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变压器近距离出口短路的原因、危害及预防
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3秒自动关闭窗口变压器短路试验的方法
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评论: 0|原作者: 陈奎
摘要: 本文分析比较了变压器短路试验的标准，介绍了变压器短路试验的方法，并综述了检测、判断变压器短路故障的方法。
　　变压器的短路承受能力试验主要是考核其承受短路的机械力，并不能验证其热特征(在标准中明确规定承受短路的耐热能力由计算验证)。短路承受能力试验通常是在试验室完成的。国际委员会(IEC)和我国国家标准(GB)都对变压器承受短路的能力进行了明确的规定，并且对短路承受能力试验的方法和要求进行了阐述。下面就试验中有关的具体问题作进一步的分析。
1　短路试验的标准
　　变压器短路试验的标准有国标GB 85、国际标准IEC 76-5：年修改稿(IEC 14/268CD，现未正式采用)。GB 85和IEC 76-5：1976基本等效。目前国内的变压器均按GB 85这一标准进行试验，出口变压器则按IEC 76-5：1976或与其相应的国家标准试验。它们之间的差异见表1。
表1　短路试验标准比较
IEC 76-5：1976
IEC 14/346/FDIS
＜3 150kVA
＜2 500kVA
3 150～40 000kVA
2 500～100 000kVA
＞40 000kVA
＞100 000kVA
制造厂和使用部门协商
0.25s±10%
　≤2%(同心式)
　≤4%(箔式和短路阻抗为3%以上)
　制造厂与使用部门协商
≤1%或1%～2%(双方协商)
电流幅值及偏差
　每相至少有一次100%最大非对称电流，其他两次不低于75%最大非对称电流
　每相至少有3次100%最大非对称电流
同IEC 76-5：1976
　对称电流≤±10%　非对称电流≤±5%
　采用三相时，共进行3次试验；采用单相电源时，共进行9次试验，每相进行3次试验，非对称短路电流一次100%，另两次不低于75%
　采用三相电源时，共进行9次试验，采用单相电源时共9次，每相进行3次，但非对称电流3次都是100%
同IEC 76-5：1976
制造厂和使用部门协商
最大、最小和额定
制造厂和使用部门协商
绝缘试验(复试)电压
原绝缘电压的85%
原绝缘电压的75%
原绝缘电压的100%
系统短路表观容量
与GB不尽相同
与GB不尽相同
非对称分量峰值系数2K
　X/R≥14时，2K=2.55　X/R＜14时查表
　X/R≥14时，2K=2.69(对于容量超过100MVA第Ⅲ类变压器)
注：IEC 14/346/FDIS为修订IEC76-5：1976委员会文件，请各国家委员会提意见，近期将颁布实施。
2.短路故障的接线方式
　　对双绕组变压器和不带第三绕组的自耦变压器，由于二次侧(低压侧)的短路能最严密地反映系统的短路故障状态，因此应优先考虑二次侧短路。短接时应采用低电阻的铜排或进行短接。对三绕组变压器(包括自耦变压器)，必须根据每台特定的变压器来决定短路的方式和施加短路的端子，每个绕组的最大故障电流可以根据故障的类型计算出来。因它是由不同的故障类型、故障位置和系统数据来决定的，在试验时应至少在一种试验中受到最大故障电流的作用。通常是通过几种不同的接线方式进行短路承受能力试验，从而保证所有绕组的短路承受能力都得到验证。　　短路试验可采用两种方式：　　(1)预先短路法：也称对预先短路的变压器施加电压的短路试验，即在变压器的二次侧预先短路或合上断路器，然后在一次侧进行励磁。这种方法要求离铁心柱最远的绕组接电源，目的是为了尽可能地避免铁心饱和以及在最初的几个周期内的磁化涌流叠加到短路电流上。　　(2)后短路法：也称对预先励磁变压器进行短接的短路试验，即变压器一次绕组施加励磁电压，二次绕组利用短路装置进行短路的方式。这种方式更接近实际运行状态。
