电力变压器承受短路能力的比较研究_初稿完整版
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电力变压器承受短路能力的比较研究
刘军，张安红 （杭州钱江电气集团股份有限公司，浙江 杭州 311243）
摘要 以通过 KEMA 突发短路试验的 110kV、220kV 电力变压器为例，参考国标给出评估
方法及详细校核计算公式， 利用漏磁场软件详细计算绕组短路电磁力及应力， 针对轴向动态、 静态力差异引入短路轴向力系数，为对比验证在运变压器短路能力提供依据。
4
闸会使 k 2 增大 10%。
1
图 1 25MVA 以上变压器短路试验 Fig.1 KEMA Transformer >25MVA Short circuit test
国内外变压器厂均开展了抗短路能力方面的相关研究， 形成各自的核算模型， 很多模型 不具备通用性， 不利于电网企业对在运变压器开展统一核算与分析工作。 结合变压器短路成 功和失败案例，综合考虑运行短路的累计效应，有针对性开展变压器抗短路能力校核评估， 有利于制造厂和运行单位准确掌握变压器性能， 制定防止变压器短路损坏的详细措施， 合理 安排运维、技改、大修和更新策略，保障电网主设备安全可靠运行。 基于变压器短路计算无统一校核计算方法， 无法有效验证。 本文对评估方法、 短路电流、 漏磁和短路力、 力和应力评估进行分析， 以通过 KEMA 突发短路试验的 SSZ11-50MVA/110、 SFPSZ11-180MVA/220 变压器为参考，参考国标给出校核公式和改进评估验证方法，利用漏 磁场软件详细计算绕组短路电磁力及应力， 针对轴向动态、 静态力差异引入短路轴向力系数， 考虑导体永久变形和累计效应，为对比验证在运变压器短路能力提供依据。
3
对三绕组变压器，要分别考虑高压最负、额定、最正不同分接运行状态。以 SSZ11-50000/110（试品 1）为例，相关参数如下： ① 额定容量：50000/50000/50000kVA； ② 额定电压及调压范围： 110 8 1.25% / 37 / 10.5kV ； ③ 额定电流：262.4/780.2/2749.3A； ④ 联结组别：YNyn0d11； ⑤ 短路阻抗：试验实测 MV-LV 6.77%，HV17-MV 10.32%，HV17-LV 18.89%。 按照国标 GB1094.5，根据正序、负序和零序阻抗分别计算短路电流，计算中三柱零序 阻抗系数为 0.85，五柱零序阻抗系数为 1。三相短路、单相对地短路、两相对地短路和两相 短路电流峰值计算见下表 1。
2
行检查。 如果一台变压器与另一台被当作参考变压器的下列特征相同， 则该台变压器被看作与参 考变压器相类似： ——运行方式相同，如为发电机升压变压器、配电变压器、联络变压器； ——设计结构相同，如为干式、油浸式、带有同心绕组的心式、 圆形线圈、非圆形线 圈； ——绕组排列和几何分区顺序相同； ——绕组导线材质相同，如为铝、软铜或硬铜、金属箔、圆线、扁线、自粘换位导线、 自粘复合导线； ——绕组类型相同，如为螺旋式、连续式、层式、饼式； ——短路容量为参考变压器的 30%～130%； ——短路时轴向力和绕组应力不超过参考变压器的 120%； ——制造工艺过程相同； ——固定和支撑方式相同。 满足下列各项要求并适合于按规定条件作对比用的变压器称为参考变压器。 · 其性能参数被认为与待评估变压器相类似； · 其设计所用的计算方法和机械力耐受准则基本上与待评估变压器相同； · 其生产中所依据的操作规范、质量保证和控制规范基本上与待评估变压器相同； · 设计中所采用的短路强度技术规范的有效范围包括了这两台变压器的性能参数。 参考变压器应是短路试验合格的变压器。参考变压器的确认步骤如下： · 检查是否适用于上述对比目的； · 检查短路试验报告； · 确认主要电磁设计数据、所作的计算和设计所采用的机械力耐受准则； · 确认生产操作规范、质量保证和质量控制规范。 在变压器评估中， 一种是将其与一台短路试验合格的参考变压器进行对比； 另一种方法 则是对短路强度设计对照国标进行检查；本文将这两种方法有机结合。
表 1 SSZ-50000/110 变压器 HV17-MV 分接短路电流峰值（试品 1） Table 1 Short circuit current of SSZ-50000/110 HV17-MV Tap (No.1)
峰值电流 短路类型 中压三相 中压 Am 对地 Bm 和 Cm 相 Bm 和 Cm 相对地 A 6.375 6.767 0 2.470
Key words: Short
1 引言
circuit; Short circuit current; Design review; Electromagnetic stress and
strength；Reference transformer
