变压器绕组短路故障分析与故障模拟设计

变压器绕组短路故障分析与故障模拟设计

黄进   ,谢正礼   ,彭涛

贵州电网有限责任公司毕节织金供电局    552100  

摘要：本文分析了变压器绕组的结构及原理，进而主要阐述了变压器内部短路故障的原因及分类，从变压器匝间短路、单相短路、两相短路和三相短路几个方面对变压器绕组短路故障进行深入的理论分析；构建了对应的几种绕组故障模型,设置合理的模型参数和解算方法，获取理想运行环境下的设备运行数据，研究该变压器绕组短路故障设计模型对所在电力系统的运行影响，同时对变压器绕组短路故障的拓扑结构、参数选择和工作原理的科学性和有效性进行验证。    

关键词：变压器,绕组短路,电力系统,故障模型

引言

在这个时代，社会经济发展最突出的特点是电力的快速发展。它渗透到社会经济和生活等各个领域。而且，电力工业被认为是国民经济在经济发展中最重要的基础能源工业和基础工业。它在人们的生活中起着非常重要的作用，不能被其他能源取代。而且，随着社会的不断发展，人们对电力的依赖和供电质量也在不断提高。我们了解到，电力变压器是电力系统的重要组成部分，同时也是电压转换，能量分配与能量传输，网络化，电网集成等不可缺少的电力设备，除此之外，它还可以改善电网的结构，并且还可以合理分配系统中的电流以及改善电力系统的运行。总的来说，它是非常重要的。另外，电力变压器对电力系统的稳定性，可靠性和经济性起着重要作用。其正常运行会直接影响电力系统的可靠性，经济性以及电能质量。

1变压器绕组结构与原理

在整个变压器结构中，绕组是变压器的重要组成部分，它由具有一定顺序和方向的绝缘绕组的绕组，由绕组、成形、浸渍、套装和组成构成。变压器绕组通常可以分为两种方式，它们分别是单相芯型和重叠型[1]。本文主要介绍三相绕组变压器。

在正常情况下，我们所学习的一般是三相绕组变压器，三相绕组变压器每相有三相绕组。当一个绕组连接到交流电源时,另外两个绕组会导致不同的电位。那么在发电厂和变电站中,通常有3个不同的电压等级，因此，三绕组变压器被广泛用于电力系统中。并且它的每个绕组的高压和低压绕组放置在同一个铁芯上，主要是为了绝缘的目的。而高压绕组通常放置在最外层，中压和低压绕组放置在内层。

2变压器的绕组短路故障分类与分析

在电力系统中，绕组短路故障可以分为以下几种：匝间短路、单相短路、两相短路以及三相短路[9]。最近几年以来，在生活中我们可以发现到随着绕组型式的不断改进以及间匝绝缘的加厚，虽然绕组匝间短路故障现象得到了一定的控制，但是绕组短路故障仍然是变压器短路故障中出现频率最高的故障类[2 。本章主要是对变压器绕组短路故障进行分类以及分析。

2.1单相短路

我们都知道单相短路是指单相接地短路，在正常情况下，单相接地短路电流值小于三相对称短路电流值。值得引起注意的是，例如，单相短路的危害会对人们的生活造成影响，而且影响的范围也是比较广泛的。首先，它对变电站设备的危害，在实际运行中，地面上的轻质物被大风落到导线上，造成变电站电压互感器烧毁，设备损坏以及大面积停电事故，给人们的生活带来不便。 另外单相接地故障发生后，还会产生谐振过电压，产生的谐振过电压是正常电压的几倍，这么大的谐振过电压会威胁变电设备的绝缘，造成变电设备绝缘击穿，甚至造成更大的事故，甚至造成电气火灾。

2.2两相短路

顾名思义，我们生活中发生的两相短路是指三相供配电系统中任何两相导体之间的短路。例如：一般情况下设备绝缘部分会自然的老化或设备本身就存在缺陷，如果在它存在缺陷时运行，设备就会因短路而断开；除此之外，在设计、安装和维护过程中不正确的操作所造成的设备缺陷最终也会发展成短路；  

2.3三相短路

在现实生活中，我们经常遇到的三相短路，它主要是配电系统中三个导体之间的短路。在上述短路中，三相短路是属于对称短路的，其它的都为不对称短路。因此，我们可以把三相短路用于对称三相电路的分析。在分析的过程中，可以采用对称分量法分析非对称短路，换句话说，也就是将一组非对称三相量分解为三组对称正序、负序和零序分量[3]。

2.4匝间短路

相间短路与单相短路、两相短路以及三相短路是不同的，相间短路是同一绕组由多圈（匝）组成的，如果绝缘处理的不好，叠加线圈就很容易发生短路，从而使线圈的一部分直接短路。 当发生匝间短路时，由于绕组的一部分短路以及电机绕组短路，那么现在的磁场和以前的磁场就不相同了，这样就会导致其余线圈电流比以前的电流大，电机就会增加振动，而且会增加电流和减少电流的输出。

故障发生后，我们可以根据负荷条件、天气条件、系统的运行状况以及故障发生时的运行情况进行预防和监测，除此之外，还可以根据石油排放检查所知的内部条件、故障以及损坏情况进行初步分析和考虑。因此，绕组的匝间（含股间）短路原因与材质、施工操作以及设计等方面有关。

3变压器绕组短路故障模拟设计

3.1 变压器绕组内部的仿真模型图

本次模拟仿真的模型相对于其他的来说还是比较简单的，仿真的基本准备工作如下，首先，在电脑上的属性框中选中三绕组变压器，它是两个次级绕组首尾相连的变压器，可以当作一个次级用。然后再把初级绕组和次级绕组按三相变压器的连接组别进行连接，而且，次级绕组的额定电压，电阻和电感的参数是可以灵活调整的，这样可以节省一些不必要的工作量，便于进行变压器的内部故障仿真。最后，故障点的设置也是比较灵活的，它不仅可以设置于两个次级绕组的连接线上，而且还可以设置于绕组首端。仿真模型如图1所示。

图1 变压器绕组内部故障的简单仿真模型

结束语：近年来我国的电气化程度不断提高，电网容量逐步增加，导致了近几年来变压器故障的事例相对于早期明显增多。如何通过现代生产技术，发挥出符合现代发展所需的高质量、高标准、高起点变压器至关重要，最终让电网系统得以较大的发展，人民的生活得以保障，这对于如今电网系统具有十分重要的指导意义。经对近几年变压器短路故障事例进行分析比较，其中很大比例变压器短路都发生在绕组短路故障上，而绕组作为变压器关键的部分，绕组短路故障会对变压器造成严重的影响，甚至损坏变压器。所以个人认为，有必要对变压器绕组故障进行研究和分析。

参考文献：

[1]虞海强.基于振动分析法的变压器状态检测研究[D].西华大学,2012.

[2]范幸.电网短路电流在线预测与限流决策的研究[D].湖南大学,2016.

[3]张威剑.包头供电局变压器负荷智能管理系统设计与实现[D].华北电力大学,2016.