电力变压器常见故障的分析与处理（二）

第三章：变压器近距离出口短路损坏事故的判别处理和预防

随着国民经济和工农业生产的持续发展，电力系统装机容量日益增长，系统内的短路容量和短路电流大为提高，而在系统中运行的电力变压器，就难免碰到近距离出口的各类短路事故，事故的短路电流流经变压器，使变压器由承受正常的负载电流骤变为数十倍负载电流的短路电流，在暂态过程中往往产生较正常运行大数百倍的机械应力而使变压器损坏；变压器近距离出口短路引发绕组变形、绝缘损坏、线圈烧毁，甚至涉及铁心损坏、油箱变形，一般造成变压器掉闸，退出运行，影响对社会供电，就变压器本身都需要立即进行修理，造成的损失巨大。

一、出口短路故障对电力变压器的危害

电力变压器是靠绝缘的高压导线、母线导流排或高压电缆，通过断路器分别与发电机组、电力系统、配电母线和用户配电线路相联结，在现场实际运行中，时常遇到二次侧发生的各种短路故障，使回路阻抗大幅度减小，在一、二次绕组中产生一个大的短路电流，该电流的大小往往与多种因素有关，如：短路的位置、短路发生瞬间的相位、短路阻抗和短路时的系统运行方式等，并随系统短路容量和单台变压器容量的增加而增大，由于断路器及相关自动装置存在固有的动作时间，短路故障点也就不可能零时间切除，变压器难免受到短路电流的冲击，通常短路电流为额定运行电流的十几倍至几十倍，这样大的短路电流产生的电动力和热量，将危及电力变压器的动稳定和热稳定性能，使之遭到严重破坏，影响电力变压器的正常运行。

1.出口短路产生的电动力对电力变压器的危害

电力变压器运行过程中绕组通过电流，由于电流和漏磁场的存在，绕组上将产生电动力，该电动力与漏磁通密度和通过电流的大小成正比，也即与通过电流的平方成正比，电力变压器正常运行时作用在导线上的电动力很小，但，突然短路时，十几倍至几十倍的短路电流将产生几百至上千倍额定时的电动力，可能造成电力变压器的绕组失稳变形，绝缘受伤，匝间（饼间）短路，进而使变压器损坏。电力变压器承受电动力的破坏作用往往表现在：绕组的压紧件变形损坏，严重时上夹件的钢支板被顶弯、压钉支板脱落，压钉弯曲位移，端部纸（木）压包环崩裂，引线木支架断裂损坏等，同时还会造成绕组变形，内侧绕组被局部压弯，外侧绕组被拉松动或拉断；绕组线饼沿轴向发生变形，线饼间的油间隙变小，垫块发生位移，破坏匝（饼）间绝缘，引起绝缘击穿。

另外，电力变压器多次承受出口短路冲击，有些即使没有发生绝缘击穿而引起变压器掉闸，但其绕组已经产生多次累积变形，这些变形使绕组的机械和绝缘强度降低，在再次受到过电流或过电压冲击，甚至在正常铁磁谐振过电压的作用下，都可能造成内部绝缘击穿，致使变压器损坏。

2 .出口短路引起过热对电力变压器的危害

电力变压器绕组的电阻损耗与通过电流的平方和通过电流的时间呈正比，即W=I2Rt，在短路过程中，几十倍额定的短路电流，会使其电阻损耗增加几百倍，这是铁心和漏次损耗也会大幅度增加；这些损耗都将转化为热能使绕组的温度上升，由于短路的时间很短，一般仅为几秒钟，IEC76—5规定t=2s，产生的热能来不及向外扩散，将全部用来使绕组温度升高；按国标《电力变压器第5部分：承受短路的能力》规定，电力变压器设计时，绕组铜导线允许温度为2500C（2），设计起始温度1050C，此时，只要变压器保护装置和断路器能够可靠、及时动作，短路电流的持续时间一般不会超过变压器的热稳定要求，因此，电力变压器热稳定破坏的可能性也就较小，只有在继电保护装置拒动，短路电流长时间通过绕组，才有可能破坏电力变压器的热稳定性能，烧坏变压器。

电力变压器在出口短路时巨大短路电流引起的过热和电动力共同作用下，会遭到不同程度的破坏，有关技术人员需要针对短路故障的性质、短路电流的大小，短路点距出口距离的远近、变压器继电保护及自动装置的动作情况、油色谱分析可燃性特征气体含量，掉闸后的变压器还要根据直流电阻、绕组变形、空载损耗等电气试验参数等，进行综合的分析判断，根据损坏程度，迅速确定变压器是否可以继续运行，制定修复方案。