3　短路试验电源
　　短路试验方式与试验室现有的电源有关。　　一般来说，三相电源可以进行三相变压器的三相短路和单相对地短路试验，试验接线见图1。单相电源可以模拟三相变压器的三相短路，也可以进行单相变压器的单相短路，试验接线见图2。对于Y联结绕组，是在一个线路端子与其余两个连在一起的线路端子之间施加电源或短路(通常称1.5相试验)。对于D联结绕组，是在两个线路端子之间施加电源或短路，而第三线路端子无任何接线。
图1　三相试验的典型接线图(a)Yd联结　(b)Yy联结　(c)Dy联结　(d)Dd联结　(e)自耦变压器Yy联结　(f)双分裂变压器Dy联结FD、HD分、合闸断路器
图2　单相电源模拟三相短路故障的典型接线图(a)Yy联结　(b)Yd联结　(c)Dy联结　(d)Dd联结
　　 这里解释一下单相电源模拟三相变压器的三相短路的情况。在国标中规定，对三相变压器的每一相应进行三次短路承受能力试验，其中非对称短路电流的第一峰值一次为100%，另两次不低于75%。当应用三相电源进行三相变压器短路试验时，通常是选择某一相电压过零时选相合闸开关合闸，以便获得最大的非对称短路电流第一峰值。此时该相对称短路电流的第一峰值最大(假设为100%)，而另两相的相电压合闸角一相是+30°，另一相是-30°。通过计算可知其短路电流第一峰值都大于75%，这是与标准规定一致的。而采用单相电源模拟三相变压器的三相短路时，通常短路试验接线是采用1.5相试验，通过选相合闸开关选择相电压过零合闸来得到非对称短路电流的第一峰值，另两次可以调整合闸角度来达到非对称短路电流的第一峰值不低于75%。而IEC标准要求三相变压器的每一相都应承受三次100%的非对称短路电流，只要是三次皆过零合闸就可以实现，因此用单相电源模拟三相变压器的三相短路是等效的。但实际上实现每次都是相电压过零合闸是不现实的。同步合闸装置是有一定分散性的，因此标准规定非对称短路电流第一峰值偏差为±5%。实践证明，在电压过零的±15°范围内合闸是完全可以满足标准要求的。
4　试验时控制短路电流的方法
　　调试短路电流可以采用串联电抗器和调整电源电压两种方式，应在降低短路电流的前提下进行试验。控制最大非对称短路电流，除控制选相合闸开关的合闸相角外，它还可以通过调整电源电压、电路中的总阻抗以及X/R比值来控制。通常有如下几种调整方法：　　(1)采用电源变压器的分接开关来控制电源电压。　　(2)利用发电机、母线、线路的布置及联结方式来产生可以利用的试验回路的短路容量。　　(3)利用电源电压的合闸相位角来控制故障的开始瞬间。　　(4)接入附加电抗，用来补偿电路中的总电抗、改变试验回路的X/R比值。　　(5)选择变压器故障分接接线方式或试验回路的中性点接线方式。
5　电压、电流测量
　　由于低压侧电压为零，故应记录被试变压器的高压侧的电压示波图，最好的测量方法是通过分压器与连接。短路电流作为短路试验的最主要数据需要在被试变压器的每一相上进行电流的示波图测量，应优先采用电流与示波器连接。当测量接地的二次侧短路电流时，也可采用分流器测量。对油箱对地的电流也应监测，通常采用与示波器连接方式测量，同时还应监测气体的信号。图3为以三相电源为例进行三相短路试验的试验回路接线图。
图3　三相电源进行三相变压器短路试验回路接线图PT——　CT——电流互感器　CRO——数字记录仪
