南方电网——电力变压器抗短路能力问题及分析

南方电网科学研究院研究员 

工学博士 

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背景

电力变压器是每个电力传输系统的重要组成部分，也是输配电系统中单体价值最高的设备之一。随着电力需求的持续强劲增长与电网建设的飞速发展，电网系统短路容量呈日益加大的趋势，并带来负面影响，特别是对电力变压器。在这种强连接的电网中，不断上升的短路电流使电力变压器的短路耐受能力更加严峻。电力变压器抗短路能力不足成了潜在隐患，给电力系统的安全运行带来风险。

在正常运行条件下，变压器绕组暴露在低电磁力下。在短路情况下，变压器绕组电流可增加至额定电流的10~30倍。由于电磁力取决于电流的平方，相应的绕组受力增加了100~900倍。虽然保护装置通常可以在几个电压周期后快速切除故障电流，但是故障电流切除前的时间足以对电力变压器造成严重损坏。此外，峰值短路电流发生在第一个电压周期内，其值可能达到稳态短路电流的两倍。虽然电网中发生短路时间的情况非常罕见，但是庞大的变压器数量和变压器整个寿命周期内（通常达40年以上），变压器遭受短路电流冲击导致的安全隐患及故障等的问题就显得非常突出。

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2008-2021年期间的统计数据显示因抗短路能力不足导致的电力变压器故障在所有故障类型中占比最大，达28.87%；其中老旧电力变压器抗短路能力不足故障占比较高，占抗短路能力不足故障的63.4%。

图1 2008-2021年电力变压器故障统计

图2 短路故障电力变压器运行年限统计

进一步对电力变压器抗短路能力不足故障案例进行进一步分析，认为主要原因包括四点有：一是电力变压器的抗短路能力设计先天不足，材料及工艺不佳；二是设计标准变化，电力变压器受当时技术限制，抗短路能力不满足现有的标准要求；三是永久故障情况下，老旧电力变压器重合闸或强送策略不当，导致电力变压器短时间内承受多次短路冲击引发抗短路能力不足故障；四是电网容量持续增大、材料性能老化以及累积效应等综合因素的影响，抗短路能力不满足电网发展的需要。因此，影响电力变压器的抗短路能力水平的原因涉及到变压器的设计、原材料选型、监造与运维等全生命周期各环节，为降低变压器因抗短路能力不足导致的变压故障，需从变压器设计、原材料选型、运维等环节，提出针对性提升措施，全面提升电力变压器的抗短路能力。

图3 变压器短路故障原因

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现行解决变压器抗短路能力

相关方案

（一）标准方面

国家标准GB l094-5:2008和国际标准IEC 60076-5:2006均对电力变压器的承受短路能力作出了相应规定，给出了电力变压器承受这种过电流的耐热能力的计算程序和承受相应的动稳定能力的特殊试验和理论评估方法。但是：

（1）由于国内外制造厂和学术机构的研究技术路线多样，该标准未对短路力校核的方法、理论依据、评判标准进行统一。

（2）标准未对变压器多次承受短路冲击提出评估的方法。

（二）原材料选型方面

变压器线圈的抗短路能力，一方面是靠导线本身的机械强度，另一方面是靠整体结构特征。目前，为了提升变压器绕组的机械强度，绕组导线多选用换位导线，特别是自粘半硬换位导线，很好的解决了大型电力变压器抗短路能力较差的问题。换位导线包括普通换位导线和自粘性换位导线两种，换位导线的类型、尺寸规格以及材质等均会对变压器的抗短路能力造成影响。但目前对变压器绕组导线材质对其短路强度的影响研究还不够全面，各类单线之间的参数对比缺乏相关研究，对绕组导线尺寸规格对其短路强度的影响研究还不够定量，尚无精确的计算公式等。

（三）设备品控方面

近年来，由于剩余产能增加，在下行的市场环境下，某些厂家存在不诚信或为降低成本不顾及必要裕度的行为，严重损害了诚信厂家及用户的切身利益，而电网用户侧缺乏必要的监造手段。为提升设备质量水平，应将监造工作延伸至产品核心技术部分。但目前在变压器设计、原材料选型、试验等环节，缺乏针对性的监造手段和依据，需要进一步开展针对性的研究。

（四）设备运维方面

（五）技术攻关方面

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图 ｜2021CWIEME展会议现场