中国正在构建安全可靠、 经济高效的电网， 未来将形成由四个同步电网 （“三华”电网、 东北电网、西北电网和南方电网）异步联接构成的全国互联电网。特别是全国互联电网后， 短路容量增大，出口短路或近区短路对变压器危害将更大。此外，风电等新能源并网对短路 也有新要求， 并网点电压跌落为 20%时要求短路穿越时间 0.625s； 核电站主变还要求短路持 续时间为 6s。无论是电力变压器，还是风电变压器或核电变压器，它们都要求优异的抗短 路能力。 根据近 5 年国网公司系统变压器事故原因统计分析， 抗短路能力不足是造成变压器损坏 的首要原因。如何确保变压器的抗短路能力，其一是对变压器做短路试验；如一台 110kV、 220kV 变压器包含短路在内的 KEMA 试验费分别要一百多万、二百多万，这还不含运费。 在国内，进行短路试验的产品，近几年已由制造厂送检转变为网省公司抽检。其二要重视事 故经验记录， 总结经验参数并将其深入应用在制造厂所使用的设计软件中， 使设计工作建立 在大量经验参数基础上。要想获得精确、可靠的参数，必须投入大量分析验证工作方可。 由 于运输尺寸、时间和资金限制，有些特大容量变压器进行短路试验很困难。 图 1 为 1996-2010 年荷兰 KEMA 试验室统计 25MVA 以上容量变压器短路试验。图 1 中，短路试验的变压器每年递增，顺利通过短路试验的变压器与容量关系不太大，25MVA 以上变压器短路试验通过率为 74%。
高压(kA) B 6.375 -1.671 5.521 6.684 C 6.375 -1.671 5.521 6.684 Am 17.057 -22.577 0 0
中压(kA) Bm 17.057 0 14.771 22.289 Cm 17.057 0 14.771 22.289 a 0 9.095 0 13.448
关键词 短路；短路电流；设计评估；电磁力和应力；参考变压器
Comparative Study of the Ability of Power Transformer to Withstand Short Circuit
Liu Jun，Zhang An-hong (Hangzhou Qiantang River Electric Group Co., Ltd, Hangzhou,311243,China) Abstract: 110kV and 220kV power transformers had successfully passed KEMA short circuit tests, The paper are listed modified force and stress design review formulae . According to every segment, The transformers force are calculated by finite element leakage flux,Windings dynamic short circuit electromagnetic forces and stress are analyzed and approved. Based on axial dynamic force, Some adjust factors are pare results of calculation and design review are presented.
表4sz一50000110短路力对比matlab磁场镜fld漏磁场两者有限元静态偏差像动态力xl05n力x105n最大辐向力221215279低压绕组2021246290最大轴向力2081286250最大辐向力193232168l高压绕组183o9010333最大轴向力19709710310轴向一阶二阶特征频率126hz310hz辐向一阶二阶特征频率1940011z20600hz5应力评估变压器在短路故障时其损坏主要有辐向失稳轴向失稳和引线固定失稳三种适当考虑导体永久变形和累计效应为便于后续计算和分析现分别给出详细计算评估公式
3 短路电流
外部短路包含三相短路（或三相对地短路） 、单相对地短路、两相对地短路和两相短路 四种。不同短路故障中，三相短路占 8%，单相对地短路占 70%，两相对地短路占 10%，两 相短路占 12%。虽然计算中单相对地短路电流超过三相短路电流，但是系统短路容量单相 小于三相，通常三相短路还是认为最严重的短路状态。 抗短路能力核算时， 应重点开展变压器各侧可承受短路电流及系统各侧短路电流， 短路 核算时应针对三圈、两圈分别考虑。若有条件，则应该按照实际运行网络阻抗、开关分接位 置、 限流电抗器等具体参数来计算实际短路电流。 在设计中要对变压器在运行过程中各种可 能短路情况进行计算，并考虑最严重的运行情况。 参考文献【3】第 6 章：故障电流分析，利用 MATLAB 软件分别编制双绕组、三绕组 电力变压器短路电流计算程序。
低压(kA) b 0 9.095 0 13.448 c 0 9.095 0 13.448
