變壓器短路試驗故障前兆分析及措施分析

謝修文

摘要： 隨著國民經濟的迅速發展，電力行業的突飛猛進，變壓器抗短路強度日漸成為研制高穩定大容量變壓器課題中的重點之一，從常年實際運行情況和多年試驗數據證明，通過了短路能力耐受試驗的產品，在運行中就有足夠的短路耐受能力，抗短路能力大大增加。由于突發短路試驗是考核和驗證變壓器抗短路能力水平最有效的手段和方法，而此項試驗具有很大的破壞性和特殊性，這就對檢測機構的試驗工程師提出了更高的要求，應能面對檢測過程中出現的各種異樣情況，及時的分析和決策，有針對性的為制造商提供改善措施和整改建議，協助對方完善產品，從而不斷提高我國變壓器整體水平。

關鍵詞：變壓器；短路試驗；故障分析；改善措施

中圖分類號：TM562文獻標識碼： A

１引言

變壓器短路承受能力試驗，俗稱“突發短路試驗”，是專門用于檢驗變壓器承受短路事故能力的特殊試驗，是對變壓器制造的綜合技術能力和工藝水平的考核，利用試驗中強短路電流產生的電動力檢驗變壓器和各種導電部件的機械強度，其目的是為了考核變壓器的動穩定性。因此，突發短路試驗是保證變壓器抗短路能力的一項十分重要的特殊試驗。

2短路試驗數學模型及受力分析

2．１短路試驗數學模型

變壓器突發短路試驗中，用相控開關Ｓ在變壓器一側突然短路，此時的狀況與Ｒ，Ｌ串聯電路突然接到正弦電壓上去的情況相似。具體簡化單相數學模型等效電路如圖1所示。

圖1數學模型等效電路

圖1中，ｕ１為一次側電壓；ｉ為短路電流；Ｒｄ，Ｌｄ分別表示短路等值電阻和電感；Ｓ１為相控開關。二次側短路時，一次側電壓為電阻Ｒｄ、電感Ｌｄ的壓降之和，即：

(1)

式中：Ｕ１ｍ為一次側電壓峰值；σ０為突發短路時電源電壓的初相角。

方程式（１）的解為

(2)

式中：Ｚｄ為短路阻抗；σｄ為短路阻抗相位角；ｉ′為對稱短路電流，是穩態分量，呈正弦規律變化，；ｉ″為非對稱短路電流，是自由分量，隨時間很快衰減趨近于零，

。

由于時，則式（2）可以寫為

（3）

由式（３）可知，當突發短路電源電壓的初相角σ０＝０時，即電壓過零時發生突然短路，短路電流ｉ達到最大值，此時，短路電流的穩態分量和自由分量均達到最大值，但方向相反，經過半個周期，即ωｔ＝π時，短路電流ｉ達到最大值

（4）

式中：Ｉ為對稱短路電流有效值；ｋ 為短路電流最大值與對稱短路電流幅值之比，與衰減系數Ｒｄ／Ｌｄ有關。

2.２短路試驗受力分析

短路試驗時機械應力的產生，是由于繞組中的電流和變壓器漏磁通相互作用所致，其大小與２個因素相關：變壓器短路電流的最大值和線圈間漏磁通的大小。變壓器短路電流的最大值與合閘時相控開關的合閘角度息息相關，為保證在３個繞組中的某個繞組上得到最大非對稱電流，由上節分析得，應在該相繞組上的電壓過零時合閘。漏磁場的軸向分量和輻向分量分別使繞組產生輻向和軸向電動力。由于２個繞向相同的繞組電流方向相反，導致軸向漏磁場使內繞組受到向內的

壓縮力，使外繞組受到向外的拉伸力，同時，在繞組端部，漏磁場發生畸變，輻向漏磁分量增大，輻向漏磁場使內外繞組均受到軸向壓縮力。而且，內外繞組在上下結構是否對稱，安匝平衡與否，也直接導致繞組由于受到不同方向軸向力而受力不均，發生畸變或變形。

3短路試驗故障前兆分析

3．１短路電抗變化超標

根據ＧＢ1094.5－2008標準規定，對于圓形同芯式線圈的變壓器，電抗變化前后不超過２％；對于箔繞和短路阻抗為３％以上的，電抗變化前后不超過４％；對于非圓形同芯式變壓器且阻抗在３％以上的，電抗變化前后不超過7.5％；實際試驗中，應注意觀察每次試驗所測得的短路電抗的變化，此電抗值變化可能是遞增的，也可能是趨于某個穩定值，但一旦變化過大或超標，應立即停止試驗，做進一步故障排查，如測試變比，繞組電阻，或空載損耗、空載電流諧波等項目，進行短路前后的比較。如有必要，應吊芯檢查作進一步確認。

