變壓器抗短路能力校核不合格原因分析及治理措施研究

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

0 引 言

大型電力變壓器的抗短路能力對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。對變壓器進(jìn)行抗短路能力校核是提高變壓器抗短路能力，減少變壓器因抗短路能力不足引起經(jīng)濟(jì)損失的有效方法。有限元仿真分析是變壓器抗短路能力校核的通用方法[1—3]。自2019年以來，基于有限元法對大型變壓器進(jìn)行抗短路能力校核是國家電網(wǎng)公司提升變壓器抗短路能力的重要抓手。根據(jù)前期校核結(jié)果，抗短路能力校核不合格在220 kV在運(yùn)變壓器中普遍存在，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，不合格率約為23.1%。

當(dāng)前，在運(yùn)220 kV變壓器抗短路能力校核的判據(jù)為GB/T 1094.5—2008《電力變壓器 第5部分：承受短路的能力》[4]。下面基于有限元分析對某廠家4臺220 kV在運(yùn)變壓器進(jìn)行抗短路能力校核，對變壓器抗短路能力不足的原因進(jìn)行分析，并提出治理策略以及治理方案的制定建議。

1 校核結(jié)果

采用變壓器抗短路能力校核平臺對變壓器抗短路能力進(jìn)行校核。校核時，根據(jù)GB 1094.5—2008的要求計(jì)算得到的短路電流，計(jì)算校核不同工況下每臺變壓器各線圈的各項(xiàng)指標(biāo)[4]。

校核結(jié)果表明，4臺主變壓器抗短路能力均不滿足GB/T 1094.5—2008的要求。4臺主變壓器的抗短路能力不合格項(xiàng)明細(xì)見表1。表中，HVmax代表高壓最大電壓分接，HVrat代表高壓額定分接，HVmin代表高壓最小電壓分接，MV代表中壓，LV代表低壓。

表1 主變壓器抗短路能力不合格項(xiàng)明細(xì)

2 原因分析

表1的結(jié)果表明，4臺變壓器抗短路能力校核的不合格項(xiàng)集中在以下方面：

1)變壓器在高-中運(yùn)行時，高壓線圈及中壓線圈導(dǎo)線傾斜極限力不滿足要求；變壓器在高-低運(yùn)行時，低壓線圈導(dǎo)線傾斜極限力不滿足要求。

2)變壓器在高-中運(yùn)行時，公共壓環(huán)(或壓板)上的壓縮應(yīng)力不滿足要求。

下面對這三方面的不合格原因進(jìn)行分析。

2.1 導(dǎo)線傾斜極限力

(1)

按照GB/T 1094.5—2008，對于由自粘性換位導(dǎo)線構(gòu)成的繞組，因其良好的軸向穩(wěn)定性，不需進(jìn)行傾斜力的校核[4]。此次校核的4臺主變壓器，其高壓及中壓線圈均使用紙包組合線，低壓線圈使用紙包扁線。

1號主變壓器出廠日期為2007年6月，2號主變壓器出廠日期為2008年7月，3號主變壓器出廠日期為2007年4月，4號主變壓器出廠日期為2010年5月。4臺主變壓器生產(chǎn)時，均依據(jù)GB 1094.5—2003《電力變壓器 第5部分：承受短路的能力》對變壓器的抗短路能力進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)[10]。

在GB 1094.5—2003中，沒有明確導(dǎo)線傾斜極限力的計(jì)算方法，相關(guān)的計(jì)算方法及指標(biāo)要求首次出現(xiàn)是在GB/T 1094.5—2008中。由于2008版國家標(biāo)準(zhǔn)對主變壓器抗短路能力的要求高于2003版國家標(biāo)準(zhǔn)，而廠家在變壓器設(shè)計(jì)時沒有采用2008版國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法對導(dǎo)線傾斜極限力進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)致其承制的變壓器該指標(biāo)不滿足2008版國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.2 公共壓環(huán)(或壓板)上的壓縮應(yīng)力

當(dāng)變壓器繞組軸向壓力不足，特別是采用單一壓板壓緊多個繞組時，個別繞組的軸向壓力不足或上部壓板強(qiáng)度不夠時，繞組軸向推力會導(dǎo)致繞組頂部上翹嚴(yán)重變形[4]。根據(jù)GB/T 1094.5—2008，公共壓環(huán)(或壓板)上的壓縮應(yīng)力是變壓器抗短路能力校核中的一個指標(biāo)，需滿足小于80 MPa的要求[4]。

苯酚-硫酸法測定香水蓮花多糖含量,標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1,回歸方程為:y=6.966x + 0.024,R2=0.9995。

對于公共壓環(huán)(或壓板)上的壓縮應(yīng)力，計(jì)算方法在GB/T 1094.5—2008中沒有要求，此次采用有限元仿真的方法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)搭建模型，計(jì)算得到公共壓環(huán)(或壓板)上的壓縮應(yīng)力，結(jié)果見表2。

表2 主變壓器公共壓環(huán)(或壓板)上的

GB 1094.5—2003中沒有對公共壓環(huán)(或壓板)上的壓縮應(yīng)力這項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行明確要求。LY/T 1278—1998《電工層壓木板》[11]中，對壓環(huán)(或壓板)的機(jī)械強(qiáng)度要求為“垂直層向壓縮強(qiáng)度≥100 MPa，垂直層向彎曲強(qiáng)度≥100 MPa”。而此4臺變壓器在設(shè)計(jì)時主要考慮在一定裕度下公共壓環(huán)(或壓板)上受到的應(yīng)力小于其本身的機(jī)械強(qiáng)度。因此，標(biāo)準(zhǔn)差異性及設(shè)計(jì)理念不一致是造成主變壓器該指標(biāo)校核不合格的主要原因。

