三繞組變壓器短路試驗及其電流特性

楊圣養

（三明市高級技工學校 福建省三明市 365500）

變壓器是電力系統中最常見的電力設備之一，而三繞組變壓器由于具有三個獨立的繞組，其電路特性復雜，因此其保護和故障分析需要更為嚴密的研究和探討。短路試驗是判斷變壓器是否正常運行的重要手段之一，而其電流特性則能夠反映出變壓器的狀況，對于判斷變壓器的故障類型和位置，以及采取有效的修復措施具有重要的意義。本文通過對三繞組變壓器短路試驗和電流特性的分析和探討，旨在更深入地了解該類型變壓器的故障特性，為保護和維護電力系統的穩定運行提供參考和幫助。

1 三繞組變壓器短路試驗

電力變壓器作為電力系統中的重要組成部分，需要經過多種類型的測試和評估以確保其可靠性和安全性。其中，短路試驗是電力變壓器測試中的一個重要環節，旨在模擬現場運行過程中可能出現的各種短路故障，以評估變壓器在不同短路條件下的電氣性能和機械強度。短路試驗是一種重要的電氣試驗，也是變壓器設計和選型的重要依據之一。

三繞組變壓器短路試驗是指在變壓器的三個繞組中，對其中兩個繞組進行短路，然后將第三個繞組接到電源上進行試驗。這種試驗可以檢驗變壓器的短路電流特性和繞組的相對位置，也可以檢驗繞組的相對偏位和短路電流的分布。通過這種試驗可以得出變壓器的電氣參數，例如短路阻抗、短路電壓、短路電流等。同時，也可以檢驗變壓器的絕緣狀態，確保其符合安全要求。在實際運行中，短路試驗也是檢驗變壓器性能的重要手段之一。

實驗對比表明，在低壓側短路工況下，高壓中壓聯合供電時低壓三相對稱短路電流和中低運行方式下的短路電流相差不多，表明短路試驗中低壓短路工況對變壓器的影響比較小。在非對稱短路在中壓側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。在此基礎上，對高壓和中壓繞組在不同短路工況下的情況進行了詳細分析。結果表明，短路試驗可以模擬所有運行故障，高中短路試驗考核此種結構的高壓繞組的運行安全性是可靠的。同時，對于中壓側單相接地短路電流增加引起的沖擊影響，必須以設計安全裕度來保證。中壓單相短路輻向受力宏觀示意圖如圖1所示。

圖1：中壓單相短路時中壓輻向受力的宏觀示意圖

對于中壓單相短路和三相短路這兩種測試方法，雖然中壓單相短路會導致更高的電流增加，但實驗結果表明，其對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降低。因此，在進行三相對稱短路試驗時，需要保留一定的安全裕度，以確保變壓器的安全運行。同時，短路測試的結果還可以用于指導變壓器的設計和優化，以提高其在面對不同短路故障時的可靠性和耐久性。總之，短路試驗是電力變壓器測試中不可或缺的一部分，可以幫助評估變壓器在不同短路條件下的電氣性能和機械強度，為電力系統的安全穩定運行提供保障。

2 三繞組變壓器短路電流產生和計算方法

變壓器短路電流的產生是由于電源電壓作用下的電動勢驅動導體中的電流在短路點處形成閉合回路所致。計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，計算短路時各部分的電流和電壓，進而得出短路電流。這種方法計算速度較快，但是需要建立復雜的等效電路模型，且存在一定的理論誤差。仿真法則是利用電磁暫態分析軟件，將變壓器各部分的參數輸入軟件中，通過求解電磁場方程和電路方程，計算出短路時各部分的電流和電壓，進而得出短路電流。仿真法計算精度較高，但計算時間相對較長，需要較高的計算機性能。根據實際情況選擇適合的計算方法，可以準確地計算出變壓器短路電流。進行三繞組變壓器短路試驗的目的是為了評估其在實際運行中的可靠性和穩定性，確保其能夠安全穩定地運行。通過對短路電流的測量和分析，可以為電網的運行和維護提供參考和指導，同時也為變壓器的研發和應用提供了技術支持。因此，對三繞組變壓器出口近區短路電流特性的深入研究具有重要的理論和實踐意義。

2.1 計算分析

在進行三繞組變壓器出口近區短路電流特性分析時，需要考慮一些假設和前提條件。這些假設和前提條件是為了簡化分析過程，更好地計算短路電流特性。首先，我們將三繞組變壓器視為電網中的一個元件，而不是獨立的設備。其次，電弧電阻的影響被忽略，而電網結構在短路持續時間內保持不變，并且除零序系統以外的所有線路電容、并聯導納等因素也被忽略。此外，在分析過程中短路類型的始終保持不變，并且對短路電流大小的沒什么影響的是開關分接相對的位置。所以在本文中，我們的計算是以主分接為例的，而極限分接可以采用類似的方法進行分析。這些假設和前提條件在實際應用中需要慎重考慮，以確保計算結果的準確性和可靠性。

任何一個三相不平衡電流、電壓或阻抗均由三個平衡的相量成分組成，即正、負序分量以及零序分量，假設電氣設備具有平衡的結構。電流的數學表達式可寫為式（1）。

上式中：IA、IB、IC分別表示短路點實際短路電流；I+、I-、I0分別表示的是短路點正、負、零序網絡中的短路電流；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算三相不平衡短路電流，提高電力系統的穩定性和可靠性。

