變壓器匝間短路建模及其實(shí)際應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2019-07-12 11:30:37來源：
匝間短路是變壓器常見的內(nèi)部故障，一般由于內(nèi)部線圈之間的絕緣漆破損，導(dǎo)致繞組匝間導(dǎo)通。
匝間短路的故障電流在變壓器內(nèi)部流過，外部電流互感器通常無明顯反應(yīng)。如果變壓器重瓦斯保護(hù)動(dòng)作正確，且對(duì)故障錄波分析表明沒有內(nèi)部相間或接地故障，則基本可以斷定為內(nèi)部發(fā)生匝間短路。對(duì)于降壓變壓器，假設(shè)電源側(cè)發(fā)生匝間短路，被短路的繞組不再流過一次電流，電源側(cè)等效匝數(shù)減少，變比下降，由于電源側(cè)電壓視為恒定，導(dǎo)致負(fù)荷側(cè)電壓升高。相反，如果負(fù)荷側(cè)匝間短路，則負(fù)荷側(cè)電壓下降，負(fù)荷電流下降。
由于無功補(bǔ)償、站用電等需要，目前電網(wǎng)廣泛采用三繞組及以上的變壓器，多繞組變壓器某一負(fù)荷側(cè)發(fā)生匝間短路時(shí)，由于各個(gè)繞組之間相互耦合，不僅僅故障側(cè)電壓會(huì)降低，非故障負(fù)荷側(cè)的電壓也會(huì)降低，事故案例也證明了這一點(diǎn)。發(fā)生匝間短路前后變壓器外接負(fù)荷的阻抗不變，負(fù)荷電流與母線電壓成正比，但如果繞組接成三角形，發(fā)生匝間短路時(shí)三角形內(nèi)部可能有零序電流分量，利用負(fù)荷電流不一定能計(jì)算出繞組電流，而對(duì)于負(fù)荷側(cè)沒有多主變并列運(yùn)行的情況，可以根據(jù)母線電壓計(jì)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(guó)內(nèi)外的研究很少分析匝間短路的電壓影響，變壓器內(nèi)部故障分析計(jì)算仍然是繼電保護(hù)的研究重點(diǎn)。
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(diǎn)，建立了等效模型，推導(dǎo)了故障后電壓公式，通過公式不僅可以計(jì)算出故障信息，還證明了相對(duì)于非故障的中壓側(cè)，發(fā)生故障的低壓側(cè)電壓下降更嚴(yán)重。比較后，本文引用了一個(gè)實(shí)例，通過本文公式成功判斷了某次匝間短路事故的短路點(diǎn)，并采用Matlab仿真了該實(shí)例，仿真結(jié)果證明了公式正確且具備實(shí)用價(jià)值。
低壓側(cè)電流折算到一次側(cè)為1匝間短路建模1.1負(fù)荷側(cè)匝間短路等效電路以三繞組降壓變壓器低壓繞組發(fā)生匝間短路為例進(jìn)行分析，假設(shè)中壓側(cè)帶負(fù)載為友2，低壓側(cè)帶負(fù)載友3，在低壓繞組發(fā)生匝間短路，短路電阻為兄，假設(shè)短路的匝數(shù)與總匝數(shù)的比值為m（0 應(yīng)用疊加定理，將負(fù)荷電流全部等效到一次側(cè)。 先假設(shè)中被短路繞組的感應(yīng)電壓為零，則在未被短路繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電流等效到一次側(cè)為再假設(shè)中未被短路繞組的感應(yīng)電壓為零，則在被短路繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電流等效到一次側(cè)為式（3）明顯為兩并聯(lián)電路的電流，所以低壓繞組發(fā)生匝間短路時(shí)，三繞組變壓器等效到一次側(cè)的電路圖如所示。 