6　短路故障的检测方式
6.1　电压、电流波(包括油箱对地电流和气体继电器信号)　　试验期间的电流或电压波形中发生任何一个突变都将显示出变压器内部有故障。但是有时匝间短路后其电流波形图仍检测不出有任何变化的迹象。因此不能单纯以电流波形未出现变化就认为产品短路试验合格。6.2　电抗　　采用精密电感分析仪测量，比较短路前后的电抗变化。电抗变化是非常灵敏地反映被试变压器的内部故障情况。若电抗发生变化(超标准规定时)，应分别在高压和低压侧进行此阻抗的测量，可以判断绕组可能出现的位移。如果在高、低压侧测出的电抗都增大，一般是表示这个心柱上的绕组产生了变形。6.3　吊心检查　　短路承受能力试验后，绕组、引线和支撑结构等应无明显位移、变形，器身表面应无放电痕迹。6.4　复试例行试验　　要求例行试验项目复试应全部合格。　　目前IEC和GB标准都要求用以上故障检测方式来判断被试变压器是否通过了短路承受能力试验。
7　判断故障的新辅助方法
　　除前面介绍的判断变压器短路试验合格的方法外，国际上又发明了两种新的判断短路故障的方法，这两种方法是通过对被试变压器不吊心检查而间接测量来判断绕组变形。由于时间比较短，技术上较难根据被测波形的变化情况来区别故障程度，因此目前仅限于积累经验和研究阶段。7.1　低压脉冲法　　低压脉冲法是检测变压器绕组有无位移的方法，是间接测量，就是比较短路试验前后所摄取的低电压脉冲电流示波图，应看不出明显的变化。其基本原理就是利用重复式脉冲电压发生器，将电压波施加在被试变压器的一个或多个端子上，并同时记录一个或多个端子上的电流响应波。由于导线的位移，匝间发生变化。从而会在端子上的电流波形中产生变化。目前认为差动电流法是判断绕组变形的较灵敏方法。接线见图4。此法的缺点是对示波图的变化做出解释时应有丰富的经验，并且很难从示波图上来量化短路故障的程度。
图4　差分法试验回路(a)Y联结　(b)D联结R分流器　U低压脉冲
7.2　频率响应法(时域响应法)　　也是间接测量绕组变形的方法，目前也属发展阶段。其原理就是将变压器看成是一个由电抗、电感、电容组成的线性无源二端口网络。按网络理论，其特性是由传递函数来描述，每台变压器的每一绕组的传递函数是应该与绕组一一对应的。当变压器绕组发生变形时，其对应的传递函数同原特性函数比较应有所不同。其试验接线见图5。
图5　频率响应法试验回路(a)高压回路　(b)低压回路
　　综上所述，变压器的短路试验技术是不断发展的，特别是短路故障的判断技术是不断发展的。虽然低压脉冲法和频率响应法暂时技术不太成熟，但经过一段时间的积累，我们相信一定会成为判断变压器短路故障的新辅助方法。一旦技术成熟，它们最终将会被标准采用。
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变压器短路后必 要检查与增强抗短路能力的措施
添加：不详
　　对整个线圈而言，如目前采用的同心线圈，在正常情况下，高、中、低线圈的高度不等或装配时的高度不等，可能受到相互排斥的轴向力，如所示为股的根数所占百分比越小，差值电阻越小虚焊或断股的原因越不容易发现，由于表计的误差，或人为所形成的误差会造成误判，这一点要引起注意。　　从2003年检测到的色谱数据与2002年相比Qli；总烃略有上升，但都没有超过注意值，只有QH2超出了注意值，通过三比值和特征气体法分析1测试数据主变进行预防性试验，发现该变压器低压线圈10kV侧的直流电阻不平衡，数据见表1所示。　　表10kV侧的直流电阻不平衡率时间不平衡率表2色谱两年的测试数据时间总烃对试验数据的初步分析对变压器10kV侧直流电阻的不平衡率为8.03%，10kV线圈为18根并绕，从表3中可以看出当直流电阻不平衡率大于5%，可初步认定线圈断股或虚接，其理由可由表3的分析得出。　　