电力变压器绕组变形特性仿真分析与匝间短路故障诊断

翟天心

（台湾中原大学电机工程学系，台湾 桃园 330）

变压器指用来变换交流电压、电流而传输交流电能的电气设备，主要根据电磁感应原理实现电能传递，按照用途可分为电力变压器、仪用变压器、试验变压器等。电力变压器是电力输配电、电力用户配电的必要设备，在发电厂和变电所中具有重要作用，不仅可升高电压把电能输送到用电地区，且能把电压降低为各级使用电压，极大满足用电需要。变压器绕组属于电路部分，一般由电导率高的铜导线或是铝导线绕制而成，为电力系统中的一部分。当变压器在正常运行时，如果突然受到故障短路电流干扰，短路电流可产生较大电动力，进而作用每个绕组。在运输和组装变压器时，也会使变压器受到不同程度的碰撞与挤压，只产生机械力，使变压器绕组发生位移或是变形，导致在运行过程中发生匝间短路故障等事故。因此，对电力变压器绕组变形特性仿真分析和匝间短路故障诊断进行综述。

1 电力变压器绕组变形分析

1．1 电力变压器的作用

电力变压器是一种静止的电气设备，可以把某一数值的交流电压变成频率相同的另一种或是几种数值不同的电压设备。由绕在同一铁芯上的两个或是两个以上线圈绕组组成，绕组之间通过交变磁场相互联系，且根据电磁感应原理工作。当一次绕组通以交流电时，能够产生交变磁通，再在铁芯导磁的作用下，在二次绕组中感应出交流电动势。通常二次感应电动势高低与一、二次绕组匝数的多少有关，具体表现为电压大小与匝数成正比，即电压越大，匝数越多。

电力变压器的主要作用是传输电能，所以，额定容量为主要参数，可以表征传输电能的大小，当对变压器施加额定电压时，需要以额定容量明确额定电流，额定电流为在规定条件下不超出温升限值。当使用电力变压器时，应该合理选择变压器的额定容量，因为变压器空载运行时，需用较大的无功功率。如果变压器容量选择过大，将增加初投资，让其长时间处于空载或者是轻载运行，使得空载损耗比重提高，功率因数下降，网络损耗增加。如果变压器容量选择过小，将让变压器长时间过负荷，容易损坏设备。

1．2 电力变压器绕组短路电动力分析

（1）麦克斯韦方程组。电力变压器的正常运行对保障整个电力系统安全稳定运行具有关键作用，一旦变压器绕组受到来自外部输电线路过大的短路电流冲击时，内部电场和磁场均会受到影响，发生改变，使电磁感应生成的短路电动力猛然提高。

在此基础上，电力变压器绕组将发生变形或是不同程度的绝缘破坏，给电力系统运行带来安全隐患，若不及时发现并处理，电力变压器将无法正常运行，严重情况下可引起较大的电力事故。所以，有必要对电力变压器绕组短路电动力进行分析。麦克斯韦方程组是英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在19世纪建立的一组描述电场、磁场和电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程。

主要由四个方程组成，分别为高斯定律、高斯磁定律、法拉第感应定律、麦克斯韦-安培定律。在麦克斯韦电磁场理论要点中，电能或者是电磁不止存在带电体、磁化体或带电流物体中，还分布在周围的电磁场中，导体构成的电路中如果有中断处，电路中的传导电流将由电介质中的位移电流补偿贯通，同时位移电流与其产生的磁场关系与传导电流没有区别。因为变压器在运行时，内部也发生着电场与电磁场变化，可用麦克斯韦方程组研究电力变压器内部磁场分布规律。微分形式的麦克斯韦方程组为：

式中，H为磁场强度，J为电流密度，B为磁感应强度，D为电荷体密度。当存在介质时，由于电场与磁场和介质之间的相互影响，让电磁场量与介质的特性有关，需要补充描述介质性质的物性方程，即D＝εE，B＝Hμ，j＝σE，其中ε为介质的绝对介电常数，μ为绝对磁导率，σ为导体电导率。

（2）变压器出现三相短路时的电流计算方法。当电力变压器二次侧短路时，绕组中可产生大的短路电流，在短路电流的干扰下，绕组出现大的电磁力，远远超过额定电磁力值，导致绕组机械强度被破坏。另外，过大的短路电流可让绕组发热，温度升高，进而损坏绕组绝缘保护，甚至引起变压器绕组被烧毁，导致电力变压器爆炸，需要在变压器运行期间对绕组上流经瞬态短路电流展开监测，变压器瞬态短路电流计算方法为：I(t)＝I0e-(R/L)t+(Vm/√R2+X2)sin（ωt-θ），其中R指变压器中的等效电阻，I0指短路后非周期量的瞬时初始值，L指变压器等效电感，Vm指电压最大值，X指变压器等效电抗，θ指电压源初相角。

（3）电力变压器绕组受力。随着变压器绕组线圈中电流通过，线圈周围空间将形成磁场，但是因为变压器内部具有铁芯，导磁性能强于空气，因此大多数磁通可在铁芯内通过，属于主磁通。不根据铁芯的磁路流动的其他磁通属于漏磁通，与主磁通相比，漏磁通产生杂散损耗，只能与一次侧绕组相交链，无法传递能量，但能降低电压。主磁通具有能量传递媒介作用，可同时与一、二次侧绕组相交链，产生励磁。无论是主磁通还是漏磁通，都能够形成闭合的磁回路，让磁力线顺着线圈两个不同方向行走，其中顺着线圈高度方向的为纵向漏磁通，顺着线圈幅向方向的为幅向漏磁通。一旦变压器发生短路，随着线圈中出现大的短路电流，将出现一定漏磁通，纵向漏磁通让变压器线圈产生幅向电动力，幅向漏磁通让线圈产生纵向电动力，分析电力变压器绕组不同方向上的受力十分必要。根据右手定则，轴向漏磁通对高低压绕组有辐向拉伸力，进而提高变压器高低压绕组向内的轴向压力。因为短路电流不是固定不变，绕组所受到的电动力也相应变化。

