大型变压器绕组短路损坏故障原因分析与防范

大型变压器绕组短路损坏故障原因分析与防范

一. 引起绕组短路损坏故障发生的原因分析

（1）短路事故中变压器损坏的主要原因是变压器本身的抗短路能力不足，尤其是变压器承受短路动稳定能力不足。随着电网不断扩大，系统容量和短路电流不断变化，当变压器发生外部短路时，电流值超过临界值也就是变压器绕组实际所能承受的最大短路电流值时，绕组发生变形造成变压器损坏的概率就会明显增大。这主要表现在变压器的制造工艺和质量上，这与目前国内变压器厂家的工艺水平和管理水平、特别是中小制造厂工艺及管理水平有关，目前中小变压器厂接受技术转让的过程快，消化时间短，电压等级上得快，试制产品未经过短路试验等情况是这些厂家的变压器难以保证变压器抗短路冲击的客观原因。这就需要变压器厂家从设计、工艺等方面采取有效措施，提高电力变压器的抗短路能力。

（2）变压器生产厂家在设计过程中对绕组抗短路能力重视不足。在历年的国家电网公司变压器类设备专业总结报告中均指出，变压器抗短路能力不足是造成变压器损坏事故的主要原因。据分析，20世纪国内厂家生产的变压器，大部分抗短路能力设计不足，而且给出的抗短路能力多是计算值，这也是投运11～15年的变压器易发生线圈短路损坏故障的重要原因。

（3）变压器正常运行时负载率较高，当变压器承受外部短路冲击时，形成的电动力与理论计算值存在偏差，同时运行中的部分变压器由于制造质量和维护不到位等原因，耐受动、热稳定的能力下降，当受到外部短路冲击时，变压器线圈失稳发生变形等缺陷甚至导致绝缘损坏、内部放电等事故。

（4）运行维护过程中，预防措施系统性差，硬件措施和管理手段不匹配，存在“短板效应”，导致变压器发生外部短路冲击损坏事故的概率较高，短路冲击电流较大、时间长。例如变电站内设备存在绝缘防护水平低、线路防护不到位、保护动作时间长等问题。

（5）累积效应导致线圈损坏。电力变压器发生出口短路时，在电动力和机

械力的作用下，绕组的尺寸或形状发生不可逆的变化，产生绕组变形。绕组变形包括轴向和径向尺寸的变化，器身位移，绕组扭曲、鼓包和匝间短路等，这是电力系统安全运行的一大隐患。变压器绕组变形后，有的会立即发生损坏事故，更多的则是仍能继续运行一段时间。当运行中的变压器一旦产生绕组变形，会降低变压器绕组整体的机械强度，进而导致短路的累积效应，出现恶性循环，如不及时发现，则变压器发生损坏。累积效应一直是变压器损坏的重要原因，根据近些年国家电网公司故障发生案例的统计，累积效应损坏占线圈短路损坏故障总数的10.81%。由于变压器在长期运行过程中，可能遭受到不同程度的短路冲击，操作、雷电等过电压冲击，可能引起绝缘局部受损。线圈累积变形、局部受损缺乏有效的检测手段，再加上历史短路冲击情况、过电压情况等方面的历史数据有限，难以采取有效的针对性措施。

（6）非自粘性换位导线对于降低负载损耗具有良好的效果，因为用这样的线绕制成线圈时，每一股导线所经受的电磁环境是最均匀的，可以达到最佳的效果。降低负载损耗的作用主要归结于子导线尺寸，子导线根数越多，截面积越小，降低损耗的效果就越好。但是，这与短路时的动稳定性是相矛盾的。导线截面的减小使绕组的机械强度下降了，甚至于承受不了外部的短路。由于该类导线多采用退火的软铜线，机械性能很差，由此导致了采用这种导线的变压器抗短路能力很差，在承受短路机械力时容易出现变形、散股、露铜等现象。原国家电力公司在2002年12月曾经下发了《预防110kV～500kV变压器（电抗器）事故措施》，其中明确提出“宜采用半硬铜、自粘性换位导线以及用硬绝缘筒绕制线圈等措施提高变压器抗短路能力。对于制造厂在变压器内采用高机械强度的环氧等材料，应以不增大绕组绝缘的介损值和局部放电量为前提，防止因提高抗短路强度而降低绝缘性能。加密线圈的内外撑条也应以不影响变压器散热性能为前提条件。”由此可知，变压器采用非自粘性换位导线存在抗短路能力不足的隐患。