表3有一根导线出现断线或虚焊时的直流电阻不平衡率并绕根数故障相电阻平均相电阻直流相电阻不平衡率当线圈并绕根数大于32根而少于64根时，线圈并绕根数很多，焊接的截面积越大，相对虚焊或断认为，变压器内有低能量的放电，可能是绕组间的，这个判断在后期的吊罩检中得到证实。本次溶解气体的含量及变化为早期诊断变压器的故障，防止重大事故的发生提供了重要的依据和有效的诊断方法。　　2造成直流电阻不平衡和色谱增大原因该变压器2000年底投人运行，历年的预防性试验和色谱试验均未发现异常，经了解该变压器2003年5月前曾经发生过三次10kV出线近区短路故障。　　变压器次级发生短路时，各级线圈绕组要产生比额定电流大10-20倍甚至更大的电流。流过线圈的电流在漏磁场的作用下，将产生很大的机械应力，在绕组中间部分的磁力线与心柱轴绕组相平行，而在绕组端部的磁力线发生弯曲，产生轴向分量和辐向分量尺如所示。绕组中的电流与漏磁场相互作用的结果，在绕组内产生电动力。轴向漏磁场产生辐向力，而辑向漏磁场产生轴向力。　　线圈间电动力示意图。这些力均需与绝缘结构中如垫块，撑条加以支撑。需要指出的是当变压器的轴向产生的辐向力若大于线圈导线的抗张力，则线圈中支撑和轴向压紧结构在承受辐向力的机械强度上存在不足，应在结构上予以加强，提篼变压器线圈的动稳定性。　　3变压器解体情况变压器解体前将线圈10kV侧A形接线断开（出厂时已焊死），再一次测试直流电阻，其结果如下A B Q，不平衡率初步判断10kV线圈18根并绕导线中有3根导线断股。　　整个线圈出现位移，C相线圈向B相线圈位移3厘米；低压线圈10kVC相中间部位导线的换位处，匝间的绝缘纸有破损且有放电在其周围有大量的铜屑如所示。　　剥去支撑条发现有3根导线在换位处已熔断；变压器吊罩后10kV线圈匝间绝缘破损及放电情况4原因分析从吊罩检情况可以看出，该变压器的辐向支撑和轴向压紧结构，在承受辐向力和轴向力的机械强度方面存在严重不足，是造成线圈发生位移和轴向下沉及垫块脱落的主要原因，按国家电力公司颁布的二十五项反措中所提出的校合变压器辐向力的计算公式计算结果如下。　　整个内绕组的辐向力：内绕组每一线饼的辐向受力强度Fc= =55.485N/mm低压绕组每一线饼的临界失稳强度Fb=EI（Z -l）//3=52.74N/mm其中/―）短路电流最大峰值；V―绕组匝数；内绕组的平均半径；圮一绕组的几何高度；￡一铜导线的弹性模量；Z，若每一绕组临界失稳强度为每一线饼辐向受力的1.8~2.0，则变压器满足安全运行要求，并且有较强耐受辐向电动力的能力，否则该变压器不能满足安全运行要求。经比较有/=0.944&1.8~2.0.可见，该变压器在设计时，外部抗短路的能力就存在不足。　　调度提供的系统短路容量为160MVA，如果按10kV母线三相短路最严重的情况考虑，计算出的短路电流为8810A，远低于变压器承受短路电流冲击值500MVA（约27kA）设计值。低压线圈出现的位移、变形是说明该变压器承受短路能力差的最好证实。变压器反复遭受电磁力的严重冲击时，导线会因挤压造成断裂并在导线的陡棱处将慢慢地切断绝缘而导致相邻线匝的放电，形成匝间短路……从设计和制造工艺上应当指出的是，目前我国变压器行业的多数厂家，动稳定一直影响可靠性，也是运行中发生较多的问题。采用的计算方法仍是安匝平衡方向，这种计算方法与暂态过电流的过程，应以动态分析计算方法所取代。虽然变压器均装有较好的保护装置，在运行中特别是在变压器出口处短路的机会很少，但变压器在机械强度方面的设计应按最严重的情况考虑，以保证电网的运行可靠。　　