电力变压器绕组的抗短路设计

电力变压器绕组的抗短路设计

郭敬旺

广州市一变电气设备有限公司 广州市番禺区 511450

摘要：在变压器中增加稳定绕组可以稳定中性点的电压，为励磁电流的三次谐波提供低磁阻路径，所以大部分电力变压器都会要求带稳定绕组。变压器制造厂在设计制造稳定绕组时，有时会只考虑高低压的三相短路情况，忽略了低压单相短路的影响。实际上在低压侧单相短路时，稳定绕组中的短路电流达到最大。某些用户在变压器生产商制造前，会审查变压器的设计方案，低压和高压侧单相短路是必须考核的项目，稳定绕组的容量可以是变压器容量的1%~50%中的任意值，而不是传统意义上的1/3或1/4变压器容量。基于此，对电力变压器绕组的抗短路设计进行研究，以供参考。

关键词：电力；变压器；绕组；抗短路设计

引言

最近这些年以来，因为变压器短路损坏的事故发生的频率越来越高，呈现出逐年上升的一个形式。这已经渐渐发展成了造成电力变压器出现不稳定地甚至是事故的主要原因，对电网具有相当大的危害，对电网的运行产生了很大的威胁。

1变压器绕组振动源分析

当变压器负载过大或处于短路故障时，绕组电流瞬时增大。由于绕组处于漏磁场中，电流和电磁产生的电磁力直接作用于变压器绕组上，电磁力的强弱受到电磁场强度和电流强度的共同影响，通常默认将变压器的漏磁场方向分解为横向（By）和轴向（Bx）两个方向，按照电磁力的方向判定规格可知，横向漏磁场产生的电磁力方向为轴向（Fy），轴向漏磁场电磁力则为横向（Fx）。变压器负载过大或突然产生短路故障时，产生的横向和轴向的电磁力是导致绕组振动，变压器故障的主要原因。对于双绕组变压器而言，内绕组和外绕组的电磁力方向在同一时刻的方向是相反的，如果产生横向电磁力，当电磁力大小超过绕组的机械强度，则发生绕组机械变形，可能会造成绕组绝缘层破坏甚至是线圈断裂；如果产生轴向电磁力，则可能发生绕组、夹件或压板的机械变形，甚至使上铁芯顶起，对整个变压器铁芯结构产生破坏，导致变压器功能受损。变压器绕组和铁芯的振动是由内部漏磁场产生的电磁力引起的，振动会通过变压器的结构传送到油箱表面，监测变压器油箱表面的振动，分析振动特征可以推断出绕组或铁芯的运行状态。变压器绕组发生振动时，通过变压器油箱的传递，引起变压器表面振动，而铁芯振动除了以上振动传递方式外，还可以通过铁芯与变压器表面中间的连接构件完成振动传递。

2稳定绕组的故障电流计算

带稳定绕组的、联结组标号为Yyno的变压器需要考虑以下的短路状况。1）状况1：一次端子供给电源电压，二次侧三相短路。2）状况2：二次端子供给电源电压，一次侧三相短路。3）状况3：一次端子、二次端子供给电源电压，二次侧单相对地短路。4）状况4：一次端子、二次端子供给电源电压，一次侧单相对地短路。状况1和状况2时，稳定绕组中无短路电流。三相系统的故障电流一般采用对称分量法，因为每一种常见的不对称故障条件（线对地、线对线和两相对地）都可以通过正序、负序和零序等效电路的简单组合来分析。假设在短路发生之前，没有电流流过变压器绕组，这意味着一次和二次的电源电压是同相的，它们的模在单位数值上是相等的。

3变压器产生短路损坏的主要原因

3.1变压器短路损坏的常见部位

变压器常见短路损坏事故有部分绕组、主绕组相应的导压面积、转线、单线绕组、引头和引线分别占整个短路损坏事故的64.7%和41.2%、29.4%、11.8%、5.9%。因此，轭部分的轴向不稳定性及变压器相应的耦合区域是容易出现一些短路事故的部件位置，制造厂家们应当给予其充分的关注，并对其加以改进，做出改善措施。