二、 电力变压器经受出口短路后的检查试验及要求

电力变压器在实际运行中一旦发生出口短路，特别是电气距离不足2km范围内的近距离短路故障，不管与否引起变压器掉闸，都必须进行相应的检查和试验，必要时要停电进行全面电气试验和根据试验结果吊开钟罩进行内部检查。

1.外观检查。仔细检查变压器外壳有无明显凹凸，箱体焊缝是否渗漏油，检查压力释放装置的动作情况，检查瓦斯继电器是否动作或发出信号、是否集有可燃性气体，对仍在运行的电力变压器要注意辨别声音是否异常，正常运行会发出连续均匀、轻微的“嗡嗡”声，若声音不均匀或有特殊声音，即视为不正常，如出现电焊机声音、劈啪放电声音等。

2.取油样进行气相色谱分析。变压器油在电力变压器中主要起绝缘和冷却散热的作用，但变压器内部一旦发生过热和放电故障时，变压器油和其它绝缘材料就会发生化学分解，产生特定的烃类气体和H2、碳氧化物等，这些气体的数量和产气速度往往又与故障的温度密切相关；随着故障温度的升高，产气量最大的烃类气体依次为CH4、C2H6、C2H4、C2H2。测量特征气体的成分和含量（3），来分析电力变压器内部发热或放电点的温度，可以确定电力变压器经受出口短路后是否遭到破坏；出口短路会引起绕组的匝间（饼间）短路，系瞬间高能量的工频续流放电，有时涉及固体绝缘；因此C2H2含量的变化往往较大，其次是C2H4、 C2H6、CH4等。若经受短路破坏的时间较长，CO、CO2的含量也会明显增加。

3.直流电阻测量。电力变压器绕组的直流电阻在出厂和良好状态下，三相数值基本平衡；测量直流电阻可以方便有效的考核绕组纵绝缘和回路的联结情况，能发现电力变压器出口短路引起的匝（饼）间短路，绕组断股等故障，如某相电阻异常增加，该相绕组即可能有断股现象，说明电力变压器遭受了严重的冲击破坏，不能投入运行。

绕组的介质损耗和电容量测量。当电力变压器发生局部机械变形时，其绕组间以及对铁心和外壳的相对位置会发生变化，其电容量也将随之变化；虽然电力设备预防性试验规程仅从绝缘的角度对介质损耗值做了规定；但严重的绕组变形会引起电容量的明显变化，所以，在检查承受短路冲击后的电力变压器是否发生严重变形时，被测电容值与历史数据比较也非常重要，当变化值超过10%时就要引起注意。

绕组变形试验。电力变压器局部机械变形后的绕组，其内部的电感、电容等分布参数必然发生相对变化；用频率响应法诊断绕组变形情况因其灵敏度高，抗干扰能力强，近几年被得到广泛应用；可以通过比较两次测得的频响特性曲线的相关系数，判定绕组是否发生变形和变形的严重程度。在没有原始数据的情况下，也可以通过比较三相绕组间的频响特性曲线的差异，或同厂家、同类型电力变压器绕组之间的差异，对绕组变形情况作出判断。若试验时发现频响特性曲线的相关系数小于0.5，电力变压器应立即退出运行。

低电压短路阻抗试验。短路阻抗法是判断电力变压器绕组变形的传统方法，虽然其灵敏度低于频率响应法，仅对绕组变形比较严重的电力变压器有效，但该试验方法相对简单，对试验设备要求低，有出厂和历次试验数据相比较，现场实施非常简便；通过测量绕组的短路阻抗变化判断绕组是否发生变形，现场实践证明：当绕组的三相短路阻抗值超过3%的差异时，就应该引起注意。

空载损耗和空载电流试验。电力变压器经受出口短路电流冲击，当出现线圈匝间短路或涉及铁心绝缘时，会引起电力变压器的励磁电流增加和空载损耗损耗增大，与历次试验数据比较，空载损耗增加10%时就应该引起注意。

8.其他检查试验项目。电力变压器经受出口短路后通常的试验项目还有：绝缘电阻测量，变压比试验，油、纸绝缘材料的分析化验等等，所有试验项目应严格执行电力设备预防性试验规程的相关标准，发现试验结果异常都要引起注意。

吊开钟罩的内部检查。经过外观检查和各类试验怀疑电力变压器内部确实存在短路冲击故障，进一步的检查一般都安排在返厂进行；若需要现场吊罩检查，在吊开钟罩后，首先检查绕组的外部可见部分有无变形、变色和断匝，紧固件是否完整无损；铁心和线圈引线有无明显的烧伤痕迹，线圈和铁心表面有无烧熔的金属颗粒和绕组内部喷出的绝缘纸灰等异常，然后依次吊出各绕组逐一进行检查，视现场情况可以一直检查至内侧绕组的绝缘纸筒。若外观检查即发现损坏程度严重，需要更换线圈或有关绝缘件，应立即停止检查，以便减少变压器器身在空气中的暴露时间，减轻绝缘受潮程度，为下一步修复提供方便。