從中可以看出，低壓繞組匝間短路，中壓側(cè)、非故障低壓側(cè)、故障電壓側(cè)三個(gè)負(fù)荷側(cè)等效阻抗并聯(lián)，被短路的低壓繞組和未被短路的低壓繞組分別等效為獨(dú)立的兩個(gè)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(cè)、中壓側(cè)、被短路的低壓側(cè)和未被短路的低壓側(cè)。1.2故障后的電壓降故障前后中低壓側(cè)輸出電壓分別為Zl2、Zl3兩端的電壓，為了方便計(jì)算，對(duì)中的并聯(lián)電路的大阻抗和串聯(lián)電路的小阻抗進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮雎裕押?jiǎn)化為如所示。 三繞組變壓器低壓繞組匝間短路簡(jiǎn)化圖根據(jù)疊加定理，低壓側(cè)發(fā)生匝間短路后，計(jì)算故障后變壓器等效電路圖的中心點(diǎn)電壓，中心點(diǎn)電壓'為其中，故障后，中低壓側(cè)的電壓為負(fù)載兩端的電壓。 分mZ3□R'T別為變壓器中低壓側(cè)繞組感抗壓降比。 事故前后中低壓側(cè)的電壓下降比例au2、au3滿足其中，U2、U3為事故前的中低壓側(cè)電壓。 式（6）中只包括兩個(gè)未知數(shù)m和R'，負(fù)載參數(shù)在故障前后不發(fā)生變化，可以取故障前的計(jì)算值，變壓器參數(shù)同樣取故障前的參數(shù)，可以從變壓器銘牌給定的值計(jì)算得到，代入式（6）可以計(jì)算出m和R'.令m=0，R'=~，中低壓繞組只有一個(gè)等效阻抗kf3ZL3，變?yōu)槭鹿是暗娜@組等效圖，滿足低壓側(cè)參數(shù)，結(jié)論類似。 因此，三繞組變壓器負(fù)荷側(cè)匝間短路時(shí)，兩負(fù)荷側(cè)電壓都會(huì)下降，且短路繞組的電壓下降比相對(duì)于另一負(fù)荷側(cè)更大。 廣西電網(wǎng)某220kV變電站為單主變運(yùn)行，主變?nèi)萘?50MVA，三側(cè)額定電壓分別為220kV/ 110kV/10kV，接線方式為Yg/Yg0/D11，高壓側(cè)為電源側(cè)，中壓側(cè)110kV側(cè)接負(fù)荷，低壓側(cè)接10kV配網(wǎng)及電容補(bǔ)償。某日發(fā)生主變重瓦斯動(dòng)作跳主變?nèi)齻?cè)事故，變壓器油色譜分析表明內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障，而主變電氣量保護(hù)均未出口，分析故障錄波排除了主變內(nèi)部出現(xiàn)相間或接地故障，初步判斷為內(nèi)部發(fā)生了匝間短路。 分析故障錄波圖可得：故障開始時(shí)間大約在錄波中的-60ms處，在約+30ms處達(dá)到穩(wěn)定，在約+200ms處電氣量突降為零，判斷此時(shí)重瓦斯保護(hù)跳三側(cè)開關(guān)。 下面以-80ms、60ms處的電氣量分別代表故障前、后。由于低壓側(cè)為三角形出線，采集到的電壓為相電壓，將相電壓轉(zhuǎn)為線電壓，也就是繞組電壓為經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到故障前、故障后穩(wěn)態(tài)的各繞組電壓有效值如表1所示。 對(duì)式（6）和式（7）進(jìn)行進(jìn)一步推導(dǎo)，分析中低壓繞組壓降比的大小關(guān)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(cè)繞組壓降比例相對(duì)更大。