楊圣養(yǎng)

（三明市高級(jí)技工學(xué)校 福建省三明市 365500）

變壓器是電力系統(tǒng)中最常見(jiàn)的電力設(shè)備之一，而三繞組變壓器由于具有三個(gè)獨(dú)立的繞組，其電路特性復(fù)雜，因此其保護(hù)和故障分析需要更為嚴(yán)密的研究和探討。短路試驗(yàn)是判斷變壓器是否正常運(yùn)行的重要手段之一，而其電流特性則能夠反映出變壓器的狀況，對(duì)于判斷變壓器的故障類(lèi)型和位置，以及采取有效的修復(fù)措施具有重要的意義。本文通過(guò)對(duì)三繞組變壓器短路試驗(yàn)和電流特性的分析和探討，旨在更深入地了解該類(lèi)型變壓器的故障特性，為保護(hù)和維護(hù)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供參考和幫助。

1 三繞組變壓器短路試驗(yàn)

電力變壓器作為電力系統(tǒng)中的重要組成部分，需要經(jīng)過(guò)多種類(lèi)型的測(cè)試和評(píng)估以確保其可靠性和安全性。其中，短路試驗(yàn)是電力變壓器測(cè)試中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，旨在模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種短路故障，以評(píng)估變壓器在不同短路條件下的電氣性能和機(jī)械強(qiáng)度。短路試驗(yàn)是一種重要的電氣試驗(yàn)，也是變壓器設(shè)計(jì)和選型的重要依據(jù)之一。

三繞組變壓器短路試驗(yàn)是指在變壓器的三個(gè)繞組中，對(duì)其中兩個(gè)繞組進(jìn)行短路，然后將第三個(gè)繞組接到電源上進(jìn)行試驗(yàn)。這種試驗(yàn)可以檢驗(yàn)變壓器的短路電流特性和繞組的相對(duì)位置，也可以檢驗(yàn)繞組的相對(duì)偏位和短路電流的分布。通過(guò)這種試驗(yàn)可以得出變壓器的電氣參數(shù)，例如短路阻抗、短路電壓、短路電流等。同時(shí)，也可以檢驗(yàn)變壓器的絕緣狀態(tài)，確保其符合安全要求。在實(shí)際運(yùn)行中，短路試驗(yàn)也是檢驗(yàn)變壓器性能的重要手段之一。

實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明，在低壓側(cè)短路工況下，高壓中壓聯(lián)合供電時(shí)低壓三相對(duì)稱(chēng)短路電流和中低運(yùn)行方式下的短路電流相差不多，表明短路試驗(yàn)中低壓短路工況對(duì)變壓器的影響比較小。在非對(duì)稱(chēng)短路在中壓側(cè)的單相接地和兩相接地短路工況下，由于存在低壓 D 接繞組，整體的短路電流有所增加。在此基礎(chǔ)上，對(duì)高壓和中壓繞組在不同短路工況下的情況進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果表明，短路試驗(yàn)可以模擬所有運(yùn)行故障，高中短路試驗(yàn)考核此種結(jié)構(gòu)的高壓繞組的運(yùn)行安全性是可靠的。同時(shí)，對(duì)于中壓側(cè)單相接地短路電流增加引起的沖擊影響，必須以設(shè)計(jì)安全裕度來(lái)保證。中壓?jiǎn)蜗喽搪份椣蚴芰暧^(guān)示意圖如圖1所示。

圖1：中壓?jiǎn)蜗喽搪窌r(shí)中壓輻向受力的宏觀(guān)示意圖

對(duì)于中壓?jiǎn)蜗喽搪泛腿喽搪愤@兩種測(cè)試方法，雖然中壓?jiǎn)蜗喽搪窌?huì)導(dǎo)致更高的電流增加，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其對(duì)輻向受力和軸向受力的影響并不足以使變壓器的安全系數(shù)降低。因此，在進(jìn)行三相對(duì)稱(chēng)短路試驗(yàn)時(shí)，需要保留一定的安全裕度，以確保變壓器的安全運(yùn)行。同時(shí)，短路測(cè)試的結(jié)果還可以用于指導(dǎo)變壓器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以提高其在面對(duì)不同短路故障時(shí)的可靠性和耐久性?？傊?，短路試驗(yàn)是電力變壓器測(cè)試中不可或缺的一部分，可以幫助評(píng)估變壓器在不同短路條件下的電氣性能和機(jī)械強(qiáng)度，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

