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1、大型电力变压器短路事故统计与分析1前言 电力变压器在电力系统中运行,发生短路是人们竭力避免而又不能绝对避免的,特别是出口(首端) 短路,巨大的过电流产生的机械力,对电力变压器危害极大。因此,国家标准 GB1094 和国际标准 IEC76 均对电力变压器的承受短路能力作出了相应规定,要求电力变压器在运行中应能承受住各种短路事故。然而,近五年来对全国 110kV 及以上电压等级电力变压器事故统计分析表明,因短路强度不够引起的事故已成为电力变压器事故的首要原因,严重影响了电力变压器的安全、可靠运行。 本文就因外部短路造成电力变压器损坏事故的情况作一统计分析,进而提出了减少这一类事故的措施,试图以此促
2、进制造厂对电力变压器产品的改进和完善,同时促使运行部门进一步提高运行管理水平。2大型电力变压器短路事故情况 根据 19911995 年的不完全统计,全国 110kV 及以上电压等级电力变压器共发生事故 317 台次,事故总容量为 25348.6MVA。以台数计的平均事故率为 0.83%,以容量计的平均事故率为 1.10%。在这些事故中,因外部短路引起电力变压器损坏的有 93 台次,容量为 6677.6MVA,分别占同期总事故台次的 29.3%,占总事故容量的 26.3%(详见表 1)。 由表 1 不难看出,电力变压器短路强度不够已成为导致电力变压器损坏事故的主要原因之一,也成为电力变压器运行中
3、的突出问题。为此,提高大型电力变压器抗短路能力势在必行。3大型电力变压器短路事故原因分析3.1电力变压器本身动稳定性能差 电力变压器因外部短路而损坏的因素很多,情况也比较复杂。但从近五年来电力变压器短路事故发生的过程、现象及其事后的解体检查情况看,电力变压器之所以短路后立即造成损坏,主要是电力变压器本身抗短路能力不够。也就是说,电力变压器动稳定性能先天不足,追其原因大致有以下几点: (1)变压器结构设计中,对作用在电力变压器绕组上的电动力,仅用静力学的理论计算 ,看来是不能正确反映电力变压器承受短路电流冲击能力的。因为绕组各部分的作用力和形变的关系是很复杂的,也是随时间在变化的。因此,只有对动
4、态过程进行分析,才能使电动力的研究结果更符合实际情况。正是这一原因致使一部分电力变压器在遭受低于规定强度的短路电流冲击,且保护速动下,仍然发生绕组变形现象,甚至导致绝缘击穿。这明显地说明这些电力变压器的动稳定性较差,不能承受短路瞬间的非对称电流第一个峰值产生的电动力作用。如东北辽阳变电站一台 DFPSF-250000/500 电力变压器,在发生互感器事故时形成低压侧三相短路,造成低压侧引线支架多处断裂,绕组变形,低压 X2 端绕组与铁心短路。事故时短路电流为 105kA,低于电力变压器应承受的电流值,保护动作也正常,但仍使变压器损坏。又如江苏谏壁发电厂一台 SFP-360000/220 变压器
5、,在机组与电网解裂时 ,机组纵向差动保护、主变重瓦斯保护和发电机负序、主变零序保护动作,压力释放阀动作喷油、起火,导致 A 相高压绕组变形,偏离轴线倾斜;A 相低压绕组有几十根线匝从铁心柱和压板间冒出,严重变形;A 相铁心严重损坏。 事故后,多次组织由各方面专家组成的事故分析小组,对事故进行细致的分析,认为造成电力变压器严重损坏的主要原因是电力变压器承受短路能力不够。吊心检查还发现上述两组电力变压器的低压绕组均采用机械强度很差的换位导线。此外,还有因绕组的动稳定强度不够发生重复性事故。如山西神头第一发电厂 2 号联变 120000kVA/500kV 单相自耦电力变压器,继 1990 年 B 相