3.2电动力

主变压器运行时电流在绕组间产生漏磁场，因电磁感应在绕组中会产生电动势，此时，若主变压器遭受外部短路故障，则瞬时电流增加，施加在绕组上的电动力也随之增加，当超过阈值时将导致内部绕组严重变形损毁。

3.3变压器短路损坏的主要形态

根据最近这几年出现的一些情况，结合出口短路造成的变压器损坏的事件发生的具体案例来看，我们能够看出，变压的短路情况的出现，大部分还是由于轴向失稳、辐向失稳以及引线固定失稳这三种情况引起的。

4电力变压器绕组的抗短路设计措施

4.1进行短路动态分析

当变压器受到来自短路电流的干扰的时候，其动态过程实际上就是绕组振动的过程，所以短路变压器的动态设计工作根本来说就是绕组的振动设计工作。变压器绕组本身能够制造的交流漏磁场会在绕组之中造成机械力的出现，并且还会将这一机械力传递到变压器结构之中其他部件的位置。绕组系统的刚度以及电磁纸包绝缘和垫层的刚度都和绕组的辐射径向拧紧和轴向预张力脱不开干系。电力自身并不是一直保持恒定不变的状态，相反地，其会根据固有的规律而出现一些变化。一旦绕组的某些部分的频率特性与电励磁力的频率出现相似的情况甚至于是保持一致，那么就会导致强共振的情况发生。除此之外，因为垫的弹性模量，轴向垫的距离分布也呈现出不均匀的现象，这就会导致交漏磁场产生一些交流力，从而延迟厚垫的共振。

4.2变压器绝缘隐患问题排查

与短路轴向电阻问题一样，管理短路电阻也是一项挑战，因为变压器电路存在绝缘危险。变压器在受到短路冲击时，不一定在线圈变形后损坏，但也很可能是由于短路动作引发了预先存在的绝缘故障，放电故障已经损坏这种缺陷在出厂时并不一定足够明显，以致于所有出厂试验，例如出厂安装，但在各种不良运行状态的影响下，缺陷在运行过程中继续发展，短期冲击时可能会出现严重缺陷放电故障。此外，许多早期的工厂更换不需要进行局部放电试验，而且这些变压器的电路在短时间内受到损坏的风险很高。对于这类问题，目前没有非常有效的故障排除方法，但有必要加强对绝缘风险的控制，例如电负荷检测。

4.3变压器振动监测系统设计

通过对变压器绕组和铁芯的振动产生机理以及振动传递路径分析，振动通过变压器表面振动反馈出来，基于此变压器振动监测系统的原理为通过传感器采集变压器表面振动信息数据，通过分析振动特征来判定变压器内部绕组或铁芯的运行状态。系统的结构组成为振动信息采集模块、信息数据处理与计算模块、监测结构显示与反馈模块。数据处理与计算模块通过接收振动信息采集模块数据，经过振动特征计算，将处理结果通过数据传输系统传输到显示与反馈模块，即上位机，用户通过上位机显示可以识别出变压器运行状态。振动信息采集模块的核心构建为振动传感器，振动传感器有加速度型、电容式、速度型等多种，每种类型传感器的振动监测范围和干扰频率不同。变压器表面的振动是内部绕组和铁芯振动的叠加振动，频率单位在10~2500Hz之间，适合使用LC0144S型加速度振动传感器，且该类型传感器体积小，在该频率下的抗干扰能力优秀。信号调理电路主要实现传感器信号的过滤与放大，单一监测功能的振动加速度传感器采集的数据无法与数据卡直接通信，信号中包含噪声和直流量等原始信号，会对信号处理单元造成干扰，集成信号调理电路的振动加速度传感器可以通过低通滤波器和抗混叠滤波器过滤掉振动本身信号以外的噪声、直流量等干扰信号，同时还能将传感器监测到的信号放大，达到数据采集卡的采样区间。