2 三繞組變壓器短路電流產(chǎn)生和計(jì)算方法

變壓器短路電流的產(chǎn)生是由于電源電壓作用下的電動(dòng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)體中的電流在短路點(diǎn)處形成閉合回路所致。計(jì)算短路電流的方法主要有兩種：解析法和仿真法。解析法根據(jù)電路等效原理和基爾霍夫定律，將變壓器等效為電路模型，計(jì)算短路時(shí)各部分的電流和電壓，進(jìn)而得出短路電流。這種方法計(jì)算速度較快，但是需要建立復(fù)雜的等效電路模型，且存在一定的理論誤差。仿真法則是利用電磁暫態(tài)分析軟件，將變壓器各部分的參數(shù)輸入軟件中，通過(guò)求解電磁場(chǎng)方程和電路方程，計(jì)算出短路時(shí)各部分的電流和電壓，進(jìn)而得出短路電流。仿真法計(jì)算精度較高，但計(jì)算時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，需要較高的計(jì)算機(jī)性能。根據(jù)實(shí)際情況選擇適合的計(jì)算方法，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出變壓器短路電流。進(jìn)行三繞組變壓器短路試驗(yàn)的目的是為了評(píng)估其在實(shí)際運(yùn)行中的可靠性和穩(wěn)定性，確保其能夠安全穩(wěn)定地運(yùn)行。通過(guò)對(duì)短路電流的測(cè)量和分析，可以為電網(wǎng)的運(yùn)行和維護(hù)提供參考和指導(dǎo)，同時(shí)也為變壓器的研發(fā)和應(yīng)用提供了技術(shù)支持。因此，對(duì)三繞組變壓器出口近區(qū)短路電流特性的深入研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。

2.1 計(jì)算分析

在進(jìn)行三繞組變壓器出口近區(qū)短路電流特性分析時(shí)，需要考慮一些假設(shè)和前提條件。這些假設(shè)和前提條件是為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，更好地計(jì)算短路電流特性。首先，我們將三繞組變壓器視為電網(wǎng)中的一個(gè)元件，而不是獨(dú)立的設(shè)備。其次，電弧電阻的影響被忽略，而電網(wǎng)結(jié)構(gòu)在短路持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持不變，并且除零序系統(tǒng)以外的所有線(xiàn)路電容、并聯(lián)導(dǎo)納等因素也被忽略。此外，在分析過(guò)程中短路類(lèi)型的始終保持不變，并且對(duì)短路電流大小的沒(méi)什么影響的是開(kāi)關(guān)分接相對(duì)的位置。所以在本文中，我們的計(jì)算是以主分接為例的，而極限分接可以采用類(lèi)似的方法進(jìn)行分析。這些假設(shè)和前提條件在實(shí)際應(yīng)用中需要慎重考慮，以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

任何一個(gè)三相不平衡電流、電壓或阻抗均由三個(gè)平衡的相量成分組成，即正、負(fù)序分量以及零序分量，假設(shè)電氣設(shè)備具有平衡的結(jié)構(gòu)。電流的數(shù)學(xué)表達(dá)式可寫(xiě)為式（1）。

上式中：IA、IB、IC分別表示短路點(diǎn)實(shí)際短路電流；I+、I-、I0分別表示的是短路點(diǎn)正、負(fù)、零序網(wǎng)絡(luò)中的短路電流；α代表三相相位移算子。這種分解方法可以幫助我們更好地理解和計(jì)算三相不平衡短路電流，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 三繞組變壓器等效阻抗網(wǎng)絡(luò)

