电力变压器短路故障检测及分析
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作者: 罗新辉
摘要：电力变压器运行时突发短路将产生比稳态短路还大的冲击电流，尽管变压器安装了过电流保护装置，但仍会在线圈上产生强大的冲击电磁力，将其移位和损伤，严重的还将使电力变压器发生爆炸和火灾。文章分析了变压器发生短路时的现象、使用仪器检测寻找原因以及对短路故障采取的处理方法。
关键词：电力变压器；短路故障；直流电阻测量；铁芯检查；变压器油；色谱分析法
中图分类号：TM407 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2011）34-0144-03
近些年电力系统容量不断增加，电网规模日益扩大，网络接线日趋复杂，发电机组和电力变压器都向大容量、高参数、高电压方向发展，系统短路电流也大大提高。运行中的变压器如果碰到低压母线与供电线路的各种短路事故，强大的短路电流会产生高温，高温将会使变压器损坏而停止运行，影响供电。据资料统计，最近几年来运行中的变压器由于外部短路而引起的事故明显多于从前，而且大多数故障使变压器严重损坏。
可见，为防止变压器出口短路事故的发生，很有必要分析变压器出口短路事故的原因、研究切实可行的对策、采取有针对性的防范措施。
一、电力变压器的发生短路故障的现象
变压器突然发生短路现象时，变压器的高压绕组与低压绕组可能会同时通过高于额定值十几倍的短路电流，这样会使变压器产生很大的热量，就会造成变压器的击穿损毁事件。变压器出口短路主要包括以下几种类型：单相接地、两相接地短路，两相短路，三相短路等。由相关统计可知，在中性点的接地系统当中，单相接地短路约占所有短路故障的65%，两相接地短路为15%～20%，两相短路约为10%～15%，三相短路约为5%，当变压器为三相短路时电流值最大。如果忽略了系统的阻抗对短路电流的影响，那么三相短路可以表达为：
I（3）dt=U/ Zt， Zt=IN/UN
式中：
I（3）dt ――三相短路的电流；
U ―― 变压器接入系统额定电压；
Zt ―― 变压器的短路阻抗；
IN ―― 变压器的额定电流；
UN ―― 变压器的短路电压百分数。
对于变压器来说，高压对中、低压的短路阻抗通常在10%～30%之间，而中压对低压的短路阻抗通常在10%以下。所以当变压器发生了短路故障的时候，强大的短路电流会导致变压器绝缘材料受热损坏。由此产生的电磁力将是正常状态的上百倍，如此强大的电磁力可能会使紧固件、铁芯、线圈等都受到非常大的冲击，具体表现为：（1）线圈发热向外膨胀变形，甚至烧毁发生火灾或爆炸；（2）线圈上下串动；（3）油道松动；（4）铁芯变形 、松动，冲片之间接缝变大，呈现鼓肚现象；（5）端部绝缘破裂；（6）导线绝缘受损伤；（7）铜铝接头断裂，焊缝断裂等。
二、变压器短路故障的检查及处理
处理变压器的短路故障，首先要通过检查测试找出故障的原因；其次就是找出原因后的处理过程。具体程序如下：
当变压器发生了短路故障的时候，其短路电流非常大，在其保护装置还不能马上断开断路器的时间内，短路的电流将会在变压器绕组上产生极大的作用力，而这个作用力的大小与变压器的电流的平方是成正比的。所以，当变压器发生了短路故障以后，工作人员应当重点检查绕组变形情况、吸收比测量和绕组绝缘电阻测量。绝缘电阻测试主要是为了判断变压器受物理化学作用和潮湿、污秽等对其绝缘性能的影响，此测试能够明确反映出变压器的缺陷，是变压器的主要参考因素。其中，额定电压1000V以上的绕组使用2500V的兆欧表，额定电压小于等于1000V的则使用1000V的兆欧表。变压器是否发生故障将从以下几个方面进行测量：
（一）变压器的直流电阻测量
变压器的绕组直流电阻试验能够便捷的考察绕组的完整性和电流回路的连接状况，也能看出绕组匝间短路、绕组断股、分接开关接触状态以及导线电阻差异与接触不良等故障，同时也能够分辨出各相绕组的直流电阻平衡度、调压档位的接触正确与否。在变压器的检修与维护过程中，变压器绕组的直流电阻试验被公认为是考察其纵绝缘水平的主要方法之一（纵绝缘是指线圈两端和线圈匝间的绝缘）。因为绕组在变压器的内部，所以绕组故障的检测与检修都较为困难。工作人员可以通过使用变压器绕组变形测试仪对其内部绕组的参数进行测量，由此对发生的故障作出相应的判断。绕组变形测试仪的原理是：将变压器的内部绕组参数在不同频域的响应变化经量化处理后，根据参数变化量值的大小、频响变化的幅度、区域和频响变化的趋势等来检测其内部绕组的变化，从而确定变压器被破坏的程度。