2.2 三繞組變壓器等效阻抗網絡

在進行變壓器短路電流計算時，變壓器繞組間的阻抗是一個重要的參數，它通常以變壓器的額定容量和額定電壓為基準建立，是通過試驗方法測得的無量綱百分數。因此，以變壓器參數為基準進行計算可以更加簡潔明了。變壓器等效阻抗網絡包括高壓系統、中壓系統和低壓系統，如圖2所示。在該網絡中，高、中壓系統均包含電源系統，而低壓系統則可能帶有電源或直接帶負荷，判別的根據是變壓器的電壓等級和運行特點。

圖2：變壓器等效阻抗計算示意圖

變壓器繞組之間的阻抗被表示為無量綱百分數，其基準值是變壓器的額定容量和額定電壓，通常通過試驗測得。變壓器繞組之間的等效阻抗百分數分別為ZT-HV、ZT-MV和ZT-LV。實測的繞組間等效阻抗的計算公式如式（2）：

變壓器的高壓、中壓和低壓側都有對應的系統阻抗，可以用ZS-HV、ZS-MV和ZS-LV的百分比來表示。這些阻抗的計算公式是ZS=ST/SS×100%，式中ST 指的是變壓器額定容量，而SS指的是每一側電源系統短路所測的視在容量。需要特別提示的是，對系統短路視在容量的大小有重大的影響的還有環網和并聯運行，這一般有兩種方法來確定，一種通過計算系統短路電流，另一種方法是參考國家標準來確定。

2.3 三繞組變壓器短路電流計算方法

在使用對稱分量法計算短路電流時，需要確定短路點的邊界條件和各序網絡圖中的阻抗值。以中壓側在三類非對稱短路的邊界條件下為例，其關鍵三序關系的計算要點如表1。

表1：不同短路類型對稱分量法計算的要點

需要注意的是，在實際應用中，對稱分量法計算短路電流時需要確定短路點邊界條件和各序網絡圖中的阻抗值，并根據不同短路類型采用相應的計算方法。

對稱分量法是一種廣泛應用于電力系統中求解對稱和不對稱故障電流的方法，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）確定短路類型和短路點位置。根據實際情況確定短路類型和短路點位置，例如單相短路、雙相短路或三相短路。

（2）根據短路點位置和電源系統參數，計算各序分量電壓。利用電源系統參數和短路點位置，可以計算出短路點處的各序分量電壓。

（3）確定變壓器繞組間的等效阻抗百分數。根據變壓器的設計參數和運行狀態，可以計算出各序分量的等效阻抗百分數。

（4）根據繞組間等效阻抗百分數和變壓器額定容量，計算各序分量阻抗。利用等效阻抗百分數和變壓器額定容量，可以計算出各序分量的阻抗。

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

以上步驟是對稱分量法求解變壓器短路電流的基本步驟。該方法簡單易用，計算結果精度高，被廣泛應用于電力系統中對變壓器短路電流的計算和分析。

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在短路電流大小和分布對各側繞組的影響。由于短路電流會通過各個繞組，因此會產生不同方向的磁場和電場力，引起不同方向的受力，從而影響繞組的溫升和機械強度等方面。在進行短路電流的計算和分析時，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，變壓器等效阻抗網絡包括高壓系統、中壓系統和低壓系統，不同系統的電源供電方式不同，需要進行分類討論。根據實驗和計算結果，當系統零序阻抗與正序阻抗相等時，三繞組變壓器各側短路情況下的短路電流倍數也有所不同，具體如表2所示。

表2：短路電流倍數統計

針對三繞組變壓器的短路電流計算結果進行分析，可以得出以下結論：

在高壓側短路中，兩相接地和兩相相間短路電流倍數相當，單相接地電流倍數較小。這是因為在高壓側短路中，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變壓器的限制，因此其倍數較小。在中壓側短路中，兩相接地和兩相相間差距較小，單相接地短路電流較小。這是因為在中壓側短路中，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變壓器的限制，因此其倍數較小。在低壓側短路中，兩相相間和兩相接地短路電流倍數相近，單相接地短路電流倍數較小。這是因為在低壓側短路中，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變壓器的限制，因此其倍數較小。

以上結論表明，變壓器短路電流的大小和變壓器結構、額定容量、接線方式以及短路類型等因素密切相關。因此，在設計和選型變壓器時，需要充分考慮各種可能的短路情況，以確保變壓器在運行過程中的可靠性和安全性。

4 結束語

綜上所述，對于變壓器短路試驗，三相對稱短路試驗可包含變壓器現場運行的各類短路故障，適當保留一定的安全裕度，能夠保證變壓器的安全可靠運行。但對于短路電流故障原因，此時需要通過專業仿真軟件進行計算，來驗證短路試驗是否還能模擬所有的運行故障。同時，短路試驗的結果也可以用于變壓器的保護和故障診斷。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、聯結組別、額定電壓、短路阻抗等。使用對稱分量法進行短路電流計算時，需要確定短路點的邊界條件和各序網絡圖中的阻抗值。三繞組變壓器在短路電流下的特性主要表現在短路電流大小和分布對各側繞組的影響。對于高壓、中壓、低壓側短路，短路類型、短路點不同，短路電流倍數差異也很大。