變壓器短路承受能力試驗研究

李濤，張艷，李勇，魏慧慧

（甘肅電器科學研究院，甘肅 天水 741018）

變壓器是電力系統中重要的一次設備，承擔著電壓、電流變換和功率傳輸的功能，對電網的安全、穩定、可靠運行有直接影響。變壓器短路承受能力試驗也稱作變壓器突發短路試驗，是專門用于檢驗變壓器承受短路故障能力的一項特殊試驗。

1 試驗概述

運行中的變壓器可能會發生各種短路故障，嚴重影響電力系統的安全性、穩定性和可靠性。通過此項試驗可以檢驗變壓器的設計、工藝水平，保障電力系統安全、穩定、可靠運行。按照GB／T 1094．5-2008《電力變壓器 第5部分：承受短路的能力》的規定，變壓器短路承受能力試驗分為兩部分，即承受短路的耐熱能力和承受短路的動穩定能力。一般情況下，承受短路的耐熱能力通過計算的方式驗證[1]，通過對稱短路電流、持續時間等參數計算出繞組短路后的平均溫度，和標準規定的最大允許值比較，判斷是否符合要求；承受短路的動穩定能力可通過試驗驗證或計算、設計和制造同步驗證[2]，大多采用試驗驗證。

2 試驗原理

變壓器短路承受能力試驗是利用短路裝置將變壓器的一側繞組短路，另一側繞組持續施加標準規定的對稱短路電流和非對稱短路峰值電流，模擬短路故障，考核變壓器承受短路故障的能力。按電壓施加的繞組可分為一次側加壓（二次側短路）和二次側加壓（一次側短路）兩種，按加壓和短路的操作順序可分為先短路法和后短路法兩種，因為二次側短路能準確地反映系統的短路故障狀態，當試驗容量和試驗電壓均滿足時，應盡可能采取此種方式，本文所述均采用一次側加壓（二次側短路）。以下對先短路法和后短路法兩種試驗方式進行討論。

2．1 先短路法

先短路法是預先短路、選相合閘，即先將變壓器二次側預先短路，然后在一次側勵磁。如圖1所示，先將變壓器二次側短路，再閉合隔離開關QS、操作斷路器QF和選相合閘開關HK向變壓器一次側勵磁。這種方式控制簡單，可以省去短路開關，直接用銅排或電纜將變壓器二次側短接，但采用先短路法進行變壓器短路承受能力試驗時，有可能使變壓器突然由空載狀態變為短路狀態。在最初的幾個周波中，使得鐵心飽和產生的勵磁電流迭加在短路電流上，為了避免這種情況，一般要求在離鐵心最遠的繞組施加電壓。

圖1 先短路法原理圖

2．2 后短路法

后短路法是預先送電、選相短路，即先向變壓器一次側勵磁，再將變壓器二次側短路。如圖2所示，先閉合隔離開關QS、操作斷路器QF向變壓器一次側勵磁，再閉合選相合閘開關HK將變壓器二次側短路。這種方式更接近實際運行工況，并且施加電壓和短路分開進行，可避免將勵磁涌流疊加到短路電流中。由于后短路法更接近變壓器在電力系統中的實際運行方式，實際試驗中多采用后短路法。

圖2 后短路法原理圖

3 試驗要求

GB／T 1094．5-2008《電力變壓器 第 5 部分：承受短路的能力》及JB／T 501-2021《電力變壓器試驗導則》對變壓器短路承受能力試驗提出了以下詳細要求。

3．1 對稱短路電流

當變壓器出線端發生三相短路時，對稱短路電流I為：

式（1）中，Ur為變壓器考核繞組的額定電壓，Zt為折算至考核繞組的變壓器的短路阻抗，Zs為變壓器安裝處系統短路阻抗。

Zt可通過短路阻抗、額定電壓、額定容量求得，Zs可通過標稱系統電壓、系統短路視在容量求得。

3．2 非對稱試驗電流

當變壓器出線端發生三相短路時，試驗應在電流達到最大非對稱值時進行，非對稱電流的第一個峰值的計算如下：

式（2）中，I為對稱短路電流，k為計算試驗電流初始偏移的系數（或稱系數為峰值因數）。

3．3 其他要求

（1）試品分類

GB／T 1094．5-2008中為按容量確定試驗要求，將三相變壓器或三相組變壓器按額定容量分為三個類別。即Ⅰ類：25kVA-2500kVA，Ⅱ類：2501kVA-100000kVA，Ⅲ類：100000kVA以上。

（2）峰值因數

（3）試驗次數

對于單相變壓器應進行3次試驗。若為帶有分接的變壓器，3次試驗應分別在最大分接、額定分接和最小分接位置進行。對于三相變壓器應進行9次試驗，即每相各進行3次試驗。若為帶有分接的變壓器，在一個邊相上的3次試驗應在最大分接位置進行，在中相的3次試驗應在額定分接位置進行，在另一個邊相上的3次試驗應在最小分接位置進行。