1．3 电力变压器绕组变形特性分析

变压器绕组变形的形式主要包括整体变形与局部变形，整体变形多由变压器在运输期间受到振动冲击导致，一般只会引起变压器绕组线圈之间出现移动，不会对整体造成太大影响。可改变绕组线圈对地电容，对电感量和饼间电容没有干扰，若绕组在外部短路电动力的冲击下，使部分撑条受力移动位置或者是脱落，将让绕组线圈在原本压紧力的作用下往一边偏移，加上外线圈扩张或是内线圈收缩，让高低压绕组线圈之间的距离发生变化，降低对地电容。局部变形为变压器绕组线圈的等效直径与厚度没有发生大面积变化，仅是部分线圈尺寸分布不均匀或是线饼等效直径出现较小变化。虽然对总电感没有太大影响，但是当变压器绕组导线承受的应力超过额定值，或者是长期受到短路电动力冲击引起线圈匝间绝缘被损坏时，可让变压器绕组发生匝间短路故障，如果出现严重故障，可使线圈被烧毁。

2 绕组变形特性仿真分析

频率响应法在绕组变形检测中具有重复性好等优势，当变压器绕组发生变形后，可导致电路参数改变，造成频响特性曲线随之变化，具体表现为谐振点频率与谐振点峰值发生不同程度的升降或者是位移。对此，可将其用来观察频率响应曲线有无发生变化，当谐振点频率变化量为正数，代表变压器绕组在变形后，谐振点频率上升，当变化量为负数，代表谐振点频率降低。同理，当谐振点峰值变化量为正数，代表变压器绕组在变形后，谐振点峰值上升，当变化量为负数，代表谐振点峰值降低。仿真模拟变压器绕组不同位置电感参数改变，发现当变压器等值电路绕组电感参数逐次减小时，频响曲线向右边高频区移动，部分谐振点峰值出现明显改变，当绕组等值电路首段与末端电感参数变化时，频响曲线存在相似性特点。在纵向电容参数改变后的仿真模拟中，当变压器等值电路绕组纵向电容参数逐次减小时，低频区域频率响应曲线没有太大变化，高频区域有明显变化，表现为出现新的谐振点。在对地电容参数改变后的仿真模拟中，当变压器等值电路绕组对地电容参数逐次减小时，频响曲线整体向右边高频区移动，部分谐振点峰值有显著变化，首端对地电容改变对频率响应曲线没有太大影响。可知，当变压器等值电路中各电路参数发生变化时，将使绕组频响曲线呈规律性改变，可以用来判断变压器绕组情况。

3 匝间短路故障诊断方法

变压器匝间短路故障为内部故障，传统保护在故障发生后难以识别绕组故障状态，造成变压器继续负载运行。油色谱分析法能够通过气体探测器检测变压器内部故障产生的特殊气体，但不适合在处理匝间短路故障时应用。对称分量法根据派克变换法可获得变压器端口电流相位，从而实现故障辨识，可对于匝间短路故障，该方法计算复杂，同样不适用。且上述两种诊断方法都没有充分考虑变压器故障后的电磁耦合特性，行波在电力线路中，可以应用在线路测距以及电缆故障定位中，原理为行波在传输时可经过不同波组抗点发生波折射与反射，依次形成反射波以及折射波。重复脉冲法以行波理论为基础，借助信号发生器对被测物输入低压脉冲信号，只要脉冲信号在导线传输期间遇到阻抗不连续处，即可让脉冲信号波出现折射波和反射波。与此同时，监测点可测到一条与正常状态下不同的特性响应曲线，将其与正常状态下的特性响应曲线对比，如果具有显著差异，表示被测物中具有阻抗不连续处，提示绕组中可能发生短路或是断路故障，可应用在发电机绕组匝间短路故障诊断中。因为变压器绕组与发电机绕组存在相似性，变压器绕组波阻抗发生变化同样会干扰脉冲波信号传输，重复脉冲法能够用来诊断变压器匝间短路故障。并根据故障位置波阻抗变化情况反映绕组匝间短路故障严重程度，可将特性相应曲线和正常状态下的特性相应曲线合并呈一条特性曲线，如果特性曲线异常代表绕组匝间发生短路故障。

4 结语

电力变压器在电力系统中有着无法取代的作用，在经济快速发展下，我国电力建设速度加快，发电装机容量明显增长，电网建设速度显著提升。绕组变形在电力变压器故障中的发生率高，需要相关人员及时进行检测并维修，以免出现更加严重的故障，影响正常用电。本文经过阐述电力变压器的作用，用麦克斯韦方程组对电力变压器绕组短路电动力展开分析，明确变压器绕组在外力或者是外部短路电动力冲击下发生绝缘短路故障时，绕组的受力和内部磁通变化情况，论述了绕组变形特性，并进一步对其展开仿真分析。将重复脉冲法作为匝间短路故障诊断方法，根据反射波系数判断有无发生绕组匝间短路故障，有效提高用电安全性，降低损失，具有一定经济效益。