抗短路能力

隨着電網系統規模的不斷擴大，電力系統中的短路電流水平也逐年增大，各類輸變電設備，特別是大型電力變壓器等都應滿足越來越高的短路電流水平所帶來的更高絕緣要求，否則必須採取短路電流限制措施，這已成為電力系統實現安全穩定運行所面臨的嚴峻問題。 電網內變壓器等主要設備的短路電流耐受能力直接決定着電網的安全運行水平，依據當前電網的實際容量對網內在運的關鍵電力設備進行抗短路能力核算，並根據結果對存在抗短路能力不足風險的設備進行針對性的治理，對電網的安全生產及運行具有重要意義 ^[1]  。

電力變壓器在系統中運行時，發生短路故障難以絕對避免。短路故障包括三相短路、兩相短路、兩相接地和相對地故障，特別是出口(首端)短路。巨大的過電流產生的電動力，因其與電流的平方成正比，將增大數百倍，對變壓器的危害極大。特別是最近幾年，隨着電力系統供電負荷的增加，單台變壓器容量的增大，供電範圍趨向密集，變壓器在系統運行時的短路事故極高。另外，當變壓器系統防雷設施設置不合理時，如變壓器抗短路能力差，則配電線路進雷會造成二次直流保險熔斷，低壓開關和母排燒熔，使高低壓繞組變形，也會損壞變壓器套管等外部配件，嚴重的會導致變壓器整體報廢。據統計， 110 kV 及以上變壓器外部短路事故已佔變壓器所有事故的 32%以上，因變壓器短路造成的事故已成為變壓器事故的首要原因。因此，提高電力變壓器抗短路能力，減少變壓器事故，顯得尤為重要 ^[2]  。

變壓器繞組的載流導體處在漏磁場中而承受電動力的作用，在額定電流下電動力並不大。短路時，最大短路電流可達額定電流的 20～30 倍，由於短路時產生的電動力與電流的平方成正比，故短路時繞組所受的電動力為額定時的幾百倍，可能使變壓器的繞組變形和絕緣損壞。由於短路過渡過程中的電流是連續變化的，而繞組及其部件在電動力的作用下也產生位移，這種位移與繞組及其部件的材料慣性力及預壓緊力在位移時作用的摩擦力有關，因此短路電動力的分析是一個相當複雜的動態過程分析 ^[2]  。

徑向電動力：漏磁場的軸向分量與短路電流相互作用，對繞組產生徑向力。由於漏磁場感應強度呈三角形分佈，作用在繞組導線上的力與導線所在處的磁感應強度成正比，所以挨近漏磁場主空道的導線所承受的作用力最大，即線段各線匝承受的徑向力應不同。採用彈性模數較高的絕緣材料可使各線匝承受的機械應力分佈得更均勻。徑向力向內作用在內繞組上， 力圖使導線長度縮短， 在繞組中出現壓應力 ^[2]  。

同時導線由於繞組內撐條的存在而出現局部彎曲，還出現了彎曲應力。徑向力向外作用在外繞組上，力圖使導線伸長，在繞組中出現了拉應力。為了提高變壓器繞組的整體穩定性，目前變壓器繞組設計均採用了外撐條，同樣在外繞組也會出現彎曲應力。徑向合應力為壓(拉)應力與彎曲應力之和。合應力的大小與撐條材料的彈性有關，並且隨着材料彈性的增大而增大。同時，徑向合應力與撐條數的關係也與撐條的材料彈性有關 ^[2]  。

軸向電動力：在變壓器中，由於徑向漏磁場的磁通密度沿高度方向是變化的，所以軸向電動力沿繞組高度方向的分佈是不均勻的。繞組兩端磁力線彎曲，繞組兩端的線餅都向繞組中部產生壓縮力。如果導線之間有墊塊存在，那麼所有的墊塊都會受到週期性擠壓，繞組導線存在軸向力。軸向電動力的另一部分是由於一對內、外繞組磁勢不均勻(安匝不平衡)而出現的橫向漏磁場與短路電流作用而產生的軸向力,一般稱軸向外力。軸向外力的作用方向與橫向漏磁通的方向有關，在一對內、外繞組上產生的作用力大小相同，方向相反 ^[2]  。