6、事故后,又发生 C 相类似事故。运行中,由于 220kV 单相短路发展为 B、C 相短路,持续 220ms,电力变压器压力释放阀动作,高压套管爆破,油箱焊缝开裂 10 处,绕组严重变形。这说明该组电力变压器没有承受近区短路故障的能力。 (2)在电力变压器制造中,绕组轴向压紧工艺不佳。这不仅使绕组最终未能达到设计和工艺要求的高度 ,不能使其始终保持紧固状态,而且在短路轴向力的作用下,绕组有可能出现松动或变形现象。发生这一问题是与一些变压器厂没有很好地针对国内材料和工艺现状,而盲目地采用同一绝缘压板结构有关。采用这种结构虽然可节省端部绝缘距离,降低附加损耗,但是采用这种结构通常需要对垫块进行密化处
7、理。在绕组加工好后,还应对单个绕组进行恒压干燥,并测量出绕组压缩后的高度。把同一压板下的各个绕组调整到同一高度,然后在总装时用油压装置对绕组施加规定的压力,最终达到设计和工艺要求的高度。只有经过这样严格的工艺处理,才能保证总装时同一压板下的各绕组都能够被压紧,而且能够在运行过程中保持稳定。否则就可能带来质量上的重大隐患。如湖南长沙电业局岳屏站的一台 SFZ8-31500/110Y 结电力变压器,运行中低压 10kV 线路故障短路,在速断保护正确动作的情况下,电力变压器重瓦斯跳闸,造成 A 相绕组首端受损,绕组严重扭曲位移,B、C 两相低压绕组也有扭曲现象。经检查,高、低压绕组的上部有明显的高度
8、差,在同一压板下受力不均。再如山西的一台 31500kVA/110kV 双绕组电力变压器,尽管在运行及常规试验中没有发现任何异常,但用频响法却测试出低压绕组已有变形,经吊罩检查发现,绕组上夹件的下支板上翘 20mm,绕组轴向尺寸相应拉长 20mm,并呈现纵向大波浪状。返厂解体检查发现,高压绕组基本完好,低压绕组有严重变形,大部分垫块松脱,轴向完全处于自由状态。只是由于其线饼间仍然保持平行而未导致绝缘击穿,以致于这样的电力变压器在停运前还在带满负荷运行。该电力变压器是用一块绝缘压板压两个绕组。据调查,该电力变压器在运行的 7 年间曾遭受多次冲击(开关速断动作 64 次,过流动作 8 次,跳闸后重
9、合闸动作 17 次)。分析该台电力变压器绕组严重变形的主要原因是由于制造过程中低压绕组压紧不够,在受短路力作用时产生轴向位移,促使高、低压绕组间高度差逐步扩大,导致绕组安匝不平衡加剧,使漏磁造成的轴向力一次比一次增大。110kV 电力变压器类似的例子是比较多的。 再有绝缘压板的材质,同样也是需要密切注意的问题。钢压板的刚度较大,压板的支撑力到端部的压力传递过程比较简单。但如果采用层压木(纸)板,情况要复杂得多,应特别注意压板本身的机械强度和刚度。在多起事故中都已发现层压纸板被折断(有的断裂成几块) 的情况。如湖南衡阳白沙洲一台SFZ8-31500/1101 号主变,配电室因进入小动物造成短路,
10、开关动作后重合闸成功而重瓦斯动作跳闸。吊罩检查发现 ,B、C 相压板折断 ,低压绕组向上冲出,严重变形,并有不少线股折断。又如黑龙江齐齐哈尔局北关变电所 SFZ7-31500/110 主变压器,当 10kV 配电线路故障,重合闸不良强送电时,主变重瓦斯动作。吊罩检查发现 B 相绕组层压板翘折翻起 ,B 相低压绕组隆起。由于绕组层压板采用的层压材质不良 ,经受不住短路电流冲击,酿成事故。再如湖南岳阳枫树坡一台 SFZ8-31500/110 电力变压器,由于吊车操作时碰线 ,造成低压 b、c 两相短路,致使 A、B 相层压板折断 3 块。为此,建议对已经发现压板强度不够的设计尽快进行改进。此外,由
11、于辐向力的作用,往往使内绕组向铁心方向挤压,铁心烧损的情况屡有发生。因此,应加强内绕组与铁心柱间的支撑,一般可通过增加撑条数目,并采用厚一些的纸筒作绕组骨架等措施来提高绕组的辐向动稳定性能。 (3)引线固定支点不够、支架不牢固、引线焊接不良等也是导致电力变压器事故的原因之一。如某厂生产的一台 SFPF-360000/330 电力变压器,由于引线的固定垫块间隔太大(垫块数不够 ),当发生短路时,低压引线变形 ,造成木支架和垫块脱落、三支套管根部断裂、油箱变形开裂,低压绕组有位移的事故。短路事故后发现变压器夹持引线的木支架裂开和木螺杆折断的情况有多起,因此应加强有关木夹件的强度。3.2运行管理不当
