一种大型变压器短路损坏风险概率评估方法与流程

本发明涉及一种大型变压器短路损坏风险概率评估方法，是一种适用于变压器短路损坏状态分析的新型方法，属于变压器运行检测及维修领域。

背景技术：

变压器是供电系统的核心，其运行的可靠性对电力系统安全影响极大。但是，随着当前电网容量的日益增大，系统短路容量亦随之增大，同时，变电站进出线路运行环境不容乐观，各种过电压时有发生。近年来，由于种种原因，外部短路引起大型变压器损坏的事故屡有发生，许多变压器在短路电流、短路时间远不及国家标准要求和厂家承诺的水平的情况下即发生绕组变形和损坏，有的新投入运行的变压器外部短路一、二次即遭损毁。因此，通过计算了解变压器抗短路能力是否满足现场运行要求，是目前运行单位急需掌握的情况。

以变压器自身能够承受的短路力F_B与变压器外部短路时可产生在绕组上的最大短路力F_C的比值来表征变压器的抗短路能力，称之为变压器短路耐受能力Z。该值越大表明变压器在遭受外部短路后绕组发生变形损坏的可能性越小，反之，该值越小变压器短路损坏的可能性也越大。日本变压器委员会推荐算法计算变压器短路耐受能力Z的方法如下。

短路耐受能力Z由式(1)得到：

$Z=\frac{F_B}{F_C}---\left(1\right)$

式(1)中的F_C由式(2)得到，

$F_c=\frac{F_r}{{\mathrm{Ml}}_m},(g/mm)---\left(2\right)$

式(2)中：l_m为线圈的平均周长，mm；M为线饼数；F_r为短路时内线圈承受的电动力，g；

式(2)中的F_r由式(3)得到；

$F_r=6.4A_m^2{\mathrm{hI}}_m=\frac{6.4l_m}{h}{\left(\frac{I_n\×N\×k}{70u_k}\right)}^2,\left(g\right)---\left(3\right)$

式(3)中：N为线圈的匝数；h为线圈的高度，mm；k为系数，取决于短路阻抗中电抗与电阻的比值，可查GB1094.5-2008得到；I_n为额定电流，A；u_k为系统阻抗，％；l_m为线圈的平均周长，mm。

式(1)中的F_B由式(4)得到，

$F_B=\frac{EI}{R^3}(m^2-1),(g/mm)---\left(4\right)$

式(4)中：E为铜导线的弹性模量，普通软铜导线通常取E＝12.25×10⁴MPa；R为线圈的平均半径，mm，由式得到；

式(4)中：m为线圈内径撑条的有效支撑数目，为实际撑条数的一半，由式得到,其中Z_k为实际撑条数；

①对于普通导线，式(4)中的导线惯性矩I由式(5)得到：

$I=\frac{n_b^y{b}^3\×n_l\×t}{12},\left({\mathrm{mm}}^4\right)---\left(5\right)$

式(5)中：nb为线饼中辐向的导线根数；b为单根导线的辐向宽度，mm；n_l为线饼中轴向的导线根数；t为单根导线的轴向高度，mm；y为线股间粘结状态的经验系数，通常1≤y≤3，对于普通导线y＝1；

②对于换位导线，式(4)中的导线惯性矩I由式(6)得到：

$I=\frac{1}{6}{\left(\frac{x}{2}\right)}^y{n}^{1.5}\×b^3\×t,\left({\mathrm{mm}}^4\right)---\left(6\right)$

式(6)中：x为一根换位导线内导线的股数；b为每股导线的辐向宽度，mm；t为每股导线的轴向高度，mm；n为线饼内换位导线的根数；y为线股间粘结状态的经验系数，通常l≤y≤3，对于自粘性换位导线y＝2.3～2.5，如导线匝绝缘的外层涂热固性胶，y＝1.4。

目前各个网省公司对在运变压器短路耐受能力进行了计算，有的采用日本变压器委员会推荐的算法，有的采用有限元方法计算等，通过这些算法，运行单位可以直观的掌握变压器的短路耐受能力，有的也对运行的变压器低压侧设备质量及故障情况进行了统计分析，从而了解变压器低压侧出口跳闸的概率，进而直观的分析变压器低压绕组短路损坏的可能性，但目前尚未发现将变压器的短路耐受能力与变压器运行环境及历史遭受的工况相结合，进而评价变压器遭受短路时变压器损坏概率的方法。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种适用范围广、可靠性高、成本低，且在运行状态下可直观评估变压器遭受短路损坏风险概率的评估方法。

