杨玲玲 张艳魁
天津市特变电工变压器有限公司，天津 300300
摘要：文章主要是分析了短路试验与短路故障，在此基础上讲解了国家标准算法的理解与研究，望可以为有关人员提供到一定的参考和帮助。
关键字：电力变压器；国家标准；短路试验
1前言
外部突发短路是容易导致电力变压器出现故障的重要因素，其的影响程度与短路类型等的工况之间存在紧密的关联，是一个随机且难以解决的问题。变压器端丽故障中涉及到多个物理场，为此应当进行耦合分析。
2短路试验与短路故障
2.1短路试验与短路故障的对比
短路试验属于特殊试验，具有一定的破坏性，而且对于国标规定的Ⅲ类变压器短路容量要求非常高，必须在特定试验研究院才能完成。短路耐受试验的电源可从电力系统网络中取得，也可使用短路试验发电机供电能，但电源系统均是单侧供电，与运行变压器故障类型有明显区别。下面以一台三相180MVA/220kV为例，对短路试验与短路故障的差异进行对比短路耐受试验是模拟三相对称短路工况，并且在电压过零位置合闸，可保证峰值因数最大，满足“试验中所得到的电流峰值偏离规定值应不大于5%”的要求，试验条件是非常严格的。由于运行变压器的物理状态在故障前可能发生微小变化，如轴向压紧力降低，以往运行或故障的累积效应等，允许受力与许用应力都有所降低，即如下式中的许用值[A]在特定的运行状态时，是一个相对于出厂略有降低的确定值。对应运行中的故障电流，有效值受故障类型、故障阻抗等因素影响，暂态冲击电流又具有一定的随机性，电流峰值因数低于试验峰值因数，实际值A0是一个相对降低的不确定值。实践证明，凡是短路能力耐受试验合格的变压器，在运行中就有足够的抗短路电流冲击的耐受能力。K=[A]/A0式中，K为运行中变压器抗短路耐受能力安全系数；A0为实际短路工况下产生的力、应力和变形等参量；[A]为变压器在短路时刻的允许作用力、应力和变形等参量。
2.2保证运行变压器抗短路能力
如前所述，短路试验在多数情况下可以保证变压器的安全运行，但并非所有变压器都必须由短路试验来验证，如标准所述承受短路的动稳定能力有两种验证方式：试验验证和计算、设计和制造同步验证。当采用第二种验证方式时，应该注意几个要点：（1）参考变压器有参考意义。需对比已做过短路试验的类似变压器或在有代表性模型上的短路试验来证明，鉴别准则在国标1094.5附录C有明确定义。（2）短路校核工况应包含所有短路试验的工况，同时还应包括可能遇到的短路工况，例如单相对地短路、联合运行、并联运行等，并保证一定的安全裕度。（3）计算校核算法必须有自身体系判断依据。包括国家标准的判断方式也是推荐性的，所以必须结合制造水平和工艺控制能力进行判断，不同体系下安全系数的绝对值没有可比性。（4）必须理解到短路电流大并不意味着短路破坏性大的概念。即一味强调某一绕组的耐受电流值，而不关注其运行工况，是不合理的。此种观点以仿真计算数据为例进行说明。以上述三相180MVA/220kV三绕组为例，各工况短路电流及相应电流下中压的应力与安中压短路电流由5.91kA增加至7.72kA，电流增加30.6%，而安全系数仅增加了14.1%；中压短路电流由5.91kA增加至8.93kA，电流增加51.1%，而安全系数只减少了31.1%。分析原因是受力形式有所变化，耐受能力也相应地发生了变化。同理对比不同开关分接位置下高压短路电流、轴向受力与安全系数如表5所示。不难发现，中压在最负分接电流最大，高中运行时是最正分接的126.8%，但安全系数却仅增大了7.8%；额定分接电流并非最小，但安全系数远远大于极限分接。分析原因是分接绕组接入后改变了原有的安匝平衡，引起辐向漏磁和轴向受力的变化。仿真分析具备各种短路工况校核计算的条件，14需逐一进行计算验证。
