CN109581134A - 一种在运电力变压器抗短路能力综合评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在运电力变压器抗短路能力综合评估方法，它包括步骤1、运行情况评估：从运行年限、短路冲击持续时间、短路冲击次数和短路冲击电流大小四个因素对在运变压器绕组抗短路能力累积效应的进行评价；步骤2、绕组变形相关试验评估：采用低电压阻抗法、频率响应法和绕组间电容测量法进行变压器绕组变形情况评估；步骤3、在运变压器抗短路校核；步骤4、根据步骤1‑3的评估结果进行综合评估分析；解决了现有技术针对在运电力变压器抗短路能力综合评估存在的未考虑实际运行情况和周期预试情况影响因素，当在运老旧变压器难以获得结构参数时，没有给出评估思路和方法等技术问题。

Description

一种在运电力变压器抗短路能力综合评估方法

技术领域：

本发明属于电力系统电力变压器安全运行与事故防范领域，尤其涉及一种在运电力变压器抗短路能力综合评估方法。

背景技术：

电力变压器在突发短路情况下，绕组中会产生巨大的短路力，因此尤为重要的是变压器的抗短路能力。如果变压器设计或工艺措施不完善，抗短路能力不够的话，轻则使绕组绝缘及结构件受损，影响变压器的绝缘性能，重则使绕组松散、扭转、变形、导线折断或由于绝缘损坏引起匝间短路使绕组烧毁。一台大型电力变压器在系统运行时如发生短路损坏，则会导致大面积的停电，其检修期也要半年以上，将会造成巨大的损失。近年来对全国110kV及以上电压等级电力变压器事故统计分析表明，因抗短路抗短路能力不够引起的事故已成为电力变压器事故的首要原因，严重影响了电力变压器的安全、可靠运行。短路损坏已成为引起变压器事故的首要原因，为减小变压器短路损坏造成损失，必须防止和减少变压器故障和事故，有必要对在运变压器的承受短路能力进行综合评估。

当前针对电力变压器抗短路能力的综合评估方法方面的研究相关的专利申请主要包括：专利申请名称“一种基于绕组变形状态诊断的变压器抗短路能力评估方法”(CN201710764425)介绍了根据绕组变形和低电压阻抗方法评估绕组变形结果，并按照GB1094.5要求计算变压器短路轴向、辐向应力和安全系数，进而对变压器绕组评估其再次发生三相对称短路时的抗短路能力。历史冲击对变压器绕组累积性效应的影响，采用的时Miner理论。用“模型修正的方法逆向求解短路前后变压器绕组等效电路电感的变化量及电容的变化量”，“采用有限元方法计算变压器绕组的变形量及变形类型与变压器绕组等效电路电感变化量及电容变化量的对应关系“通过频率响应曲线偏差诊断变压器绕组变形量及变形类型，然后再根据变压器绕组的变形量及变形类型构建变形后的变压器绕组模型”，方法非常模糊，没有给出具体实施方法。

专利申请名称为“变压器抗短路能力综合管治方法” (CN201810438904)关于变压器抗短路能力方面仅采用系统短路电流与厂家设计值进行比较，对于没有出厂设计值的老旧变压器不适用；关于系统短路电流计算方法不严谨，特变时系统短路阻抗的计算；权利要求1中关于变压器是否发预警仅由现场工作人员决议，未建立相应量化的评价指标，主观影响因素过大。

专利申请名称为“一种在运变压器抗短路能力的评估方法” (CN201710386048)介绍了通过变压器的结构参数计算耐受电流，并通过与系统最大短路电流比较来评估变压器抗短路能力，但该专利未考虑实际运行情况和周期预试情况影响因素，当在运老旧变压器难以获得结构参数时，没有给出评估思路和方法。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是：提供一种在运电力变压器抗短路能力综合评估方法，以解决现有技术针对在运电力变压器抗短路能力综合评估存在的未考虑实际运行情况和周期预试情况影响因素，当在运老旧变压器难以获得结构参数时，没有给出评估思路和方法等技术问题。