5增强变压器抗短路能力的措施5.1从设计制造提高变压器抗短路能力从近几年变压器事故的统计上看，变压器低压绕组辐向变形占较大比例，从工艺上适当增加支撑条数并选用质量好的硬纸筒，增强抵御冲击时的辐向力。尽量在铁心间阶梯间隙用高性能的绝缘心棒填塞支撑，适当增加上下夹件的压钉，以提篼轴向动稳定性能，使轴向受力均匀，从而提篼抗短路的能力。在其他方面还可以采用半硬铜线来提高绕组自身抗短路能力。　　5.2优先购置通过短路试验后的变压器变压器承受短路的动稳定能力由变压器短路试验考核，目前由于对变压器进行短路试验的困难较大，使运行单位不能较全面了解掌握变压器的抗短路能力，因此有必要优先订购通过短路试验的变压器，以保证电网的安全。　　5.3从运行上改变变压器运行工况首先在保证继电保护动作正确性和选择性前提下尽量缩短保护的整定时间。其次是防止母线及近区短路事故发生。同时要注意清扫、增爬和施涂RTV涂料等措施，减少污闪事故的发生，避免短路电流对变压器的冲击。最后凡全电缆的出线开关应退出重合闸。　　6变压器遭受近区短路后的检查6.1油中溶解气体的色谱分析油中溶解气体分析方法是充油电气设备内部故障早期诊断的有效方法，这种方法不仅被IEEE所认可，而且被实践所证实。油中溶解气体的分析是非常有效的故障诊断方法之一，同时定期做好变压器的色谱检测。　　6.2三相绕组直流电阻的测量变压器遭受近区短路后要对三相绕组直流电阻进行测量，并检直流电阻的不平衡率以及直流电阻的变化情况，能有效地发现变压器绕组的受损情况。　　6.3变压器绕组电容量的测量绕组的电容量由绕组的匝间、层间、饼间和绕组的对地电容共同构成，该电容与绕组、铁心及对地的几何尺寸有关，在变压器未遭到短路冲击时这些几何尺寸基本不会发生位移变化。当遭受短路冲击后就导致绕组对铁心的间距变小，电容量增大，因此通过变压器绕组电容量的变化可以间接反映变压器的线圈变形程度。　　6.4变压器绕组的变形测试目前对绕组经近区短路后要进行绕组的变形试验，目前国内大都采用频谱法来检测变压器绕组的变形，通过近十年的努力已经积累了大量的经验，发现了许多绕组的变形隐患，但目前国内还没有一个完整统一的图谱及判定标准，这就给正确判断带来了一定的困难。如果与其它检测结果特别是绕组电容量的测量结果相配合变压器绕组变形测试，就会使分析和判断绕组的变形增加可靠性。　　6.5试验结果的综合分析判断通过对变压器试验结果的分析判断后，当怀疑变压器有问题时应立即对变压器进行吊心检，变压器吊罩后，如果检出变压器内部有熔化的铜渣或高密度电缆纸的碎片，则可以判断绕组发生了较大程度的变形或者断股。另外从绕组垫块的脱落、压板变位、压钉位移等也可以判断绕组的受损程度。　　6.6做好出线重合闸动作的记录中低压出线，特别是低压出线，当线路发生短路时，易道到短路冲击，当变压器承受短路能力的机械强度存在弱点时就会给变压器造成隐蔽的缺陷，假如检测不及时就可能引起事故的发生，因此记录变压器遭受短路电流的冲击次数，不要单纯等待检修和年度预防性试验，要及时安排必要的检测，对早期发现隐患是非常必要和有效的。　　7总结通过对一台变压器直流电阻的测试发现了变压器的早期故障，并对变压器进行了动稳定的校核，发现了该变压器抗短路能力不足，关键在于设计、选材和提高制造工艺来保证变压器抗短路的能力。同时对变压器增强抗短路能力提出制造、运行方面的措施。变压器遭受短路冲击后应该重点对变压器的油色谱、绕组的直流电阻、电容量、绕组的变形等试验项目进行综合分析判断，必要时进行吊罩检，并根据铁心及夹件位移与松动情况，确定变压器的处理方案和采取必要的预防措施。
作者：未知 点击：156次
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