上述推理與繞組的接線方式無關(guān)，如果故障發(fā)生在中壓側(cè)，交換上述公的中從表1可以看出，電壓下降比較嚴(yán)重的兩個(gè)繞組為：中壓側(cè)B相電壓下降為AU2= 0.10，低壓側(cè)B相繞組電壓也就是低壓側(cè)AB線電壓下降為本文參照實(shí)際參數(shù)對(duì)上文的事故實(shí)例進(jìn)行仿真，具體參數(shù)如下：變壓器接線方式為Yg/Yg0/D11，額定容量為150MVA，高中低三側(cè)短路電壓為0.005，不考慮變壓器飽和。系統(tǒng)短路容量5 000MVA，110kV側(cè)有功負(fù)荷60MW，無功負(fù)荷10MVar，低壓側(cè)有功負(fù)荷1MW，無功補(bǔ)償12MVar.Breaker閉合時(shí)阻抗即短路阻抗0.1卩。仿真，=0.04時(shí)，發(fā)生m=0.05的B相匝間短路，中低壓側(cè)仿真波形如所示。 =0.16.根據(jù)上文推導(dǎo)的結(jié)論可知：低壓側(cè)B相繞組電壓下降比較大，中壓側(cè)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(shù)和故障前的負(fù)載阻抗等代入式（6）可以計(jì)算出m0.05，兄0.6卩。變壓器返廠后吊罩檢查發(fā)現(xiàn)低壓側(cè)B相繞組發(fā)生了匝間短路，短路匝數(shù)也基本符合計(jì)算值，事故繞組照片如所示。 Matlab的Simulink功能有專門針對(duì)電力系統(tǒng)仿真分析的模塊，利用該模塊對(duì)上述事故進(jìn)行仿真分析，仿真電路圖如所示，三繞組變壓器采用三個(gè)獨(dú)立的變壓器模型，其中B相低壓繞組設(shè)有分接開關(guān)，其中的1/20的繞組引出后接可控開關(guān)Breaker，開關(guān)閉合等效為匝間短路。 從錄波可以看出：電壓下降比較明顯的為中壓側(cè)B相電壓下降8.7%，低壓側(cè)AB線電壓也就是B相繞組電壓下降14.62%，其余各電壓都有不同程度的下降，詳情如表2所示。仿真結(jié)果吻合故障錄波，進(jìn)一步驗(yàn)證上文公式推導(dǎo)正確且具備實(shí)用價(jià)值。 表2Matlab仿真電壓幅值與故障錄波對(duì)比Matlab仿真故障錄波故障前故障后幅值/kV幅值/kV電壓變化/%故障前故障后幅值/kV幅值/kV電壓變化/%中A中B中C低AC低AB低BC 4結(jié)論多繞組變壓器某一負(fù)荷側(cè)匝間短路將導(dǎo)致所有的負(fù)荷側(cè)電壓、電流下降，而對(duì)于三角形接線繞組匝間短路，內(nèi)部存在零序電流，繞組內(nèi)部電流無法通過外部電流計(jì)算得知，因而分析變壓器匝間短路時(shí)，取各側(cè)的電壓值更具備可行性。本文通過采用疊加定理，把發(fā)生短路的變壓器繞組等效為兩個(gè)不同變比的繞組。以三繞組變壓器低壓側(cè)匝間短路為例，推導(dǎo)了變壓器負(fù)荷側(cè)匝間短路可以等效為加一個(gè)繞組的變壓器，并在三繞組變壓器等效模型的基礎(chǔ)上建立了三繞組變壓器負(fù)荷側(cè)匝間短路模型，進(jìn)一步推導(dǎo)了匝間短路后各側(cè)電壓的計(jì)算公式。 文中還引入了一個(gè)實(shí)例進(jìn)行分析，且通過Matlab仿真該實(shí)例，仿真結(jié)果和故障錄波都與文中模型的結(jié)故障錄波是故障過程的真實(shí)記錄，是故障分析的第一手資料。本文提出的模型為變壓器匝間短路故障分析提供了理論支撐，根據(jù)本文模型的結(jié)論，可以直接通過故障錄波，方便快捷找出故障點(diǎn)。本文中建模思路對(duì)于分析各種匝間短路具有一般性，可以廣泛應(yīng)用于各種發(fā)電機(jī)、變壓器的匝間短路建模及故障分析，簡(jiǎn)化了變壓器內(nèi)部故障分析計(jì)算。