本发明的技术方案是：

一种在运电力变压器抗短路能力综合评估方法，它包括：

步骤1、运行情况评估：从运行年限、短路冲击持续时间、短路冲击次数和短路冲击电流大小四个因素对在运变压器绕组抗短路能力累积效应的进行评价；

步骤2、绕组变形相关试验评估：采用低电压阻抗法、频率响应法和绕组间电容测量法进行变压器绕组变形情况评估；

步骤3、在运变压器抗短路校核：对采集到变压器结构参数的变压器，采用TOK验证软件和ELDINST软件进行校核；没有结构参数的变压器，采用四同原则进行推测评估；

步骤4、根据步骤1-3的评估结果进行综合评估分析。

步骤3所述对采集到变压器结构参数的变压器，采用TOK验证软件和ELDINST软件进行校核的方法为：首先通过TOK验证软件，对变压器短路电流进行计算；将该结果结合系统容量或系统阻抗计算出各个分接情况下的稳态短路电流及非对称短路电流；然后对变压器进行整体建模运用YOKEBEAM软件计算出压钉、器身垫块、压板、托板承压结构的刚度系数；最后运用ELDINST软件计算出变压器的固有频率以及变压器轴向及辐向的漏磁分布，及在该磁场分布下轴向和辐向短路力及安全系数。

安全系数的计算方法为：采用迭代的动态计算方法考虑受力变化引起的材料性能变化，绕组的变形引起的绕组刚度的变化，并以时间为主线，计算不同时刻振形、受力及变形状态，并选取最严重状态计算安全系数；以时间为主线，计算不同时刻的电流大小对变压器的影响，从各个时刻的计算结果中选取最恶劣的情况来计算安全系数。

短路力的计算方法为：根据变压器不同运行工况得到变压器抗短路能力计算模式，并分别对各种模式进行验证，采用有限元的方法对漏磁环境下的绕组受力进行分析，采用动态的方法计算短路电流和漏磁场环境相互作用下而产生的短路力。

根据步骤1-3的评估结果进行综合评估分析的方法为：在运变压器抗短路能力综合评估原则以打分形式进行精确评价；综合评估的评价分数最高极限分为100分，变压器抗短路能力越强，得分越低；抗短路能力越弱，得分越高；占综合评估权重的50％；系统运行情况即历史冲击情况对变压器绕组的影响占综合评估权重的30％；变压器绕组变形测试结果占综合评估权重的20％。

本发明有益效果：

本发明通过对电力变压器抗短路能力的影响因素进行分析，从短路校核、系统运行和试验情况三个方面，建立了在运变压器抗短路能力综合评估基本框架。

在运变压器抗短路校核结果可直接反应变压器承受短路能力。针对收集到结构参数的变压器，采用专业变压器短路软件进行校核；对没有结构参数的变压器，采用四同原则进行推测评估。根据校核结果，按校核结果中最严重的绕组对变压器的耐受短路电流能力进行打分，建立了在运变压器不同耐受短路电流％下的评分取值原则，短路耐受电流％越小，得分越高，反之既然。

运行评价方面考虑了运行年限、短路冲击持续时间、短路冲击次数和短路冲击电流大小四个因素对在运变压器绕组抗短路能力累积效应的影响，根据各因素对其影响的严重程度，建立了各自的评分取值原则。

绕组变形测试是对变压器状态直接评估的方式之一，本文根据在运变压器绕组变形测试结果，建立了按照绕组变形严重程度的评分取值原则，绕组变形越严重，得分越高，反之既然。

依据变压器抗短路能力综合评估方法和原则，对在运变压器抗短路能力进行了综合评估，并按照相应原则，将评估等级分为其严重、重点关注、轻微和正常四个等级。

根据不同的评估等级，给出防止变压器短路损坏的主动防御措施和被动防御措施。

解决了现有技术针对在运电力变压器抗短路能力综合评估存在的未考虑实际运行情况和周期预试情况影响因素，当在运老旧变压器难以获得结构参数时，没有给出评估思路和方法等技术问题。

