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防止短路电流对电力变压器造成损坏的措施分析

2021-03-28 来源:钮旅网
第41卷第5期2019年10月

黑龙江电力

Heilongjiang Electric Power

Vol.41 No. 5Oct. 2019

D01:10.13625/j. cnki. hljep.2019.05.001

防止短路电流对电力变压器造成损坏的措施分析

李德海

1

刘生

2,

尚方

2,韩

2

(1.国网黑龙江省电力有限公司,哈尔滨150030; 2.国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院,哈尔滨150030)

摘要:变压器起着电能传输、分配及转换作用,是电网中的关键性设备。变压器的安全可靠运行是电力系统供电可靠性的 重要保障。在电力系统中,经常会发生短路故障并产生短路电流冲击变压器的情况,短路电流引发的巨大应力可能造成变压 器绕组变形甚至损坏。文章介绍了电力系统短路电流的产生原因,分析了短路电流对变压器造成损害的机理,并分析列举了 现有标准、规程对变压器抗短路电流能力的技术要求。提出了两种方法用以提高变压器抗短路电流的能力、保障电网变压器 的安全运行,一是采取措施防止和减少变压器出口短路故障的发生,二是对变压器低压侧短路继电保护跳闸时间进行合理

关键词:电力变压器;短路电流;抗短路电流能力;跳闸时间

中图分类号:TM418 文献标志码:A

文章编号:2095 -6843(2019)05 -0377 -05

Measures to prevent damage of power transformer caused by short-circuit current

(1. State Grid Heilongjiang Electric Power Co. , Ltd. , Harbin 150090,

2. State Grid Heilongjiang Electric Power Co. , Ltd. Electric Power Research Institute ,Harbin 150030, China)

Abstract:Power transformer plays the role of power transmission, distribution and conversion, and is the keyequipment in power grid. Its safe and reliable operation is an important guarantee for power supply reliability ofpower system. In power system, short-circuit fault often occurs and short-circuit current impacts transformer. Theenormous stress caused by

short-circuit

and

current may cause the

technical

transformer requirements

winding deformation of

paper , the causes of short-circuit current in power system is introduced , the mechanism of short-circuit currentdamage to transformer is analyzed ,

short-circuit current for transformer are listed. Two methods are proposed to improve the ability of transformer to resist short-circuit current and ensure the safe operation of transformer in power grid. One is to take measures to prevent and reduce

the

occurrence

of

short-circuit faults

at

transformer

the trip time of short-circuit relay protection at transformer low-voltage side.

Key words:power transformer; short-circuit current; anti-short-circuit current ability; trip time

LI Dehai1 , LIU Sheng2 ,SHANG Fang2, HAN Bing2

existing standa

outlet

〇引言

变压器是电网中的重要电气设备,起着电能传 输、分配及转换的作用。变压器的安全可靠运行关 系到电力系统的供电可靠性[1]。在电力系统发生 短路故障时,产生的短路电流使变压器绕组内部产 生巨大应力,可能造成变压器绕组变形甚至损坏。

收稿日期:

根据变压器运行中的事故统计,因短路故障引起的 变压器损坏占据了事故原因的相当大部分,这在中

国电科院对中国110 kV变压器运行事故长达5年 的统计中做了具体分析,详见表1[2]。对变压器损 坏事故原因分类中,在制造方面的抗短路强度不 够、在运行方面的绝缘老化、在其他方面的内部过 电压等共计造成24台次事故,占比达到损坏总台 次的45. 2%,占比达到损坏年容量事故率的 54.3%。

