压器事故的首要原因，对电网造成很大危害，严重影响电网安全运行。
本文就上海市电力公司近十多年来因电力变压器外部短路而造成损坏事故的情况作一分类分析，进而提出目前有关电磁线选用存在的问题和减少这一类事故的措施，以促进制造厂对产品的改进和完善，同时促使运行单位进一步提高运行管理水平。
2 变压器短路事故情况
从1993年1月至2002年12月，上海电网变压器累计发生短路损坏事故17台次，占整个损坏事故的77.3％，为主要损坏原因，总容量2750MVA。其中500kV级2台次、220kV级13台次、110kV级2台，低压线圈严重变形不得不更换线圈的220kV级1台，110kV级1台，在变压器改造中发现220kV级低压绕组有变形现象4台，运行中发现500kV绕组有变形迹象有2台。特别自1995年以来，变压器损坏事故呈上升趋势，而且事故影响范围不断在扩大，其事故主要表现形式为：
1) 外部多次短路冲击，线圈变形逐渐严重，最终绝缘击穿损坏居多；
2) 外部短时内频繁受短路冲击而损坏；
3) 长时间短路冲击而损坏；
4) 一次短路冲击就损坏。
3 变压器短路损坏的主要形式
根据近几年的变压器因出口短路而发生损坏的情况，变压器在短路故障时，其损坏主要有以下几种特征及产生的原因。
3.1轴向失稳
这种损坏主要是在辐向漏磁产生的轴向电磁力作用下，导致变压器绕组轴向变形，该类事故占整个损坏事故的52.9％。
3.1.1线饼上下弯曲变形
这种损坏是由于两个轴向垫块间的导线在轴向电磁力作用下，因弯矩过大产生永久性变形，通常两饼间的变形是对称的。
3.1.2绕组或线饼倒塌
这种损坏是由于导线在轴向力作用下，相互挤压或撞击，导致倾斜变形。如果导线原始稍有倾斜，则轴向力促使倾斜增加，严重时就倒塌；导线高宽比例大，就愈容易引起倒塌。
端部漏磁场除轴向分量外，还存在辐向分量，二个方向的漏磁所产生的合成电磁力致使内绕组导线向内翻转，外绕组向外翻转。
3.1.3 绕组升起将压板撑开
这种损坏往往是因为轴向力过大或存在其端部支撑件强度、刚度不够或装配有缺陷。
3.2 辐向失稳
这种损坏主要是在轴向漏磁产生的辐向电磁力作用下，导致变压器绕组辐向变形，占整个损坏事故的41.2%。
3.2.1 外绕组导线伸长导致绝缘破损
辐向电磁力企图使外绕组直径变大，当作用在导线的拉应力过大会产生永久性变形。这种变形通常伴随导线绝缘破损而造成匝间短路，严重时会引起线圈嵌进、乱圈而倒塌，甚至断裂。
3.2.2 绕组端部翻转变形
端部漏磁场除轴向分量外，还存在辐向分量，二个方向的漏磁所产生的合成电磁力致使绕组导线向内翻转，外绕组向外翻转。
3.2.3内绕组导线弯曲或曲翘
辐向电磁力使内绕组直径变小，弯曲是由两个支撑(内撑条)间导线弯矩过大而产生永久性变形的结果。如果铁心绑扎足够紧实及绕组辐向撑条有效支撑，并且辐向电动力沿圆周方向均布的话，这种变形是对称的，整个绕组为多边星形。然而，由于铁芯受压变形，撑条受支撑情况不相同，沿绕组圆周受力是不均匀的，实际上常常发生局部失稳形成曲翘变形。
3.3引线固定失稳
这种损坏主要由于引线间的电磁力作用下，造成引线振动，导致引线间短路，这种事故较少见。
4 变压器短路损坏的常见部位
根据近几年的变压器因出口短路而发生损坏的情况，变压器在短路故障时，其绕组损坏部位主要有以下几种。
4.1对应铁轭下的部位
该部位发生变形原因有：(1)短路电流所产生的磁场是通过油和箱壁或铁心闭合，由于铁轭的磁阻相对较小，故大多通过油路和铁轭间闭合，磁场相对集中，作用在线饼的电磁力也相对较大；(2)内绕组套装间隙过大或铁心绑扎不够紧实，导致铁心片二侧收缩变形，致使铁轭侧绕组曲翘变形；(3)在结构上，轭部对应绕组部分的轴向压紧是最不可靠的，该部位的线饼往往难以达到应有的预紧力，因而该部位的线饼最易变形。
4.2调压分接区域及对应其他绕组的部位