对于已经投入运行的变压器，其短路损坏潜在风险受多种因素共同作用，不但与其短路耐受能力有关，也与其运行情况、低压侧配置情况等有关。影响变压器短路损坏潜在风险的主要因素如下。

(1)变压器短路耐受能力：变压器短路耐受能力是影响变压器绕组短路损坏潜在风险最重要的因素，由变压器的结构参数决定，可采用日本变压器委员会推荐算法计算变压器短路耐受能力Z，按照下述规则进行分档；

第一档：Z≤1.2，短路耐受能力低于2.0，从抗短路能力来看，其抗短路能力严重不足；第二档：1.2＜Z≤1.7，其抗短路能力也不足；第三档：1.7＜Z≤2.1，其抗短路能力处于满足抗短路能力的边缘；第四档：2.1＜Z≤10之间，其抗短路能力从校核结果来看满足抗短路能力要求；第五档：Z＞10，其抗短路能力大大提高。

(2)变压器运行情况：受累积效应的影响，曾经遭受过短路电流冲击的变压器更加容易发生突发短路损坏故障，所以应考虑变压器遭受短路电流冲击的大小和次数，以及变压器绕组变形试验结果等因素。

(3)变压器低压侧配置情况：低压侧出线数量越多，变压器遭受出口或者近区短路的几率就越高，所以应考虑其低压侧出线数量、是否安装限流电抗器以及低压侧母线绝缘化完善情况等反措执行情况因素。

本发明提供一种大型变压器短路损坏风险概率评估方法，其具体内容为：根据表1将变压器短路耐受能力校核结果、变压器运行情况以及变压器低压侧配置情况设置得分、赋予权重，量化变压器短路损坏风险概率F，并进行分级。式(7)为变压器短路损坏风险概率F的计算公式：

F＝A1×0.6+(B1+B2+B3+B4+B5)×0.2+(C1+C2+C3)×0.2 (7)

根据式(7)的计算结果，将变压器短路损坏概率F分为5个级别：第一级别，F≥80，变压器短路损坏风险低；第二级别，70≤F＜80，变压器短路损坏风险较低；第三级别，55≤F＜70，变压器面临一定的短路损坏风险，应采取防范措施；第四级别，35≤F＜55，变压器短路损坏风险较高，应采取综合治理措施；第五级别，F＜35分，变压器短路损坏风险极高。

表1 变压器短路损坏风险因素得分与权重

本发明的有益效果：(1)本发明将变压器短路耐受能力、运行情况及低压侧配置情况进行结合，系统全面地评价了运行的变压器的短路损坏风险概率，解决了当前变压器抗短路能力评价不全面，不系统的难题；

(2)本发明中将运行环境、短路次数及出线短路等参数进行综合考虑，可实时动态对变压器短路损坏风险进行评估；

(3)本发明适用范围广，可对各种不同形式的大型变压器的短路损坏风险概率进行评价，该方法将影响变压器短路损坏的可能性因素已全部考虑在内，所以其能适用于多种不同电压等级变压器的短路损坏概率评估；

(4)本发明可靠性高、成本低，可以用普通计算机进行实时计算，降低了硬件投入成本；减少了工作人员的参与，提高了工作效率及减少人员参与带来的工作误差，提高了可靠性。

具体实施方式

下面以某一案例中的一台主变压器短路损坏评价为例，对本发明作进一步详细的说明。

衡水2号主变压器2001年出产，变压器容量为180MVA，额定电压为220/110/38.5kV。

根据日本变压器委员会推荐算法校核变压器短路耐受能力Z，按照本发明的方法得到各因素状态量的得分。

因素A：根据日本变压器委员会算法得到变压器短路耐受能力Z＝1.13，为第一档，A1得分20。

因素B：经统计其已经遭受过一次超过70％短路电流冲击，B1得分30；短路阻抗、绕组电容量及频响试验均显示不满足要求，B2、B3、B4得分均为0；油色谱分析不合格，B5得分0。

因素C：变压器低压侧一条出线，C1得分10；未安装限流电抗器，C2得分0；已经绝缘化，但仍然存在薄弱点，C3得分20。

然后，由式(7)计算变压器短路损坏风险概率F：

F＝A1×0.6+(B1+B2+B3+B4+B5)×0.2+(C1+C2+C3)×0.2

＝20×0.6+30×0.2+(10+20)×0.2

＝12+6+6

＝24

从判断原则来看，将变压器短路损坏概率F低于35，属于第五级别，即变压器短路损坏风险极高。最终结果表明：变压器已经短路后即发生了损坏。