基于变压器突发短路试验探讨提高抗短路能力

基于变压器突发短路试验探讨提高抗短路能力

范伟朋

山东泰开变压器有限公司山东泰安271000

摘要：电力输配电系统在运行过程中不可避免地出现单相、两相或三相短路事故，同时，随着国民经济、工农业的发展，电力系统装机容量不断增长，系统短路容量大为提高，其相应的系统阻抗所占比例愈趋下降，加之单台变压器的容量增大，使变压器短路电流幅值更为增加，作用在变压器绕组上的机械应力更大。这就要求电力变压器应具有一定的短路承受能力，而且不能仅靠设计计算来保证，而必须要通过专门的试验来验证考核。变压器短路承受能力试验，俗称“突发短路试验”，是专门用于检验变压器承受短路事故能力的特殊试验，是对变压器制造的综合技术能力和工艺水平的考核，利用试验中强短路电流产生的电动力检验变压器和各种导电部件的机械强度，其目的是为了考核变压器的动稳定性。因此，突发短路试验是保证变压器抗短路能力的一项十分重要的特殊试验。本文分析了变压器突发短路试验探讨提高抗短路能力。

关键词：变压器；短路试验；抗短路能力；

变压器抗短路能力指变压器近区短路（如出口附近线路接地短路）时，极大的短路电流通过变压器内部绕组，产生电磁力作用于绕组，其机械强度能否承受住短路电流导致的冲击作用的能力。它是反映变压器绕组机械强度的一项关键指标。就变压器主要设计方面而言，包括绝缘设计、温升设计和机械强度设计等方面，前两项均可通过厂内的变压器绝缘试验和温升试验得到有效检验。

1变压器突发短路试验探讨

1.1线圈漏磁分布及应力形式。线圈所承受电磁机械力主要为沿径向的电磁力和沿轴向的电磁力两个分力。与此对应，因短路电流而产生的漏磁场也可按轴向和径向来进行分解。在这里所说的轴向就是沿铁芯及绕组中心轴的方向，而径向则是沿绕组半径方向。以双绕组的变压器为例，对应轴向的漏磁分量，根据左手定则可知，将在绕组上产生径向电磁力和轴向电磁力。内外线圈受到使其分离的作用：即外线圈在圆周方向受张力，有扩大直径的趋势，导线受到拉力；内线圈在圆周方向受到压力，有朝铁芯方向变形的趋势。如果导线的抗弯强度不够，内线圈的内支撑不良，线圈将失稳而发生变形。由于绕组端部漏磁束的弯曲，产

生了漏磁场的径向分量，将在各个线圈中轴向的电磁力在起作用（即线圈力）。此线圈力致使垫块间导体向轴方向进行弯曲。

1.2基于有限元的变压器抗短路能力计算方法。该计算方法是基于磁矢量的有限元计算方法，针对变压器内部漏磁场和机械力进行计算。计算过程需针对包括铁芯、箱壁、高中低绕组及各绕组不同区域分区建立模型，涉及参数包括各绕组线规、每层辐向导体数、各绕组几何参数及不同区域所处位置、撑条数、垫块尺寸等具体信息。该方法可获得各线圈不同部位的受力，包括辐向压缩和拉伸力，轴向力、幅向垫块的压缩力等，有利于分析线圈各处受力情况。对于变压器内部磁场有限元计算，按照线性媒质中的磁场问题进行考虑，即向量磁位A约束条件下，满足下述边值问题：，式中：J为电流密度；c为任意常数。

1.3变压器突发短路试验。短路试验时机械应力的产生，是由于绕组中的电流和变压器漏磁通相互作用所致，其大小与２个因素相关：变压器短路电流的最大值和线圈间漏磁通的大小。变压器短路电流的最大值与合闸时相控开关的合闸角度息息相关，为保证在３个绕组中的某个绕组上得到最大非对称电流，由上节分析得，应在该相绕组上的电压过零时合闸。漏磁场的轴向分量和辐向分量分别使绕组产生辐向和轴向电动力。由于２个绕向相同的绕组电流方向相反，导致轴向漏磁场使内绕组受到向内的压缩力，使外绕组受到向外的拉伸力，同时，在绕组端部，漏磁场发生畸变，辐向漏磁分量增大，辐向漏磁场使内外绕组均受到轴向压缩力。而且，内外绕组在上下结构是否对称，安匝平衡与否，也直接导致绕组由于受到不同方向轴向力而受力不均，发生畸变或变形。

1.4影响变压器抗短路能力部分因素。在进行变压器抗短路校核计算方法研究和应用过程中，针对进行突发短路的新产品与部分在运变压器进行了相关数据对比分析，研究了影响变压器抗短路能力因素，包括低压线圈辐向宽度、使用电磁线尺寸、强度特性以及支撑情况等。进行对比的变压器均采用了自粘性换位导线，在不考虑各制造厂干燥加热的工艺因素下，比较了所使用的各电磁线的子导线尺寸。同容量的变压器，通过突发短路试验变压器中低压线圈电磁线的子导线尺寸相对较大，收集到的部分在运变压器和通过短路试验的变压器使用导线材料及非比例延伸强度。与普通或半硬铜导线相比，自粘性换位导线在加热固化后其子导线将相互粘结成整体，在提高变压器抗短路能力效果较为显著，通过突发短路试验的产品在使用导线材料中较以前产品有明显的进步。

2提高变压器抗短路能力措施

基于以上短路试验出现的各种故障现象，提高变压器抗短路能力，应根据绕组受力和实际运行情况，不仅需要加强和改进设计计算，还要采取工艺制造的提升。

2.1突发短路是一个动态和关连的过程，全过程相当复杂，所以设计每个零件时，不但要考虑短路情况下的漏磁场分布、动态受力情况和绕组应分析计算，还要仔细研究它与周边零件的短路力的相互作用，以便采取措施，确保短路时动态状态下的每个零件的机械稳定性。

2.2从短路试验故障和绕组受力情况分析，内绕组比外绕组受力更为严重，设计时应充分注意内绕组结构，以提高内绕组辐向强度，如低压绕组内衬高强度硬纸筒，加密内径圆周方向的撑条根数，内绕组之间辐向充分套紧。同时，也应提高整体绕组辐向强度，如绕组采取恒压干燥，垫块预密化处理；改进铁轭夹件结构，采用加强的整圆压板取代半圆形压板；增加压钉数量，严格做到各压钉和铁轭下木楔受力均匀，确保绕组充分压紧；改进低压绕组的结构形式，提高低压绕组端部的机械强度。

2.3合理选择设计参数，不要仅从节约角度出发，更要按设计原则，稳、快、好、省全面来考虑，即在保证各种指标、温升限值的前提下，综合选择撑条条数、导线的宽厚比以及导线的许用应力等；而且对短路状态下各种分接电压位置变压器所受到的辐向电磁力和轴向电磁力进行认真校核，保证线圈、夹件、铁芯拉板以及焊缝在受到最大短路应力的情况下不超过许用应力，并留有足够裕量。变压器内部裸露的导体应加包绝缘，加强引线支架及外壳机械强度，同时，尽量做到安匝平衡，严格控制绕组间的高度差，以减少绕组的轴向力。

随着国民经济的迅速发展，电力行业的突飞猛进，变压器抗短路强度日渐成为研制高稳定大容量变压器课题中的重点之一，从常年实际运行情况和多年试验数据证明，通过了短路能力耐受试验的产品，在运行中就有足够的短路耐受能力，抗短路能力大大增加。进一步验证了校核方法的有效性，对于在运变压器抗短路能力分析提供了技术手段。

参考文献：

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