何東升

（國家中低壓輸配電設備質量監(jiān)督檢驗中心，廣東 東莞 523325）

1 引言

變壓器短路承受能力試驗，俗稱“突發(fā)短路試驗”，是專門用于檢驗變壓器承受短路事故能力的特殊試驗，是對變壓器制造的綜合技術能力和工藝水平的考核，利用試驗中強短路電流產(chǎn)生的電動力檢驗變壓器和各種導電部件的機械強度，其目的是為了考核變壓器的動穩(wěn)定性。因此，突發(fā)短路試驗是保證變壓器抗短路能力的一項十分重要的特殊試驗［1］。

2 短路試驗基本情況

GB 1094.5－2008《電力變壓器第5部分 承受短路的能力》（等同于IEC 60076－5：2006，MOD）是目前國內變壓器產(chǎn)品短路承受能力試驗現(xiàn)行所遵循的標準。根據(jù)此標準，短路試驗可采用如下2種方式［2］。

1）先短路法。即在變壓器的二次側預先短路，然后在一次側進行勵磁，如圖1所示。這種方法為了盡可能地避免鐵芯飽和以及在試驗最初的幾個周期中產(chǎn)生過大的磁化涌流疊加到短路電流上，而要求電源施加在離鐵芯柱最遠的繞組上。

圖1 先短路法試驗接線圖Fig.1 The first short－circuit test connection diagram

2）后短路法。即變壓器一次繞組施加勵磁電壓，二次繞組利用短路裝置進行短路的方式，如圖2所示。這種方式更接近實際運行狀態(tài)，與運行中變壓器實際遭受短路故障一樣，沒有涌流的影響。由于這一方法要從網(wǎng)路中吸取很大的功率，故對試驗室要求比較高，特別是試驗電源，無論是電源容量，還是試驗電流，都得滿足要求。目前，作者所在的試驗室，已具備450V／280kA的短路試驗能力，完全滿足Ⅰ類和部分Ⅱ類容量變壓器的試驗要求。

圖2 后短路法試驗接線圖Fig.2 After the short－circuit test connection diagram

3 短路試驗數(shù)學模型及受力分析

3.1 短路試驗數(shù)學模型［3］

變壓器突發(fā)短路試驗中，用相控開關S在變壓器一側突然短路，此時的狀況與R，L串聯(lián)電路突然接到正弦電壓上去的情況相似。具體簡化單相數(shù)學模型等效電路如圖3所示。

圖3 數(shù)學模型等效電路Fig.3 Equivalent circuit of math model

圖3中，u1為一次側電壓；i為短路電流；Rd，Ld分別表示短路等值電阻和電感；S1為相控開關。二次側短路時，一次側電壓為電阻Rd、電感Ld的壓降之和，即：

式中：U1m為一次側電壓峰值；σ0為突發(fā)短路時電源電壓的初相角。

完成了系統(tǒng)的軟硬件設計后，選取一個蔬菜溫室大棚進行了實際安裝與測試，對該系統(tǒng)的軟件和硬件進行了測試，硬件測試是測試物聯(lián)網(wǎng)智能節(jié)點和底層模塊是否能夠正常工作，軟件測試是測試該系統(tǒng)是否能實現(xiàn)遠程監(jiān)測和自動控制。經(jīng)測試，檢測終端將數(shù)據(jù)傳往云服務器大約在1s左右，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，準確性高，將無線自組織網(wǎng)絡和NB-IOT網(wǎng)絡連接成功后，進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集并遠程傳輸，并自動控制設備使大棚環(huán)境處于最佳狀態(tài)，NBIOT網(wǎng)絡連接測試和監(jiān)控軟件運行界面如圖7和圖8所示。

方程式（1）的解為

式中：Zd為短路阻抗；σd為短路阻抗相位角；i′為對稱短路電流，是穩(wěn)態(tài)分量，呈正弦規(guī)律變化，為非對稱短路電流，是自由分量，隨時間很快衰減趨近于零

由于Rd?ωLd，所以σd≈π／2時，則式（2）可以寫為

由式（3）可知，當突發(fā)短路電源電壓的初相角σ0＝0時，即電壓過零時發(fā)生突然短路，短路電流i達到最大值，此時，短路電流的穩(wěn)態(tài)分量和自由分量均達到最大值，但方向相反，經(jīng)過半個周期，即ωt＝π時，短路電流i達到最大值

式中：I為對稱短路電流有效值；k為短路電流最大值與對稱短路電流幅值之比，與衰減系數(shù)Rd／Ld有關。

3.2 短路試驗受力分析

短路試驗時機械應力的產(chǎn)生，是由于繞組中的電流和變壓器漏磁通相互作用所致，其大小與2個因素相關：變壓器短路電流的最大值和線圈間漏磁通的大小。變壓器短路電流的最大值與合閘時相控開關的合閘角度息息相關，為保證在3個繞組中的某個繞組上得到最大非對稱電流，由上節(jié)分析得，應在該相繞組上的電壓過零時合閘。漏磁場的軸向分量和輻向分量分別使繞組產(chǎn)生輻向和軸向電動力。由于2個繞向相同的繞組電流方向相反，導致軸向漏磁場使內繞組受到向內的壓縮力，使外繞組受到向外的拉伸力，同時，在繞組端部，漏磁場發(fā)生畸變，輻向漏磁分量增大，輻向漏磁場使內外繞組均受到軸向壓縮力。而且，內外繞組在上下結構是否對稱，安匝平衡與否，也直接導致繞組由于受到不同方向軸向力而受力不均，發(fā)生畸變或變形。