表 1 中， 中压三相短路， 中压短路电流 17.057kA； 中压 Am 对地短路， Am 电流 22.577kA， 比三相短路电流增加约 32%，是最严重短路状态；Bm 和 Cm 对地短路，Bm 和 Cm 短路电流为 22.289kA，比三相短路电流增加约 31%，与中压 Am 对地短路接近。 若考虑中压接电源、低压三相短路，则中压电流 24.518kA，低压电流 86.398kA，此时 低压已没有合适的断路器供选择，建议从系统角度考虑增加电抗器等限制短路电流。 以 SFPSZ10-180000/220（试品 3）为例，部分参数如下： ① 额定容量：180000/180000/90000kVA； ② 额定电压及调压范围： 220 8 1.25% / 121 / 10.5kV ； ③ 额定电流：472.4/858.9/4948.7A； ④ 联结组别：YNyn0d11； ⑤ 短路阻抗：试验实测 MV-LV 8.94%，HV17-MV 13.57%，HV17-LV24.45%。 按照国标 GB1094.5，三相短路、单相对地短路、两相对地短路和两相短路电流峰值计 算见下表 2。 表 2 中， 中压三相短路， 中压短路电流 14.210kA； 中压 Am 对地短路， Am 相电流 18.512kA， 比三相短路电流增加约 30%。在中压侧两相对地短路时，低压绕组有短路电流 35.018kA。 若低压半容量，其短路机械强度要重点考虑。 短路试验中为预先短路，实际产品运行中多为后置短路。例如某 SFSZ9-90000/220 电力 变压器，短路故障录波图短路电流，换算其峰值系数 2.0 2 2.83 ，KEMA 试验统计峰值 系数最大为 3，这与铁心励磁有关。计算短路电流峰值时，力核算模型主要考虑变压器出厂时的设计、材质和工艺相关的因素。 国家标准《GB1094.5-2008 电力变压器 第 5 部分：承受短路的能力》规定电力变压器 在由外部短路引起的过电流作用下应无损伤要求，其实施日期为 2009 年 6 月 1 日，其中对 于材料和部件许用力和应力的限值规定有很大变化。 附录 A 叙述电力变压器承受过电流的耐 热能力的计算和承受相应动稳定能力的特殊试验和理论计算评估方法。 电力变压器承受短路动稳定能力的理论评估， 是由对其主要机械强度特征进行设计评审 构成。 设计评审应检查在规定的短路故障条件下， 产品设计中所出现的最大临界机械力和应 力的数值， 并将这些数值或是与一台短路试验合格的、 且被认为与待评估变压器相类似的参 考变压器的相对应数值进行比较， 或是对照制造单位的短路强度设计规范对待评估变压器进
刘军，张安红 （杭州钱江电气集团股份有限公司，浙江 杭州 311243）
摘要 以通过 KEMA 突发短路试验的 110kV、220kV 电力变压器为例，参考国标给出评估
方法及详细校核计算公式， 利用漏磁场软件详细计算绕组短路电磁力及应力， 针对轴向动态、 静态力差异引入短路轴向力系数，为对比验证在运变压器短路能力提供依据。
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闸会使 k 2 增大 10%。
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图 1 25MVA 以上变压器短路试验 Fig.1 KEMA Transformer >25MVA Short circuit test
国内外变压器厂均开展了抗短路能力方面的相关研究， 形成各自的核算模型， 很多模型 不具备通用性， 不利于电网企业对在运变压器开展统一核算与分析工作。 结合变压器短路成 功和失败案例，综合考虑运行短路的累计效应，有针对性开展变压器抗短路能力校核评估， 有利于制造厂和运行单位准确掌握变压器性能， 制定防止变压器短路损坏的详细措施， 合理 安排运维、技改、大修和更新策略，保障电网主设备安全可靠运行。 基于变压器短路计算无统一校核计算方法， 无法有效验证。 本文对评估方法、 短路电流、 漏磁和短路力、 力和应力评估进行分析， 以通过 KEMA 突发短路试验的 SSZ11-50MVA/110、 SFPSZ11-180MVA/220 变压器为参考，参考国标给出校核公式和改进评估验证方法，利用漏 磁场软件详细计算绕组短路电磁力及应力， 针对轴向动态、 静态力差异引入短路轴向力系数， 考虑导体永久变形和累计效应，为对比验证在运变压器短路能力提供依据。
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对三绕组变压器，要分别考虑高压最负、额定、最正不同分接运行状态。以 SSZ11-50000/110（试品 1）为例，相关参数如下： ① 额定容量：50000/50000/50000kVA； ② 额定电压及调压范围： 110 8 1.25% / 37 / 10.5kV ； ③ 额定电流：262.4/780.2/2749.3A； ④ 联结组别：YNyn0d11； ⑤ 短路阻抗：试验实测 MV-LV 6.77%，HV17-MV 10.32%，HV17-LV 18.89%。 按照国标 GB1094.5，根据正序、负序和零序阻抗分别计算短路电流，计算中三柱零序 阻抗系数为 0.85，五柱零序阻抗系数为 1。三相短路、单相对地短路、两相对地短路和两相 短路电流峰值计算见下表 1。