提高變壓器抗短路能力的根本措施，主要靠製造廠改進設計、完善工藝、選用性能好的材料、通過試驗驗證，切實提高產品內在質量。根據短路時變壓器繞組所承受的電動力及其作用情況，在結構上也應採取相應措施。定貨時使用單位應正確選型，向製造廠提出合適的技術參數要求。運行中的優化繼電保護配合時間和減少變壓器近區短路，也能起到事半功倍的作用 ^[2]  。

設計方面：產品的質量好壞，設計是決定性的因素。

(1)應開展變壓器在短路時產生的動態機械力的研究，使目前計算軸向力和軸嚮應力的方法更適合短路時力的分佈與大小的實際情況。電力變壓器中性點運行方式不同，發生短路時的情況不同，短路初期暫態電流的大小、方向和過程也不相同，因而產生動態機械力不相同，設計時不僅要保證抗短路能力，還要考慮製造成本，應根據電力變壓器中性點運行方式以及短路時出現的最大暫態電流計算動態機械力，作為抗短路能力的設計參數。(2)選擇合適的結構和材料。如將變壓器低壓繞組導線截面增大，提高導線抗彎強度，減少墊塊在軸向所佔的比例，以減少墊塊在運行中繼續收縮造成的繞組軸向尺寸的變化。(3)在設計中儘量使各個繞組安匝平衡，如對有調壓分接段繞組，把分接段設計成獨立繞組。(4)繞組尤其是低壓繞組的電流密度應合適，繞組導線寬度適當增加，導線剛度增大，電流密度下降，單位電動力減小，這樣承受短路能力就得以提高。(5)繞組紙筒採用成型硬紙筒。(6)增加繞組圓周方向的擋數，並增加外撐條，提高繞組的抗彎強度。(7)增加壓釘數量或採用彈簧壓釘等措施 ^[2]  。

(1)對所有絕緣墊塊進行預密化，使墊塊的收縮率降到最低程度 ^[2]  。

(2)繞組繞制採用有效的拉緊導線裝置，使線餅緊密。對繞組的出頭位置、換位處、有匝間墊條處要用熱縮性材料牢固綁紮，以防止在電動力的作用下線餅鬆動 ^[2]  。

(3)繞組卷制完工後，要採用恆壓乾燥工藝，其主要目的是使繞組高度尺寸保持穩定。所有固體絕緣材料都必須進行倒角處理，因為尖角和稜邊在短路力的振動中會損傷繞組絕緣，也是很危險的 ^[2]  。

(4)在線圈整體套裝時缺乏整體套裝生產裝備和工藝經驗，又沒有手段來保證線圈間高度差的製造廠，建議線圈端部緊固工藝採用各自的壓圈各自整體壓緊，而不可用多塊的絕緣紙板來壓緊，以減少受力不均勻 ^[2]  。

(5)低壓繞組與鐵心間應採用進口紙板作成的絕緣硬紙筒，中低壓或高中壓繞組間應適當增加絕緣長撐條 ^[2]  。

(6)高、低壓繞組總裝前最好先分相預套裝。此時低壓墊塊不能再動，要配只能配高壓墊塊，其目的是使高、低壓繞組最終高度一樣 ^[2]  。

(7)器身總裝後要用油壓千斤頂先行壓緊，然後才緊壓釘。壓釘要壓到墊塊有效面積。壓力不足即預壓力小，繞組松，承受不了短路電動力；過大則會導致導線絕緣壓破 ^[2]  。

結構方面：

(1)目前壓板大多采用層壓木，屬脆性材料，因受到軸向力的作用，壓釘底面積要加大，以減少壓板承受壓釘的壓力 ^[2]  。

(2)低壓引線載有很大的電流，在短路時，三相引出銅排之間受到吸引力或排斥力的作用，要用絕緣支撐件與夾子緊固好 ^[2]  。

(3)整體結構方面，變壓器要經過長途運輸才能到達強電流試驗站，這和經長途運輸到達安裝工地一樣，器身不得有位移、變形及損傷現象。一台變壓器如果在運輸途中有所損傷，要想試驗合格，無疑地增加了難度。每個工廠都應該生產出經長途運輸到工地的合格產品，如果產品經受不了運輸的考驗，可能就難以順利地通過短路試驗 ^[2]  。