在進(jìn)行變壓器短路電流計(jì)算時(shí)，變壓器繞組間的阻抗是一個(gè)重要的參數(shù)，它通常以變壓器的額定容量和額定電壓為基準(zhǔn)建立，是通過(guò)試驗(yàn)方法測(cè)得的無(wú)量綱百分?jǐn)?shù)。因此，以變壓器參數(shù)為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算可以更加簡(jiǎn)潔明了。變壓器等效阻抗網(wǎng)絡(luò)包括高壓系統(tǒng)、中壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)，如圖2所示。在該網(wǎng)絡(luò)中，高、中壓系統(tǒng)均包含電源系統(tǒng)，而低壓系統(tǒng)則可能帶有電源或直接帶負(fù)荷，判別的根據(jù)是變壓器的電壓等級(jí)和運(yùn)行特點(diǎn)。

圖2：變壓器等效阻抗計(jì)算示意圖

變壓器繞組之間的阻抗被表示為無(wú)量綱百分?jǐn)?shù)，其基準(zhǔn)值是變壓器的額定容量和額定電壓，通常通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得。變壓器繞組之間的等效阻抗百分?jǐn)?shù)分別為ZT-HV、ZT-MV和ZT-LV。實(shí)測(cè)的繞組間等效阻抗的計(jì)算公式如式（2）：

變壓器的高壓、中壓和低壓側(cè)都有對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)阻抗，可以用ZS-HV、ZS-MV和ZS-LV的百分比來(lái)表示。這些阻抗的計(jì)算公式是ZS=ST/SS×100%，式中ST 指的是變壓器額定容量，而SS指的是每一側(cè)電源系統(tǒng)短路所測(cè)的視在容量。需要特別提示的是，對(duì)系統(tǒng)短路視在容量的大小有重大的影響的還有環(huán)網(wǎng)和并聯(lián)運(yùn)行，這一般有兩種方法來(lái)確定，一種通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)短路電流，另一種方法是參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定。

2.3 三繞組變壓器短路電流計(jì)算方法

在使用對(duì)稱(chēng)分量法計(jì)算短路電流時(shí)，需要確定短路點(diǎn)的邊界條件和各序網(wǎng)絡(luò)圖中的阻抗值。以中壓側(cè)在三類(lèi)非對(duì)稱(chēng)短路的邊界條件下為例，其關(guān)鍵三序關(guān)系的計(jì)算要點(diǎn)如表1。

表1：不同短路類(lèi)型對(duì)稱(chēng)分量法計(jì)算的要點(diǎn)

需要注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)稱(chēng)分量法計(jì)算短路電流時(shí)需要確定短路點(diǎn)邊界條件和各序網(wǎng)絡(luò)圖中的阻抗值，并根據(jù)不同短路類(lèi)型采用相應(yīng)的計(jì)算方法。

對(duì)稱(chēng)分量法是一種廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中求解對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)故障電流的方法，也是求解變壓器短路電流的一種常用方法。其基本步驟如下：

（1）確定短路類(lèi)型和短路點(diǎn)位置。根據(jù)實(shí)際情況確定短路類(lèi)型和短路點(diǎn)位置，例如單相短路、雙相短路或三相短路。

（2）根據(jù)短路點(diǎn)位置和電源系統(tǒng)參數(shù)，計(jì)算各序分量電壓。利用電源系統(tǒng)參數(shù)和短路點(diǎn)位置，可以計(jì)算出短路點(diǎn)處的各序分量電壓。

（3）確定變壓器繞組間的等效阻抗百分?jǐn)?shù)。根據(jù)變壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，可以計(jì)算出各序分量的等效阻抗百分?jǐn)?shù)。

（4）根據(jù)繞組間等效阻抗百分?jǐn)?shù)和變壓器額定容量，計(jì)算各序分量阻抗。利用等效阻抗百分?jǐn)?shù)和變壓器額定容量，可以計(jì)算出各序分量的阻抗。

（5）根據(jù)各序分量電壓和阻抗，計(jì)算各序分量電流。利用Ohm's Law 和KVL，可以根據(jù)各序分量的電壓和阻抗計(jì)算出各序分量的電流。

（6）將各序分量電流合成為三相短路電流。利用相量合成原理，將各序分量電流合成為三相短路電流，即可得到變壓器短路電流的值。

以上步驟是對(duì)稱(chēng)分量法求解變壓器短路電流的基本步驟。該方法簡(jiǎn)單易用，計(jì)算結(jié)果精度高，被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中對(duì)變壓器短路電流的計(jì)算和分析。