（4）持續時間

對于單相和三相變壓器的每次試驗持續時間要求為：Ⅰ類變壓器 0．5s，Ⅱ類和Ⅲ類變壓器 0．25s[3]。

（5）允許偏差

對稱短路電流偏差要求偏離規定值不大于10%。電流峰值偏差要求偏離規定值不大于5%。試驗持續時間偏差要求不大于10%。

（6）結果判斷

如果試驗中試驗電流、持續時間、試驗次數均達到要求，且試后測得電抗偏差符合要求，吊心檢查無異常，試品表面無放電痕跡，復試例行試驗合格，則認為短路承受能力試驗合格。

4 試驗系統

如圖2所示的高壓側加壓、低壓側短路，采用后短路法的變壓器短路承受能力試驗原理圖，試驗系統主要由試驗電源、操作斷路器、選相合閘開關、阻抗等組成。

4．1 試驗電源

目前，試驗電源主要有電網和短路發電機。以電網作為電源，受制于所處電網容量的限制，試驗產品容量較小，容量過大時不能滿足，但建設投資小；以短路發電機作為電源，可解決容量限值，優點在于可根據試驗需要配置短路容量和試驗能力，操作靈活，但投資大，且技術復雜。

近年來，儲能電源作為一種新型的試驗電源，也應用到變壓器短路承受能力試驗中。儲能電源是按照能量守恒的原理，通過儲能再將儲存的能量經過電力電子變換裝置輸出額定試驗電壓[4]。由于儲能電源采用了電力電子變換技術，則輸出電壓的幅值和相位均可按試驗要求快速調節，試驗系統無需同步開關。但由于儲能技術的限制，儲能電源只能用于進行小容量的配電變壓器的短路承受能力試驗。

4．2 操作斷路器

操作斷路器主要用作控制電源的通斷和保護試驗系統及人員的安全。一方面在試驗過程中，若試驗系統出現故障，則需要操作斷路器及時斷開電源，避免故障進一步擴大；另一方面，在標準規定的時間內，變壓器通過了試驗，需要操作斷路器斷開電源，結束試驗。

4．3 選相合閘開關

按照標準要求，試驗應在被試相的電流達到最大非對稱時進行，為滿足此要求，試驗系統需配置選相合閘開關來調節合閘相位角。要求選相角度精度不大于5個電角度，且不能發生觸頭彈跳。

4．4 回路阻抗

試驗中對稱短路電流和非對稱短路峰值電流都應滿足誤差要求，因此需要配置相應的電抗器對試驗電流進行調節。由于峰值因數與系統的Xs／Rs有關，當試驗系統中電抗值增大時，會造成峰值因數變大，進而使非對稱短路峰值電流不滿足標準要求，因此還需要配置電阻來調節峰值因數。

5 試驗實例

以某1600kVA干式變壓器為試品，進行短路承受能力試驗，計算試驗參數，分析試驗結果。

5．1 試品參數

試品參數如下：

額定容量：1600kVA

額定電壓：10／0．4kV

額定電流：92．4／2309．5A

空載損耗：1960W

負載損耗：11730W

短路阻抗：6．0%

5．2 試驗電流計算

5．3 試驗結果分析

依次在1、3、5分接分別進行3次短路承受能力試驗（1分接時A相為試驗相，3分接時B相為試驗相，5分接時C相為試驗相）。試驗過程中，試驗波形正常，對稱短路電流、非對稱短路峰值電流、試驗持續時間均符合偏差要求。取每相試驗的第2次試驗波形圖為典型波形圖，分別如圖3、4、5所示。

圖3 1分接A相波形圖

圖4 3分接B相波形圖

圖5 5分接C相波形圖

試驗后變壓器表面沒有放電痕跡，吊心檢查沒有發現異常，對比短路承受能力試驗前后的每相短路電抗值的偏差，1分接A相試驗時的最大偏差為6．2%，3分接 B 相試驗時的最大偏差為 6．1%，5分接C相試驗時的最大偏差為6．6%，均符合標準要求的不大于7．5%，且復試例行試驗合格。短路承受能力試驗通過，試品合格。

6 結論

本文研究了變壓器短路承受能力試驗的試驗原理、試驗要求和試驗系統，介紹了試驗系統各組成部分，并通過實例加以說明。重點分析了先短路法、后短路法兩種試驗方法和采用電網、沖擊發電機、儲能電源三種試驗電源的優缺點及選用原則，對通過試驗驗證承受短路的動穩定能力部分進行了研究。若要更嚴謹的判斷變壓器承受短路的能力，還應通過計算的方式驗證承受短路的耐熱能力。