该区域由于：(1)安匝不平衡使漏磁分布不均衡，其幅向额外产生的漏磁场在线圈中产生额外轴向外力，这些力的方向总是使产生这些力的不对称性增大。轴向外力和正常幅向漏磁所产生的轴向内力一样，使线饼向竖直方向弯曲，并压缩线饼件的垫块，除此之外，这些力还部分地或全部地传到铁轭上，力求使其离开心柱，出现线饼向绕组中部变形或翻转现象；
(2)该部位的线饼为力求安匝平衡或分接区间的应有绝缘距离，往往要增加较多的垫块，较厚的垫块致使力的传递延时，因而对线饼撞击也较大；(3)绕组套装后不能确保中心电抗高度对齐，致使安匝进一步加剧不平衡；(4)运行一段时间后，较厚的垫块自然收缩量较大，一方面加剧安匝不平衡现象，另一方面受短路力时跳动加剧；(5)在设计时间为力求安匝平衡，分接区的电磁线选用了较窄或较小截面的线规，抗短力能力低。
4.3换位部位
这部位的变形常见于换位导线的换位和单螺旋的标准换位处。
换位导线的换位，由于其换位的爬坡较普通导线的换位为陡，使线匝半径不同的换位处产生相反的切向力，这对大小相等方向相反的切向力，致使内绕组的换位向直径变小，方向变形，外绕组的换位力求线匝半径相同，使换位拉直，内换位向中心变形，外换位向外变形，而且换位导线厚度越厚，爬坡越陡，变形越严重。另外，换位处还存在轴向短路电流分量，所产生的附加力，致使线饼变形加剧。
单螺旋的标准换位，在空间上要占一匝的位置，造成该部位安匝不平衡，同时又具有换位导线换位变形特征，因此该部位的线饼更容易变形。
4.4绕组的引出线
常见于斜口螺旋结构的绕组，该结构的绕组，由于二个螺旋口安匝不平衡，轴向力大，同时又有轴向电流存在，使引出线拐角部位产生一个横向力而发生扭曲变形现象。另外螺旋绕组在绕制过程中，有剩余应力存在，会使绕组力求恢复原状现象，故螺旋结构的绕组，受短路电流冲击下更容易扭曲变形。
4.5引线间
常见于低压引线间，低压引线由于电压低流过电流大，相位120度，使引线相互吸引，如果引线固定不当的话，会发生相间短路。
5 变压器短路故障原因分析
因变压器出口短路导致变压器内部故障和事故的原因很多，也比较复杂，它与结构设计、原材料的质量、工艺水平、运行工况等因数有关，但电磁线的选用是关键。从近几年解剖变压器，对其事故进行分析来看，与电磁线有关的大致有以下几个原因。
5.1基于变压器静态理论设计而选用的电磁线，与实际运行时作用在电磁线上的应力差异较大。
5.2目前各厂家的计算程序中是建立在漏磁场的均匀分布、线匝直径相同、等相位的力等理想化的模型基础上而编制的，而事实上变压器的漏磁场并非均匀分布，在铁轭部分相对集中，该区域的电磁线所受到机械力也较大；换位导线在换位处由于爬坡会改变力的传递方向，而产生扭矩；由于垫块弹性模量的因数，轴向垫块不等距分布，会使交变漏磁场所产生的交变力延时共振，这也是为什么处在铁心轭部、换位处、有调压分接的对应部位的线饼首先变形的根本原因。
5.3抗短路能力计算时没有考虑温度对电磁线的抗弯和抗拉强度的影响。按常温下设计的抗短路能力不能反映实际运行情况，根据试验结果，电磁线的温度对其屈服极限?0.2影响很大，随着电磁线的温度提高，其抗弯、抗拉强度及延伸率均下降，在250℃下抗弯抗拉强度要比在50℃时下降10％以上，延伸率则下降40％以上。而实际运行的变压器，在额定负荷下，绕组平均温度可达105℃，最热点温度可达118℃。一般变压器运行时均有重合闸过程，因此如果短路点一时无法消失的话，将在非常短的时间内(0.8s)紧接着承受第二次短路冲击，但由于受第一次短路电流冲击后，绕组温度急剧增高，根据GBl094的规定，最高允许250℃，这时绕组的抗短路能力己大幅度下降，这就是为什么变压器重合闸后发生短路事故居多。
