摘 要： 电力变压器是电力系统中关键的设备之一，本文阐述了电力变压器发生短路故障时产生过电流的危害性。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、结构、选型和运行方面提高抗短路能力的方法与措施。
关键词：电力变压器；抗短路能力；短路
前言电力变压器在系统中运行时，发生短路故障难以绝对避免。短路故障包括三相短路、两相短路、两相接地和相对地故障，特别是出口(首端)短路。巨大的过电流产生的电动力，该电动力与电流的平方成正比，将增大数百倍，对变压器的危害极大。特别是最近几年，随着电力系统供电负荷的增加，单台变压器容量的增大，供电范围趋向密集，变压器在系统运行时的短路事故极高。另外，当变压器系统防雷设施设置不合理时，如变压器抗短路能力差，则配电线路进雷会造成二次直流保险熔断，低压开关和母排烧熔，使高低压绕组变形，也会损坏变压器套管等外部配件，严重的会导致变压器整体报废。据统计，110 kV 及以上变压器外部短路事故已占变压器所有事故的 32%以上，因变压器短路造成的事故已成为变压器事故的首要原因。因此，提高电力变压器抗短路能力，减少变压器事故，显得尤为重要。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路能力的方法与措施。
1.短路电动力分析
变压器绕组的载流导体处在漏磁场中而承受电动力的作用，在额定电流下电动力并不大。短路时，最大短路电流可达额定电流的 20～30 倍，由于短路时产生的电动力与电流的平方成正比，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。由于短路过渡过程中的电流是连续变化的，而绕组及其部件在电动力的作用下也产生位移，这种位移与绕组及其部件的材料惯性力及预压紧力在位移时作用的摩擦力有关，因此短路电动力的分析是一个相当复杂的动态过程分析。下面简要地对短路电动力在变压器绕组及其部件中的作用情况进行分析。
1.1 径向电动力
漏磁场的轴向分量与短路电流相互作用，对绕组产生径向力。由于漏磁场感应强度呈三角形分布，作用在绕组导线上的力与导线所在处的磁感应强度成正比，所以挨近漏磁场主空道的导线所承受的作用力最大，即线段各线匝承受的径向力应不同。采用弹性模数较高的绝缘材料可使各线匝承受的机械应力分布得更均匀。径向力向内作用在内绕组上，力图使导线长度缩短，在绕组中出现压应力。同时导线由于绕组内撑条的存在而出现局部弯曲，还出现了弯曲应力。径向力向外作用在外绕组上，力图使导线伸长，在绕组中出现了拉应力。为了提高变压器绕组的整体稳定性，目前变压器绕组设计均采用了外撑条，同样在外绕组也会出现弯曲应力。径向合应力为压(拉)应力与弯曲应力之和。合应力的大小与撑条材料的弹性有关，并且随着材料弹性的增大而增大。同时，径向合应力与撑条数的关系也与撑条的材料弹性有关。
1.2轴向电动力
在变压器中，由于径向漏磁场的磁通密度沿高度方向是变化的，所以轴向电动力沿绕组高度方向的分布是不均匀的。绕组两端磁力线弯曲，绕组两端的线饼都向绕组中部产生压缩力。如果导线之间有垫块存在，那么所有的垫块都会受到周期性挤压，绕组导线存在轴向力。轴向电动力的另一部分是由于一对内、外绕组磁势不均匀(安匝不平衡)而出现的横向漏磁场与短路电流作用而产生的轴向力，一般称轴向外力。轴向外力的作用方向与横向漏磁通的方向有关，在一对内、外绕组上产生的作用力大小相同，方向相反。
2.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根本措施，主要靠制造厂改进设计、完善工艺、选用性能好的材料、通过试验验证，切实提高产品内在质量。根据短路时变压器绕组所承受的电动力及其作用情况，在结构上也应采取相应措施。定货时应正确选型，向制造厂提出合适的技术参数要求。运行中的优化继电保护配合时间和减少变压器近区短路，也能起到事半功倍的作用。
2.1设计方面
产品的质量好坏，设计是决定性的因素。 (1)应开展变压器在短路时产生的动态机械力的研究，使目前计算轴向力和轴向应力的方法更适合短路时力的分布与大小的实际情况。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆电力变压器中性点运行方式不同，发生短路时的情况不同，短路初期暂态电流的大小、方向和过程也不相同，因而产生动态机械力不相同，设计时不仅要保证抗短路能力，还要考虑制造成本，应根据电力变压器中性点运行方式以及短路时出现的最大暂态电流计算动态机械力，作为抗短路能力的设计参数。 (2)选择合适的结构和材料。如将变压器低压绕组导线截面增大，提高导线抗弯强度，减少垫块在轴向所占的比例，以减少垫块在运行中继续收缩造成的绕组轴向尺寸的变化。 (3)在设计中尽量使各个绕组安匝平衡，如对有调压分接段绕组，把分接段设计成独立绕组。 (4)绕组尤其是低压绕组的电流密度应合适，绕组导线宽度适当增加，导线刚度增大，电流密度下降，单位电动力减小，这样承受短路能力就得以提高。 (5)绕组纸筒采用成型硬纸筒(6)增加绕组圆周方向的挡数，并增加外撑条，提高绕组的抗弯强度。 (7)增加压钉数量或采用弹簧压钉等措施。
