淺談變壓器抗短路能力校驗(yàn)與評(píng)估

高福平

摘要：針對(duì)廠家校驗(yàn)變壓器抗短路能力的標(biāo)準(zhǔn)和方法參差不齊的問(wèn)題，總結(jié)國(guó)家電網(wǎng)近年來(lái)出現(xiàn)的變壓器短路沖擊損壞事故的教訓(xùn)，從變壓器運(yùn)行的實(shí)際出發(fā)，依據(jù)設(shè)備全壽命管理理念，綜合變壓器原廠家提供的設(shè)計(jì)能力、變壓器安裝地點(diǎn)短路水平、變壓器運(yùn)行老化狀況、廠家制造水平等要素，提出一種基于抗短路能力衰減系數(shù)的變壓器抗短路能力評(píng)價(jià)方法。

關(guān)鍵詞：變壓器;評(píng)估

一、專(zhuān)業(yè)管理的的目標(biāo)描述

電力變壓器是電力系統(tǒng)最重要的核心設(shè)備之一。大型電力變壓器發(fā)生故障，將造成大面積停電及大量用戶(hù)電力供應(yīng)中斷，對(duì)國(guó)民生產(chǎn)、社會(huì)安定影響極大。由于目前的電力系統(tǒng)短路容量增大，廠家對(duì)變壓器抗短路能力的設(shè)計(jì)裕度小，變壓器經(jīng)受短路沖擊而損壞的事故已成為電力變壓器事故的首要原因。

研究變壓器制造廠制作工藝、選材、設(shè)計(jì)等情況、進(jìn)行調(diào)研，引進(jìn)中國(guó)電力科學(xué)研究院變壓器抗短路校核計(jì)算程序，對(duì)220kV變壓器進(jìn)行了抗短路能力校核。該程序基于ANSYS程序的Emag模塊和Multiphysics模塊中的電磁分析功能，以Maxwell方程組作為電磁場(chǎng)分析的出發(fā)點(diǎn)，以有限元法為數(shù)值計(jì)算方法。程序設(shè)計(jì)中即考慮了繞組導(dǎo)體材料和絕緣材料的力學(xué)特性，也考慮了繞組線餅的幾何尺寸、撐條數(shù)量、軸向預(yù)緊力以及硬絕緣紙筒等因素對(duì)變壓器抗短路能力的影響。計(jì)算結(jié)果為在特定設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝參數(shù)的條件下變壓器出廠時(shí)固有的安全系數(shù)。校核計(jì)算中沒(méi)有考慮到不同廠家制造工藝的差別以及運(yùn)行工況對(duì)抗短路能力的影響。

根據(jù)校核計(jì)算結(jié)果對(duì)變壓器耐受短路能力進(jìn)行分類(lèi)，提出針對(duì)性治理建議，最終形成變壓器抗短路能力校核報(bào)告。但是這種校核方法還存在一些缺陷和問(wèn)題，不能對(duì)在運(yùn)變壓器進(jìn)行多因子的綜合評(píng)估。主要存在問(wèn)題如下：

由于材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)存在偏頗，不同廠家和不同年代的變壓器抗短路能力不足。90年代中后期，變壓器制造廠在追求低損耗、局部放電水平等指標(biāo)時(shí)，在材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面會(huì)降低對(duì)抗短路能力的要求。

由于設(shè)計(jì)和制造水平的限制，不同年代制造的變壓器抗短路能力不足。90年代（包括20世紀(jì)初）設(shè)計(jì)、計(jì)算及制造的電力變壓器的抗短路能力，用現(xiàn)在更加科學(xué)的判斷標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，其抗短路能力是不夠的。

由于不同廠家安全裕度不同，部分廠家設(shè)計(jì)考慮抗短路能力裕度非常不足。提高安全裕度往往意味著增加制造難度，甚至大幅增加產(chǎn)品的成本。在變壓器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)如此激烈的今天，通過(guò)犧牲裕度來(lái)降低成本的現(xiàn)象尤為突出。

以上問(wèn)題的存在，導(dǎo)致了在運(yùn)變壓器的抗短路能力參差不齊。要對(duì)變壓器的抗短路能力進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，必須從變壓器的設(shè)計(jì)、廠家制造工藝、不同年代、依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)短路容量、系統(tǒng)環(huán)境等方面綜合考慮，科學(xué)評(píng)估，并制定相應(yīng)的治理措施。

二、專(zhuān)業(yè)管理的主要做法

實(shí)踐證明，利用統(tǒng)一的變壓器抗短路能力校核模型，對(duì)不同廠家、不同設(shè)計(jì)、不同結(jié)構(gòu)、不同材質(zhì)、不同工藝的變壓器進(jìn)行校核的做法存在不足。為此，我們依據(jù)設(shè)備全壽命管理理念，綜合變壓器原廠家提供的設(shè)計(jì)能力、變壓器安裝地點(diǎn)短路水平、變壓器運(yùn)行老化狀況、廠家制造水平等要素，對(duì)每臺(tái)變壓器的抗短路能力進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。

