110千伏變壓器短路探索

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由于110千伏級變壓器短路損傷事故率的非正常攀升，如何提高110千伏變壓器的抗短路能力，減少運行中短路損傷概率已越來越引起供用電單位和設備制造企業的重視。國家電網公司生產運行部統計的1991年～2002年變壓器短路損壞事故的統計見表1。

從表1可以清楚地看到，自1992年以后，短路損壞的變壓器占事故總臺次比率有明顯的上升。在1994年至1999年度，短路損壞臺次占總事故臺次比率在35％~io1995年至1996年度甚至達到了50％左右。大型變壓器短路損傷事故居高不下的問題，已到了非解決不可的程度。

一、110千伏級變壓器事故損傷率大幅上升的原因

從大量公布的技術文獻分析，110千伏變壓器短路損傷率大幅攀升的原因，主要是因為制造廠在80年代未至90年代初進行的低損耗“8型”產品的設計時對產品的抗短路強度未引起足夠的重視，以至在此期間生產的大量產品存在強度不足的先天性缺陷。同時，和國家經濟發展同步的電力網系統容量的上升，導致系統短路阻抗的大幅下降。一旦線路發生短路事故，短路電流可能會比原來的運行情況下大10％～20％左右，由此導致的變壓器短路率要大20％～40％之間。因此，可能同樣的一臺變壓器，在原來的系統容量較小的電網中運行時，因短路電流較小，可以承受短路沖擊而不發生事故；而當電網容量大幅提升后，有可能承受不了這時的短路沖擊而發生損傷。在這兩個原因中，產品結構強度不足是主因，電力網系統容量的上升是誘因。

結合90年代中后期發生的大量110千伏短路損傷事故圖片，原“8型”低損耗產品結構設計中主要不足如下：

1、上部壓板強度不足

在80年代早期或更早的國產110千伏產品中，110千伏變壓器大多采用了開口鋼壓板的結構。雖然鋼壓板的采用會引起變壓器負耗損耗的顯著上升，同時也可能會帶來局部高漏磁區的過熱問題，但毫無疑問，這種鋼壓板結構的采用對變壓器軸向支持強度是一個有力的保證。

在“8型”低損耗產品的設計中，大量的企業采用了等厚度的國產層壓木開口環代替原鋼壓板，事實證明，這種改變直接導致了上部機械強度的不足，是引起90年代后110千伏級變壓器短路損傷事故的一大原因。

2、線圈卷制緊度不足

在線圈的卷制工藝上，“8型”設計調整前后并無大的區別。但在“8型”設計之前，大部分的變壓器線圈是采用浸漆工藝的，而“8型”設計以后的產品大多取消了浸漆工藝，同時自1996年開始不斷有用戶提出的110千伏級變壓器局放水平也不允許對110千伏級產品進行浸漆處理，因為浸漆處理后對產品絕緣有明顯影響。

但浸漆處理對提高產品的機械強度卻是一個有力的措施。眾所周知，為保證線匝之間的絕緣強度，線圈繞制用導線必須包繞不同厚度的絕緣紙作為匝絕緣材料。對110千伏級高壓線圈一般采用的匝絕緣厚度為1．35mm，在線餅的整個幅向尺寸中，這個匝絕緣厚度要占相當的比例。如對單根紙包銅線，匝絕緣大概要占40％左右，對雙根組合導線，由于組合導線單元線間匝絕緣較小，所以這時候匝絕緣大概占線餅幅向的30％。在線圈繞制時表觀看上去線圈是繞緊的，但線圈烘燥后絕緣物會發生收縮，收縮產生的后果就是線匝之間的狀態松了。如果這種烘燥后相對較松的線圈投入運行，對產品的安全將帶來隱患。線圈的浸漆工藝是對經烘燥收縮后的線圈進行浸漆，從而彌補前面烘燥中產生的線餅松動現象，有效地提高了線圈本身的強度。

在90年代中前期生產的110干伏變壓器大多采用兩個導電回路的中部進線結構，這樣就造成設計時單個回路的導電材料截面偏小，不能采用組合式導線，因此線餅輻向尺寸中匝絕緣占的比例很大，烘燥后收縮大，又沒有原來的浸漆工藝來彌補，因此線圈的卷制狀態實際上相對是比較松的，自然影響到產品的強度。

3、線餅軸向支撐墊塊處理工藝不到位

和線餅幅向中匝絕緣要占一定比例這個情況類似，為保證線餅與線餅之間的絕緣和線餅本身的散熱，每個線餅之間都有一圈用絕緣紙板做的油道，這樣在整個軸向高度上，絕緣材料也要占一定的比例，對一般的110千伏產品，這個比例大概也要在30％～40％之間。雖然軸向高度在線圈烘燥后可以通過加添墊塊的方法進行調整，但如果墊塊處理不到位或者線圈預烘工藝控制不當，有可能產生待套裝線圈高度上有一個“虛高”，這個“虛高”是指線圈在器身處理和浸油后會進一步的收縮，如果線圈的“虛高”是大體相等的，則在變壓器出烘或二次吊罩緊固時仍可通過控制上部壓緊力的方法將每個線圈都壓緊。但事實上，如果對線圈預烘工藝沒有足夠的重視，極可能產生每個線圈的“虛高”不一樣這種情況，這時候將導致鐵芯柱上套的幾個同心線圈壓緊后松緊不一，有的線圈是緊的，有的線圈是松的，這時勢必影響線圈的軸向強度。

