变压器短路承受能力试验研究

李涛，张艳，李勇，魏慧慧

（甘肃电器科学研究院，甘肃 天水 741018）

变压器是电力系统中重要的一次设备，承担着电压、电流变换和功率传输的功能，对电网的安全、稳定、可靠运行有直接影响。变压器短路承受能力试验也称作变压器突发短路试验，是专门用于检验变压器承受短路故障能力的一项特殊试验。

1 试验概述

运行中的变压器可能会发生各种短路故障，严重影响电力系统的安全性、稳定性和可靠性。通过此项试验可以检验变压器的设计、工艺水平，保障电力系统安全、稳定、可靠运行。按照GB／T 1094．5-2008《电力变压器 第5部分：承受短路的能力》的规定，变压器短路承受能力试验分为两部分，即承受短路的耐热能力和承受短路的动稳定能力。一般情况下，承受短路的耐热能力通过计算的方式验证[1]，通过对称短路电流、持续时间等参数计算出绕组短路后的平均温度，和标准规定的最大允许值比较，判断是否符合要求；承受短路的动稳定能力可通过试验验证或计算、设计和制造同步验证[2]，大多采用试验验证。

2 试验原理

变压器短路承受能力试验是利用短路装置将变压器的一侧绕组短路，另一侧绕组持续施加标准规定的对称短路电流和非对称短路峰值电流，模拟短路故障，考核变压器承受短路故障的能力。按电压施加的绕组可分为一次侧加压（二次侧短路）和二次侧加压（一次侧短路）两种，按加压和短路的操作顺序可分为先短路法和后短路法两种，因为二次侧短路能准确地反映系统的短路故障状态，当试验容量和试验电压均满足时，应尽可能采取此种方式，本文所述均采用一次侧加压（二次侧短路）。以下对先短路法和后短路法两种试验方式进行讨论。

2．1 先短路法

先短路法是预先短路、选相合闸，即先将变压器二次侧预先短路，然后在一次侧励磁。如图1所示，先将变压器二次侧短路，再闭合隔离开关QS、操作断路器QF和选相合闸开关HK向变压器一次侧励磁。这种方式控制简单，可以省去短路开关，直接用铜排或电缆将变压器二次侧短接，但采用先短路法进行变压器短路承受能力试验时，有可能使变压器突然由空载状态变为短路状态。在最初的几个周波中，使得铁心饱和产生的励磁电流迭加在短路电流上，为了避免这种情况，一般要求在离铁心最远的绕组施加电压。

图1 先短路法原理图

2．2 后短路法

后短路法是预先送电、选相短路，即先向变压器一次侧励磁，再将变压器二次侧短路。如图2所示，先闭合隔离开关QS、操作断路器QF向变压器一次侧励磁，再闭合选相合闸开关HK将变压器二次侧短路。这种方式更接近实际运行工况，并且施加电压和短路分开进行，可避免将励磁涌流叠加到短路电流中。由于后短路法更接近变压器在电力系统中的实际运行方式，实际试验中多采用后短路法。

图2 后短路法原理图

3 试验要求

GB／T 1094．5-2008《电力变压器 第 5 部分：承受短路的能力》及JB／T 501-2021《电力变压器试验导则》对变压器短路承受能力试验提出了以下详细要求。

3．1 对称短路电流

当变压器出线端发生三相短路时，对称短路电流I为：

式（1）中，Ur为变压器考核绕组的额定电压，Zt为折算至考核绕组的变压器的短路阻抗，Zs为变压器安装处系统短路阻抗。

Zt可通过短路阻抗、额定电压、额定容量求得，Zs可通过标称系统电压、系统短路视在容量求得。

3．2 非对称试验电流

当变压器出线端发生三相短路时，试验应在电流达到最大非对称值时进行，非对称电流的第一个峰值的计算如下：

式（2）中，I为对称短路电流，k为计算试验电流初始偏移的系数（或称系数为峰值因数）。

3．3 其他要求

（1）试品分类

GB／T 1094．5-2008中为按容量确定试验要求，将三相变压器或三相组变压器按额定容量分为三个类别。即Ⅰ类：25kVA-2500kVA，Ⅱ类：2501kVA-100000kVA，Ⅲ类：100000kVA以上。

（2）峰值因数

（3）试验次数

对于单相变压器应进行3次试验。若为带有分接的变压器，3次试验应分别在最大分接、额定分接和最小分接位置进行。对于三相变压器应进行9次试验，即每相各进行3次试验。若为带有分接的变压器，在一个边相上的3次试验应在最大分接位置进行，在中相的3次试验应在额定分接位置进行，在另一个边相上的3次试验应在最小分接位置进行。