三、预防变压器短路事故的措施：

1.随着现代电网装机容量的增大，电力系统用电负荷高，系统短路容量大，短路电流剧增，而变压器在科研、设计和制造中，抗出口短路冲击的能力跟不上，又加配电系统出线多，网络复杂，配电设备事故时有发生；是近几年变压器近距离出口短路损坏事故增多的主要原因。

2.变压器近距离出口短路瞬间，强大的短路电流通过变压器，引起严重过热和承受强大电动力，引起变压器绕组变形和绝缘材料损坏，是变压器损坏的直接原因；经现场分析判别，一旦确定绕组变形和绝缘材料损坏，只能尽快修复，线圈修整或更换；实践证明：变压器在现场能够更换线圈，这样既能缩短修复时间，又可减少返厂装运费用，只要采取必要的防受潮和干燥等措施，应该是经济可行的，但必须针对现场环境和技术条件等具体确定。

3.电力变压器出口短路危害极大，造成的损失巨大；由于中低压绕组间的短路阻抗最小，一般低压线圈损坏的几率最大，其次是中压线圈。首先应从制造厂做起，考虑采取防止线圈失稳的有效综合措施，做为制造厂一是应优化设计，电磁计算方面尽量反应绕组的实际受力状态，实现绕组安匝平衡，并留有足够的设计裕度；二是低压线圈宜用自粘式导线和用硬板绝缘纸筒做内衬，并适当增加撑条根数；三是增加铁轭夹件和压包环强度，合理压钉的数量和位置，防止绕组的端部结构失稳和变形；四是要改善工艺，所有绝缘垫块应进行预密化处理，使其收缩率下降至最低限度，同时绕组的制作要密实牢固，线圈采取整体套装工艺。

减少电力变压器出口短路损坏事故，做为运行单位一是在设备选型定货时，应尽量选用通过短路试验的变压器制造厂家，并合理选择容量和适当提高短路阻抗，尽量减少不必要的调压分节抽头。二是要提高变压器近距离出线的绝缘水平，优化电力变压器低压侧的运行环境，如：采用高可靠性的封闭绝缘母线，母线桥加装热缩绝缘护套，尽量采用电缆出线，2km范围内的架空线路使用绝缘架空线等；减少低压相联结设备的绝缘事故几率，以降低近距离故障的影响和危害；三是并列运行的电力变压器可考虑加装保护自投装置，正常方式开环运行，以减少短路时流过变压器的短路电流。四是提高继电保护装置的快速性，采用微机保护装置，尽量压缩系统中保护的动作级差，缩短低压侧断路器的掉闸时间，缩短短路电流通过电力变压器的作用时间。

电力变压器近距离出口短路后，应尽快判别绕组是否变形和绝缘是否损坏，以便确定变压器是否继续投运；一是尽快进行油色谱分析，根据气体组分含量进行分析，一旦C2H2急剧上升，说明线圈可能烧坏或烧断，线包绝缘遭到破坏。二是进行全面电气试验，排除线圈绝缘损坏的可能，直流电阻测量是发现绕组是否损坏的最有效手段。三是进行变压器绕组变形测量工作，要与以往测量的频响特性曲线进行横向和纵向对比分析，判定电力变压器绕组是否变形。四是在不能确定的条件下，应进行吊罩检查，未经全面检查和综合分析，变压器不得投入运行。检查结果和试验数据分析，必须将气相色谱分析和相关电气试验数据、外观检查情况、自动装置的动作情况等有机的结合起来，进行综合的分析判断，才能准确的对故障定性和定量识别，这也是电力设备预防性试验规程一再明确的要求。

减少低压出口短路故障的几率，要保证变压器低压部分具有良好的绝缘水平，除加强检修维护外，可采取如下措施：一是设计时尽量采用封闭母线，减少外来天气和污秽等因素的影响；二是对变压器外部引出线或母排进行绝缘封闭改造，特别是对中相绝缘进行封闭，防止异物引起的相间短路；三是提高绝缘件的泄露比距，如10KV支柱采用35KV电压等级的绝缘子，35KV支柱采用66KV电压等级的绝缘子等，防止对地短路；四是配电装置在空间允许的条件下，加大相间空气绝缘距离，提高相间抗短路能力，开关柜的尺寸不能过分强调小型化；五是对电缆出线或室内布置结构，针对具体情况采取相应提高绝缘水平的可行措施。