3国家标准算法的理解与研究
国家标准GB1094.5-2008版比GB1094.5-2003版增加了验证承受短路动稳定能力的计算方法，根据材料特性定义了包括压缩应力、拉伸应力、弯曲应力和倒伏力等物理量的判断标准。承受短路动稳定能力的理论评估有了更详细的指南，虽然只是资料性附录，但在行业内被广泛学习和应用。
3.1辐向失稳的研究
短路电流流经变压器绕组后，在轴向漏磁作用下，内绕组损坏时在绕组圆周某一方向撑条间距内，线饼上所有导线都向外凸出，或在相邻的撑条间距内，线饼上的所有导线都向内凹陷，或两种变形同时存在。这种局部变形称为辐向失稳，不仅在圆周方向是不对称的，而且在整个绕组高度上的所有线饼也不一定都产生这种变形。为深入研究辐向失稳强度，通过科研项目，预设不同的结构和参数，按预设临界短路电流折算值进行短路试验，通过阻抗变化及非电量测量数据判断短路损坏的临界电流，再使用此电流仿真计算出临界的失稳应力。科研模型是一台50MVA/110kV三相各不相同的三绕组变压器，除绕组参数不同外，其他结构与常规结构无异，统计数据列于表6。表6中屈服强度值使用试验测得，失稳应力根据实际短路电流仿真计算得出。从表6中数据可以得出以下几点结论：（1）低压数据表明失稳形式（辐向支撑）对纸包扁铜线辐向失稳影响较大，失稳支撑数越多，抗失稳能力越强，国标算法有待完善。（2）中压数据表明，失稳形式对自粘换位线影响较小，“自支撑理论”可采用。（3）B相中、低压数据表明，导线厚度对辐向失稳影响较大，且尺寸越大抗失稳能力越强。
3.2关于短路累积作用的试验研究
变压器短路累积作用产生的原因包括长期运行后的间歇性冲击作用、短时间内多次短路冲击（如重合闸）及一次长时短路的累积作用。由于短路累积作用包括了“骨架”铜导线力学性能叠加、匝绝缘非线性压缩作用、热效应产生绝缘老化等，而且往往短路故障后都伴随着绝缘击穿或发展到内部短路故障的问题，仿真研究又涉及电磁学、力学、流体等多领域问题，标准未进行定义或规范，理论算法或试验方法也处于研究探索阶段。经笔者研究发现，短路累积作用在辐向上和轴向上产生机理和破坏形式上存在差异，所以分开讨论与研究。笔者在真型模型短路试验时进行了辐向失稳累积效应的试验研究。研究结果表明，绕组在辐向失稳上确实存在累积效应，绕组阻抗变化无法准确判断绕组在辐向失稳上的可靠性。轴向失稳累积效应试验研究轴向失稳累积效应的研究多数建立在质点振动方程上，将线饼简化为质点，将绕组等效为弹簧系统，考虑绝缘材料和铜导线的等效弹性模量，振动方程为：Md2zt+Cdzt+Kz=f（z）式中，f（z）为作用于线饼的包括电磁力、重力和压紧力的复合作用力，M、C、K分别为质量矩阵、阻抗矩阵和刚度矩阵。在模型短路试验时同样进行了轴向失稳累积效应的试验研究，随短路次数的增加，阻抗变化累积值越来越大，直至超过阻抗变化量的国家标准要求。在提取变压器短路累积作用算法时，应选取不同的系数或采用不同的算法。扭曲变形的累积效应螺旋式绕组具有工艺简单、操作方便等特点，只需要局部几处换位即可达到平衡环流目的，广泛地运用在低压绕组中。低压绕组多数作为内绕组，为提高其抗短路能力，大量采用自粘性换位导线，工艺干燥后具有非常好的辐向和轴向抗短路能力。
4结束语
由上可知，短路故障比短路试验的情况会更为复杂，且容易破坏形式受动热综合作用和累计效应所咋成的影响，故障破坏性应当结合故障情况下的工况进行有效、安全的判断。
参考文献
[1]刘宏亮, 臧谦, 高树国,等. 一种短时间内重复短路对电力变压器冲击的评估方法:, CN110988525A[P]. 2020.
[2]李璿, 吴士普, 刘西超,等. 一种用于试验电压互感器短路承受能力的方法及系统:, CN111208470A[P]. 2020.