5.4采用普通换位导线，抗机械强度较差，在承受短路机械力时易出现变形、散股、露铜现象。采用普通换位导线时，由于电流大，换位爬坡陡，该部位会产生较大的扭矩，同时处在绕组二端的线饼，由于幅向和轴向漏磁场的共同作用，也会产生较大的扭矩，致使扭曲变形。如杨高500kV变压器的A相公共绕组共有71个换位，由于采用了较厚的普通换位导线，其中有66个换位有不同程度的变形。另外吴泾1l号主变，也是由于采用普通换位导线，在铁心轭部部位的高压绕组二端线饼均有不同翻转露线的现象。
5.5采用软导线，也是造成变压器抗短路能力差的主要原因之一。由于早期对此认识不足，或绕线装备及工艺上的困难，制造厂均不愿使用半硬导线或设计时根本无这方面的要求，从发生故障的变压器来看均是软导线。
5.6绕组绕制较松，换位或纠位爬坡处处理不当，过于单薄，造成电磁线悬空。从事故损坏位置来看，变形多见换位处，尤其是换位导线的换位处。
5.7绕组线匝或导线之间未固化处理，抗短路能力差。早期经浸漆处理的绕组无一损坏。
5.8绕组的预紧力控制不当造成普通换位导线的导线相互错位。
5.9套装间隙过大，导致作用在电磁线上的支撑不够，这给变压器抗短路能力方面增加隐患。
5.10作用在各绕组或各档预紧力不均匀，短路冲击时造成线饼的跳动，致使作用在电磁线上的弯应力过大而发生变形。
5.11外部短路事故频繁，多次短路电流冲击后电动力的积累效应引起电磁线软化或内部相对位移，最终导致绝缘击穿。
6 建议
6.1订货
(1) 对设备选型时，应充分考虑现有产品结构状况，取消冗余功能，选择可靠结构，在充分考虑电网的短路容量与产品的动稳定性能之后，再确定产品参数，根据电网实际需要合理的配置分接开关，对性能参数的要求应和目前制造水平及材质状况相适应。
(2) 优先选用经短路型式试验合格的产品设计，并对产品进行抽检短路耐受试验，以确保产品的同一性。
(3) 选用全自冷变压器。由于全自冷变压器相对其他冷却方式的变压器度低，用铜量大，变压器重量重，具有较强抗短路能力。
6.2 产品设计
针对前述造成短路故障的原因和问题，电气设计和结构设计各方面应采取改进措施。要充分考虑工艺和材质的分散性，在关键的部位应留有足够的裕度，当先进性与产品的可靠性有矛盾时，首先考虑保证可靠性。设计时应按高温条件(250℃~350℃)进行抗短路能力的设计，并对特殊部位(如换位、螺旋口)要进行抗短路能力校核计算。若内线圈一定要带分接，应优先采用独立调压绕组结构。同时要禁止使用普通换位导线，而尽量选用半硬以上的自粘性换位导线和组合导线；35kV及以下绕组的内支撑硬筒选用低介损无局放的环氧玻璃丝绝缘筒；轴向压紧最好采用弹簧压钉。
6.3制造工艺方面
针对前述的工艺缺陷和欠缺，提高工艺水平，加强工艺执行纪律，确保产品制造过程得到有效控制。
6.4材料方面
尽量选用半硬以上的自粘性换位导线和组合导线。采用高密度与油道等距的整体垫块。35kV及以下的内绕组应优先采用环氧玻璃丝筒作绕组内支撑绝缘筒。
6.5安装
为确保变压器安装质量，可采用实行卖方负责的安装方式，卖方必须对整个安装工作质量负责。现场吊芯检查时要进行器身预紧力校核，确保变压器器身处于紧固状态。
6.6运行管理
鉴于目前运行变压器抗外部短路强度较差的情况，对于系统短路跳闸后的自动重合或强行投运，应看到其不利的因素，否则有时会加剧变压器的损坏程度，甚至失去重新修复的可能。运行部门可根据短路故障是否能瞬时自动消除的概率，对近区架空线(如2km以内)或电缆线路取消使用自动重合闸，或适当延长合闸间隔时间以减少因重合闸不成而带来的危害，并且尽量对短路跳闸的变压器进行试验检查。
6.7科研
运行单位、制造厂和材料厂应结合事故分析紧密合作，不断开发研制新工艺、新材料，改进产品设计，提高变压器抗短路能力水平，以满足运行需要。
总之，造成故障或事故的因素较多，但变压器的结构设计和制造工艺仍是主要因素，在运行管理等环节中也暴露出一些问题。除了在结构方面尚存在一些没有充分认识的因素外，设计和工艺操作方面存在的问题值得制造厂及运行单位引起重视。