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如何提高变压器抗短路能力的方法和措施
2018-03-18
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变压器的抗短路能力强度是决定变压器可靠性的关键因素之一，在变压器的系统运行中，常常因为一些偶然、客观因素的存在，会导致变压器意外短路。因此，短路事故是不可能完全杜绝的，这就需要变压器具备一定抗短路能力，一方面可以保证变压器的正常使用寿命，另一方面可以提升电力系统的可靠性。
1 变压器短路的危害
变压器是所有电力系统中最为主要的电气设备，随着我国经济的进步，国内电网的容量也在不断上升，所安装的变压器台数不断增多，每台变压器的容量也在不断增大，若出现短路事故，城市将面临大面积的停电，不仅影响了人们的正常生活，还造成了大额的国民经济损失。变压器出口短路时，大额的短路电流经过变压器的绕组，这会产生极大的电动力。一旦变压器的抗短路能力不够，便会导致绕组变形，绕组饼间、匝间相互剧烈的运动，会造成变压器绝缘，引起内部短路。同时，巨大的短路电流在流经绕组时，会产生大额的损耗，让绕组发热，在短时间内温度骤升，导致变压器绝缘老化，绝缘结构遭到破坏，甚至可能熔断导线，这将严重缩短变压器的使用寿命，或直接损坏变压器。对此，国家及IEC标准都要求变压器具有一定的动、热稳定性，以保障变压器能够安全运行。分析近年来的国家电网公司变压器事故可以看出，电力变压器的事故主要原因是绕组的抗短路能力不足。现在各电力公司都将变压器的抗短路能力视为考核变压器制造方的硬指标，这也促使变压器的生产厂家不断在设计、工艺、原材料和工艺上采取各种措施来提高变压器的抗短路能力。
2 变压器的动稳定和热稳定
2.1 变压器的动稳定
在变压器的线圈中，无可避免的存在着漏磁场，这会造成线圈中的导线在磁场的作用下生成电动力，电动力会随着电流和漏磁场的变大而变大，当线圈短路时尤为严重。漏磁场可以分为辐向分量以及轴向分量，分别产生于线圈中的轴向力和辐向力。通过实践证明当短路时，轴向力和辐向力共同作用是造成变压器的线圈损坏最为主要的原因。轴向的漏磁场让线圈生成辐向力，辐向力让内线圈承受由外向内的压力，让外线圈承受由内向外的张力，详见下图1，内线圈导线受压且外线圈导线被拉长。
一般的导线抗拉能力比抗压能力要好得多，因此，绕组短路后会呈现出内线圈导线出现强制变形的情况，详见图2。辐向力还会导致内线圈产生螺旋形变，让线圈沿着直径方向收缩，这种情况在螺旋式内线圈中尤为明显。
辐向漏磁场会产生轴向力，而轴向力让内外线圈都承受轴向压力。若所有的线圈都中心对称放置，辐向漏磁将在内、外线圈中都产生轴向的压力，在内、外两个线圈均沿高度方向安匝均匀分布时轴向力将全部指向中间，并作用在中心线的垫块压力最大，如上图1所示；从图中可以看出，对称区域的轴向力大小相同，方向相反，所以在轴向上的合力约为零，并没有力作用在绕组外的结构件上。事实上，由于制造时的偏差或者绕组的干燥过程中的不均匀收缩会导致变压器的线圈在高度上会有一定的差异，同时，漏磁也会变得不再对称分布，同时，随着轴向上磁势不平衡加大，轴向力会迅速增大，所产生的轴向力向上、下铁轭方向，通过压板、托板、压紧装置传递到铁心夹件中。
2.2 变压器的热稳定
变压器所承受的短路热稳定，一般按国家标准规定的方法计算，通过计算，考核变压器在短路时的耐热能力。在计算式，短路电流持续的时间为2s，绕组起始温度设定在环境温度为：40℃，绕组温升为：65K，计算绕组的的平均温度，并与标准的规定值：铜绕组≤250℃、铝绕组≤200℃，进行比较。
3 从设计和工艺方面提高抗短路能力
变压器抗短路能力在很大程度上决定于设计、工艺以及制造。下面就变压器不同的部件在工程中常用的抗短路措施做简单的介绍
3.1 铁心
承受短路轴向力的变压器内部框架由铁心的拉板、上铁轭撑板、下铁轭的铁心垫脚以及上、下夹件等构成。为使内绕组能够紧附于该框架上，要严格控制铁心柱的垂直度；铁心叠片用环氧绑扎带进行固化绑扎，铁轭要用钢化拉带拉紧；短路的轴向力经过绕组的压紧装置和托板传递到铁心上夹件和下夹件的支撑件时要保证其有足够的强度。拉板是承受绕组短路时轴向力的主要部件，应采用低磁钢板制造。铁心的结构件要紧固到位，确保在受到短路力时，各个部件不会松动或者移位，用来提高整个铁心的强度。