在線圈浸漆工藝采用的時候，由于絕緣紙和墊塊中漆液的浸入將對線圈的前道處理中的不一致有一個彌補過程，因此這時候軸向上線圈的“虛高”不一致問題不是太明顯。但如果取消浸漆工藝，對墊塊的處理和對線圈的處理控制有必要作相應的調整。

4、內線圈的內徑側支撐較薄弱

傳統的設計中鐵心和內線圈之間的支撐并不是很理想，多采用多層可調整的圍屏結構，這些圍屏一般是由δ=1．5～2mm的紙板制成，層與層之間沒有粘結，線圈在受到短路的內擠力時，各個支撐撐條松緊狀態并不很一致，有的撐條處可能緊一點，有的撐條處可能很松。因此對比較松的地方，實際上內部支撐是虛的，線圈內擠時這些地方可能會首先變形，而一旦線圈發生一個初始的變形，將導致正反饋式的變形量擴增，從而導致線圈的徹底扭擠破壞。

如果線圈是按傳統工藝浸漆處理的，這種初始的變形相對而言比較難以發生，因為線圈的線匝之間可能將力量互相傳遞，而一旦線圈不采用浸漆工藝，線匝卷緊程度相對較松，線匝之間力的傳遞要差，局部的初始變形相對要容易些，這時候線圈產生機械破壞的概率就大。

二、提高110千伏級變壓器抗短路能力的措施

明白了90年代后期暴露出來的110千伏級變壓器抗短路能力不足的原因，就可以有針對性地逐項整改。但變壓器制造技術的發展已不可能再倒退至鋼壓板加線圈浸漆的年代。因此，提高110千伏變壓器的抗短路能力，應該吸收原“8型”低損耗變壓器設計中絕緣壓板和不浸漆的做法。雖然絕緣壓板和不浸漆這兩項改動是造成前期110千伏變壓器抗短路能力不足的主因，但真正使這么多變壓器出問題的原因，也不能簡單的歸咎于這兩項改動。因為這兩項改動也是在引進吸收國際變壓器制造先進技術的基礎上采用的，從發展的角度看，這兩個改動是潮流所趨，是方向。

那么怎么解釋在采用這兩項技術后110千伏變壓器短路損傷的事故率明顯上升了呢?這里面主要的問題是沒有在采用這兩項技術時進行通盤考慮，沒有在采用這兩項技術后對由此可能帶來的影響作充分的論證，因此也沒有進行相應的針對性調整。這才是造成90年代中后期大量110千伏變壓器事故損傷的最大原因。

基于以上認識，并吸收事故產品的教訓，一些企業在制作110千伏產品時對以上各薄弱環節進行了相應的調整，并對不同容量段產品進行試驗驗證。多年的生產和運行經驗表明，在充分考慮到絕緣壓板和不浸漆工藝的相關影響，并進行有效的設計和工藝調整后，生產的110千伏產品抗短路能力是可靠的，沿用“8型”設計的絕緣壓板結構和不浸漆工藝是完全可能的。下面主要介紹在110千伏變壓器生產中提高產品抗短路能力的一些具體措施：

1、改原來的分瓣壓板結構為整圓壓板結構，并對鐵窗外線圈部分增加半圓副壓板，解決端部壓板強度不足的隱患改進后線圈整圓壓板厚度為40～60mm不等(視變壓器容量和結構定)。半圓副壓板厚度和主壓板尺寸相同，整體厚度達80～120mm。按此方案調整后變壓器制作成本無明顯增加(多了三相半圓副壓板材料)，變壓器的外限尺寸也無放大，但上部壓板強度不足的隱患得以徹底解決。

2、改110千伏線圈進線方式為端部進線，使導電回路截面翻倍，從而為組合導線的使用創造了條件前面已經進行過估算，組合導線的應用可以大幅度地減少線餅幅向尺寸中絕緣材料的比例。減少線圈烘燥后的收縮量，保證線圈的緊實度。同時，組合導線的使用必然導致單個線餅線匝數的減少，而在線圈的卷制中可以發現，這種線餅匝數的減少為繞制時反餅的收緊創造了條件。因此，采用組合導線、端部進線結構的產品，線圈緊實度有明顯的提高。