另外，除了故障電流、導線截面、線圈高度等有關因素外，機械應力與漏磁的大小關系甚密，軸向力與漏磁的三角形面積成正比，導線軸向彎曲力與漏磁三角形的高度成正比，并與墊塊擋距平方成正比，徑向牽引力與線圈直徑成正比。有關這方面的因素很多，不再贅述。

4 短路試驗故障前兆分析

作者根據(jù)多年變壓器突發(fā)短路試驗，發(fā)現(xiàn)和歸納了部分故障的早期前兆，根據(jù)試驗中隨時出現(xiàn)的異樣現(xiàn)象，盡快發(fā)現(xiàn)樣機的故障和缺陷所在，防止樣機損壞和缺陷進一步擴大，甚至炸裂，從而破壞了故障點或缺陷源頭，造成極大的經(jīng)濟損失和時間浪費，所以，及時地發(fā)現(xiàn)故障和缺陷根源，為制造商進一步改進設計和工藝提供強有力的依據(jù)，有針對性的為制造商提供改善措施和整改建議。

4.1 短路電抗變化超標

根據(jù)GB 1094.5－2008標準規(guī)定，對于圓形同芯式線圈的變壓器，電抗變化前后不超過2%；對于箔繞和短路阻抗為3%以上的，電抗變化前后不超過4%；對于非圓形同芯式變壓器且阻抗在3%以上的，電抗變化前后不超過7.5%［2］；實際試驗中，應注意觀察每次試驗所測得的短路電抗的變化，此電抗值變化可能是遞增的，也可能是趨于某個穩(wěn)定值，但一旦變化過大或超標，應立即停止試驗，做進一步故障排查，如測試變比，繞組電阻，或空載損耗、空載電流諧波等項目，進行短路前后的比較。如有必要，應吊芯檢查作進一步確認。

由于短路試驗的軸向力和輻向力同時作用，絕緣墊塊與絕緣紙圈又是彈性體，在短路時受擠壓，超過壓限的情況下，會使墊塊形成槽形，此時墊塊便松動彈出。在端部較厚的層壓紙板圈也會受到不均勻的壓力，造成斷裂。同時，導線所承受的力疊加后傳向兩端，向上的力由鐵壓圈承受，由于鐵壓圈是開口的，壓圈開口處一端翹起，壓圈的力傳至壓釘，壓釘受力向上，使夾件的下肢板頂彎，所以，油變吊芯后，重點檢查絕緣墊塊和線圈位置有否移位或變形，壓縮帶、夾件和壓釘有否松動或歪斜，干變的環(huán)氧樹脂有否開裂和絕緣受損現(xiàn)象。此類缺陷都會導致結構變化，從而影響電抗變化，阻值異常，諧波畸變等。

表1和表2為容量1000kV·A電力變壓器（非圓形同芯式變壓器）試驗前后電抗實測數(shù)據(jù)，當?shù)?分接試驗進行到第2次時，相抗變化C相已經(jīng)達到11.76%，超過標準允許范圍，吊芯檢查后發(fā)現(xiàn)C相線圈已經(jīng)位移。

表1 試驗前后電抗測試對比Tab.1 Comparison test before and after the test reactor

表2 試驗前后電抗變化Tab.2 Reactance change before and after the test

4.2 短路波形異常

根據(jù)短路試驗模型分析，短路試驗時，短路電流有2個分量：一個是穩(wěn)態(tài)分量，另一個是自由分量（由磁場中所儲藏的能量不斷衰減，全部變?yōu)槠渲须娮杷牡臒崮転橹梗．斶x相合閘時刻穩(wěn)定，供給電源恒定即輸出電壓不變，樣機內部結構未發(fā)生變化即負載恒定，短路試驗輸出波形在同一分接上應前后2次試驗變化不大，當發(fā)現(xiàn)輸出波形幅值變小或畸變時，應立即停止試驗，吊芯檢查，尋找異常點。圖4為容量1600kV·A電力變壓器短路試驗實拍波形圖，其后半周期電流突然變小，且電壓波形毛刺較多，吊芯檢查后發(fā)現(xiàn)線圈已位移，且端圈斷裂和擠出。