4.4材料选取

产品质量不仅受到生产过程的影响，而且与优质材料的选择密切相关为了提高变压器对短路的抵抗力，应尽可能以合理的成本选用高质量的材料。选用卷材时，选用无氧半硬铜导体或优质铜箔，低压卷材一般选用铜卷材。在选择紧固件时，优先选择高密度、高强度的支承杆和支承块，选择实木支承块可增大与线圈末端的接触面积，有效降低低压线圈的线圈位置变形。在绝缘领域，对于低压卷绕卷绕，应优先选用绝缘点粘接纸包裹卷绕，还可选用绝缘点粘接纸进行跨层绝缘，以提高卷绕绝缘性能；选择在线圈表面涂高质量的绝缘漆，以避免短路破裂时线圈之间的回路，同时应确保不同相位之间的绝缘距离足够。事实上，不应单方面提高变压器对短路的抵抗力，而应同时在三个方面作出改进，将这些方法结合起来，根据每个变压器的类型、特点和用户的需要，最大限度地提高变压器对短路的抵抗力。近年来，行业对电力变压器的研究逐年增加，但仍然没有系统地研究短路故障电力变压器回路，大多数仍在改进过程中，未能准确计算短路能力电磁场回路。

4.5匝间短路故障诊断方法

变压器匝间短路故障为内部故障，传统保护在故障发生后难以识别绕组故障状态，造成变压器继续负载运行。油色谱分析法能够通过气体探测器检测变压器内部故障产生的特殊气体，但不适合在处理匝间短路故障时应用。对称分量法根据派克变换法可获得变压器端口电流相位，从而实现故障辨识，可对于匝间短路故障，该方法计算复杂，同样不适用。且上述两种诊断方法都没有充分考虑变压器故障后的电磁耦合特性，行波在电力线路中，可以应用在线路测距以及电缆故障定位中，原理为行波在传输时可经过不同波组抗点发生波折射与反射，依次形成反射波以及折射波。重复脉冲法以行波理论为基础，借助信号发生器对被测物输入低压脉冲信号，只要脉冲信号在导线传输期间遇到阻抗不连续处，即可让脉冲信号波出现折射波和反射波。

4.6采用低压分裂绕组变压器

分割线圈变压器是一种双线圈变压器，其中一个线圈被分割成两个线圈，因此低压分割线圈的变化意味着其中一个线圈被分割成两个线圈。在额定电压、额定功率和线圈数方面，两个低压分支线圈是相同的。卷筒中铁芯的布置有两个主要特点:一是低压分拆卷筒之间的短路阻抗大于正常运行时；其次，当工作正常时，每个分段线圈和高压线圈之间的短路阻抗较小。因此，分体线圈变压器在正常运行时具有低阻抗，在短路时通过电感具有较大阻抗的优点。这样，在没有短路的情况下，变压器电路的能量损失可以进一步减少，并且由于短路时电路穿过短路电流的阻抗很高，电流限制目标可以很好地实现。因此，通常建议工厂使用的变压器和具有两个较小发电容量的单位电缆使用低压线圈变压器来限制短路电流。

4.7密封件设置

主变压器除箱沿外，所用橡胶密封件应选用以丙烯酸酯或氟橡胶为主体材料的密封件，保证不渗漏油。所有密封圈应有压缩限位，在正常安装情况下，外观看不到密封圈。所选用的丁氰橡胶密封件和丙烯酸酯密封件均应按照GB/T7759.1—2015《硫化橡胶或热缩性橡胶压缩永久变形的测定》进行热空气压缩永久变形试验和按照GB/T7762—2003《硫化橡胶或热缩性橡胶耐臭氧龟裂静态拉伸试验》进行耐臭氧龟裂静态拉伸试验。