3、精心調整高／中／低壓線圈線規，使各線圈高度方向絕緣占比大致相同。前面已經提到，線圈烘燥、浸油后絕緣物會發生收縮，如果各個線圈的高度方向絕緣尺寸比率差距較大，則線圈烘燥、浸油后凈收縮量將有明顯差別；調整高度方向絕緣物占比，實際上就可以控制經工藝處理后各線圈的“虛高”大致接近。

4、加強墊塊及線圈的穩定處理，努力減少線圈“虛高”總量不浸漆工藝采用后對軸向穩定處理的影響是顯而易見的，定量的數據在各個制造廠都可以得到。要減少不浸漆后線圈收縮量過大的問題，就必須嚴格按工藝要求對線圈的餅間墊塊進行密化處理，并對組套前線圈進行二次烘燥、調整和穩定。在紙板的密化工序中，采用瑞士魏德曼公司推薦的100kg／cm2滾壓工藝，紙板經滾壓后厚度方向尺寸約收縮9％。線圈的組套前烘壓是一個更繁雜的工作，其目的是確保紙板、匝絕緣材料烘燥收縮到位，調整各線圈高度方向一致。

5、線圈換位的注意要點

從線圈本身的結構特點分析，認為線餅間上下“S”彎換位處是一個薄弱環節，在線圈長期的運行振動中，這種“S”彎過渡處的絕緣極可能破損，從而引起絕緣事故。在系統短路、線圈軸、輻向受力時，該處受力更為明顯。對這一局部的加強方式是：在設計時要確保“S”彎導線為平拉換位，避免上下高差形成的剪刀口加劇對線匝的絕緣損壞：制作時在“S”彎貼線餅處加墊0．5mm保護紙板1張，加強“S”彎過渡處線匝絕緣。在“S”彎上加包耐熱等級為F級的丹尼松紙半疊2層，由于丹尼松皺紙的耐溫等級遠大于普通A級絕緣材料，因而可確保“S”彎匝絕緣不會發生受熱老化后在機械沖擊下斷裂。

6、注意短路大電流引起的強漏磁對并繞線絕緣的影響

在短路的大電流作用下，除線圈軸、輻向、線匝間可能產生機械損傷處，大電流導致的強磁場也可能導致并繞導線間漏磁壓差的增大。對組合導線繞制的110千伏線圈，這個漏磁壓差值可能高達1000伏左右。雖然這種高電壓的存在僅維持幾個周波的時間，但對于組合導線中兩個并繞單元線間并不太厚的絕緣來講，還是一種比較嚴厲的考核。為減少這種漏磁壓差的影響，對組合導線繞制的110千伏線圈可采用三次換位的方案，這種換位方式可以使換位導線并繞單元線間的漏磁壓差降為普通單次換位的1／3，漏磁壓差有效值在400伏以內，確保了線圈短路時內部并繞單元之間的絕緣安全。

7、大電流引線的夾持

引線的夾持是一個可能被忽略的問題，但系統中因為引線夾持強度不足而導致的事故損壞并不少見。在大容量配電變壓器的短路試驗中，引線夾持力的不足導致的變壓器試驗失敗甚至占50％以上。大容量配電變壓器上的一些經驗可以反過來用在110千伏變壓器上。經驗表明，典型的三相引線夾持系統中通流銅排間的受力和裕度系數取用是完全可行的，但問題是制造廠能否保證具體的夾持結構和材料的可靠。在早期產品中，制造單位多采用機械性能較差、并且分散性也較大的色木做導線夾持構件，問題很多。為保證引線夾持構架的牢固、可靠，已全部采用電工層壓木或電工層壓紙板代替色木。另外，緊固件的選用上亦存在同樣的問題。目前很多企業選用的是高強度尼龍螺栓，雙并帽結構。

8、鐵芯下軛片的可靠托持

在短路電流的電動力作用下，變壓器內部將產生和電源頻率對應的(2fN)交變應力和震動。變壓器結構設計時除要對一些主結構件強度仔細校核外，也應對一些可能產生問題的細節進行考慮。統計表明：變壓器長期運行后或受短路沖擊后鐵芯下軛片的墜落是一個需要引起重視的問題。傳統的階梯木墊塊對下軛片的支撐是間隔的，并不是逐檔支撐，原因是如果階梯級很多，木墊塊的加工精度就要極難保證，因此支撐鐵芯就存在墜落的可能。此鐵芯墜落缺陷雖不致引起線圈燒毀，變壓器跳閘等惡性事故，但完全可能引起鐵芯的多點接地，運行噪聲異常等缺陷。為解決這一問題，對下軛鐵芯的支撐件采用環氧膩子填充結構可以確保鐵軛各檔可靠支撐，徹底解決了器身振動時下軛芯片墜落的隱患。

截止2003年年底，從國家電力公司和中國電力科學院的綜合統計看，全力采用以上技術，并依靠強有力的工藝來保證以上措施實現的企業，其生產的產品出現因抗短路能力不足而損壞的愈來愈少，有些控制得力的甚至無因此原因而出現的損壞。