附图说明：

图1为在运变压器抗短路能力综合评估流程示意图；

图2为有结构参数产品的抗短路能力校核计算流程示意图；

图3为器身压紧和铁芯拉紧结构示意图；

图4为变压器短路软件仿真模型示意图；

图5为线饼的轴向倒伏示意图。

具体实施方式

本发明通过对电力变压器抗短路能力的影响因素进行分析，从短路校核、系统运行和试验情况三个方面，建立了在运变压器抗短路能力综合评估基本框架，如图1。

有结构参数变压器的强度校核

首先通过TOK验证软件，对变压器短路电流进行精确计算，后将该结果结合系统容量或系统阻抗计算出各个分接情况下的稳态短路电流及非对称短路电流。然后，对变压器进行整体建模，认为所有变压器为一个弹性系统。其次运用YOKEBEAM软件计算出压钉、器身垫块、压板、托板等承压结构的刚度系数。最后运用ELDINST，计算出变压器的固有频率以及变压器轴向及辐向的漏磁分布，及在该磁场分布下轴向和辐向短路力及安全系数。计算验证包括：辐向强度、辐向刚度、辐向稳定性、轴向弯曲强度、辐向弯曲强度、线圈抗倒伏、轴向强度7个方面，较早期或同行业考虑更全面。

变压器抗短路验证软件的核心是专业的变压器短路机械力计算软件ELDINST软件，其计算流程如图2所示。通过一系列的参数设置对变压器绕组进行整体建模，模型示意图如4所示。

抗短路软件计算采用的是动态的方法，这是最大的特点所在。所谓动态及其优势主要表现在以下两个方面：一、材料性能：变压器线圈绝缘采用大量的纸板件，纸板的材料性能属于弹性非线性材料，就是其应力应变为曲线而非直线。随着受力的不断变化，其力学性能指标如弹性模量是不断变化的，同时，由于受力的不断变化，铜导体在受到不同作用力时其变形也不一样。由于导体及纸板的不断变化，引起绕组的整体刚度、强度及线圈之间相互影响是不断变化的，线圈的受力状态、振形也是不断变化的。采用迭代的动态计算方法考虑受力变化引起的材料性能变化，绕组的变形引起的绕组刚度的变化。并以时间为主线，计算不同时刻振形、受力及变形状态，并选取最严重状态计算安全系数。采用动态的计算方法能更好的体现变压器的真实性能，而静态计算方法是显然不能考虑到这些的。二、电流大小：变压器最严重的短路状态在极短时间内增加至峰值，然后逐步衰减。在整个过程中短路电流的大小是动态变化的，电动力也是不断变化的，不断变化的电动力不断改变线圈的受力及振动形式。以时间为主线，计算不同时刻的电流大小对变压器的影响，在从各个时刻的计算结果中选取最恶劣的情况来计算安全系数。

2)抗短路计算有考虑线圈自振频率有可能与激振频率叠加产生的共振情况，在计算过程中，首先要计算出线圈的前10阶自振频率。并考虑激磁频率与自振频率的叠加而使振动放大。为防止出现共振现象，一般采取加大预压紧力，改换线规等方法来改变变压器的自振频率。

3)计算时的安匝分区：抛弃传统安匝排布分4个或8个区的方式，而是把每一饼线都建立模型，然后解线圈磁场，计算在磁场作用下的电动力，计算结果不再是某一个区的受力、变形，而是每一饼线的受力、变形，然后取最严重的一饼线计算安全系数。这样算法的好处是能更加细致的分析每一饼线，计算结果更准确、更科学，更能反映真实情况。