019 -06 -05。

基金项目:国家电网公司科技项目:精密光学测量在输电线路自动

监测中的应用研究(项目编号:522400180002)。

作者简介:李德海(1968—),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为

电力系统自动化、电气工程、输电线路智能巡检。

• 378 •

黑龙江电力

第41卷

1变压器损坏事故原因分类情况表

Table 1 Classification of transformer damage accidents

类别

事故原因抗短路强度不够

结构设计不合理、制造工艺及材质控制不严

制造方面

分接开关质量不良

套管质量差绝缘老化进水受潮

运行方面

误操作安装不当雷电过电压

电压

损坏

r办年

量 /MVA

年量

21

132521215153

39.624.53.89.43.81.93.81.99.41.9100. 0

1 901.01 043.0100.0240.0360.031.5151.5150.0213.031.54221.5

45.024.72.45.78.50.83.63.55.00.8100.0

总计

变压器的 括变压器的

路能力的强弱涉及多个因素,包、选用

、制造工

水平,也包

期分量初始值;/为初始短路电流周期分量的有效

值。

括装配、运输、试验等环节,还和运行维护水平有 关[3_4]。为保障电力系统的安全可靠运行,国家能 源局、国家电网公司发布的反 应 关 器 损坏

变压器 路电

路的

、规程对保证变压器

中明确强调。国家和行业的 量、提高变压

变压器

的性能以及运行中

1

电力变压器的抗短路性能

电力系统

路故障时会

很多,可

路电流,短变压器额的电气

1.2

短路电流对变压器的作用变压器负荷 的短路电流,会

路时,变压器的绕组流过电磁力

起发热。在外层

1.1短路电流特性路电 设备会

正常运行电

电流的几倍甚至十几倍。短路电

电磁应力和热应力。电力系统 电

路时,从发电机、变压器、线路

的初始阶段有衰的

电流,即短路

的高压绕组会受到向外的径向电磁力作用(外胀 力),在里层的低压绕组会受到向内的径向电磁力 作用(压缩力);高压绕组 压绕组都会受到轴向

的压缩电磁力作用,如图2所示。在电磁力和热的 作用下,可能 、自 坏、导线 重时可

损坏

变压器线圈松动、导线

、引线

、绕组变形、

而、

放点开

损,严

路点的电路都是呈感性的。在感性电路里 能突变,所 路电 的直流分量/dJ

,该衰减的直流分量叠加

称短路电流初始值中,形

电流峰值/p。/p在电压过零点短路的 下 [

最大值,其值与频率/、电 阻的比值X/K有关,还与交流分量的衰 会

值/K,不仅会

关。大的短路电流峰值&,

较长的短路电流稳态

的电磁力;持续

电起弧的现象。由于一般 下变压器的调压线

称的,其短路

电磁力,还会使导线发热。短路圈位于高压绕组上,空间布置是

电流示意图如图1所示。

图中:/p为短路电流峰值;;K为短路电流稳态 值;为短路电流的非周期(直流)分量;为非周

调压线圈的受力 ,也 损坏。

13对电力变压器抗短路性能的要求

在国家

GB1094. 5—2〇08《电力变压器第5

第5期李德海,等:防止短路电流对电力变压器造成损坏的措施分析• 379 •

分:承受短路的能力》中 能在

下承受外

,变压器及其组件应路的热和动稳定效

丨短

路包括 障。

还 ,试验时由于受试验电源容量的 和

应而无损伤[5],要求设备在承受短路电 的动稳定性和热稳定性。外 路、

路、

电力系统的安全,在进行短路试验时,短路持

续 为:1类变压器0.5 s; 0.25 s。为保证变压器质量的可靠,对于I I类变压器,总试验 为9次,卩 行3次试验。这9次试验在 、主分

的分 最小分

行(即最大分)。

要求变压器应能承受短路电

图2

短路时变压器绕组受力示意图

