浅谈变压器短路产生原因及防治措施

摘要：电网的运行要求安全性和稳定性，作为变电过程中的重要设备变压器，其安全性尤为重要。近年来由于变压器自身设计以及电网运行导致的变压器短路事故时有发生。文章重点针对变压器短路产生原因以及防治措施进行了详细分析。

关键词：变压器；换位导线；机械应力

中图分类号：TM407 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）28-0124-02

电网要求继电保护装置具有可靠性、速动性、灵敏性来保证安全稳定运行，而变压器是变电过程中最为重要的设备，其制造复杂、成本高，因此保证变压器的安全运行对电力系统具有重要意义。面对变压器频频发生的短路事故，我们需要对其短路产生原因、短路表现形式以及减少短路发生的次数和影响进行研究，以保证电力系统的正常运行，保证供电可靠性。

1 变压器短路

1.1 变压器短路产生原因

变压器短路产生的原因很多，主要分为以下两类：一是结构短路因素；二是运行短路因素。下面就分别阐述：

1.1.1 结构短路。

（1）温度、绕线方式等是造成变压器短路的重要因素。温度对导线的弯度和强度都有很大的影响，随着导线温度的升高，其弯度、强度均有不同程度的下降，同时，导线的延伸率也会随着下降。而变压器中导线的设计通常是在常温下进行的，没有考虑到实际运行工况，实际额定运行变压器的绕组温度大大高于常温，能够达到100℃以上。而随着绕组温度的升高，其抗弯强度和抗拉强度均会明显下降。绕线松散、导线与线匝间固化措施较差使得导线在运行中易发生变形，造成变压器短路。

（2）采用导线类型不同对变压器短路产生的效果也不尽相同。普通的换位导线由于其机械强度较差，在外力作用下出现变形、露铜的情况时有发生。在额定电流下，扭矩较大的两个部位包括换位导线爬坡处以及绕组两端的线饼，扭矩大的直接结果就是导致导线扭曲甚至变形，从而大大增加了变压器内部短路的风险。软导线是早期造成变压器短路的最主要的原因。由于认识不足以及成本问题，厂家在生产时采用软导线而不是硬导线，使得由于导线类型造成的变压器短路成为较为主要的原因。

1.1.2 运行短路。

长时间的短路电流是造成运行短路的主要原因。一般情况下，当在电流速断保护范围内发生短路故障时，继电保护装置能够保证在无延时情况下迅速切除故障，考虑到机械作用固有延时等情况，短路电流持续的时间一般不会超过250ms，但是实际情况却与此有所不同：首先，由于继电保护的选择性，配电侧的保护一般不采用电流速断保护，而是采用定时限过电流保护，配电侧也正是短路多发部分；其次，继电保护虽然要求速动性、选择性、灵敏性和可靠性，可是也不免发生继电保护装置拒动的情况，而当保护拒动时，故障存在时间会较长，有时会到好几分钟甚至几小时，这时变压器导线承受大的短路电流的时间大大增加，超过其热稳定性就会造成短路故障；最后，电力系统的安全稳定可靠运行要求继电保护需配备重合闸装置，如果故障为永久性故障，那么重合闸的过程就会对变压器产生二次冲击，短路刚发生时产生的过电流已经使变压器导线温度急剧升高，导线的扛弯性已经很差，二次冲击电流则很可能导致变压器发生短路事故。

某变电站10kV母线发生弧光短路，多台开关柜烧毁，过电流的持续时间长达4min，这种现象至今每年都有发生。据资料反映，54%短路事故的过电流持续时间大于0.25s，有的长达数秒甚至数分，22%是连续多次短路冲击，有的连续冲击8次。

1.2 变压器短路表现形式

变压器短路对电网安全稳定运行带来很大的危害，因此研究变压器短路的表现形式有助于我们能够积极的研究应对措施，防止和减少变压器短路的发生。目前变压器短路的表现形式主要有：

1.2.1 外部短路时，由于重合闸等原因导致的多次的短路冲击，使得变压器导线线圈严重变形，并引发绝缘损坏甚至击穿。

1.2.2 外部短路时，频繁短时间间隔的短路冲击最终会导致变压器短路损坏。

1.2.3 由于继电保护装置拒动而导致的长时间的短路冲击导致的变压器短路损坏。

1.2.4 短路电流较大而导致的一次短路冲击损坏变压器。

1.3 变压器短路常见损坏部位

1.3.1 变压器绕组引出线部分。由于轴向电流的存在，使得斜口螺旋绕组处产生横向力矩而使得绕组扭曲甚至变形，而螺旋绕组绕制过程中自身的恢复原状的应力作用更加剧了这一变形的情况，较易发生短路故障。

