三绕组变压器短路试验及其电流特性

杨圣养

（三明市高级技工学校 福建省三明市 365500）

变压器是电力系统中最常见的电力设备之一，而三绕组变压器由于具有三个独立的绕组，其电路特性复杂，因此其保护和故障分析需要更为严密的研究和探讨。短路试验是判断变压器是否正常运行的重要手段之一，而其电流特性则能够反映出变压器的状况，对于判断变压器的故障类型和位置，以及采取有效的修复措施具有重要的意义。本文通过对三绕组变压器短路试验和电流特性的分析和探讨，旨在更深入地了解该类型变压器的故障特性，为保护和维护电力系统的稳定运行提供参考和帮助。

1 三绕组变压器短路试验

电力变压器作为电力系统中的重要组成部分，需要经过多种类型的测试和评估以确保其可靠性和安全性。其中，短路试验是电力变压器测试中的一个重要环节，旨在模拟现场运行过程中可能出现的各种短路故障，以评估变压器在不同短路条件下的电气性能和机械强度。短路试验是一种重要的电气试验，也是变压器设计和选型的重要依据之一。

三绕组变压器短路试验是指在变压器的三个绕组中，对其中两个绕组进行短路，然后将第三个绕组接到电源上进行试验。这种试验可以检验变压器的短路电流特性和绕组的相对位置，也可以检验绕组的相对偏位和短路电流的分布。通过这种试验可以得出变压器的电气参数，例如短路阻抗、短路电压、短路电流等。同时，也可以检验变压器的绝缘状态，确保其符合安全要求。在实际运行中，短路试验也是检验变压器性能的重要手段之一。

实验对比表明，在低压侧短路工况下，高压中压联合供电时低压三相对称短路电流和中低运行方式下的短路电流相差不多，表明短路试验中低压短路工况对变压器的影响比较小。在非对称短路在中压侧的单相接地和两相接地短路工况下，由于存在低压 D 接绕组，整体的短路电流有所增加。在此基础上，对高压和中压绕组在不同短路工况下的情况进行了详细分析。结果表明，短路试验可以模拟所有运行故障，高中短路试验考核此种结构的高压绕组的运行安全性是可靠的。同时，对于中压侧单相接地短路电流增加引起的冲击影响，必须以设计安全裕度来保证。中压单相短路辐向受力宏观示意图如图1所示。

图1：中压单相短路时中压辐向受力的宏观示意图

对于中压单相短路和三相短路这两种测试方法，虽然中压单相短路会导致更高的电流增加，但实验结果表明，其对辐向受力和轴向受力的影响并不足以使变压器的安全系数降低。因此，在进行三相对称短路试验时，需要保留一定的安全裕度，以确保变压器的安全运行。同时，短路测试的结果还可以用于指导变压器的设计和优化，以提高其在面对不同短路故障时的可靠性和耐久性。总之，短路试验是电力变压器测试中不可或缺的一部分，可以帮助评估变压器在不同短路条件下的电气性能和机械强度，为电力系统的安全稳定运行提供保障。

2 三绕组变压器短路电流产生和计算方法

变压器短路电流的产生是由于电源电压作用下的电动势驱动导体中的电流在短路点处形成闭合回路所致。计算短路电流的方法主要有两种：解析法和仿真法。解析法根据电路等效原理和基尔霍夫定律，将变压器等效为电路模型，计算短路时各部分的电流和电压，进而得出短路电流。这种方法计算速度较快，但是需要建立复杂的等效电路模型，且存在一定的理论误差。仿真法则是利用电磁暂态分析软件，将变压器各部分的参数输入软件中，通过求解电磁场方程和电路方程，计算出短路时各部分的电流和电压，进而得出短路电流。仿真法计算精度较高，但计算时间相对较长，需要较高的计算机性能。根据实际情况选择适合的计算方法，可以准确地计算出变压器短路电流。进行三绕组变压器短路试验的目的是为了评估其在实际运行中的可靠性和稳定性，确保其能够安全稳定地运行。通过对短路电流的测量和分析，可以为电网的运行和维护提供参考和指导，同时也为变压器的研发和应用提供了技术支持。因此，对三绕组变压器出口近区短路电流特性的深入研究具有重要的理论和实践意义。

2.1 计算分析

在进行三绕组变压器出口近区短路电流特性分析时，需要考虑一些假设和前提条件。这些假设和前提条件是为了简化分析过程，更好地计算短路电流特性。首先，我们将三绕组变压器视为电网中的一个元件，而不是独立的设备。其次，电弧电阻的影响被忽略，而电网结构在短路持续时间内保持不变，并且除零序系统以外的所有线路电容、并联导纳等因素也被忽略。此外，在分析过程中短路类型的始终保持不变，并且对短路电流大小的没什么影响的是开关分接相对的位置。所以在本文中，我们的计算是以主分接为例的，而极限分接可以采用类似的方法进行分析。这些假设和前提条件在实际应用中需要慎重考虑，以确保计算结果的准确性和可靠性。

任何一个三相不平衡电流、电压或阻抗均由三个平衡的相量成分组成，即正、负序分量以及零序分量，假设电气设备具有平衡的结构。电流的数学表达式可写为式（1）。

上式中：IA、IB、IC分别表示短路点实际短路电流；I+、I-、I0分别表示的是短路点正、负、零序网络中的短路电流；α代表三相相位移算子。这种分解方法可以帮助我们更好地理解和计算三相不平衡短路电流，提高电力系统的稳定性和可靠性。