Fig. 2 Schematic diagram of transformer winding

force in short circuit

2012年3月国家电网公司发布的《十八项电网 重大反 (I

)》和2014年4月国家能

源局发布的《防止电力 的二十五项重点要》中都明确

,加强变压器选型、定货、验收及

运的全过程管理[6_7]应选

运行业绩

经验生产厂家的

。要求240 MVA

及以下容量变压器应选用 突发短路试验验证

的产品;500 kV变压器和240 MVA 量变压器, 应提供 突 路试验路能力 ,同时文献[6]、[7]还告的相关 试验 要求。

在JB/T 83 —2008《分

关试验导则》中的“5. 1.6短路电流试验”规定[]:短路电流试验用以 分

路电 的电动力和热效应

的承受能力,试验

可作为

压力

电阻 值的验证 ,分 关所 续 t

的 应能承受 持续 为2 s( ± 10% )的短路电

、变形,相关绝缘

热引起的变

象。

电力变压器在设

、制

试验 个环节

要求,确保变压器具备

路性能,以保证其安全运行。

在国家 GB1094. 5—2008《电力变压器第5

分:承受短路的能力》中 ,计算变压器短路耐

热能力的电流的持续

为2 s。还 个组的变压器,

变压器的额

量分为

三个 :1 量为 25 kVA 〜2.5 MVA; II量为2. 5〜100 MVA; H类容量为100 MVA以上[]。

的热作用和电动力作用。既能承受 路电值并持续2 s(热稳定),又能承受短路电流的起 始峰值电动力作用(动稳定)。应使用

关使

组上电压过零

,保证可以得到短路

电流的起始峰值。

变压器装有分

关时,分

关应能承受与绕组 的短路电流。

关换短路电流的能力。

1.4

影响变压器抗短路能力的因素要保证电力变压器承受外

路的热稳定效

应和动稳定效应而无损伤,除了在设 、原材、制造工 方

要求外,要求变压器

能 突

路试验是变压器承受外

路的热

效应和动效应的关键。而在设计阶段就从

路试验 变压器所有的 路能力 变化

全方 化变压器的设

,是

变压

路能力的最

方案。

2

电力变压器在运行中防止短路电 流造成损坏的蒽见

保证变压器抗击短路电流的有效措施有两点:

路是最高效的选择;

路电流、缩

路电流的持续

是有效的手段。为说明这

两点有效 ,详细分如下。

2.1防止和减少变压器出口短路的措施

国家电网公司制定的《十八项电网重大反 ( )》中的“9. 1| 变压器 路事故”规定,为防止出口及近区短路,在500 kV、 330 kV变压器的35 kV侧套管至母线的引线和 220 kV及以下主变压器的6〜35 kV中低压 线、外母线及接线 应 化;变电 2 km

的10 kV的线路应 用 导线。

, 变压器 压

路时,低压

的短路电流最大,低压侧三相

路电流为

/K1 =/N/( +幻

式中:/N为低压侧额定电流;k为变压器短路阻抗;

■ 380 ■黑龙江电力第41卷

^为系统阻抗。

对于一台额定电压为66 kV/10.5 kV、额定电 流为275.6 A/1 653 A、额定容量为31.5 MVA的变 压器,短路阻抗为A = 13.64%,则低压侧三相出口 短路电流(忽略66 kV侧系统阻抗,即系统阻抗 4=0)为/K1 = I„/(Zk +ZJ = 1 653 A0.136 4 = 12.119 kA

如果考虑系统阻抗的影响,根据GB1094. 5— 208《电力变压器第5部分:承受短路的能力》中规 ZL* =ZL//ZJ =0.4 n,/! 10 a =0.364

则根据计算,该变电所10 kV配电线路1 km处 的

路电 为

0.433 + 0.364 ) = 6.463 kA

发生在变电所外时,短路电流会下降很多。2.2

关于变压器低压侧短路继电保护跳闸时间整 定的讨论

IK1 =I0/(Z: + ZT + ZL )= 5. 50 kA/(0. 054 +

(2)