认真贯彻执行国家电网公司2005年颁布的十八项电网重大反事故措施；一是对容性电流超标（10KV系统小于10A）中性点不接地系统，应加装消弧线圈自动补偿装置，防止单相接地故障发展成为相间短路。二是电缆出线的线路由于发生的故障多为永久性故障，应该停用重合闸装置，对变电站出线多且易发生故障的架空线路也应采取此措施，以减少电力变压器承受短路冲击的几率。

三是加强防污闪措施的实施力度，提高设备的泄漏比距，在此建议电力变压器10KV、35KV套管选用时绝缘水平提高一个电压等级，因此对整个变压器的造价也无多大影响，切实防止套管污闪引起零距离出口短路事故。四是对运行年久，运行温度一直偏高的电力变压器开展抗短路能力的校核工作，采取包括改造在内的提高抗短路能力措施，必要时进行油中糠醛含量和取纸样做聚合度测量，对绝缘老化严重的加强跟踪监督。

目前，国内外制造的大型变压器还不能完全适应各种近距离出口短路冲击的要求，特别是对可能频繁承受近距离出口短路冲击的变压器，除选型和制造时考虑增大短路阻抗外，还应考虑加装外附的串联电抗器（注意和电容器组的配合），以减少短路时流过变压器的电流。

9.防止变压器近距离出口短路损坏事故，是一项系统的综合性工作，除采取以上的措施外，还应考虑：

（a）对事故频发的配电线路加强运行维护，在加强和提高线路绝缘水平上下功夫；

（b）采取防止小动物破坏的措施，高压室内及电缆沟的孔洞进行封堵，裸漏导电部分加装热缩护套；

（c）提高继电保护及其自动装置的正确动作率，防止保护拒动、越级或延时掉闸；

（d）对双电源供电的配电线路，应考虑停用断路器重合闸的可能，也可研究考虑加装自动投切装置，减少电力变压器承受短路电流冲击的次数.

（e）配电设备发生短路事故，不管电力变压器是否掉闸，都应该对事故情况进行技术分析，特别要对流经变压器短路电流的大小和时间进行统计分析，必要时对变压器油色谱化验分析；

（f）认真开展电力变压器绕组变形的测量工作，普查变压器频响特性，对发生过近距离出口短路的变压器，适时进行比较分析。（g）合理安排电网的运行方式，区域性电网应考虑分层分区运行，以限制系统的整体短路容量。（h）做好变电站和输配电线路防雷工作，完善防雷措施，防止雷击引起的瞬间短路故障。

3、8国网公司2005年预防变压器事故的措施：防止变压器短路损坏事故的十项措施

1. 容性电流超标的不接地系统，宜装设有自动跟踪补偿功能的消弧线圈或其它设备，防止单相接地发展成相间短路。

2. 采取分列运行及适当提高变压器短路阻抗、加装限流电抗器等措施，降低变压器短路电流。

3. 电缆出线故障多为永久性的，因此不宜采用重合闸。例如：对6-10kV电缆或短架空出线多，且发生短路事故次数多的变电站，可考虑停用线路自动重合闸，防止变压器连续遭受短路冲击。

4. 加强防污工作，防止相关变电设备外绝缘污闪。对110kV及以上电压等级变电站电瓷设备的外绝缘，可以采用调整爬距、加装硅橡胶辅助伞裙套，涂防污闪涂料，提高外绝缘清扫质量等措施，避免发生污闪、雨闪和冰闪。特别是变压器的低压侧出线套管，应有足够的爬距和外绝缘空气间隙，防止变压器套管端头间闪络造成出口短路。

5. 加强对低压母线及其所联接设备的维护管理，如母线采用绝缘护套包封等；防止小动物进入造成短路和其它意外短路；加强防雷措施；防止误操作；坚持变压器低压侧母线的定期清扫和耐压试验工作。

6. 加强开关柜管理，防止配电室“火烧连营”。当变压器发生出口或近区短路时，应确保开关正确动作切除故障，防止越级跳闸。

7. 对10kV的线路，变电站出口2公里内可考虑采用绝缘导线。

8.随着电网系统容量的增大，有条件时可开展对早期变压器产品抗短路能力的校核工作，根据设备的实际情况有选择性地采取措施，包括对变压器进行改造。

9. 对运行年久、温升过高或长期过载的变压器可进行油中糠醛含量测定，以确定绝缘老化的程度，必要时可取纸样做聚合度测量，进行绝缘老化鉴定。

10. 对早期的薄绝缘、铝线圈且投运时间超过二十年的老旧变压器，应加强跟踪，变压器本体不宜进行涉及器身的大修。若发现严重缺陷，如绕组严重变形、绝缘严重受损等，应安排更换。

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