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行检查。 如果一台变压器与另一台被当作参考变压器的下列特征相同， 则该台变压器被看作与参 考变压器相类似： ——运行方式相同，如为发电机升压变压器、配电变压器、联络变压器； ——设计结构相同，如为干式、油浸式、带有同心绕组的心式、 圆形线圈、非圆形线 圈； ——绕组排列和几何分区顺序相同； ——绕组导线材质相同，如为铝、软铜或硬铜、金属箔、圆线、扁线、自粘换位导线、 自粘复合导线； ——绕组类型相同，如为螺旋式、连续式、层式、饼式； ——短路容量为参考变压器的 30%～130%； ——短路时轴向力和绕组应力不超过参考变压器的 120%； ——制造工艺过程相同； ——固定和支撑方式相同。 满足下列各项要求并适合于按规定条件作对比用的变压器称为参考变压器。 · 其性能参数被认为与待评估变压器相类似； · 其设计所用的计算方法和机械力耐受准则基本上与待评估变压器相同； · 其生产中所依据的操作规范、质量保证和控制规范基本上与待评估变压器相同； · 设计中所采用的短路强度技术规范的有效范围包括了这两台变压器的性能参数。 参考变压器应是短路试验合格的变压器。参考变压器的确认步骤如下： · 检查是否适用于上述对比目的； · 检查短路试验报告； · 确认主要电磁设计数据、所作的计算和设计所采用的机械力耐受准则； · 确认生产操作规范、质量保证和质量控制规范。 在变压器评估中， 一种是将其与一台短路试验合格的参考变压器进行对比； 另一种方法 则是对短路强度设计对照国标进行检查；本文将这两种方法有机结合。
表 1 SSZ-50000/110 变压器 HV17-MV 分接短路电流峰值（试品 1） Table 1 Short circuit current of SSZ-50000/110 HV17-MV Tap (No.1)
峰值电流 短路类型 中压三相 中压 Am 对地 Bm 和 Cm 相 Bm 和 Cm 相对地 A 6.375 6.767 0 2.470
Key words: Short
1 引言
circuit; Short circuit current; Design review; Electromagnetic stress and
strength；Reference transformer
中国正在构建安全可靠、 经济高效的电网， 未来将形成由四个同步电网 （“三华”电网、 东北电网、西北电网和南方电网）异步联接构成的全国互联电网。特别是全国互联电网后， 短路容量增大，出口短路或近区短路对变压器危害将更大。此外，风电等新能源并网对短路 也有新要求， 并网点电压跌落为 20%时要求短路穿越时间 0.625s； 核电站主变还要求短路持 续时间为 6s。无论是电力变压器，还是风电变压器或核电变压器，它们都要求优异的抗短 路能力。 根据近 5 年国网公司系统变压器事故原因统计分析， 抗短路能力不足是造成变压器损坏 的首要原因。如何确保变压器的抗短路能力，其一是对变压器做短路试验；如一台 110kV、 220kV 变压器包含短路在内的 KEMA 试验费分别要一百多万、二百多万，这还不含运费。 在国内，进行短路试验的产品，近几年已由制造厂送检转变为网省公司抽检。其二要重视事 故经验记录， 总结经验参数并将其深入应用在制造厂所使用的设计软件中， 使设计工作建立 在大量经验参数基础上。要想获得精确、可靠的参数，必须投入大量分析验证工作方可。 由 于运输尺寸、时间和资金限制，有些特大容量变压器进行短路试验很困难。 图 1 为 1996-2010 年荷兰 KEMA 试验室统计 25MVA 以上容量变压器短路试验。图 1 中，短路试验的变压器每年递增，顺利通过短路试验的变压器与容量关系不太大，25MVA 以上变压器短路试验通过率为 74%。
高压(kA) B 6.375 -1.671 5.521 6.684 C 6.375 -1.671 5.521 6.684 Am 17.057 -22.577 0 0
中压(kA) Bm 17.057 0 14.771 22.289 Cm 17.057 0 14.771 22.289 a 0 9.095 0 13.448
关键词 短路；短路电流；设计评估；电磁力和应力；参考变压器
Comparative Study of the Ability of Power Transformer to Withstand Short Circuit
Liu Jun，Zhang An-hong (Hangzhou Qiantang River Electric Group Co., Ltd, Hangzhou,311243,China) Abstract: 110kV and 220kV power transformers had successfully passed KEMA short circuit tests, The paper are listed modified force and stress design review formulae . According to every segment, The transformers force are calculated by finite element leakage flux,Windings dynamic short circuit electromagnetic forces and stress are analyzed and approved. Based on axial dynamic force, Some adjust factors are pare results of calculation and design review are presented.