2.1變壓器關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的收集與評(píng)估

原變壓器生產(chǎn)廠家按照運(yùn)行單位提供的變壓器型號(hào)、產(chǎn)品編號(hào)、出廠時(shí)間，在認(rèn)真收集和核對(duì)原變壓器歷史資料的基礎(chǔ)上，依據(jù)當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、使用材質(zhì)、制造工藝和出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)等關(guān)鍵要素，對(duì)每臺(tái)變壓器的動(dòng)、熱穩(wěn)定進(jìn)行核對(duì)性評(píng)價(jià)，最后提供每臺(tái)變壓器各側(cè)繞組耐受2S的動(dòng)穩(wěn)定短路電流值ID/IC（有效值/峰值），變壓器耐受2S熱穩(wěn)定短路電流值IR（有效值），變壓器高中低壓輻向失穩(wěn)系數(shù)和軸向力、輻向力校驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于因變壓器原始數(shù)據(jù)缺失，無(wú)法進(jìn)行核對(duì)性評(píng)價(jià)的變壓器，生產(chǎn)廠家按照最相近原則提供評(píng)估結(jié)果。

2.2變壓器安裝點(diǎn)短路狀況分析

每臺(tái)變壓器因安裝地點(diǎn)不同，在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)受的短路電流差別很大。因此，只有拿變壓器安裝點(diǎn)實(shí)際可能經(jīng)受的最大短路電流與變壓器生產(chǎn)廠家提供的數(shù)值相比較，才有現(xiàn)實(shí)意義。

計(jì)算方法：根據(jù)每臺(tái)變壓器安裝地點(diǎn)系統(tǒng)容量和最大運(yùn)行方式，分別計(jì)算在各側(cè)母線短路時(shí)，通過(guò)變壓器各側(cè)繞組的最大短路電流Id。

2.3變壓器抗短路能力衰減系數(shù)（Ks）的選定

實(shí)踐證明，變壓器抗短路能力隨變壓器運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)（老化因素）和經(jīng)受短路電流沖擊次數(shù)的增多，抗短路能力將明顯下降。另外，受生產(chǎn)廠家的總體制造水平、使用材質(zhì)、校核方法等因素的影響，各變壓器生產(chǎn)廠家抗短路能力裕度存在一定的差異性。因此，在實(shí)際校核每臺(tái)變壓器時(shí)，至少應(yīng)該上述原因。在實(shí)際操作中，我們?cè)趶V泛收集、分析、總結(jié)歷年來(lái)系統(tǒng)變壓器短路損壞事故和解體檢查報(bào)告的基礎(chǔ)上，提出衰減系數(shù)選定原則。

2.4變壓器抗短路能力評(píng)價(jià)

1）變壓器各側(cè)繞組耐受短路電流允許值：

IxD=ID×Ks1 Ks2 Ks3

2）變壓器各側(cè)可能承受的最大短路電流計(jì)算值Id

3）計(jì)算變壓器各側(cè)抗短路能力可靠系數(shù)Kk

Kk=IxD/Id

評(píng)價(jià)：

當(dāng)Kk≥1.2時(shí)，變壓器在安裝點(diǎn)運(yùn)行是可靠的;

當(dāng)1>Kk>1.2時(shí)，變壓器可以在安裝點(diǎn)正常運(yùn)行，但應(yīng)進(jìn)入關(guān)注狀態(tài);

當(dāng)Kk≤1時(shí)，變壓器必須采取措施，以提高抗短路能力。

三、評(píng)估與改進(jìn)

3.1專(zhuān)業(yè)管理的評(píng)估方法

基于變壓器抗短路能力衰減系數(shù)的變壓器抗短路能力評(píng)價(jià)方法從運(yùn)行實(shí)際出發(fā)，綜合考慮變壓器的運(yùn)行實(shí)際工況、生產(chǎn)廠家的工藝制造水平以及短路沖擊次數(shù)等對(duì)變壓器抗短路能力影響大的因素，對(duì)變壓器的抗短路能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)方法有一定的創(chuàng)新性和實(shí)用性，通過(guò)比較變壓器實(shí)際安裝地點(diǎn)的最大短路電流與變壓器可耐受的短路電流評(píng)價(jià)變壓器抗短路能力，很符合變壓器的運(yùn)行實(shí)際，對(duì)變壓器的評(píng)價(jià)結(jié)果是可靠的。依據(jù)作出的評(píng)價(jià)對(duì)山西省內(nèi)220kV及以上變壓器進(jìn)行整治，能確保變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2專(zhuān)業(yè)管理存在的問(wèn)題

衰減系數(shù)選取符合變壓器運(yùn)行實(shí)際，但仍存在一定局限性。首先，變壓器抗短路能力衰減系數(shù)值的確定不夠精確，沒(méi)有通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證衰減系數(shù)的精確性。具體的衰減系數(shù)值還需進(jìn)一步通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證反復(fù)進(jìn)行修正，使評(píng)價(jià)方法更加準(zhǔn)確可靠。其次，變壓器制造廠提供的耐受短路電流不一定真實(shí)、可靠，主要原因有制造廠家選擇的算法不一計(jì)算結(jié)果會(huì)有一定的差別。最后，各供電單位提供的安裝地點(diǎn)的最大短路電流是否準(zhǔn)確還需要實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)驗(yàn)證。

3.3今后的改進(jìn)方向或?qū)Σ摺?/p>

依據(jù)設(shè)備全壽命管理理念，綜合變壓器原廠家提供的設(shè)計(jì)能力、變壓器安裝地點(diǎn)短路水平、變壓器運(yùn)行老化狀況、廠家制造水平等要素，對(duì)每臺(tái)變壓器的抗短路能力進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。解決了原有的利用統(tǒng)一的變壓器抗短路能力校核模型，對(duì)不同廠家、不同設(shè)計(jì)、不同結(jié)構(gòu)、不同材質(zhì)、不同工藝的變壓器進(jìn)行校核的做法存在的不足。