一起110 kV變壓器短路承受能力試驗(yàn)不合格的分析及整改措施研究

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

2018年以來(lái)，國(guó)網(wǎng)四川省電力公司加大對(duì)110 kV變壓器的抽檢力度，重點(diǎn)抽檢項(xiàng)目為主變壓器“短路承受能力試驗(yàn)”。該試驗(yàn)的目的是考核變壓器在遭遇外部短路時(shí)，其承受過(guò)電流作用下的動(dòng)、熱效應(yīng)的能力，是對(duì)變壓器設(shè)計(jì)制造工藝的綜合考核[1]。該試驗(yàn)是變壓器最為嚴(yán)苛的考核性試驗(yàn)。

下面以某110 kV變壓器短路能力抽檢不合格事件為例，通過(guò)計(jì)算及試驗(yàn)，找出該變壓器不合格的主要原因。同時(shí)，結(jié)合該變壓器現(xiàn)有結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及工藝，對(duì)其抗短路能力提升提出有針對(duì)性的措施和建議。

1 試驗(yàn)概況

2018年8月10日至15日，某第三方檢驗(yàn)中心對(duì)某110 kV新建輸變電工程主變壓器進(jìn)行第三方抗短路能力抽檢試驗(yàn)。該臺(tái)變壓器額定容量為50 MVA，額定電壓為110±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5 kV，額定電流為262.4/749.8/2749 A，型號(hào)為SSZ11-50000/110，變壓器出廠時(shí)間為2017年11月。

此次短路試驗(yàn)采用GB 1094.5-2008《電力變壓器第5部分：承受短路的能力》推薦的試驗(yàn)方法，采用單相電源進(jìn)行主變壓器短路承受能力試驗(yàn)[2]，試驗(yàn)電壓采用1.5倍相電壓。該變壓器為三繞組變壓器，高壓側(cè)及中壓側(cè)均帶分接開(kāi)關(guān)，一般情況下將進(jìn)行高對(duì)中、高對(duì)低及中對(duì)低3種情況的短路試驗(yàn)。由于在實(shí)際運(yùn)行中，中壓側(cè)無(wú)電源，即不存在中對(duì)低短路的可能，因此，只對(duì)該變壓器進(jìn)行高對(duì)低和高對(duì)中短路試驗(yàn)。

此次短路承受能力試驗(yàn)首先進(jìn)行高對(duì)中試驗(yàn)。根據(jù)GB 1094.5-2008規(guī)定，在各相進(jìn)行高對(duì)中短路試驗(yàn)時(shí)，中壓側(cè)處于額定擋，分別在高壓側(cè)1、9b、17這3個(gè)分接位置各進(jìn)行1次試驗(yàn)[2]。完成A相高對(duì)中3次試驗(yàn)后，在對(duì)變壓器進(jìn)行B相高對(duì)中第3次試驗(yàn)時(shí)，監(jiān)視到波形出現(xiàn)異常。中壓側(cè)對(duì)稱短路電流明顯變小，為6200 A。隨后測(cè)量變壓器短路阻抗時(shí)，發(fā)現(xiàn)B相電抗出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，變化達(dá)8.2%，見(jiàn)表1。

表1 短路承受能力試驗(yàn)前后高壓-中壓(9b擋)電抗值

按照GB 1094.5-2008中規(guī)定每次短路試驗(yàn)后，變壓器每相電抗值與原始值之差應(yīng)不大于2%。據(jù)此，第三方檢驗(yàn)中心判定該臺(tái)變壓器未通過(guò)此次短路試驗(yàn)。

現(xiàn)階段，在土木工程建設(shè)中越來(lái)越重視技術(shù)的重要性，經(jīng)過(guò)相關(guān)的研究表明，技術(shù)對(duì)工程建設(shè)作用是非常大的，從一個(gè)工程開(kāi)始到一個(gè)工程的結(jié)束都離不開(kāi)技術(shù)的運(yùn)用。經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平雖然在不斷增高，但是在土木工程建設(shè)過(guò)程中也出現(xiàn)了各種各樣的問(wèn)題，伴隨著這些問(wèn)題也出現(xiàn)了一系列的解決方案，土木工程技術(shù)就是在不斷修改問(wèn)題的過(guò)程中一點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)步，并且得到了創(chuàng)新，這是工程建筑行業(yè)的一大進(jìn)步。