2.3 中-低運(yùn)行時低壓線圈抗短路指標(biāo)

根據(jù)表1，當(dāng)各主變壓器中-低運(yùn)行時，主變壓器低壓線圈環(huán)形壓縮應(yīng)力、導(dǎo)線傾斜極限力、墊塊軸向最大壓縮應(yīng)力3個指標(biāo)不合格。對這3項(xiàng)指標(biāo)的國家標(biāo)準(zhǔn)要求，均首次出現(xiàn)在GB/T 1094.5—2008中。而對于主變壓器低壓線圈環(huán)形壓縮應(yīng)力、墊塊軸向最大壓縮應(yīng)力，其計(jì)算方法在GB/T 1094.5—2008中也沒有明確規(guī)定，此次采用有限元仿真的方法進(jìn)行計(jì)算。

由于大部分220 kV主變壓器低壓側(cè)，在實(shí)際運(yùn)行時沒有出線只帶有少量無功設(shè)備，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，對于220 kV主變壓器的選型，常選用低壓半容量的型號。當(dāng)?shù)蛪翰捎冒肴萘吭O(shè)計(jì)時，變壓器中-低短路阻抗設(shè)計(jì)值較小，抗短路能力較弱。此次校核的4臺主變壓器均采用低壓半容量設(shè)計(jì)，如表3所示。

表3 各主變壓器參數(shù)明細(xì)

由于220 kV主變壓器實(shí)際運(yùn)行中極少存在中-低運(yùn)行方式及選型，因此廠家沒有對中-低運(yùn)行方式下主變壓器的抗短路能力進(jìn)行考慮，導(dǎo)致在該運(yùn)行方式下主變壓器抗短路能力校核不合格。

3 治理措施

對于抗短路能力校核不合格的大型變壓器，可以從4個方面采取措施進(jìn)行治理[12]：

1)在增強(qiáng)變壓器自身抗短路能力方面，可采用整體更換、線圈改造的策略進(jìn)行治理，必要時可進(jìn)行站間調(diào)配或退役；

2)在減小變壓器可能承受的短路電流方面，可采用加裝限流電抗器、加裝中性點(diǎn)電抗器等策略進(jìn)行治理；

3)在減少可能發(fā)生的短路事件方面，可采用治理變壓器運(yùn)行環(huán)境的策略進(jìn)行治理，例如低壓側(cè)絕緣化、防止線路異物搭接等；

4)在縮短變壓器短路故障電流持續(xù)時間方面，可采用優(yōu)化保護(hù)配置及定值設(shè)置的策略進(jìn)行治理。

治理時，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行可靠性、使用效率和經(jīng)濟(jì)性的綜合平衡，常采用多措并舉、綜合治理的方式確定治理策略。可結(jié)合資產(chǎn)全壽命周期管理的情況，根據(jù)校核不合格項(xiàng)、運(yùn)行年限、重要程度、遭受短路沖擊歷史、短路故障歷史等實(shí)際情況，確定治理方案。同時結(jié)合變壓器實(shí)際狀態(tài)，采取針對性的治理措施。

對于變壓器的狀態(tài)，可采用診斷性試驗(yàn)與油色譜數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式進(jìn)行評估[13]。停電進(jìn)行診斷性試驗(yàn)時，可結(jié)合電容量、頻率響應(yīng)曲線、短路阻抗三方面的結(jié)果綜合評估變壓器繞組情況。電容量試驗(yàn)可依據(jù)DL/T 474.3—2018《現(xiàn)場絕緣試驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則 介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ試驗(yàn)》[14]；頻率響應(yīng)曲線測試可依據(jù)DL/T 911—2016《電力變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法》[15]；短路阻抗試驗(yàn)可依據(jù)DL/T 1093—2018《電力變壓器繞組變形的電抗法檢測判斷導(dǎo)則》[16]。繞組變形的分析與判斷可參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[14-16]。

4 結(jié) 論

變壓器抗短路能力校核是評估變壓器抗短路能力的重要手段。對抗短路能力校核不合格的原因進(jìn)行深入分析可為制定針對性治理方案提供依據(jù)。所述4臺220 kV在運(yùn)變壓器，其抗短路能力校核不合格的主要原因是GB/T 1094.5標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了更新，提出了更高的要求，導(dǎo)致設(shè)備本身抗短路能力不滿足2008版更新后的國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

抗短路能力校核不合格的在運(yùn)變壓器的治理，面臨停電時間以及經(jīng)濟(jì)性等因素的制約。因此針對此類校核不合格的變壓器，應(yīng)先對其進(jìn)行診斷性試驗(yàn)，結(jié)合狀態(tài)檢修試驗(yàn)結(jié)果評估變壓器繞組變形情況，再根據(jù)實(shí)際情況采取針對性地治理措施。對于診斷性試驗(yàn)無異常的變壓器，建議對變壓器運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行治理，減少短路事件的發(fā)生，同時加強(qiáng)監(jiān)測，在遭受近區(qū)短路后，進(jìn)行停電試驗(yàn)。