（4）持续时间

对于单相和三相变压器的每次试验持续时间要求为：Ⅰ类变压器 0．5s，Ⅱ类和Ⅲ类变压器 0．25s[3]。

（5）允许偏差

对称短路电流偏差要求偏离规定值不大于10%。电流峰值偏差要求偏离规定值不大于5%。试验持续时间偏差要求不大于10%。

（6）结果判断

如果试验中试验电流、持续时间、试验次数均达到要求，且试后测得电抗偏差符合要求，吊心检查无异常，试品表面无放电痕迹，复试例行试验合格，则认为短路承受能力试验合格。

4 试验系统

如图2所示的高压侧加压、低压侧短路，采用后短路法的变压器短路承受能力试验原理图，试验系统主要由试验电源、操作断路器、选相合闸开关、阻抗等组成。

4．1 试验电源

目前，试验电源主要有电网和短路发电机。以电网作为电源，受制于所处电网容量的限制，试验产品容量较小，容量过大时不能满足，但建设投资小；以短路发电机作为电源，可解决容量限值，优点在于可根据试验需要配置短路容量和试验能力，操作灵活，但投资大，且技术复杂。

近年来，储能电源作为一种新型的试验电源，也应用到变压器短路承受能力试验中。储能电源是按照能量守恒的原理，通过储能再将储存的能量经过电力电子变换装置输出额定试验电压[4]。由于储能电源采用了电力电子变换技术，则输出电压的幅值和相位均可按试验要求快速调节，试验系统无需同步开关。但由于储能技术的限制，储能电源只能用于进行小容量的配电变压器的短路承受能力试验。

4．2 操作断路器

操作断路器主要用作控制电源的通断和保护试验系统及人员的安全。一方面在试验过程中，若试验系统出现故障，则需要操作断路器及时断开电源，避免故障进一步扩大；另一方面，在标准规定的时间内，变压器通过了试验，需要操作断路器断开电源，结束试验。

4．3 选相合闸开关

按照标准要求，试验应在被试相的电流达到最大非对称时进行，为满足此要求，试验系统需配置选相合闸开关来调节合闸相位角。要求选相角度精度不大于5个电角度，且不能发生触头弹跳。

4．4 回路阻抗

试验中对称短路电流和非对称短路峰值电流都应满足误差要求，因此需要配置相应的电抗器对试验电流进行调节。由于峰值因数与系统的Xs／Rs有关，当试验系统中电抗值增大时，会造成峰值因数变大，进而使非对称短路峰值电流不满足标准要求，因此还需要配置电阻来调节峰值因数。

5 试验实例

以某1600kVA干式变压器为试品，进行短路承受能力试验，计算试验参数，分析试验结果。

5．1 试品参数

试品参数如下：

额定容量：1600kVA

额定电压：10／0．4kV

额定电流：92．4／2309．5A

空载损耗：1960W

负载损耗：11730W

短路阻抗：6．0%

5．2 试验电流计算

5．3 试验结果分析

依次在1、3、5分接分别进行3次短路承受能力试验（1分接时A相为试验相，3分接时B相为试验相，5分接时C相为试验相）。试验过程中，试验波形正常，对称短路电流、非对称短路峰值电流、试验持续时间均符合偏差要求。取每相试验的第2次试验波形图为典型波形图，分别如图3、4、5所示。

图3 1分接A相波形图

图4 3分接B相波形图

图5 5分接C相波形图

试验后变压器表面没有放电痕迹，吊心检查没有发现异常，对比短路承受能力试验前后的每相短路电抗值的偏差，1分接A相试验时的最大偏差为6．2%，3分接 B 相试验时的最大偏差为 6．1%，5分接C相试验时的最大偏差为6．6%，均符合标准要求的不大于7．5%，且复试例行试验合格。短路承受能力试验通过，试品合格。

6 结论

本文研究了变压器短路承受能力试验的试验原理、试验要求和试验系统，介绍了试验系统各组成部分，并通过实例加以说明。重点分析了先短路法、后短路法两种试验方法和采用电网、冲击发电机、储能电源三种试验电源的优缺点及选用原则，对通过试验验证承受短路的动稳定能力部分进行了研究。若要更严谨的判断变压器承受短路的能力，还应通过计算的方式验证承受短路的耐热能力。