提高变压器抗短路能力的方法与措施

提高变压器抗短路能力的方法与措施

【摘 要】变压器是电力系统中关键的设备之一，本文阐述了变压器发生短路故障时产生过电流的危害性，通过对变压器绕组中短路电动力的分析，提出了变压器在设计、工艺、结构方面提高抗短路能力采取的措施。

【关键词】变压器；抗短路能力；短路力

0 概述

电力系统的变压器在运行中，可能在二次侧发生各种故障，在一、二次侧绕组中将产生短路电流，特别是出口（首端）短路。巨大的过电流产生的电动力，因其与电流的平方成正比，将增大数百倍，对变压器的危害极大。而该电流的大小与多种因素有关，例如短路发生的地点、短路发生瞬间的相位、短路阻抗和短路时的系统运行方式等，并随着电力系统容量和单台变压器的容量的增加而增大。由于断路器切断短路电流需要一定的时间，变压器难免要受到短路电流的冲击。短路时短路电流增加到十几倍至几十倍，这样大的短路电流所产生的电动力为额定时的几百倍，绕组在如此大的电动力的作用下有可能失去稳定性，造成变压器损坏。国内外变压器运行事故表明，短路事故是引起变压器损坏的主要原因之一。

因此，提高电力变压器抗短路能力，减少变压器事故，尤为重要。本文通过对电力变压器绕组中短路电动力的分析，提出了电力变压器在设计、工艺和结构方面提高抗短利能力的方法与措施。

1 短路电流

变压器发生短路时，变压器原来的稳定运行状态被破坏，需经过一个短暂的过渡过程才能达到新的稳定运行状态，在过渡过程中会出现很大的短路电流。变压器短路有单相接地，两相短路和三相短路三种形式，以三相同时短路形式最为严重。一般在计算短路电流时，都以三相同时短路的情况来考虑。对于小容量变压器其短路电流约等于额定电流的30倍；对于大容量变压器其短路电流等于额定电流的15～18倍。

2 短路时的电动力分析

当变压器绕组中通过电流时，绕组的载流导体处在漏磁场中而承受电动力的作用，其大小取决于漏磁场的磁通密度与绕组中电流的乘积，而漏磁通密度也与电流大小成正比，因此电动力与电流的平方成正比。在额定电流下，作用在导线上的电动力很小。但发生突然短路时由于最大短路电流可达额定电流的20～30倍，故短路时绕组所受的电动力为额定时的几百倍，可能使变压器的绕组变形和绝缘损坏。

由于漏磁场的分布规律较复杂，为了分析问题方便起见，可以把这一漏磁场分解为轴向（纵向）漏磁和横向漏磁。根据左手定则，轴向漏磁将产生幅向力，而横向漏磁将产生轴向力。

2.1 幅向力Fx

纵向漏磁密度和横向漏磁密度对于不同部位分布并不均匀，在绕组的两端漏磁密度大。在纵向漏磁场中，由于高低压绕组的电流方向相反，短路时作用于高低压绕组上的幅向力将把两绕组推开，从而使外侧的高压绕组受到向外的拉力，内侧的低压绕组受到向内的挤压力，如图1所示。

2.2 轴向力

2.2.1 轴向力Fy1。由于漏磁场在绕组端部产生弯曲，横向漏磁场使高低压绕组均产生向内的的轴向压力，它是要压缩绕组，且绕组两端承受的作用力，如图2所示。一般内绕组的力大于外绕组，这是由于内绕组紧靠铁心，磁力线的弯曲程度较大之故。

2.2.2 轴向力Fy2。变压器的绕组在轴向高度上不一定都对称，这样就会引起磁动势的安匝不平衡，从而产生一个横向漏磁场。在这一横向漏磁场作用下将要产生使两绕组发生轴向相对移动的轴向力Fy2。此力不仅作用于绕组，也作用于铁轭和夹件。假设高压绕组上端低于低压绕组（下端一致），因此安匝不平衡，且幅向力Fx与轴向力Fy2作用各绕组中部，绕组受的电动力如图2所示。注意实际情况是轴向力Fy2作用于每一个线饼上的。

总的轴向力为Fy1 与Fy2的叠加，Fy1的作用是分别压缩高低压绕组，Fy2对低压绕组是绕组向上顶的，Fy2对高压绕组是使绕组向下压。反之，低压绕组向下压，高压绕组向上顶。高低压绕组之间始终存在一个相对移动的轴向力Fy2。通常，由于端部漏磁场弯曲引起的轴向力Fy1，要比由于安匝不平衡所引起的轴向力Fy2小的多，故有时往往可以忽略Fy1而只考虑Fy2。如果轴向力Fy2过大，就可能造成绕组损坏或压紧绕组用的部件损坏，最后导致变压器不能继续运行。

3 变压器短路损坏的主要形式

从变压器短路损坏统计和分析发现，多数变压器的低压绕组损坏较严重。短路损坏的主要形式是绕组失稳变形，并导致其绝缘损坏，造成匝间（饼间）短路，进而变压器被烧毁。变压器短路电动力的破坏作用，有的表现为绕组压紧件变形损坏，严重时铁心夹件上钢肢板被顶弯或压钉肢板脱落，压钉弯曲、位移，端部层压纸（木）板崩裂，引线支架断裂损坏等。还有的表现为绕组变形，内绕组被压弯，外绕组被拉松动或拉断；线饼在轴向发生变形，线饼之间的油间隙距离变小，垫块发生位移等造成线（匝）间绝缘击穿等，使变压器烧毁。

另外，绕组变形的累积效应也会导致绕组失稳。变压器多次短路冲击后，即使没有立即发生绝缘击穿，但绕组也有可能已经产生多次累积变形，这种变形使

绕组的机械强度和绝缘强度降低，当再次遭受并不大的过电流或过电压，甚至在正常运行时的铁磁谐振过电压作用下，也有可能导致绝缘的击穿。所以在有些非短路使变压器烧毁事故中，可能隐藏着绕组累积变形故障的因素。

4 提高变压器抗短路能力的技术措施

为了确保变压器在短路的允许持续时间内仍能安全、可靠运行，应从设计、工艺制造方面共同采取措施，提高变压器抗短路能力。

4.1 设计上

4.1.1 电磁计算方面要求计算的结果应尽量能正确反映绕组的实际受力状态，并确保设计裕度。

4.1.2 精心设计高低压绕组的安匝平衡，最大限度的降低漏磁通，从根本上减少轴向力。

4.1.3 绕组绕在硬纸筒上，增加了绕组的支撑点，增加绕组的撑条数，采取内外撑条，增加绕组的支撑强度。