通过比较式(1)和式(2 )的计算结果,可见短路

定的66 kV变压器的系统短路视在容量为5 000 MVA, 相当于变压器66 kV侧三相短路电流为

Im =S/(槡U) =5 000 MVA(槡Tx6 kV) =43.739 kA

式中:为视在容量;f/为66 kV侧电压。

66 kV侧基准电流为

1>66 = ( U/槡)/( U/S) = (66 kV^槡T)/(66 kV x

66 kV/100 MVA) =0.875 kA 式中:S^为基准容量。

可计算出系统阻抗标幺值为

Zs * = /]66//K2 =0. 875 kA/43.739 kA =0.02 10kV 基 电 为

I>10 =I)66 x66 kV^10. 5 kV =0. 875 kA x

66 kV/10.5 kV =5.50 kA

而额定容量SN =31.5 MVA、短路阻抗Zk =13.6% 的变压器阻抗的标幺值为

7* -

Z_7

Un/Sn 0.136 4 x 100 MVA _ 0 43

T

_Zk ■ UN/S厂 31.5 MVA _ U.4JJ

式中:Un为额定电压;Z为基准阻抗。

可见短路试验时系统阻抗很小,比变压器短路 阻抗小很多,因此在粗略计算时可以忽略系统

阻。

而考虑实际运行情况,由于66 kV变电所距上 一级变电所相对较远,系统阻抗不能忽略,因此变 压器低压侧短路电流将减小一些。为具体说明这 个情况,下面以某变电所为例进行推算,66 kV母线 短路电流I为16. 224 kA,可算出系统阻抗标幺 值为

Zs * =/j66//ia =0. 875 kA/16.264 kA =0. 054

则变压器10 kV出口短路电流为

IK1 =I10/(Z: + Z* ) = 5. 50 kA /(0.054 +

0.433) = 11.294 kA

如果忽略系统阻抗,则有IK1 = Iil0/(Z* + ZT*) = 5. 50 kA /(0 + 0. 433 )=

12.702 kA

(1)

根据现场经验,1 km架空线路的阻抗值大约为

Zl =0.4 n,基准阻抗^ =1.10 n,其标幺阻抗为

变压器在运行中发生低压侧出口短路的几率 很小,即大部分短路故障发生在低压配出线路或用 户处,短路电流都小于出口短路电流。此外,低压 侧的短路不一定都是三相短路,根据理论推导,两

相短路电流为三相短路电流的0. 866倍。短路电流 对变压器的电磁力和发热都与电流值的平方成正 比,当电流减小时,作用在变压器上的电磁力和热 能会按电流值的平方下降。但是短路电流对变压 器的作用有积累效应,即使短路电流不大,变压器 若经多次短路电流作用也可能造成绕组变形或绝 缘损伤。譬如,可引起绕组绝缘垫块松动、绝缘垫 块移位、绝缘损伤、绕组扭曲变形、绕组导线焊点开 焊或断股、绕组匝间短路、甚至主绝缘放电等。短路电流对变压器的热效应与持续时间有关; 而根据安培力的公式(F =IiSina其中F为短路 电流产生的电动力、I为短路电流、B为导线产生的 磁场强度、为/的短路电流方向与B的磁场方向的 夹角)可知,短路电流对变压器的电动力效应与电 流持续时间关系不明显,短路电流发生时开始出现 冲击电流(当短路发生在电流峰值时,在短路电流 发生时刻后的第一个工频半波,即0.01 S时出现最 大的冲击电流),电动力瞬间就可以造成变压器损 坏。冲击电流与系统参数(X/R)和短路电流发生 瞬间的相角有关。所以,在完全理想的情况下,假 设继电保护动作时间整定为0 S;但由于存在继电保 护装置动作时长和开关的动作时长(0 kV真空断 路器的固有分闸动作时长为20〜30 mS,还需考虑灭 弧的时间,短路电流切断时长将超过30 mS),只要 发生短路就会在变压器绕组上出现大的冲击电流, 即会产生大的电动力。短路电流持续时间的长短 主要影响变压器绕组的发热,对变压器的电动力作 用的影响 较 。

冲击电流最大峰值I出现在短路后的第一个 工频半波(参见图1):

I =槡V,

式中:I为短路电流峰值;'为峰值系数(与短路点

第5期李德海,等:防止短路电流对电力变压器造成损坏的措施分析■ 381 ■

的X/R值有关,对于远离发电厂的地点,取1. 8) ;/K\" 为初始短路电流周期分量的有效值。

即有

Ip = J2KpIk\" = 2. 551/求有措施。对变压器的保护动作时间的判据要求、 低压母线及其所联接设备的维护管理也提出了建 议方案,如母线采用绝缘护套包封等。在加强管理 上提出了很多明确的要求,如防止小动物进入、加 强防雷、防止误操作、加强开关柜管理、防止配电室 火灾蔓延等。对短路故障、配电室火灾等严重情况 发生时,断路器如何工作、火灾如何不蔓延等提出 明确要求。该行标也提出了在一定范围内采用绝 缘导线、开展早期抗短路能力的校核、甚至直接进 因此,继电保护应尽快切除短路故障,减小短 路电流对变压器的伤害。电力系统内各级继电保