圖4 短路試驗波形異常圖Fig.4 Short－circuit test waveforms anomalies

4.3 過熱嚴重

短路試驗過程中，應隨時關注接線銅排和波紋油箱的溫度變化，因為除了機械力造成損壞的因素外，熱穩(wěn)定因素亦能造成缺陷。當試驗電流倍數(shù)大，試驗次數(shù)累積時，導線溫度驟升。制造廠一般規(guī)定銅線溫度不超過250℃，鋁線溫度不超過200℃。實際銅線溫度超過100℃以上時，將重新結晶，此時導線變軟。每當短路試驗1次，導線加溫1次，并承受張力1次，會使導線延伸1次，這累積效應也將使導線驟然升溫和逐漸伸長，超過應力時，導線將斷裂。在短路試驗過程中，是模擬最嚴重的三相短路情況，在遭受幾個分接多次短路試驗后，由于分接頭線段處漏磁不平衡，而使高壓線圈外圓增大。同時，也應關注油箱或散熱器裂縫，導致絕緣油大量漏出，在短路試驗后期，油箱往往在最薄弱的焊縫處裂開，對片式散熱器更容易在受壓下裂縫。

4.4 聲音異常

短路試驗過程中，應隨時關注短路時刻試品的發(fā)聲，對于內部結構未發(fā)生明顯變化或缺陷的樣機，在每次短路時刻，發(fā)聲應該一致或相近，當發(fā)現(xiàn)聲音異?；騼炔坑型衔猜曧憰r，應立即停止試驗，作進一步確認后再進行。

5 提高變壓器抗短路能力措施

基于以上短路試驗出現(xiàn)的各種故障現(xiàn)象，作者認為：提高變壓器抗短路能力，應根據(jù)繞組受力和實際運行情況，不僅需要加強和改進設計計算，還要采取工藝制造的提升。

1）突發(fā)短路是一個動態(tài)和關連的過程，全過程相當復雜，所以設計每個零件時，不但要考慮短路情況下的漏磁場分布、動態(tài)受力情況和繞組應力分析計算，還要仔細研究它與周邊零件的短路力的相互作用，以便采取措施，確保短路時動態(tài)狀態(tài)下的每個零件的機械穩(wěn)定性。

2）從短路試驗故障和繞組受力情況分析，內繞組比外繞組受力更為嚴重，設計時應充分注意內繞組結構，以提高內繞組輻向強度，如低壓繞組內襯高強度硬紙筒，加密內徑圓周方向的撐條根數(shù)，內繞組之間輻向充分套緊。同時，也應提高整體繞組輻向強度，如繞組采取恒壓干燥，墊塊預密化處理；改進鐵軛夾件結構，采用加強的整圓壓板取代半圓形壓板；增加壓釘數(shù)量，嚴格做到各壓釘和鐵軛下木楔受力均勻，確保繞組充分壓緊；改進低壓繞組的結構形式，提高低壓繞組端部的機械強度。

3）合理選擇設計參數(shù)，不要僅從節(jié)約角度出發(fā)，更要按設計原則，穩(wěn)、快、好、省全面來考慮，即在保證各種指標、溫升限值的前提下，綜合選擇撐條條數(shù)、導線的寬厚比以及導線的許用應力等；而且對短路狀態(tài)下各種分接電壓位置變壓器所受到的輻向電磁力和軸向電磁力進行認真校核，保證線圈、夾件、鐵芯拉板以及焊縫在受到最大短路應力的情況下不超過許用應力，并留有足夠裕量。

4）變壓器內部裸露的導體應加包絕緣，加強引線支架及外殼機械強度，同時，盡量做到安匝平衡，嚴格控制繞組間的高度差，以減少繞組的軸向力。

6 結論

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，電力行業(yè)的突飛猛進，變壓器抗短路強度日漸成為研制高穩(wěn)定大容量變壓器課題中的重點之一，從常年實際運行情況和多年試驗數(shù)據(jù)證明，通過了短路能力耐受試驗的產(chǎn)品，在運行中就有足夠的短路耐受能力，抗短路能力大大增加［4］；建議在試驗能力范圍內，各種結構的變壓器都應能承受這一耐受能力試驗。由于突發(fā)短路試驗是考核和驗證變壓器抗短路能力水平最有效的手段和方法，而此項試驗具有很大的破壞性和特殊性，這就對檢測機構的試驗工程師提出了更高的要求，應能面對檢測過程中出現(xiàn)的各種異樣情況，及時的分析和決策，有針對性的為制造商提供改善措施和整改建議，協(xié)助對方完善產(chǎn)品，從而不斷提高我國變壓器整體水平。同時，也應重點注意到提高變壓器本身抗短路能力水平是由材料的優(yōu)次，設計的精準，工藝的好壞等多個環(huán)節(jié)共同決定的，而非單一的某個環(huán)節(jié)。

［1］賀以燕.我國電力變壓器的短路試驗及探討［J］.變壓器，2006，43（3）：1－3.

［2］GB 1094.5－2008電力變壓器 第5部分 承受短路能力［S］.

［3］何東升，苗本健.變壓器突發(fā)短路試驗中相控開關技術的應用［J］.低壓電器，2010，12（2）：49－52.

［4］陳奎.變壓器短路試驗方法及發(fā)展［J］.變壓器，2000，37（1）：49－52.