變壓器匝間短路建模及其實際應用 _知識百科

匝間短路是變壓器常見的內部故障，一般由于內部線圈之間的絕緣漆破損，導致繞組匝間導通。
匝間短路的故障電流在變壓器內部流過，外部電流互感器通常無明顯反應。如果變壓器重瓦斯保護動作正確，且對故障錄波分析表明沒有內部相間或接地故障，則基本可以斷定為內部發生匝間短路。對于降壓變壓器，假設電源側發生匝間短路，被短路的繞組不再流過一次電流，電源側等效匝數減少，變比下降，由于電源側電壓視為恒定，導致負荷側電壓升高。相反，如果負荷側匝間短路，則負荷側電壓下降，負荷電流下降。
由于無功補償、站用電等需要，目前電網廣泛采用三繞組及以上的變壓器，多繞組變壓器某一負荷側發生匝間短路時，由于各個繞組之間相互耦合，不僅僅故障側電壓會降低，非故障負荷側的電壓也會降低，事故案例也證明了這一點。發生匝間短路前后變壓器外接負荷的阻抗不變，負荷電流與母線電壓成正比，但如果繞組接成三角形，發生匝間短路時三角形內部可能有零序電流分量，利用負荷電流不一定能計算出繞組電流，而對于負荷側沒有多主變并列運行的情況，可以根據母線電壓計算出各繞組電壓，因此分析繞組電壓比分析電流更具備可行性。而目前國內外的研究很少分析匝間短路的電壓影響，變壓器內部故障分析計算仍然是繼電保護的研究重點。
本文以三繞組降壓變壓器為例，分析低壓繞組匝間短路的特點，建立了等效模型，推導了故障后電壓公式，通過公式不僅可以計算出故障信息，還證明了相對于非故障的中壓側，發生故障的低壓側電壓下降更嚴重。最后，本文引用了一個實例，通過本文公式成功判斷了某次匝間短路事故的短路點，并采用Matlab仿真了該實例，仿真結果證明了公式正確且具備實用價值。
低壓側電流折算到一次側為1匝間短路建模1.1負荷側匝間短路等效電路以三繞組降壓變壓器低壓繞組發生匝間短路為例進行分析，假設中壓側帶負載為友2，低壓側帶負載友3，在低壓繞組發生匝間短路，短路電阻為兄，假設短路的匝數與總匝數的比值為m（0 單獨考慮低壓繞組，低壓側把被短路的繞組和未被短路的繞組分別視為兩個不同的帶內阻的電源，則低壓側的電路圖如所示。
應用疊加定理，將負荷電流全部等效到一次側。
先假設中被短路繞組的感應電壓為零，則在未被短路繞組中產生的感應電流等效到一次側為再假設中未被短路繞組的感應電壓為零，則在被短路繞組中產生的感應電流等效到一次側為式（3）明顯為兩并聯電路的電流，所以低壓繞組發生匝間短路時，三繞組變壓器等效到一次側的電路圖如所示。
從中可以看出，低壓繞組匝間短路，中壓側、非故障低壓側、故障電壓側三個負荷側等效阻抗并聯，被短路的低壓繞組和未被短路的低壓繞組分別等效為獨立的兩個繞組，變比分別為k13/m和k13/（1-m），三繞組變壓器視為四繞組變壓器，包括高壓側、中壓側、被短路的低壓側和未被短路的低壓側。 1.2故障后的電壓降故障前后中低壓側輸出電壓分別為Zl2、Zl3兩端的電壓，為了方便計算，對中的并聯電路的大阻抗和串聯電路的小阻抗進行了適當的忽略，把簡化為如所示。
三繞組變壓器低壓繞組匝間短路簡化圖根據疊加定理，低壓側發生匝間短路后，計算故障后變壓器等效電路圖的中心點電壓，中心點電壓'為其中，故障后，中低壓側的電壓為負載兩端的電壓。
分mZ3□R'T別為變壓器中低壓側繞組感抗壓降比。
事故前后中低壓側的電壓下降比例au2、au3滿足其中， U2、U3為事故前的中低壓側電壓。
式（6）中只包括兩個未知數m和R'，負載參數在故障前后不發生變化，可以取故障前的計算值，變壓器參數同樣取故障前的參數，可以從變壓器銘牌給定的值計算得到，代入式（6）可以計算出m和R'.令m=0， R'=~，中低壓繞組只有一個等效阻抗kf3ZL3，變為事故前的三繞組等效圖，滿足低壓側參數，結論類似。
因此，三繞組變壓器負荷側匝間短路時，兩負荷側電壓都會下降，且短路繞組的電壓下降比相對于另一負荷側更大。
廣西電網某220kV變電站為單主變運行，主變容量150MVA，三側額定電壓分別為220kV/ 110kV/10kV，接線方式為Yg/Yg0/D11，高壓側為電源側，中壓側110kV側接負荷，低壓側接10kV配網及電容補償。某日發生主變重瓦斯動作跳主變三側事故，變壓器油色譜分析表明內部發生嚴重故障，而主變電氣量保護均未出口，分析故障錄波排除了主變內部出現相間或接地故障，初步判斷為內部發生了匝間短路。
分析故障錄波圖可得：故障開始時間大約在錄波中的-60ms處，在約+30ms處達到穩定，在約+200ms處電氣量突降為零，判斷此時重瓦斯保護跳三側開關。
下面以-80ms、60ms處的電氣量分別代表故障前、后。由于低壓側為三角形出線，采集到的電壓為相電壓，將相電壓轉為線電壓，也就是繞組電壓為經過轉換得到故障前、故障后穩態的各繞組電壓有效值如表1所示。
對式（6）和式（7）進行進一步推導，分析中低壓繞組壓降比的大小關系為表1故障前后變壓器各繞組電壓有效值從式（8）可以得出AU3>AU2，低壓側繞組壓降比例相對更大。上述推理與繞組的接線方式無關，如果故障發生在中壓側，交換上述公的中從表1可以看出，電壓下降最嚴重的兩個繞組為：中壓側B相電壓下降為AU2= 0.10，低壓側B相繞組電壓也就是低壓側AB線電壓下降為本文參照實際參數對上文的事故實例進行仿真，具體參數如下：變壓器接線方式為Yg/Yg0/D11，額定容量為150MVA，高中低三側短路電壓為0.005，不考慮變壓器飽和。系統短路容量5 000MVA， 110kV側有功負荷60MW，無功負荷10MVar，低壓側有功負荷1MW，無功補償12MVar.Breaker閉合時阻抗即短路阻抗0.1卩。仿真， =0.04時，發生m=0.05的B相匝間短路，中低壓側仿真波形如所示。
=0.16.根據上文推導的結論可知：低壓側B相繞組電壓下降最大，中壓側B相繞組電壓下降略小，則故障為低壓繞組B相匝間短路。把變壓器參數和故障前的負載阻抗等代入式（6）可以計算出m0.05，兄0.6卩。變壓器返廠后吊罩檢查發現低壓側B相繞組發生了匝間短路，短路匝數也基本符合計算值，事故繞組照片如所示。
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