2 試驗(yàn)檢查

針對(duì)該變壓器短路試驗(yàn)不合格情況，復(fù)測(cè)該變壓器直流電阻、變比、電容量及油色譜。試驗(yàn)結(jié)果表明，變壓器油色譜、繞組直流電阻、繞組電壓比測(cè)試數(shù)據(jù)合格。但高、中對(duì)低及地的電容量偏差達(dá)到10.79%，高對(duì)中低及地的電容量偏差為-3.64%，超過(guò)GB 50150-2016《電氣裝置安裝 工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的3%偏差注意值[3]。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2及表3。

表2 試驗(yàn)前后變壓器油中溶解氣體色譜分析 單位：μL/L

表3 變壓器短路承受能力試驗(yàn)后變壓器繞組電容量測(cè)試數(shù)據(jù)

從復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，該變壓器短路試驗(yàn)后油色譜無(wú)明顯變化，高對(duì)中電容量及阻抗值增大。因此，初步判斷該變壓器在高對(duì)中B相第3次短路沖擊后其內(nèi)部繞組出現(xiàn)一定程度變形，結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)位移或松動(dòng)。

3 變壓器解體情況

為查明該變壓器短路承受能力不合格原因，對(duì)該主變壓器進(jìn)行返廠解體檢查。短路試驗(yàn)開(kāi)始前，已在變壓器各相絕緣壓板及繞組上進(jìn)行畫(huà)線標(biāo)記處理。吊罩后，發(fā)現(xiàn)變壓器A、B相畫(huà)線均發(fā)生偏移，C

圖1 變壓器畫(huà)線位移情況

圖2 變壓器墊方位移情況

相畫(huà)線未見(jiàn)明顯偏移，見(jiàn)圖1。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)該變壓器A相及B相墊方位移嚴(yán)重，且B相絕緣壓板破損，見(jiàn)圖2及圖3。

圖3 變壓器B相絕緣壓板破損情況

對(duì)該變壓器各相進(jìn)行拔圈檢查，發(fā)現(xiàn)A、C兩相所有線圈和B相(高壓、低壓、調(diào)壓)線圈均未見(jiàn)異常，但B相中壓線圈出現(xiàn)軸向變形及輻向內(nèi)收，該線圈內(nèi)側(cè)未見(jiàn)鼓包，見(jiàn)圖4及圖5。

圖4 變壓器B相中壓線圈軸向變形情況

圖5 變壓器B相中壓線圈輻向內(nèi)收情況

4 原因分析

從變壓器繞組短路沖擊后變形的狀況來(lái)分析，該變壓器B相中壓線圈在短路電動(dòng)力的作用下，既有輻向變形，又有軸向變形。線圈在電動(dòng)力的作用下發(fā)生輻向內(nèi)收，同時(shí)由于變壓器軸向壓緊力不足，導(dǎo)致線圈軸向也發(fā)生變形。

變壓器抗短路能力主要與變壓器3個(gè)方面的因素相關(guān)，即設(shè)計(jì)、材質(zhì)及工藝[4]。設(shè)計(jì)方面主要包括變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及對(duì)材質(zhì)參數(shù)的選擇，可以通過(guò)理論計(jì)算來(lái)校核其是否滿足GB 1094.5-2008的相關(guān)要求。電磁線是影響變壓器短路承受能力主要材質(zhì)之一，電磁線的機(jī)械強(qiáng)度是最重要的考核指標(biāo)。變壓器的工藝由廠家控制且無(wú)相關(guān)的校核方法，因此工藝控制是否滿足抗短路能力要求一般無(wú)法進(jìn)行計(jì)算校核。