表4sz一50000110短路力对比matlab磁场镜fld漏磁场两者有限元静态偏差像动态力xl05n力x105n最大辐向力221215279低压绕组2021246290最大轴向力2081286250最大辐向力193232168l高压绕组183o9010333最大轴向力19709710310轴向一阶二阶特征频率126hz310hz辐向一阶二阶特征频率1940011z20600hz5应力评估变压器在短路故障时其损坏主要有辐向失稳轴向失稳和引线固定失稳三种适当考虑导体永久变形和累计效应为便于后续计算和分析现分别给出详细计算评估公式
3 短路电流
外部短路包含三相短路（或三相对地短路） 、单相对地短路、两相对地短路和两相短路 四种。不同短路故障中，三相短路占 8%，单相对地短路占 70%，两相对地短路占 10%，两 相短路占 12%。虽然计算中单相对地短路电流超过三相短路电流，但是系统短路容量单相 小于三相，通常三相短路还是认为最严重的短路状态。 抗短路能力核算时， 应重点开展变压器各侧可承受短路电流及系统各侧短路电流， 短路 核算时应针对三圈、两圈分别考虑。若有条件，则应该按照实际运行网络阻抗、开关分接位 置、 限流电抗器等具体参数来计算实际短路电流。 在设计中要对变压器在运行过程中各种可 能短路情况进行计算，并考虑最严重的运行情况。 参考文献【3】第 6 章：故障电流分析，利用 MATLAB 软件分别编制双绕组、三绕组 电力变压器短路电流计算程序。
低压(kA) b 0 9.095 0 13.448 c 0 9.095 0 13.448
表 1 中， 中压三相短路， 中压短路电流 17.057kA； 中压 Am 对地短路， Am 电流 22.577kA， 比三相短路电流增加约 32%，是最严重短路状态；Bm 和 Cm 对地短路，Bm 和 Cm 短路电流为 22.289kA，比三相短路电流增加约 31%，与中压 Am 对地短路接近。 若考虑中压接电源、低压三相短路，则中压电流 24.518kA，低压电流 86.398kA，此时 低压已没有合适的断路器供选择，建议从系统角度考虑增加电抗器等限制短路电流。 以 SFPSZ10-180000/220（试品 3）为例，部分参数如下： ① 额定容量：180000/180000/90000kVA； ② 额定电压及调压范围： 220 8 1.25% / 121 / 10.5kV ； ③ 额定电流：472.4/858.9/4948.7A； ④ 联结组别：YNyn0d11； ⑤ 短路阻抗：试验实测 MV-LV 8.94%，HV17-MV 13.57%，HV17-LV24.45%。 按照国标 GB1094.5，三相短路、单相对地短路、两相对地短路和两相短路电流峰值计 算见下表 2。 表 2 中， 中压三相短路， 中压短路电流 14.210kA； 中压 Am 对地短路， Am 相电流 18.512kA， 比三相短路电流增加约 30%。在中压侧两相对地短路时，低压绕组有短路电流 35.018kA。 若低压半容量，其短路机械强度要重点考虑。 短路试验中为预先短路，实际产品运行中多为后置短路。例如某 SFSZ9-90000/220 电力 变压器，短路故障录波图短路电流，换算其峰值系数 2.0 2 2.83 ，KEMA 试验统计峰值 系数最大为 3，这与铁心励磁有关。计算短路电流峰值时，力核算模型主要考虑变压器出厂时的设计、材质和工艺相关的因素。 国家标准《GB1094.5-2008 电力变压器 第 5 部分：承受短路的能力》规定电力变压器 在由外部短路引起的过电流作用下应无损伤要求，其实施日期为 2009 年 6 月 1 日，其中对 于材料和部件许用力和应力的限值规定有很大变化。 附录 A 叙述电力变压器承受过电流的耐 热能力的计算和承受相应动稳定能力的特殊试验和理论计算评估方法。 电力变压器承受短路动稳定能力的理论评估， 是由对其主要机械强度特征进行设计评审 构成。 设计评审应检查在规定的短路故障条件下， 产品设计中所出现的最大临界机械力和应 力的数值， 并将这些数值或是与一台短路试验合格的、 且被认为与待评估变压器相类似的参 考变压器的相对应数值进行比较， 或是对照制造单位的短路强度设计规范对待评估变压器进