护动作时间整定应有配合,其整定原则是保证电力 系统的安全和电力设备的安全。以10 kV配电线路 发生短路故障为例,首先应断开该配电线路的开 关,如果配电线路开关拒动或保护拒动,稍后断开 变压器低压出口开关,以保证变压器和电力系统的 安全。

变压器允许通过短路电流的时间与短路电流 的大小有关,考虑到变压器出口短路的机率虽然小 但却存在的情况,变压器允许通过短路电流的时间 应按出口三相短路电流来确定。在国家标准 GB1094.5— 208《电力变压器第5部分:承受短路 的能力》中规定,在设计时,计算变压器短路耐热能 力的电流的持续时间为2 s[5]。也就是说,变压器 发生出口短路故障时,只要短路电流在小于2 s的 时间内切除,正常的变压器应能承受。在DL/T 572—2010《电力变压器运行规程》中的3. 2. 9条规 定,变压器保护动作的时间应小于承受短路耐热能 力的持续时间[9]。在CECS 115:000《干式电力变 压器选用、验收、运行及维护规程》中第5条规定, 变压器保护动作的时间小于承受短路耐热能力的 持续时间[10]。国家电网公司《物资采购标准交流 变压器卷(2009年版)专用技术规范》中,220 kV/ 180 MVA三相三绕组电力变压器专用技术规范(高 -中阻抗14%、高-低阻抗23%,中压69 kV)规定 可承受的2 s出口对称短路电流值(kA)(忽略系统 阻抗)由投标人提供,短路2 s后绕组平均温度计算 值<20 °C ;66 kV/31.5 MVA三相双绕组电力变压 器专用技术规范(高-低阻抗11% )规定可承受的2 S 出口对称短路电流值(A)(忽略系统阻抗)由投标人 提供,短路2 s后绕组平均温度计算值<250 °C[11]。此, 变压器

路 , 电保

时间,可以是0.2 s或更长时间。考虑到短路电流对 于变压器伤害的积累效应和老旧变压器抗短路电流 能力的降低,应尽量减小短路电流的持续时间,尽快 切除短路故障,保证变压器的安全运行。

按照DL/T 572—2010《电力变压器运行规程》 的要求,对所在系统的实际短路表观容量大于GB 1094.5—2008中的规定值时,变压器的订货就有明 确的要求;同时对运行中变压器限制短路电流也要

行改造等依据设备与当地的实际工作及经济条件 情况来采取建议性措施的方案。

3

结语

通过分析造成变压器短路电流事故的危害及

原因,分析影响变压器抗短路电流的因素,提出两 项提高变压器抗短路电流能力的措施。

1)

如果条件允许,应采取措施避免变压器出

短路或降低事件发生频率。一个比较有效且经济

性良好的方案是,500 kV(330 kV)变压器的35 kV 侧套管至母线的引线、220 kV及以下主变压器的中 低压侧引线、户外母线及接线端子应绝缘化;变电 站出口 2 km内的10 kV线路应考虑采用绝缘导线。

2)

对变压器低压侧短路继电保护跳闸时间

行合理整定。当变压器出口发生短路时,缩短继电 保护整定跳闸时间,尽快切除短路故障,从而减轻 短路电流对于变压器的危害。此外,为防止短时间 内连续发生多次短路对变压器的伤害,对老旧变压 器的10 kV配电线路可考虑停用自动重合闸。

应从日常和专项运行维护出发,采取多重管控 措施,有效避免变压器设备发生短路故障(特别是 近区故障),缩短短路持续时长,从而保证变压器及 电网系统的安全稳定运行。

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(编辑李世杰)

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(编辑岳春风)

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