传统变压器抗短路能力的以计算安匝平衡、受力大小为判断依据，以平均计算方法进行校核，不能真实计算变压器的抗短路能力，采用如图4所示为仿真计算模型，对每一饼导线进行建模计算，更加细致的分析每一饼线，计算结果更准确、更科学，更能反映真实情况。

4)变压器绕组抗倒伏能力计算考虑了撑条作用对倒伏的影响、导线匝绝缘对倒伏的影响、导线圆角半径对倒伏的影响等多各方面，另外还有一点很重要的，就是螺旋式绕组导线因螺旋产生的扭转对抗倒伏的作用。同时，在计算上还采取了动态的计算方法，考虑垫块、匝绝缘及导体在不同受力状态下的不同力学特性，考虑累计效应。图 5为线饼的轴向倒伏示意图。

如前所述，根据变压器不同运行工况，判断变压器抗短路能力计算模式，并分别对各种模式进行验证，列出采用有限元的方法对漏磁环境下的绕组受力进行分析，采用动态的方法计算短路电流和漏磁场环境相互作用下而产生的短路力。

没有结构参数的产品抗短路水平推测

变压器的抗短路校核结果涉及大量的变压器绕组、器身设计参数和结构参数。校核工作需要制造厂家提供大量参数，由于涉及技术保密，或者年代久远资料保存不全等问题，变压器参数获取存在困难。针对这部分变压器考虑以下因素进行抗短路水平推测；

(1)同时期产品因素

同一时期的产品，往往在设备加工、产品制造水平、人员操作等方面有着很大的相似性。

(2)原材料因素

老旧变压器大部分在2002前或是更前，那时候的原材料尤其是导线材料，加工水平基本相似，以软铜线80-100MPa屈服强度为主。

(3)容量因素

变压器在容量一致的情况下，大部分设计参数可以保持相似，如安匝、导线、额定电流，其抗短路水平具有一定相似性。

(4)阻抗因素

变压器的短路阻抗是影响绕组短路能力的重要因素，对于相同或相近短路阻抗的变压器，其短路电流的大小也基本保持相同，变压器承受短路能力有很大的相似性。

基于上述相似因素，对没有结构参数的变压器进行推测评估。整体原则是思路是：在同期、同容量、同阻抗及原材料的前提下，参考已经详细校核的结果进行折中评估，取其平均值。其推测结果仅仅针对短路校核，不影响运行评估权重和试验评估权重。

在运变压器抗短路能力综合评估

根据变压器抗短路校核结果，对变压器的耐受短路电流能力进行分数评价。短路耐受电流越小(即占理论最大短路电流比值)，得分越高；短路耐受电流越大，得分越低。抗短路校核评价原则如下表1 所示。

表1抗短路校核评价原则

耐受短路电流大小百分数％	抗短路校核分值
		耐受30％以下	50-46分
耐受30％-39％	45-41分
		耐受40％-49％	40-36分
耐受50％-59％	35-31分
		耐受60％-69％	30-26分
耐受70％-79％	25-21分
		耐受80％-89％	20-16分
耐受90％-99％	15-12分
		耐受100％-109％	11-9分
耐受110％-119％	8-6分
		耐受120％-129％	5-4分
耐受130％-139％	3-1分
		耐受140％以上	0分
总分值	50分

根据影响变压器抗短路能力的因素的重要程度，对各因素所占分值进行界定。由于变压器生产日期体现了其技术水平并直接影响其抗短路能力，并且随着运行年限的增加，变压器绝缘材料老化、机械强度降低从而影响其抗短路能力，因此所占分值最高。其它依次是短路电流的大小、短路冲击的次数和短路持续时间，如下表2所示。

表2运行评价各项因素分值比例

绕组变形测试是对变压器状态直接评估的方式之一，本项目根据测试结果对变压器进行分数评价。绕组变形越严重，得分越高；绕组变形越轻，得分越低。绕组变形测试评价原则如下表3所示。