3.2 线圈
线圈的设计应采用半硬铜导线或者半硬自粘换位线。绕制时保证辐向紧实，控制好辐向偏差。内线圈要带4mm厚度以上的厚硬纸筒整体绕制，在绕制歉，要先对硬纸筒进行干燥或者喷油处理，用以保证线圈在干燥后，硬纸筒不会收缩变形，保证线圈内撑条和纸筒的可靠接触。绕好的线圈在35MPa的压力下恒压干燥，同时在此压力下加减垫块，以保证同相线圈的高度，加减位置要经技术人员的认可，确保安匝平衡不会受到太大的影响。压装后进行喷油处理，以保证线圈不变形。
3.3 器身
器身要采用整套工艺，相间的空隙间加压装垫块，详见下图3。
线圈和端圈在整套完毕后在规定的压力下进行干燥、加压，并在一定的压力下套入铁心，不能只靠自身重量套入，内线圈和铁心之间的纸筒和调节用的纸板在套装前要进行干燥或喷油处理，同时进行有效的二次压紧。线圈在套装时各绕组的撑条与油隙撑条的沿辐要互相对正，绕组的垫块和上下端的垫块沿轴方向要相互对正，这样才能保证绕组之间，力的有效传递。压紧装置在采用压钉压紧结构时，压钉和压板之间的接触面比较小，所以在变压器短路时，短路力不能有效传递，通常会因为压紧装置的损坏而影响了变压器的抗短路能力。若用上图3所示的垫块压紧结构，那么垫块和压板间的有效接触面积就比压钉增大了3倍左右，在压装后，器身和铁心成为一个整体，可以有效的保证线圈的压紧以及短路力从绕组到铁心的传递，这样就可以有效的放置短路时绕组上蹿下跳的情况，从而提升了变压器的抗短路能力。
3.4 引线
进行引线电动力的计算，确保短路时不发生由于引线变形导致的事故；导线夹材质，除了由于电气距离要用层压纸板外，其他都选用层压木；附加绝缘填充要紧实，让引线与导线夹紧密接触，为避免短路时由于引线振动引起的导线夹开裂，务必保证引线夹持牢固。
3.5 其他
对于变压器的其他部件而言，也要充分考虑其抗短路能力；要对变压器的油箱进行强度计算，确保其能承受短路时油体积膨胀的压力。另一方面，变压器主要是由手工生产，因此，操作工艺上的分散性会对变压器的抗短路能力造成很大的影响，这就需要加强对操作者的培训，规范其操作，强化制造过程的管理，树立品质意识等都是提高变压器抗短路能力的重要措施之一。
4 结束语
以上便是提高变压器抗短路能力的方法和措施的介绍，只有从根本原因入手，才能提高变压器的抗短路能力，确保变压器的安全运行。
1 变压器短路的危害
变压器是所有电力系统中最为主要的电气设备，随着我国经济的进步，国内电网的容量也在不断上升，所安装的变压器台数不断增多，每台变压器的容量也在不断增大，若出现短路事故，城市将面临大面积的停电，不仅影响了人们的正常生活，还造成了大额的国民经济损失。变压器出口短路时，大额的短路电流经过变压器的绕组，这会产生极大的电动力。一旦变压器的抗短路能力不够，便会导致绕组变形，绕组饼间、匝间相互剧烈的运动，会造成变压器绝缘，引起内部短路。同时，巨大的短路电流在流经绕组时，会产生大额的损耗，让绕组发热，在短时间内温度骤升，导致变压器绝缘老化，绝缘结构遭到破坏，甚至可能熔断导线，这将严重缩短变压器的使用寿命，或直接损坏变压器。对此，国家及IEC标准都要求变压器具有一定的动、热稳定性，以保障变压器能够安全运行。分析近年来的国家电网公司变压器事故可以看出，电力变压器的事故主要原因是绕组的抗短路能力不足。现在各电力公司都将变压器的抗短路能力视为考核变压器制造方的硬指标，这也促使变压器的生产厂家不断在设计、工艺、原材料和工艺上采取各种措施来提高变压器的抗短路能力。
2 变压器的动稳定和热稳定
2.1 变压器的动稳定
在变压器的线圈中，无可避免的存在着漏磁场，这会造成线圈中的导线在磁场的作用下生成电动力，电动力会随着电流和漏磁场的变大而变大，当线圈短路时尤为严重。漏磁场可以分为辐向分量以及轴向分量，分别产生于线圈中的轴向力和辐向力。通过实践证明当短路时，轴向力和辐向力共同作用是造成变压器的线圈损坏最为主要的原因。轴向的漏磁场让线圈生成辐向力，辐向力让内线圈承受由外向内的压力，让外线圈承受由内向外的张力，详见下图1，内线圈导线受压且外线圈导线被拉长。
一般的导线抗拉能力比抗压能力要好得多，因此，绕组短路后会呈现出内线圈导线出现强制变形的情况，详见图2。辐向力还会导致内线圈产生螺旋形变，让线圈沿着直径方向收缩，这种情况在螺旋式内线圈中尤为明显。