2.2 三绕组变压器等效阻抗网络

在进行变压器短路电流计算时，变压器绕组间的阻抗是一个重要的参数，它通常以变压器的额定容量和额定电压为基准建立，是通过试验方法测得的无量纲百分数。因此，以变压器参数为基准进行计算可以更加简洁明了。变压器等效阻抗网络包括高压系统、中压系统和低压系统，如图2所示。在该网络中，高、中压系统均包含电源系统，而低压系统则可能带有电源或直接带负荷，判别的根据是变压器的电压等级和运行特点。

图2：变压器等效阻抗计算示意图

变压器绕组之间的阻抗被表示为无量纲百分数，其基准值是变压器的额定容量和额定电压，通常通过试验测得。变压器绕组之间的等效阻抗百分数分别为ZT-HV、ZT-MV和ZT-LV。实测的绕组间等效阻抗的计算公式如式（2）：

变压器的高压、中压和低压侧都有对应的系统阻抗，可以用ZS-HV、ZS-MV和ZS-LV的百分比来表示。这些阻抗的计算公式是ZS=ST/SS×100%，式中ST 指的是变压器额定容量，而SS指的是每一侧电源系统短路所测的视在容量。需要特别提示的是，对系统短路视在容量的大小有重大的影响的还有环网和并联运行，这一般有两种方法来确定，一种通过计算系统短路电流，另一种方法是参考国家标准来确定。

2.3 三绕组变压器短路电流计算方法

在使用对称分量法计算短路电流时，需要确定短路点的边界条件和各序网络图中的阻抗值。以中压侧在三类非对称短路的边界条件下为例，其关键三序关系的计算要点如表1。

表1：不同短路类型对称分量法计算的要点

需要注意的是，在实际应用中，对称分量法计算短路电流时需要确定短路点边界条件和各序网络图中的阻抗值，并根据不同短路类型采用相应的计算方法。

对称分量法是一种广泛应用于电力系统中求解对称和不对称故障电流的方法，也是求解变压器短路电流的一种常用方法。其基本步骤如下：

（1）确定短路类型和短路点位置。根据实际情况确定短路类型和短路点位置，例如单相短路、双相短路或三相短路。

（2）根据短路点位置和电源系统参数，计算各序分量电压。利用电源系统参数和短路点位置，可以计算出短路点处的各序分量电压。

（3）确定变压器绕组间的等效阻抗百分数。根据变压器的设计参数和运行状态，可以计算出各序分量的等效阻抗百分数。

（4）根据绕组间等效阻抗百分数和变压器额定容量，计算各序分量阻抗。利用等效阻抗百分数和变压器额定容量，可以计算出各序分量的阻抗。

（5）根据各序分量电压和阻抗，计算各序分量电流。利用Ohm's Law 和KVL，可以根据各序分量的电压和阻抗计算出各序分量的电流。

（6）将各序分量电流合成为三相短路电流。利用相量合成原理，将各序分量电流合成为三相短路电流，即可得到变压器短路电流的值。

以上步骤是对称分量法求解变压器短路电流的基本步骤。该方法简单易用，计算结果精度高，被广泛应用于电力系统中对变压器短路电流的计算和分析。

3 三绕组变压器在短路电流的特性

三绕组变压器在短路电流的特性主要表现在短路电流大小和分布对各侧绕组的影响。由于短路电流会通过各个绕组，因此会产生不同方向的磁场和电场力，引起不同方向的受力，从而影响绕组的温升和机械强度等方面。在进行短路电流的计算和分析时，需要考虑变压器的阻抗和电源供电情况等因素。特别地，在三绕组变压器中，变压器等效阻抗网络包括高压系统、中压系统和低压系统，不同系统的电源供电方式不同，需要进行分类讨论。根据实验和计算结果，当系统零序阻抗与正序阻抗相等时，三绕组变压器各侧短路情况下的短路电流倍数也有所不同，具体如表2所示。

表2：短路电流倍数统计

针对三绕组变压器的短路电流计算结果进行分析，可以得出以下结论：

在高压侧短路中，两相接地和两相相间短路电流倍数相当，单相接地电流倍数较小。这是因为在高压侧短路中，两相接地和两相相间短路电流受到变压器的限制，而单相接地短路电流只受到一侧变压器的限制，因此其倍数较小。在中压侧短路中，两相接地和两相相间差距较小，单相接地短路电流较小。这是因为在中压侧短路中，两相接地和两相相间短路电流都受到了变压器的限制，而单相接地短路电流只受到一侧变压器的限制，因此其倍数较小。在低压侧短路中，两相相间和两相接地短路电流倍数相近，单相接地短路电流倍数较小。这是因为在低压侧短路中，两相相间和两相接地短路电流都受到了变压器的限制，而单相接地短路电流只受到一侧变压器的限制，因此其倍数较小。

以上结论表明，变压器短路电流的大小和变压器结构、额定容量、接线方式以及短路类型等因素密切相关。因此，在设计和选型变压器时，需要充分考虑各种可能的短路情况，以确保变压器在运行过程中的可靠性和安全性。

4 结束语

综上所述，对于变压器短路试验，三相对称短路试验可包含变压器现场运行的各类短路故障，适当保留一定的安全裕度，能够保证变压器的安全可靠运行。但对于短路电流故障原因，此时需要通过专业仿真软件进行计算，来验证短路试验是否还能模拟所有的运行故障。同时，短路试验的结果也可以用于变压器的保护和故障诊断。三绕组变压器的短路电流特性受到多种因素的影响，包括变压器型号、联结组别、额定电压、短路阻抗等。使用对称分量法进行短路电流计算时，需要确定短路点的边界条件和各序网络图中的阻抗值。三绕组变压器在短路电流下的特性主要表现在短路电流大小和分布对各侧绕组的影响。对于高压、中压、低压侧短路，短路类型、短路点不同，短路电流倍数差异也很大。