表3绕组变形测试结果评价原则

绕组变形测试结果	绕组变形测试分值
		重度变形	20分
中度变形	10分
		轻度变形	5分
无变形	0分
		无数据	3分
总分值	20分

表4综合评估评价原则

评估等级	评估分数
		严重	52分及以上
重点关注	45-51分
		轻微	35-44分
正常	34分及以下

根据在运老旧变压器抗短路能力校核情况、运行情况和试验测试情况结果进行综合评估分析，以打分形式进行精确评价。综合评估的评价分数最高极限分为100分，变压器抗短路能力越强，得分越低；抗短路能力越弱，得分越高。抗短路校核情况是变压器承受短路能力最重要的因素，它是短路损坏的源头，占此次综合评估权重的40％；系统运行情况即历史冲击情况对变压器绕组的影响也非常大，占此次综合评估权重的30％；而变压器绕组变形测试是直观反映变压器状态的重要指标，也占此次综合评估权重的30％。采用的综合评估评价原则如表4所示。

Claims (5)

1.一种在运电力变压器抗短路能力综合评估方法，它包括：

步骤1、运行情况评估：从运行年限、短路冲击持续时间、短路冲击次数和短路冲击电流大小四个因素对在运变压器绕组抗短路能力累积效应的进行评价；

步骤2、绕组变形相关试验评估：采用低电压阻抗法、频率响应法和绕组间电容测量法进行变压器绕组变形情况评估；

步骤3、在运变压器抗短路校核：对采集到变压器结构参数的变压器，采用TOK验证软件和ELDINST软件进行校核；没有结构参数的变压器，采用四同原则进行推测评估；

步骤4、根据步骤1-3的评估结果进行综合评估分析。

2.根据权利要求1所述的一种在运电力变压器抗短路能力综合评估方法，其特征在于：步骤3所述对采集到变压器结构参数的变压器，采用TOK验证软件和ELDINST软件进行校核的方法为：首先通过TOK验证软件，对变压器短路电流进行计算；将该结果结合系统容量或系统阻抗计算出各个分接情况下的稳态短路电流及非对称短路电流；然后对变压器进行整体建模运用YOKEBEAM软件计算出压钉、器身垫块、压板、托板承压结构的刚度系数；最后运用ELDINST软件计算出变压器的固有频率以及变压器轴向及辐向的漏磁分布，及在该磁场分布下轴向和辐向短路力及安全系数。

3.根据权利要求2所述的一种在运电力变压器抗短路能力综合评估方法，其特征在于：安全系数的计算方法为：采用迭代的动态计算方法考虑受力变化引起的材料性能变化，绕组的变形引起的绕组刚度的变化，并以时间为主线，计算不同时刻振形、受力及变形状态，并选取最严重状态计算安全系数；以时间为主线，计算不同时刻的电流大小对变压器的影响，从各个时刻的计算结果中选取最恶劣的情况来计算安全系数。

4.根据权利要求2所述的一种在运电力变压器抗短路能力综合评估方法，其特征在于：短路力的计算方法为：根据变压器不同运行工况得到变压器抗短路能力计算模式，并分别对各种模式进行验证，采用有限元的方法对漏磁环境下的绕组受力进行分析，采用动态的方法计算短路电流和漏磁场环境相互作用下而产生的短路力。

5.根据权利要求1所述的一种在运电力变压器抗短路能力综合评估方法，其特征在于：根据步骤1-3的评估结果进行综合评估分析的方法为：在运变压器抗短路能力综合评估原则以打分形式进行精确评价；综合评估的评价分数最高极限分为100分，变压器抗短路能力越强，得分越低；抗短路能力越弱，得分越高；占综合评估权重的50％；系统运行情况即历史冲击情况对变压器绕组的影响占综合评估权重的30％；变压器绕组变形测试结果占综合评估权重的20％。