3 三繞組變壓器在短路電流的特性

三繞組變壓器在短路電流的特性主要表現(xiàn)在短路電流大小和分布對(duì)各側(cè)繞組的影響。由于短路電流會(huì)通過(guò)各個(gè)繞組，因此會(huì)產(chǎn)生不同方向的磁場(chǎng)和電場(chǎng)力，引起不同方向的受力，從而影響繞組的溫升和機(jī)械強(qiáng)度等方面。在進(jìn)行短路電流的計(jì)算和分析時(shí)，需要考慮變壓器的阻抗和電源供電情況等因素。特別地，在三繞組變壓器中，變壓器等效阻抗網(wǎng)絡(luò)包括高壓系統(tǒng)、中壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)，不同系統(tǒng)的電源供電方式不同，需要進(jìn)行分類(lèi)討論。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果，當(dāng)系統(tǒng)零序阻抗與正序阻抗相等時(shí)，三繞組變壓器各側(cè)短路情況下的短路電流倍數(shù)也有所不同，具體如表2所示。

表2：短路電流倍數(shù)統(tǒng)計(jì)

針對(duì)三繞組變壓器的短路電流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

在高壓側(cè)短路中，兩相接地和兩相相間短路電流倍數(shù)相當(dāng)，單相接地電流倍數(shù)較小。這是因?yàn)樵诟邏簜?cè)短路中，兩相接地和兩相相間短路電流受到變壓器的限制，而單相接地短路電流只受到一側(cè)變壓器的限制，因此其倍數(shù)較小。在中壓側(cè)短路中，兩相接地和兩相相間差距較小，單相接地短路電流較小。這是因?yàn)樵谥袎簜?cè)短路中，兩相接地和兩相相間短路電流都受到了變壓器的限制，而單相接地短路電流只受到一側(cè)變壓器的限制，因此其倍數(shù)較小。在低壓側(cè)短路中，兩相相間和兩相接地短路電流倍數(shù)相近，單相接地短路電流倍數(shù)較小。這是因?yàn)樵诘蛪簜?cè)短路中，兩相相間和兩相接地短路電流都受到了變壓器的限制，而單相接地短路電流只受到一側(cè)變壓器的限制，因此其倍數(shù)較小。

以上結(jié)論表明，變壓器短路電流的大小和變壓器結(jié)構(gòu)、額定容量、接線(xiàn)方式以及短路類(lèi)型等因素密切相關(guān)。因此，在設(shè)計(jì)和選型變壓器時(shí)，需要充分考慮各種可能的短路情況，以確保變壓器在運(yùn)行過(guò)程中的可靠性和安全性。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于變壓器短路試驗(yàn)，三相對(duì)稱(chēng)短路試驗(yàn)可包含變壓器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的各類(lèi)短路故障，適當(dāng)保留一定的安全裕度，能夠保證變壓器的安全可靠運(yùn)行。但對(duì)于短路電流故障原因，此時(shí)需要通過(guò)專(zhuān)業(yè)仿真軟件進(jìn)行計(jì)算，來(lái)驗(yàn)證短路試驗(yàn)是否還能模擬所有的運(yùn)行故障。同時(shí)，短路試驗(yàn)的結(jié)果也可以用于變壓器的保護(hù)和故障診斷。三繞組變壓器的短路電流特性受到多種因素的影響，包括變壓器型號(hào)、聯(lián)結(jié)組別、額定電壓、短路阻抗等。使用對(duì)稱(chēng)分量法進(jìn)行短路電流計(jì)算時(shí)，需要確定短路點(diǎn)的邊界條件和各序網(wǎng)絡(luò)圖中的阻抗值。三繞組變壓器在短路電流下的特性主要表現(xiàn)在短路電流大小和分布對(duì)各側(cè)繞組的影響。對(duì)于高壓、中壓、低壓側(cè)短路，短路類(lèi)型、短路點(diǎn)不同，短路電流倍數(shù)差異也很大。