内蒙古电网变压器抗短路能力核算与评估

胡耀东，郭红兵，付文光，郑 璐

（1.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；2.内蒙古自治区高电压与绝缘技术企业重点实验室，呼和浩特 010020）

0 引言

变压器是电力系统的关键设备，其健康状态直接影响电力系统的安全稳定运行。变压器在运行时有可能遭受短路冲击，流经绕组的电流急剧增大，绕组在短路电流和漏磁通作用下受到巨大的电动力，若变压器的抗短路能力不足，绕组将出现鼓包、扭曲、形变等现象，严重时还会发生线圈烧毁、断股、匝间短路等事故，造成巨大的经济损失。2019年内蒙古电力科学研究院进行变压器抗短路能力排查工作，科学评估了变压器可耐受短路电流能力，为针对性地开展运维检修提供可靠的数据支撑。

1 变压器抗短路能力评估原理

1.1 短路过程建模

以单相双绕组变压器低压侧短路为例，分析短路发生瞬间短路电流的大小和变化趋势，等效电路图如图1所示。

图1 单相双绕组变压器低压侧发生短路等效电路图

图2 短路电流仿真波形

1.2 短路时绕组受力分析

变压器发生外部短路时，绕组中的某段导体周围磁场可视为均匀的，在磁场中受到的电动力可看作无限多直线电流元所受到的电磁力F=BIΔL 的矢量和，B 为磁通密度，I 为电流值，ΔL 为导体长度的微分，电磁力的方向由左手定则确定。

同心式绕组中流过电流产生的漏磁通以轴向漏磁通为主[1-2]，绕组某点在轴向漏磁通与电流作用下受到的电磁力F可分解为横向电动力Fq（径向力）和纵向电动力Fd（轴向力），如图3 所示。径向力在水平面方向有拉伸和扭曲作用；轴向力在垂直水平面的方向上压缩线圈和垫块，同时将力传递到铁轭[3]。

图3 同心式绕组轴向漏磁通分布和所受电动力

短路发生时绕组受到的电动力与流过的电流成正比，当电动力达到绕组及附件的机械强度临界值时，流过绕组的电流有效值即为短路电流限值。在设备采购环节电力企业向制造厂家提供安装位置的系统短路视在容量，用以计算短路电流；制造厂家在产品交付时向电力企业提供产品的短路电流限值承诺值，但是该数据多为厂家的理论计算结果，部分厂家提供的数据过大。

1.3 评估方法

本文基于实际电网运行环境的变压器短路电流计算数据，对比该变压器的短路电流限值，评估变压器当前可耐受短路电流的能力。相同厂家、相同型号、相同批次的变压器可承受的短路电流限值是一样的，由此可见，抗短路能力评估的关键在于建立变压器可承受短路电流限值的样本数据库。

2 变压器可承受短路电流限值数据库

变压器可承受短路电流限值数据库通过2个途径建立：一是对制造厂家承诺的短路电流限值进行修正，二是统计故障案例中变压器短路电流限值。

2.1 制造厂家承诺的短路电流限值统计及修正

变压器制造厂家的抗短路能力计算软件各不相同，输入相同的设计参数，也会出现计算结果不一致的情况。使用制造厂家提供的短路电流限值时，应按照统一的标准对其采用修正系数进行修正。各制造厂家修正系数获取过程如下[4]：选取1台变压器在实验室进行短路试验，不断加大短路电流，直至各绕组发生显著变形，记录各绕组实际可承受电流值，将其与各制造厂家计算的短路电流限值对比，得到各制造厂家算法的修正系数。

2.1.1 被试变压器参数

被试变压器由沈阳变压器厂于1994 年生产，1995 年投运。该变压器运行后，未经历重大事故，运行情况良好，各项试验指标均处于正常水平。被试变压器的参数及沈阳变压器厂提供的可承受短路电流限值计算值如表1所示。

表1 被试变压器参数

按照GB 1094.5—2008《电力变压器 第5部分：承受短路的能力》的要求[3]，分步骤增加各电压等级各个相的短路电流，控制短路时间，使用阻抗法测量变压器的绕组变形情况，当电抗初始变化率大于1.6%或具有明显变化趋势时停止试验绕组的通流。

2.1.2 试验结果

通过试验得出被试变压器实际能够承受的最大短路电流为：中压侧2.8 kA，低压侧12.12 kA。因此沈阳变压器厂生产的变压器中压侧的抗短路能力修正系数为2.8/1.95≈1.44，低压侧的修正系数为12.12/10≈1.21。