在設(shè)計(jì)方面，對(duì)變壓器B相中壓線圈屈服強(qiáng)度進(jìn)行理論計(jì)算校核。根據(jù)GB 1094.5-2008的要求，計(jì)算得到當(dāng)B相中壓線圈在承受短路沖擊時(shí)，最大非對(duì)稱電流第1峰值為17 810.54 A[2]。根據(jù)繞組匝數(shù)、繞組高度、繞組平均直徑等中壓繞組相關(guān)參數(shù)，計(jì)算可得：繞組平均環(huán)形壓縮應(yīng)力σc為84.13 N/mm2；導(dǎo)線幅向彎曲應(yīng)力σb為55.16 N/mm2。該變壓器中壓線圈電磁線驗(yàn)證應(yīng)力Rp0.2設(shè)計(jì)值為200～220 N/mm2，0.6Rp0.2為120 N/mm2，大于繞組平均環(huán)形壓縮應(yīng)力σc；其0.9Rp0.2為180 N/mm2，大于導(dǎo)線幅向彎曲應(yīng)力σb。根據(jù)GB 1094.5-2008[2]的要求，理論上該電磁線滿足抗短路的要求。

在材質(zhì)方面，將變壓器中壓線圈電磁線送往3家不同機(jī)構(gòu)分別做了材質(zhì)檢測(cè)。拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。從拉伸試驗(yàn)結(jié)果看，中壓線圈電磁線的屈服強(qiáng)度在159.22～178.03 N/mm2之間，平均值為171.03 N/mm2，不滿足設(shè)計(jì)值的要求。

表4 中壓線圈電磁線屈服強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

在工藝方面，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)解體情況進(jìn)行分析。從現(xiàn)場(chǎng)吊心情況看，變壓器軸向變形發(fā)生在夾件與壓板之間的墊方邊緣。短路沖擊時(shí)，墊方在力的作用下松動(dòng)移位，導(dǎo)致繞組軸向壓緊不足而發(fā)生變形，說(shuō)明廠家在部分壓緊結(jié)構(gòu)件的工藝上存在缺陷。此外，廠家在加裝墊方時(shí)，加裝順序?yàn)锽相→A相→C相，在完成邊相的加裝后沒(méi)有對(duì)中相再次緊固，會(huì)使中相發(fā)生松動(dòng)。最后，廠家在安裝夾件拉桿時(shí)，為減小鐵心窗尺寸，在壓板上開(kāi)槽寬30 mm、深20 mm，這種開(kāi)槽結(jié)構(gòu)降低了壓板的機(jī)械強(qiáng)度。

綜上所述，該臺(tái)110 kV變壓器短路承受能力抽檢不合格，是廠家在產(chǎn)品工藝控制及工藝設(shè)計(jì)上存在問(wèn)題以及電磁線屈服強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)值要求導(dǎo)致變壓器安全裕度降低等因素綜合作用的結(jié)果。

5 整改措施

根據(jù)上述原因分析，對(duì)該110 kV變壓器制定了整改措施，增加其軸向及幅向抗短路能力。

一是增加軸向抗短路能力的措施：

1)中壓硬紙筒厚度由3 mm提升至5 mm；

2)整體套裝時(shí)低壓與中壓套裝后距離減小1 mm；

3)增加內(nèi)撐條數(shù)量；

4)提高中壓線圈電磁線屈服強(qiáng)度，設(shè)計(jì)采用Rp0.2為250 N/mm2的半硬自粘換位導(dǎo)線。

二是增加輻向抗短路能力的措施：

1)減小壓板開(kāi)槽的尺寸，將壓板開(kāi)槽寬30 mm深20 mm更改為寬25 mm、深10 mm；

2)更改壓緊工序工藝，按照B相→A相→C相→B相的順序，在C相壓緊完畢后，再次對(duì)B相進(jìn)行壓緊；

3)墊方增加限位及薄弱區(qū)域加強(qiáng)壓緊結(jié)構(gòu)；

4)在線圈整體套裝時(shí)，用壓敏紙進(jìn)行檢測(cè)，保證內(nèi)外線圈的高度一致。

2018年12月，整改后的變壓器在原第三方檢驗(yàn)中心按照原試驗(yàn)方案再次進(jìn)行短路承受能力試驗(yàn)，試驗(yàn)通過(guò)。

6 結(jié) 語(yǔ)

變壓器短路承受能力是變壓器最重要的性能之一，抗短路能力不足會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)的供電可靠性。變壓器短路承受能力是變壓器綜合性能的體現(xiàn)，每臺(tái)變壓器抗短路能力不足的原因都不盡相同，需要廠家設(shè)計(jì)可靠并嚴(yán)把產(chǎn)品質(zhì)量控制關(guān)口，以確保設(shè)備安全可靠運(yùn)行。