（二）铁芯与夹件的检查
首先，工作人员应当检查铁芯紧固螺栓是否有松动，铁芯部分是否熔化或者烧灼，引线是否有疤点，是否有接触不良、断裂等现象，查看顶盖引出线是否发热，盖上分接头符号与线圈抽头能否吻合。
其次，工作人员应当及时清理锈迹及尘污，包括铁芯底部、铁芯夹件等。应当通过绝缘检测表检查变压器的绝缘情况。
由于铁芯与夹件是绝缘的，所以需用铝箔将铁芯和夹件连接才能使铁芯通过夹件接地。铁芯接地的故障判断如下：
1．测量铁芯的绝缘电阻：当解开其接地点，铁芯的绝缘电阻为零或很小，就可以判断为铁芯接地故障。
2．考察接地线的环流：假如为小套管引起的接地故障，则可以通过测量接地线中是否有环流来判断故障原因。假如环流存在，则需要停用变压器，测量铁芯的绝缘电阻。
3．色谱分析法：利用气相色谱分析仪对油中的含气量和成分进行检验和分析，也是一种判断铁芯接地情况的方法。
当变压器存在铁芯接地这种故障时，变压器的油的气相色谱分析一般有如下特点: 总烃的含量超过规定值（150μL/L），乙烯（C2H4）甲烷，（C2H2）含量偏低或者没有。如果乙炔超过150μL/L，那么有可能动态存在接地故障。
工作人员可以将以上方法综合起来使用来检测铁芯接地情况，同时也应该检查绝缘薄弱的重点位置的外观情况，如果有放电痕迹和明显接地点的就使用工具敲打夹件，并使用摇表测量绝缘电阻。
还应当检查铁芯和内部连接件的情况：
1．观察铁轭芯片是否牢固。
2．检查铁芯和穿芯螺杆的绝缘，检查拉板和拉板连接件；检查穿芯螺杆的外部受损程度。
3．当变压器发生短路的故障时，夹件和压板中间也有可能是因为发生了错位移动，使得压钉上的铁轭和压板接地的连接片损坏，或者造成连接片由于电力过大而被烧坏，所以工作人员不仅应当查看变压器的压板压钉状况是否良好，还应该查看上铁轭和压钉的接地状况是否良好，连接是否可靠。
（三）变压器油及气体的分析
当变压器发生短路故障时，将会产生短路电流的冲击，大量的瓦斯气体将会生成。这将会造成瓦斯气体继电器开始工作，所以工作人员在变压器发生事故以后可以将气体继电器里的气体与变压器里的油进行测试化验，通过测试数据即可确定变压器事故的原因及性质。
变压器的油色谱在线监测系统是通过实践和完善传统色谱分析技术，并且结合了色谱分析技术开发的变压器油色谱在线监测系统，可以同时监测H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C2H2 等6种故障特征气体。工作人员通过对气体的分析监测，可以及时地捕捉到变压器的故障信息，也就可以有效指导设备的运行和检修。通过对变压器短路故障发生后的气体继电器里气体与变压器里的油测量化验，就能得知油质的优劣和变压器的故障情况。通过如上方法，能够判断变压器是否有短路故障，也能使工作人员迅速做出决定该如何进行处理此次故障，从而尽快补救修复，以最快的时间恢复供电。
三、减少变压器短路故障的措施
（一）优化选型
工作人员应当选择短路试验合格的变压器，合理决定变压器容量，合理选择变压器短路阻抗。
（二）优化运行条件
首先，一定要提升电力线路绝缘水平，尤其是将变压器出线一定距离的绝缘水平提高；第二，应当重视电缆质量；第三，应当防止发生拒分，提升对开关的质量。
（三）优化运行方式
当确定确定运行方式时，必须要核算变压器的短路电流，并且要降低短路电流的损害。比如使用装备用电源自投装置后开环运行，用来降低短路电流以及简化保护的配置；对故障发生率高的非重要出线，工作人员可以考虑退出重合闸保护。
四、结论
变压器如果发生了短路故障，强大的短路电流将造成严重危害，影响电网安全。只有在事故发生后进行详细测量和分析，才可以准确地找出发生事故的性质及原因，提出合理的解决处理办法，才能使故障尽快得到解决。工作人员应当采取系统性的防范措施来降低变压器发生短路的几率以及短路电流，并且需要使用自身抗短路冲击能力较高的变压器，才能够保证设备的安全运行。
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（责任编辑：刘 晶）
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