4.8绕组变形特性仿真分析

频率响应法在绕组变形检测中具有重复性好等优势，当变压器绕组发生变形后，可导致电路参数改变，造成频响特性曲线随之变化，具体表现为谐振点频率与谐振点峰值发生不同程度的升降或者是位移。对此，可将其用来观察频率响应曲线有无发生变化，当谐振点频率变化量为正数，代表变压器绕组在变形后，谐振点频率上升，当变化量为负数，代表谐振点频率降低。同理，当谐振点峰值变化量为正数，代表变压器绕组在变形后，谐振点峰值上升，当变化量为负数，代表谐振点峰值降低。仿真模拟变压器绕组不同位置电感参数改变，发现当变压器等值电路绕组电感参数逐次减小时，频响曲线向右边高频区移动，部分谐振点峰值出现明显改变，当绕组等值电路首段与末端电感参数变化时，频响曲线存在相似性特点。在纵向电容参数改变后的仿真模拟中，当变压器等值电路绕组纵向电容参数逐次减小时，低频区域频率响应曲线没有太大变化，高频区域有明显变化，表现为出现新的谐振点。在对地电容参数改变后的仿真模拟中，当变压器等值电路绕组对地电容参数逐次减小时，频响曲线整体向右边高频区移动，部分谐振点峰值有显著变化，首端对地电容改变对频率响应曲线没有太大影响。可知，当变压器等值电路中各电路参数发生变化时，将使绕组频响曲线呈规律性改变，可以用来判断变压器绕组情况。

4.9正确选择绕组的压紧力

变压器与压力机机械强度、绝缘工业、绕组改道等因素密切相关，在短路中承受电脉冲起着重要作用。在对短暂电磁冲击作出反应时，环绕实际上起着两个重要作用:处理材料本身物理力学特性的能力，如线圈的压力、扭转和拉伸强度。二是段与梁之间的紧密连接程度、终止角等。由于冲击群组后弹簧之间的摩擦，如果选取的装置压力太小，段与整个图块之间的间隙太大，则轴向电电压会导致段位移或失真，甚至导致线材断裂，最终导致线材的外部绝缘损坏，进而损坏变压器。如果组周围的压力也过高，超出挤压器允许的安全范围，则压力结构可能会变形，从而降低短路时抗冲击载荷的能力。可见选用了高度固定的无应力材料，应增加挤压器之间的压力，以便在一定的安全条件下更好地控制短路力。

4.10改善变压器运行条件

变压器的运行条件也直接影响周围组的绝缘和机械强度。而在青藏高原较高水平运行的设备，往往由于大气条件，如空气压力，被认为不太容易发生事故。在实际应用中，通过改善变压器的运行条件，可以减少外部运行因素对变压器的影响，例如变压器出口处的绝缘强度和机械特性，着重于外部绝缘清洗和污染措施，避免对小型动物造成损害，以及使用隔热收缩包装；改进继电保护，最大限度地减少保护时间，同时确保保护措施的准确性、选择和敏感性；低压系统必须在新建和新建工程的设计过程中提供接地低压保护。单相电网故障时，零电流保护短路防止短路等。

4.11机械振动绕组变形检测法

传统的旁路变换检测技术基本上是通过在变压器电缆端纳入触发响应数据来确定的，需要不适合变压器的停电，而变压器很难及时关闭。这提供了一个电机数据检测，用于确定变频调速柜门上的电机影响。在正常运行期间，铁和绕组状态在磁应变和力作用下产生固有的机械振动，振动信号通过铁心、轨道和绝缘传送到油箱表面。分析油罐表面振动信号，确定变压器和圆周的机械稳定性。通过大量实验和案例研究，提取了能量均匀度(EDR)、振动稳定性(DET)、频率复杂度(FCA)、振动依赖性(MPC)等四个特性参数，精确确定变压器在组中的变形方式，并确定故障的严重性(OK、caution、anomalie)。变换检测基于机械振动特性，允许绕过运行变压器。更重要的是，机械振动特性为铁矿石提供了更高的灵敏度、圆的求解以及对其他电气测量技术中不存在的轴向打印状态或轴向失稳的有效检查。

结束语

绕组中的负载电流在变压器铁芯和绕组之间形成磁流间隙，绕组中的导体受到漏磁场中电磁力的影响，会导致变压器产生强迫振动。而绕组的振动一般是由变压器的油箱表面振动反映出来的，变压器在额定工况下工作时，内部电磁力并不会对绕组产生振动影响，但当变压器发生短路事故或闪变脉冲时，线圈中的电流会立即增加几十倍，使漏磁场的磁感应强度增大，对绕组施加的电磁力会变得很大，甚至会使绕组发生转动、变形和绝缘破坏，从而导致变压器损坏引发电路事故。

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