（7）在制造或检修时，局部绝缘受到损害，遗留下缺陷；在运行中因散热不良或长期过载，绕组内有杂物落入，使温度过高绝缘老化；制造工艺不良，压制不紧，机械强度不能经受短路冲击，使绕组变形绝缘损坏；绕组受潮，绝缘膨胀堵塞油道，引起局部过热；绝缘油内混入水分而劣化，或与空气接触面积过大，

使油的酸价过高绝缘水平下降或油面太低，部分绕组露在空气中未能及时处理。由于以上这些原因，在运行中一经发生绝缘击穿，就会造成绕组的短路或接地故障。匝间短路时的故障现象使变压器过热油温增高，电源侧电流略有增大，各相直流电阻不平衡，有时油中有吱吱声和咕嘟咕嘟的冒泡声。轻微的匝间短路可以引起瓦斯保护动作；严重时差动保护或电源侧的过流保护也会动作。发现匝间短路应及时处理，因为绕组匝间短路常常会引起更为严重的单相接地或相间短路等故障。

二. 防范措施

（1）在变压器设计阶段，运行单位应取得所订购变压器的抗短路能力计算报告及抗短路能力计算所需详细参数，并自行进行校核工作。220kV及以上电压等级的变压器都应进行抗震计算。

（2）在实际运行中发生短路后，不论电流是否达到变压器可以耐受的短路电流的60%，都应立即进行油色谱分析，并根据色谱数据决定是否要立即停电进行绕组变形试验，判断绕组的变形情况。结合每次停电检修，采用绕组电容量、低电压阻抗和频响法进行绕组变形试验，判断绕组的变形情况。

（3）应开展变压器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加装中性点小电抗、限流电抗器等措施，对不满足要求的变压器进行改造或更换。

（4）为提高变压器低压绕组抗短路能力，在变压器技术合同中应明确写明对低压绕组的要求，应采用半硬铜自粘性换位导线。在绕组“S”弯换位处加换位纸板与纸槽、包绝缘纸加强绝缘，并在所有与换位处相邻的线饼之间应增加扇形垫块；合理提高导线厚度；适当降低电流密度；低压内侧加硬纸筒，硬纸筒与铁芯间加木撑条，使内绕组形成硬支撑；低压绕组不宜采用螺旋式结构；采用整体压板和整体套装、恒压干燥等工艺，对垫块进行密化处理，调整绕组安匝平衡，提高轴向稳定性。

（5）改善变压器外部运行环境的主要措施是：在变压器的低压侧各主母线和分支母线、裸露导线加装绝缘热缩套；电缆出线故障多为永久性的，因此不宜采用重合闸，对于电缆或短架空出线多，且发生短路事故次数多的（2次以上）变电站，可考虑临时停用线路自动重合闸，防止变压器连续遭受短路冲击；容性电流超过10A的10kV或超过30A的35kV不接地系统，应装设有自动跟踪补偿功能的消弧线圈，防止单相接地发展成相间短路。加强防污工作，防止相关变电设备外绝缘污闪，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，对变压器中、低压侧的支柱瓷瓶，包括高压开关柜可更换爬距较大的防污瓷瓶，或者涂刷常温固化硅胶防污闪涂料（RTV），防止绝缘击穿造成的变压器出口短路；变压器各侧在任何方式下都不应该失去避雷器的保护。

（6）加强变压器的全过程管理，特别要加强变压器的监造工作，从源头上控制变压器的质量。变压器在制造阶段的质量抽检工作，应进行电磁线抽检；根据供应商生产批量情况，应抽样进行突发短路试验验证。

（7）应开展变压器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加装中性点小电抗、限流电抗器等措施，对不满足要求的变压器进行改造或更换。

（8）加强避雷线运行维护工作，定期打开部分线夹检查，保证避雷线与杆塔接地点可靠连接。对于具有绝缘架空地线的线路，要加强放电间隙的检查与维护，确保动作可靠。

（9）加强变压器选型、定货、验收及投运的全过程管理。应选择具有良好运行业绩和成熟制造经验生产厂家的产品。240MVA及以下容量变压器应选用通过突发短路试验验证的产品；500kV变压器和240MVA以上容量变压器，制造厂应提供同类产品突发短路试验报告或抗短路能力计算报告，计算报告应有相关理论和模型试验的技术支持。