2.2工艺方面
(1)对所有绝缘垫块进行预密化，使垫块的收缩率降到最低程度。 (2)绕组绕制采用有效的拉紧导线装置，使线饼紧密。对绕组的出头位置、换位处、有匝间垫条处要用热缩性材料牢固绑扎，以防止在电动力的作用下线饼松动。 (3)绕组卷制完工后，要采用恒压干燥工艺，其主要目的是使绕组高度尺寸保持稳定。所有固体绝缘材料都必须进行倒角处理，因为尖角和棱边在短路力的振动中会损伤绕组绝缘，也是很危险的。 (4)在线圈整体套装时缺乏整体套装生产装备和工艺经验，又没有手段来保证线圈间高度差的制造厂，建议线圈端部紧固工艺采用各自的压圈各自整体压紧，而不可用多块的绝缘纸板来压紧，以减少受力不均匀。 (5)低压绕组与铁心间应采用进口纸板作成的绝缘硬纸筒，中低压或高中压绕组间应适当增加绝缘长撑条。 (6)高、低压绕组总装前最好先分相预套装。此时低压垫块不能再动，要配只能配高压垫块，其目的是使高、低压绕组最终高度一样。 (7)器身总装后要用油压千斤顶先行压紧，然后紧压钉。压钉要压到垫块有效面积。压力不足即预压力小，绕组松，承受不了短路电动力；过大则会导致导线绝缘压破。
2.3结构方面
(1)目前压板大多采用层压木，属脆性材料，因受到轴向力的作用，压钉底面积要加大，以减少压板承受压钉的压力。 (2)低压引线载有很大的电流，在短路时，三相引出铜排之间受到吸引力或排斥力的作用，要用绝缘支撑件与夹子紧固好。 (3)整体结构方面，变压器要经过长途运输才能到达强电流试验站，这和经长途运输到达安装工地一样，器身不得有位移、变形及损伤现象。一台变压器如果在运输途中有所损伤，要想试验合格，无疑地增加了难度。每个工厂都应该生产出经长途运输到工地的合格产品，如果产品经受不了运输的考验，可能就难以顺利地通过短路试验。
2.4 选型方面
(1)在选用高压绕组是有载调压的三绕组三相变压器时，中压绕组不宜再设无载调压抽头绕组，否则变压器安匝不平衡，将导致承受短路能力下降。 (2)由于自耦变压器高中压绕组间存在电路的直接连接，安匝始终处于不平衡状态，抗短路能力差。又因自耦变压器具有传递过电压倍数高，零序保护灵敏度低等缺点，故应尽量避免选用自耦变压器。 (3)建议定货时将短路阻抗提高到 14%～15%. 对三线圈变压器应按 GB1094.5-85 规定值高限选取。 (4)选择已通过突发短路试验型号的变压器。 (5)变压器低压侧设备如开关等，应尽量选用绝缘水平高、能全工况运行的设备，以减少出口短路概率。
2.5运行方面
(1)变压器低压侧设备如开关等，应定时检测，做好预防性试验以确保其安全可靠运行。 (2)要经常对变压器绕组变形进行测试。我国规程及 IEC 标准均规定，变压器短路试验前后，短路阻抗绝对值变化小于2%时，判断试验通过。大量试验表明，当短路阻抗绝对值变化大于5%时，便可确定变压器在某些方面有异常。
3.结束语
变压器抗短路能力不足引发电力设备、电网事故，造成重大经济损失的现象已引起相关部门和单位的重视，变压器抗短路能力的提高也是变压器科技工作者需要不断研究和解决的重大课题。目前，电力变压器在设计、工艺、结构、选型和运行方面还存在许多问题，为提高电力变压器抗短路能力，这些问题应该引起变压器制造单位和运行单位的重视，这对于提高整体电网运行质量具有重大实际意义。为提高电力变压器抗短路能力应采取的方法与措施还有很多，需要在以后的实践中进一步发现和完善。
参考文献：
[1] 韩建锋. 浅议电力系统中变压器抗短路能力提高的措施[J]. 黑龙江科技信息, 2011(1):281-281.
[2] 刘美娟. 浅谈提高电力变压器抗短路能力的措施[J]. 轻工科技, 2009, 25(1):58-59.
论文作者:李宗阳,冯丽莉
论文发表刊物:《电力设备》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/27
标签：绕组论文; 变压器论文; 导线论文; 垫块论文; 电流论文; 能力论文; 应力论文; 《电力设备》2017年第23期论文;