以下举例说明修正系数的意义。将被试变压器设计参数交付A 厂家进行计算，假设A 厂家计算的可承受短路电流限值为中压侧5.6 kA，低压侧24.24 kA，已知被试变压器真实耐受电流为中压侧2.8 kA，低压侧12.12 kA，则A厂家中压侧、低压侧的抗短路能力修正系数为0.5、0.5，可认为A厂家计算值比实际值大（2倍）。同样，A厂家利用自己的算法对其生产的变压器进行短路电流限值计算，也比实际值大（2倍），在考查其抗短路能力时，中、低压侧实际耐受电流应为计算值的一半（乘以修正系数0.5）。

将此变压器设计参数交由其他制造厂家进行计算，得到部分修正系数如表2所示。

表2 部分变压器制造厂家短路电流限值修正系数

将制造厂家的各型号变压器短路电流限值计算值乘以表2 的修正系数进行修正，得到更为准确的变压器短路电流限值，纳入变压器可承受短路电流限值样本数据库。

2.2 基于故障案例的变压器短路电流限值

内蒙古电力科学研究院从2016 年起开展主变压器精确评价，已诊断出16台主变压器绕组发生了显著变形（220 kV 变压器5 台、110 kV 变压器11台），有15台已得到返厂解体验证。统计16台变压器的短路阻抗和母线短路电流，可以计算得到变压器各个绕组流经的最大短路电流，可作为相同厂家、相同型号及相同批次的其他变压器抗短路能力评估的基础数据，连同制造厂家承诺的短路电流限值修正值，合并成为变压器可承受短路电流限值数据库，据此可对全网变压器的抗短路能力进行全面的核算与评估。

3 变压器抗短路能力评估过程

3.1 抗短路能力管控平台评估

变压器的外部短路分为三相短路、相间短路、两相接地短路及对地故障短路，任何电压等级的绕组均可能发生以上形式的短路故障，故障相直接承受流经故障位置的短路电流，而其余绕组尽管未发生短路故障，由于变压器内部绕组存在电路连接或多台主变压器存在高、中、低压的并联关系，当故障绕组流过短路电流时，其余绕组依然可能流过相当大的电流，因此在不同的短路形式下需要对流经每个电压等级绕组的短路电流进行计算，同时对全网220 kV 变压器完成抗短路能力评估。可借助专业的短路电流计算工具进行统一计算。

内蒙古电网变压器抗短路能力管控平台从系统侧出发计算变压器短路电流，对变压器的外部系统进行等值计算，通过母线短路电流和变压器参数反推系统等值阻抗，根据系统阻抗和变压器参数求得各种短路情况下流过变压器的短路电流，同时对影响变压器短路电流的因素进行分析。

内蒙古电网变压器抗短路能力管控平台的输入参数为运行单位，变电站名称，变压器运行编号、容量、类型、额定电压、短路阻抗、联结方式、是否为自耦变压器、制造厂、出厂时间、出厂编号、型号、各绕组中性点接地方式、各侧母线编号及其并联母线编号、各绕组母线三相单相短路电流及中、低压侧限流电抗器阻值等。短路电流计算结果包括三相/单相短路故障时故障绕组和非故障绕组流过的短路电流，通过对比数值大小，筛选各个电压等级绕组可能遭受的最大短路电流，如图4所示。

图4 各个电压等级绕组短路电流最大值统计过程

将变压器各个电压等级绕组可能遭受的最大短路电流与各个电压等级绕组可承受的短路电流限值相比较，得到变压器抗短路能力。若变压器可能遭受的最大短路电流大于可承受的短路电流限值，说明该变压器无法承受电网的最大短路电流，变压器有非常高的概率发生绕组变形或绝缘受损，变压器抗短路能力不足。相反，若变压器可能遭受的最大短路电流小于或等于可承受的短路电流限值，说明变压器的抗短路能力满足要求，符合当前系统容量下安全稳定运行的条件。