由于短路試驗的軸向力和輻向力同時作用，絕緣墊塊與絕緣紙圈又是彈性體，在短路時受擠壓，超過壓限的情況下，會使墊塊形成槽形，此時墊塊便松動彈出。在端部較厚的層壓紙板圈也會受到不均勻的壓力，造成斷裂。同時，導線所承受的力疊加后傳向兩端，向上的力由鐵壓圈承受，由于鐵壓圈是開口的，壓圈開口處一端翹起，壓圈的

力傳至壓釘，壓釘受力向上，使夾件的下肢板頂彎，所以，油變吊芯后，重點檢查絕緣墊塊和線圈位置有否移位或變形，壓縮帶、夾件和壓釘有否松動或歪斜，干變的環氧樹脂有否開裂和絕緣受損現象。

3．２短路波形異常

根據短路試驗模型分析，短路試驗時，短路電流有２個分量：一個是穩態分量，另一個是自由分量（由磁場中所儲藏的能量不斷衰減，全部變為其中電阻所消耗的熱能為止）。當選相合閘時刻穩定，供給電源恒定即輸出電壓不變，樣機內部結構未發生變化即負載恒定，短路試驗輸出波形在同一分接上應前后２次試驗變化不大，當發現輸出

波形幅值變小或畸變時，應立即停止試驗，吊芯檢查，尋找異常點。圖2為容量1600ｋＶ·Ａ電力變壓器短路試驗實拍波形圖，其后半周期電流突然變小，且電壓波形毛刺較多，吊芯檢查后發現線圈已位移，且端圈斷裂和擠出。

圖2短路試驗波形異常圖

3．３過熱嚴重

短路試驗過程中，應隨時關注接線銅排和波紋油箱的溫度變化，因為除了機械力造成損壞的因素外，熱穩定因素亦能造成缺陷。當試驗電流倍數大，試驗次數累積時，導線溫度驟升。制造廠一般規定銅線溫度不超過250℃，鋁線溫度不超過200℃。實際銅線溫度超過100℃以上時，將重新結晶，此時導線變軟。每當短路試驗１次，導線加溫１次，并承受張力１次，會使導線延伸１次，這累積效應也將使導線驟然升溫和逐漸伸長，超過應力時，導線將斷裂。在短路試驗過程中，是模擬最嚴重的三相短路情況，在遭受幾個分接多次短路試驗后，由于分接頭線段處漏磁不平衡，而使高壓線圈外圓增大。同時，也應關注油箱或散熱器裂縫，導致絕緣油大量漏出，在短路試驗后期，油箱往往在最薄弱的焊縫處裂開，對片式散熱器更容易在受壓下裂縫。

3．４聲音異常

短路試驗過程中，應隨時關注短路時刻試品的發聲，對于內部結構未發生明顯變化或缺陷的樣機，在每次短路時刻，發聲應該一致或相近，當發現聲音異?；騼炔坑型衔猜曧憰r，應立即停止試驗，作進一步確認后再進行。

4提高變壓器抗短路能力措施

基于以上短路試驗出現的各種故障現象，本文認為：提高變壓器抗短路能力，應根據繞組受力和實際運行情況，不僅需要加強和改進設計計算，還要采取工藝制造的提升。

１）突發短路是一個動態和關連的過程，全過程相當復雜，所以設計每個零件時，不但要考慮短路情況下的漏磁場分布、動態受力情況和繞組應力分析計算，還要仔細研究它與周邊零件的短路力的相互作用，以便采取措施，確保短路時動態狀態下的每個零件的機械穩定性。

２）從短路試驗故障和繞組受力情況分析，內繞組比外繞組受力更為嚴重，設計時應充分注意內繞組結構，以提高內繞組輻向強度，如低壓繞組內襯高強度硬紙筒，加密內徑圓周方向的撐條根數，內繞組之間輻向充分套緊。同時，也應提高整體繞組輻向強度，如繞組采取恒壓干燥，墊塊預密化處理；改進鐵軛夾件結構，采用加強的整圓壓板取代半圓形壓板；增加壓釘數量，嚴格做到各壓釘和鐵軛下木楔受力均勻，確保繞組充分壓緊；改進低壓繞組的結構形式，提高低壓繞組端部的機械強度。

３）合理選擇設計參數，不要僅從節約角度出發，更要按設計原則，穩、快、好、省全面來考慮，即在保證各種指標、溫升限值的前提下，綜合選擇撐條條數、導線的寬厚比以及導線的許用應力等；而且對短路狀態下各種分接電壓位置變壓器所受到的輻向電磁力和軸向電磁力進行認真校核，保證線圈、夾件、鐵芯拉板以及焊縫在受到最大短路應力的情況下不超過許用應力，并留有足夠裕量。

４）變壓器內部裸露的導體應加包絕緣，加強引線支架及外殼機械強度，同時，盡量做到安匝平衡，嚴格控制繞組間的高度差，以減少繞組的軸向力。