選型方面：

(1)在選用高壓繞組是有載調壓的三繞組三相變壓器時，中壓繞組不宜再設無載調壓抽頭繞組，否則變壓器安匝不平衡，將導致承受短路能力下降。 ^[2]  (2)由於自耦變壓器高中壓繞組間存在電路的直接連接，安匝始終處於不平衡狀態，抗短路能力差。又因自耦變壓器具有傳遞過電壓倍數高，零序保護靈敏度低等缺點，故應儘量避免選用自耦變壓器。 ^[2]  (3)建議定貨時將短路阻抗提高到 14%～15%.對三線圈變壓器應按 GB 1094.5-85 規定值高限選取。 ^[2]  (4)選擇已通過突發短路試驗型號的變壓器。 ^[2]  (5)變壓器低壓側設備如開關等，應儘量選用絕緣水平高、能全工況運行的設備，以減少出口短路概率 ^[2]  。

(1)變壓器低壓側設備如開關等，應定時檢測，做好預防性試驗以確保其安全可靠運行 ^[2]  。

(2)要經常對變壓器繞組變形進行測試。我國規程及 IEC 標準均規定，變壓器短路試驗前後，短路阻抗絕對值變化小於 2%時，判斷試驗通過。大量試驗表明，當短路阻抗絕對值變化大於 5%時，便可確定變壓器在某些方面有異常 ^[2]  。

變壓器抗短路能力不足引發電力設備、電網事故，造成重大經濟損失的現象已引起相關部門和單位的重視，變壓器抗短路能力的提高也是變壓器科技工作者需要不斷研究和解決的重大課題。目前，電力變壓器在設計、工藝、結構、選型和運行方面還存在許多問題，為提高電力變壓器抗短路能力，這些問題應該引起變壓器製造單位和運行單位的重視，這對於提高整體電網運行質量具有重大實際意義。為提高電力變壓器抗短路能力應採取的方法與措施還有很多，需要在以後的實踐中進一步發現和完善 ^[2]  。

變電站母線或出線的近區發生短路故障時，流過變壓器的短路電流與變壓器參數、系統運行方式等諸多因素有關。 變電站母線短路電流則是最為重要的參數，也是影響系統發生短路故障時流過變壓器繞組的短路電流水平的主要因素。 一般情況下變壓器短路電流與變電站母線短路電流並不完全相等，這是由於母線發生短路故障時，有一部分短路電流是由變電站外部系統通過線路提供的，而變壓器的短路電流則是由站內另一電壓等級的母線通過變壓器提供 ^[1]  。

2 台三繞組 220 kV 變壓器並聯時， 高、中、低壓側變壓器短路電流與變電站母線短路電流的關係對比。 由於變壓器高、中壓側短路電流之比與變壓器電壓變比相同，且變壓器中壓繞組短路電流遠大於高壓側，因此只給出了中壓繞組的短路電流，高壓繞組短路電流變化趨勢與中壓繞組完全相同。橫軸為變電站 220 kV 母線短路電流，圖中各條曲線為變電站 110 kV母線短路電流分別為 10 kA～40 kA時，變壓器繞組短路電流隨變電站 220 kV母線短路電流的變化情況。在變壓器的參數和並聯數量一定情況下，變電站高壓及中壓側母線的短路電流並不完全獨立，兩者存在一定的相互約束關係：中壓側母線短路電流處於較大數值時，高壓側母線短路電流不會小於一定數值，反之亦然；並聯變壓器的數量越多，對應阻抗越小，約束關係越強。在高、中壓母線短路電流的合理範圍內，中壓母線電流一定時，高壓側發生母線短路故障，變壓器短路電流將會隨着高壓母線短路電流的增大而減小，但隨着高、中壓母線短路電流的增大，高壓母線短路電流的影響將逐漸減小；變壓器的短路電流主要受中壓側母線短路電流的影響，隨着中壓母線短路電流的增大而顯著增大。在高壓母線短路電流一定時，當中壓母線發生短路時，流過變壓器的短路電流隨着中壓側母線短路電流的增大而減小，但這種影響不很明顯 ^[1]  。