浅谈变压器抗短路能力校验与评估

高福平

摘要：针对厂家校验变压器抗短路能力的标准和方法参差不齐的问题，总结国家电网近年来出现的变压器短路冲击损坏事故的教训，从变压器运行的实际出发，依据设备全寿命管理理念，综合变压器原厂家提供的设计能力、变压器安装地点短路水平、变压器运行老化状况、厂家制造水平等要素，提出一种基于抗短路能力衰减系数的变压器抗短路能力评价方法。

关键词：变压器;评估

一、专业管理的的目标描述

电力变压器是电力系统最重要的核心设备之一。大型电力变压器发生故障，将造成大面积停电及大量用户电力供应中断，对国民生产、社会安定影响极大。由于目前的电力系统短路容量增大，厂家对变压器抗短路能力的设计裕度小，变压器经受短路冲击而损坏的事故已成为电力变压器事故的首要原因。

研究变压器制造厂制作工艺、选材、设计等情况、进行调研，引进中国电力科学研究院变压器抗短路校核计算程序，对220kV变压器进行了抗短路能力校核。该程序基于ANSYS程序的Emag模块和Multiphysics模块中的电磁分析功能，以Maxwell方程组作为电磁场分析的出发点，以有限元法为数值计算方法。程序设计中即考虑了绕组导体材料和绝缘材料的力学特性，也考虑了绕组线饼的几何尺寸、撑条数量、轴向预紧力以及硬绝缘纸筒等因素对变压器抗短路能力的影响。计算结果为在特定设计参数和工艺参数的条件下变压器出厂时固有的安全系数。校核计算中没有考虑到不同厂家制造工艺的差别以及运行工况对抗短路能力的影响。

根据校核计算结果对变压器耐受短路能力进行分类，提出针对性治理建议，最终形成变压器抗短路能力校核报告。但是这种校核方法还存在一些缺陷和问题，不能对在运变压器进行多因子的综合评估。主要存在问题如下：

由于材料选择及结构设计时存在偏颇，不同厂家和不同年代的变压器抗短路能力不足。90年代中后期，变压器制造厂在追求低损耗、局部放电水平等指标时，在材料选择及结构设计等方面会降低对抗短路能力的要求。

由于设计和制造水平的限制，不同年代制造的变压器抗短路能力不足。90年代（包括20世纪初）设计、计算及制造的电力变压器的抗短路能力，用现在更加科学的判断标准来看，其抗短路能力是不够的。

由于不同厂家安全裕度不同，部分厂家设计考虑抗短路能力裕度非常不足。提高安全裕度往往意味着增加制造难度，甚至大幅增加产品的成本。在变压器市场竞争如此激烈的今天，通过牺牲裕度来降低成本的现象尤为突出。

以上问题的存在，导致了在运变压器的抗短路能力参差不齐。要对变压器的抗短路能力进行准确评价，必须从变压器的设计、厂家制造工艺、不同年代、依据标准、系统短路容量、系统环境等方面综合考虑，科学评估，并制定相应的治理措施。

二、专业管理的主要做法

实践证明，利用统一的变压器抗短路能力校核模型，对不同厂家、不同设计、不同结构、不同材质、不同工艺的变压器进行校核的做法存在不足。为此，我们依据设备全寿命管理理念，综合变压器原厂家提供的设计能力、变压器安装地点短路水平、变压器运行老化状况、厂家制造水平等要素，对每台变压器的抗短路能力进行客观评价。

2.1变压器关键设计参数的收集与评估

原变压器生产厂家按照运行单位提供的变压器型号、产品编号、出厂时间，在认真收集和核对原变压器历史资料的基础上，依据当时的设计结构、使用材质、制造工艺和出厂试验数据等关键要素，对每台变压器的动、热稳定进行核对性评价，最后提供每台变压器各侧绕组耐受2S的动稳定短路电流值ID/IC（有效值/峰值），变压器耐受2S热稳定短路电流值IR（有效值），变压器高中低压辐向失稳系数和轴向力、辐向力校验结果。对于因变压器原始数据缺失，无法进行核对性评价的变压器，生产厂家按照最相近原则提供评估结果。

2.2变压器安装点短路状况分析

每台变压器因安装地点不同，在实际运行中经受的短路电流差别很大。因此，只有拿变压器安装点实际可能经受的最大短路电流与变压器生产厂家提供的数值相比较，才有现实意义。

计算方法：根据每台变压器安装地点系统容量和最大运行方式，分别计算在各侧母线短路时，通过变压器各侧绕组的最大短路电流Id。

2.3变压器抗短路能力衰减系数（Ks）的选定

实践证明，变压器抗短路能力随变压器运行时间的增长（老化因素）和经受短路电流冲击次数的增多，抗短路能力将明显下降。另外，受生产厂家的总体制造水平、使用材质、校核方法等因素的影响，各变压器生产厂家抗短路能力裕度存在一定的差异性。因此，在实际校核每台变压器时，至少应该上述原因。在实际操作中，我们在广泛收集、分析、总结历年来系统变压器短路损坏事故和解体检查报告的基础上，提出衰减系数选定原则。

2.4变压器抗短路能力评价

1）变压器各侧绕组耐受短路电流允许值：

IxD=ID×Ks1 Ks2 Ks3

2）变压器各侧可能承受的最大短路電流计算值Id

3）计算变压器各侧抗短路能力可靠系数Kk

Kk=IxD/Id

评价：

当Kk≥1.2时，变压器在安装点运行是可靠的;

当1>Kk>1.2时，变压器可以在安装点正常运行，但应进入关注状态;

当Kk≤1时，变压器必须采取措施，以提高抗短路能力。

三、评估与改进

3.1专业管理的评估方法

基于变压器抗短路能力衰减系数的变压器抗短路能力评价方法从运行实际出发，综合考虑变压器的运行实际工况、生产厂家的工艺制造水平以及短路冲击次数等对变压器抗短路能力影响大的因素，对变压器的抗短路能力进行评价，评价方法有一定的创新性和实用性，通过比较变压器实际安装地点的最大短路电流与变压器可耐受的短路电流评价变压器抗短路能力，很符合变压器的运行实际，对变压器的评价结果是可靠的。依据作出的评价对山西省内220kV及以上变压器进行整治，能确保变压器的安全稳定运行。

3.2专业管理存在的问题

衰减系数选取符合变压器运行实际，但仍存在一定局限性。首先，变压器抗短路能力衰减系数值的确定不够精确，没有通过试验验证衰减系数的精确性。具体的衰减系数值还需进一步通过实践验证反复进行修正，使评价方法更加准确可靠。其次，变压器制造厂提供的耐受短路电流不一定真实、可靠，主要原因有制造厂家选择的算法不一计算结果会有一定的差别。最后，各供电单位提供的安装地点的最大短路电流是否准确还需要实际运行情况来验证。

3.3今后的改进方向或对策。

依据设备全寿命管理理念，综合变压器原厂家提供的设计能力、变压器安装地点短路水平、变压器运行老化状况、厂家制造水平等要素，对每台变压器的抗短路能力进行客观评价。解决了原有的利用统一的变压器抗短路能力校核模型，对不同厂家、不同设计、不同结构、不同材质、不同工艺的变压器进行校核的做法存在的不足。