3.2 国网变压器抗短路中心评估

委托国网变压器抗短路中心对变压器抗短路能力管控平台初步筛选出的变压器进行再次校核，通过汇总分析，形成最终的变压器抗短路能力评估结果。

3.3 裕度系数

为表征抗短路能力改造的紧迫程度，提出抗短路能力裕度系数概念，如式（3）：

式中：K—裕度系数，包含高、中、低压侧裕度系数；

ILimit—变压器某侧绕组可承受的短路电流限值；

Ishort_circuit—同侧绕组可能遭受的最大短路电流。

根据抗短路能力管控平台评估逻辑，抗短路能力不足的变压器某侧的裕度系数K值小于1。对抗短路能力不足的变压器根据K 值由低到高进行排序，即可对变压器抗短路能力不足和改造的紧迫程度进行量化，变压器的抗短路能力裕度系数越低，说明变压器在发生短路故障时绕组损坏的风险概率越高，变压器抗短路能力提升与改造的需求也更迫切[4]。

4 应用实例

在内蒙古电网开展了110 kV 及以上电压等级的变压器抗短路能力核算与评估。为验证评估结果的可行性和准确性，对部分评估结果显示抗短路能力不足的变压器进行返厂检修与绕组变形现场诊断，部分统计情况如下。

4.1 实例1

某变电站4号主变压器于2006年12月生产，型号为SFPZ9-180000/220，电压组合为（230±8×1.25%）kV/121 kV/10 kV，10 kV为平衡线圈，连接组别为YNyn0+d11。主变压器的抗短路能力评估结果为：裕度系数0.623，抗短路能力不足。返厂吊罩后，高压线圈中部线饼导线向外弹出变形，线圈多处绝缘污染发黑，U 相平衡线圈上下端部若干线饼均有严重倾倒现象，如图5所示。

4.2 实例2

某变电站3 号主变压器于2006 年9 月生产，型号为SFPZ9-180000/220，电压组合为（230±8×1.25%）kV/121 kV/10 kV，10 kV为平衡线圈，连接组别为YNyn0+d11。变压器的抗短路能力评估结果为：裕度系数0.623，抗短路能力不足。返厂吊罩后，3号主变压器的平衡线圈上方绕组存在向内倾倒现象，说明在短路故障发生时，变压器沿轴向和幅向均发生巨大震动，导致线圈移位。

图5 主变压器U相平衡线圈上下端部线饼倾倒变形

4.3 实例3

某变电站2号主变压器于2005年10月生产，型号为SFPZ9-150000/220，电压组合为（220±8×1.25%）kV/121 kV/38.5 kV/10.5 kV，连接组别为YNyn0yn0d11。变压器的抗短路能力评估结果为：裕度系数0.92，抗短路能力不足。现场对2 号主变压器进行绕组变形试验，短路阻抗中-低初值变化率为1.48%，中压-低压最大相对互差为2.03%（大于注意值2%），电容量试验中中压-其他电容初值变化率为-0.75%。根据DL/T 1093—2008《电力变压器绕组变形的电抗法检测判断导则》[5]，2 号主变压器中压绕组发生了轻微变形。

4.4 实例4

某变电站2 号主变压器于2004 年7 月生产，型号为SFPSZ9-150000/220，电压组合为（220±8×1.25%）kV/121 kV/38.5 kV，连接组别为YNyn0d11。变压器的抗短路能力评估结果为：裕度系数0.52，抗短路能力不足。现场对变压器进行绕组变形试验，短路阻抗高压-低压初值变化率为1.72%（大于注意值1.6%），中压-低压初值变化率为1.3%，低压-其他电容初值变化率2.54%。根据DL/T 1093—2008《电力变压器绕组变形的电抗法检测判断导则》，2号主变压器低压侧绕组发生了轻微变形。

通过返厂解体与现场诊断试验，抗短路能力评估准确预测了上述变压器的运行风险，抗短路能力评估方法的有效性得到了验证。

5 治理建议

建议对抗短路能力不足的变压器按照裕度系数由低到高有序开展治理措施：

（1）供电单位对所辖范围内抗短路能力不足的变压器及时进行精确评价，掌握变压器绕组的变形程度；

（2）从技术和管理两方面综合治理，减少外部短路冲击发生次数，降低变压器发生短路冲击损坏的概率；

（3）改变系统运行方式，降低系统的短路电流水平；

（4）加装限流装置，降低流过绕组的短路电流；

（5）在必要时开展变压器绕组返厂加固检修，彻底解决变压器抗短路能力不足的问题。

6 结束语

通过在内蒙古电网开展110 kV 及以上电压等级的变压器抗短路能力核算与评估，为实施变压器抗短路能力改造提供了技术依据，实现了变压器故障从事后处理到事前防范的重大转变，有效提升了变压器状态评价与检修决策水平。