1.3.2 由于绕组绕制间隙过大或者过于松散，导致铁轭侧绕组发生变形。同时短路电流产生的很强的电磁场大多通过铁轭闭合，形成回路，其受到的电磁力也是导致铁轭发生短路变形的重要原因。

1.3.3 换位导线的爬坡较陡，相比普通导线来说，其在爬坡处产生的相反的切向力使得里侧绕组的换向直径减小，而外侧绕组换向直径增大，轴向电流的作用使得绕组承受附加力的作用，变形加剧。换位导线越粗，其爬坡的坡度越陡，受应力和附加力作用产生的变形越严重。

1.3.4 调压分接区域较易产生短路事故。该区域由于运行一段时间后，较厚的垫块自然收缩量较大，一方面加剧安匝不平衡现象，另一方面受短路力时跳动加剧；绕组套装后不能确保中心电抗高度对齐，致使安匝进一步加剧不平衡；该部位的线饼为力求安匝平衡或分接区间的应有绝缘距离，往往要增加较多的垫块，较厚的垫块致使力的传递延时，因而对线饼撞击也较大。

1.4 短路故障的危害

电网短路故障产生的较大的短路电流会产生很大的磁场，同时变压器的漏磁场也较大，强大的电磁力使得变压器绕组承受很大的机械应力，较大的短路电流同时会在变压器绕组中发热，使得电能有很大一部分转化为热能，温度的升高会大大削弱绕组的机械强度和延伸性。变压器绕组在机械应力和热应力的作用下很容易发生扭曲变形，同时也会使绕组间、线匝和绕组间的绝缘老化严重，不仅对变压器产生很大的危害，也对电网的安全稳定运行产生很大的威胁。

2 变压器短路防治措施

2.1 正确安装变压器

变压器在设计时须符合实际工况要求，安装时应严格按照变压器铭牌上的额定容量、额定电流、额定电压、额定阻抗以及绕线组别进行。安装的变压器应该具有出厂合格证，保证变压器是正规厂商生产的合格产品。应严格查看变压器的各结构有无质量问题，包括其型钢是否有锈蚀，螺栓的类型是否为镀锌螺栓，是否配备与其规格相符的平垫圈和弹簧垫。防锈漆和绝缘漆是否有合格证书。在施工安装完毕后，要验收其尺寸、结构是否符合设计要求，室内变压器要查看其屋顶是否有漏水，屋内地面是否平整干净等。

2.2 完善变压器的保护配置

微机机电保护的使用使得变压器的短路事故大大减少，但是为了使得保护动作的速动性、灵敏性兼顾可靠性，还需在保护的配置上安装母线差动保护，失灵保护等。变压器自身的保护也同样重要，在变压器中压侧和低压侧需要配置限时速断保护，使得变压器出口故障时能够快速切除故障，使短路电流对变压器的冲击减小。在变压器的选择方面，应该选择抗短路能力较强的变压器，并且适当调整电网的主接线形式，使得故障时对变压器的冲击短路电流减小。减小变压器承受短路电流的措施还有在线路上加装限流电抗器。近年来由于开关容量不足而导致的变压器短路经常发生，因此在变压器中压侧和低压侧安装大容量开关非常有必要，与此同时，由于氧化锌避雷器较强的承受过电压能力也适用于变压器以及母线的保护中，爬距较大的防污瓷瓶较好的绝缘性能可以有效防止变压器出口短路。

2.3 对变压器的短路动态特性进行分析

电网发生短路时，短路电流对变压器的冲击实际为变压器绕组的振动，因此，对变压器绕组振动特性进行研究是防止变压器短路的有效措施。短路电流产生的磁场会在变压器绕组中产生机械应力，该机械应力与电磁线绝缘、绕组绕制、频率等有关。绕组固有频率与机械应力频率相近时会发生谐振，这就会加剧绕组的振动。

3 结语

由于变压器成本很高，变压器短路事故不仅会造成资金和资源的浪费，同时也不利于电力系统的供电安全可靠性。本文对变压器短路产生的原因及防治措施进行了详细研究，提出的建议对于变压器以及电网的安全稳定运行具有重要的工程实际意义。

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