辐向漏磁场会产生轴向力，而轴向力让内外线圈都承受轴向压力。若所有的线圈都中心对称放置，辐向漏磁将在内、外线圈中都产生轴向的压力，在内、外两个线圈均沿高度方向安匝均匀分布时轴向力将全部指向中间，并作用在中心线的垫块压力最大，如上图1所示；从图中可以看出，对称区域的轴向力大小相同，方向相反，所以在轴向上的合力约为零，并没有力作用在绕组外的结构件上。事实上，由于制造时的偏差或者绕组的干燥过程中的不均匀收缩会导致变压器的线圈在高度上会有一定的差异，同时，漏磁也会变得不再对称分布，同时，随着轴向上磁势不平衡加大，轴向力会迅速增大，所产生的轴向力向上、下铁轭方向，通过压板、托板、压紧装置传递到铁心夹件中。
2.2 变压器的热稳定
变压器所承受的短路热稳定，一般按国家标准规定的方法计算，通过计算，考核变压器在短路时的耐热能力。在计算式，短路电流持续的时间为2s，绕组起始温度设定在环境温度为：40℃，绕组温升为：65K，计算绕组的的平均温度，并与标准的规定值：铜绕组≤250℃、铝绕组≤200℃，进行比较。
3 从设计和工艺方面提高抗短路能力
变压器抗短路能力在很大程度上决定于设计、工艺以及制造。下面就变压器不同的部件在工程中常用的抗短路措施做简单的介绍
3.1 铁心
承受短路轴向力的变压器内部框架由铁心的拉板、上铁轭撑板、下铁轭的铁心垫脚以及上、下夹件等构成。为使内绕组能够紧附于该框架上，要严格控制铁心柱的垂直度；铁心叠片用环氧绑扎带进行固化绑扎，铁轭要用钢化拉带拉紧；短路的轴向力经过绕组的压紧装置和托板传递到铁心上夹件和下夹件的支撑件时要保证其有足够的强度。拉板是承受绕组短路时轴向力的主要部件，应采用低磁钢板制造。铁心的结构件要紧固到位，确保在受到短路力时，各个部件不会松动或者移位，用来提高整个铁心的强度。
3.2 线圈
线圈的设计应采用半硬铜导线或者半硬自粘换位线。绕制时保证辐向紧实，控制好辐向偏差。内线圈要带4mm厚度以上的厚硬纸筒整体绕制，在绕制歉，要先对硬纸筒进行干燥或者喷油处理，用以保证线圈在干燥后，硬纸筒不会收缩变形，保证线圈内撑条和纸筒的可靠接触。绕好的线圈在35MPa的压力下恒压干燥，同时在此压力下加减垫块，以保证同相线圈的高度，加减位置要经技术人员的认可，确保安匝平衡不会受到太大的影响。压装后进行喷油处理，以保证线圈不变形。
3.3 器身
器身要采用整套工艺，相间的空隙间加压装垫块，详见下图3。
线圈和端圈在整套完毕后在规定的压力下进行干燥、加压，并在一定的压力下套入铁心，不能只靠自身重量套入，内线圈和铁心之间的纸筒和调节用的纸板在套装前要进行干燥或喷油处理，同时进行有效的二次压紧。线圈在套装时各绕组的撑条与油隙撑条的沿辐要互相对正，绕组的垫块和上下端的垫块沿轴方向要相互对正，这样才能保证绕组之间，力的有效传递。压紧装置在采用压钉压紧结构时，压钉和压板之间的接触面比较小，所以在变压器短路时，短路力不能有效传递，通常会因为压紧装置的损坏而影响了变压器的抗短路能力。若用上图3所示的垫块压紧结构，那么垫块和压板间的有效接触面积就比压钉增大了3倍左右，在压装后，器身和铁心成为一个整体，可以有效的保证线圈的压紧以及短路力从绕组到铁心的传递，这样就可以有效的放置短路时绕组上蹿下跳的情况，从而提升了变压器的抗短路能力。
3.4 引线
进行引线电动力的计算，确保短路时不发生由于引线变形导致的事故；导线夹材质，除了由于电气距离要用层压纸板外，其他都选用层压木；附加绝缘填充要紧实，让引线与导线夹紧密接触，为避免短路时由于引线振动引起的导线夹开裂，务必保证引线夹持牢固。
3.5 其他
对于变压器的其他部件而言，也要充分考虑其抗短路能力；要对变压器的油箱进行强度计算，确保其能承受短路时油体积膨胀的压力。另一方面，变压器主要是由手工生产，因此，操作工艺上的分散性会对变压器的抗短路能力造成很大的影响，这就需要加强对操作者的培训，规范其操作，强化制造过程的管理，树立品质意识等都是提高变压器抗短路能力的重要措施之一。
4 结束语
以上便是提高变压器抗短路能力的方法和措施的介绍，只有从根本原因入手，才能提高变压器的抗短路能力，确保变压器的安全运行。
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