12、 在所有短路事故中,同时也包括某些由于运行管理不当而造成电力变压器损坏的情况,如短路事故发生后不试验、不检查,投入运行后损坏;10kV 线路重合闸投入不当,对部分永久性短路故障重合闸后,加剧了电力变压器的损坏;还有因保护失灵、开关拒动、失去直流电源或容量不足等,致使短路故障切除时间过长,导致电力变压器损坏。如河南濮阳化北一台 SFSZ7-31500/1101 号主变,在事故前两天因出口短路造成差动保护动作后未进行试验,重新投运时重瓦斯保护动作跳闸、安全气道喷油。检查结果为中压绕组 A 相上部调压段多处匝间短路并烧断(3140 饼) 。说明再次投运前电力变压器已有损坏。再如山西太原供电局新店站
13、SFSZ7-31500/1101 号主变,因 10kV 系统故障导致直流消失,由手动操作跳闸,电力变压器受长时间短路作用损坏。粗略统计结果表明,在遭受外部短路时,因不能及时跳闸而发生损坏的电力变压器约占短路损坏事故的 30%,当然也包括其中有的电力变压器动稳定性并未过关,只是不易区分而已。 另外,运行中人为误操作形成短路,增加了短路事故的引发因素。如上海闸北发电厂的 SFPS7-63000/1107 号主变,在运行中由于误操作引起弧光短路 ,将电力变压器烧坏。C 相的中压和低压绕组严重变形烧坏 ,A 相的中压绕组出现局部变形。 由上可见,在电力变压器运行管理上有需要总结和改进之处。4值得重视的
14、几个问题4.1因外部短路造成的电力变压器损坏事故呈增长的趋势 由表 1 不难看出,电力变压器短路事故台次占同期事故台次的百分数是逐年增长的,特别是 1995 年竟达 49%左右,这已达到不能容忍的地步了。之所以出现这一局面,除了上述原因之外,还与长期受试验条件所限,未能对 110kV 及以上电力变压器在投运前对其短路强度进行考核,以及近年来城网改造对 110kV 电力变压器需要量剧增,制造厂忽视了产品质量等情况有关。正因为这样,一些制造厂的产品遇上一次外部短路即发生损坏事故。事故后有些制造厂在结构上未做任何改进又投产了而有些制造厂虽然对结构做了一些改进,但因试验条件有限或耗资巨大,也无法来验证
15、各项改进措施的有效性,其电力变压器短路事故仍然未见明显减少。为此,要求变压器制造厂在目前国内已具备短路试验能力的情况下,应选取有一定代表性的产品进行短路试验,以实际来考核典型产品承受短路的能力,同时验证短路力的计算公式和各项工艺措施的有效性,最终达到提高产品的抗短路能力的目的。 4.2所统计的短路事故中 110kV 电力变压器居多表 2 列出了近五年因短路而造成不同电压等级电力变压器损坏事故的情况。 从表 2 可以看出,110kV 级电力变压器的短路事故台次约占总短路事故台次的 71%,而其中 31500kVA/110kV 电力变压器的短路事故台次又占 110kV级的短路事故台次的 53%。之
16、所以 110kV 电力变压器的短路事故居多,这是因为 110kV 电力变压器是直接降压到 10kV 配电系统的设备。10kV 系统的短路故障的发生概率高,而电力变压器的设计和制造工艺往往不能作出承受短路能力的保证,又缺乏对实际承受能力的检验。加之生产 110kV 电力变压器的制造厂逐年增加,生产工艺的分散性加剧了产品质量的不稳定性,因此使电力变压器损坏事故逐年增多。另外,随着工农业发展,提供 10kV 用户的回路扩大,所用配电设备的质量良莠不齐等原因使 10kV 系统短路故障的概率升高。如宁夏固原三营一台 SFSZ8-20000/1101 号变,运行仅半年,由于外力破坏,造成 10kV 出口短路,导致电力变压器 C 相低压绕组烧坏。又如广西钦州牛头湾一台 SFPS-31500/1102 号变,运行也仅半年,由于线路末端短路,因中压 B 相第三档分接(无励磁调压)引线烧断,导致 Bm 绕组内部短路烧损。再如石家庄北郊 SFZ8-40000/1101 号变,在投运一年半后,因 10kV 电缆出线在 300m 处发生故障,短路电流为 15.04kA,0.25s
