变压器绕组匝间短路分析的新方法
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
东北电力大学电气工程学院、松花江水力发电有限公司吉林白山发电厂的研究人员潘超、米俭、王格万、蔡国伟、张永会，在《电工技术学报》2019年第4期上撰文（论文标题为“基于场路耦合的变压器绕组匝间短路电磁谐响应分析方法”）指出，变压器绕组匝间短路会造成绕组结构严重变形甚至烧毁，从而影响到设备乃至系统的安全稳定运行。
基于场路耦合原理建立单相变压器三维有限元模型，研究变压器空载运行绕组匝间短路问题，通过分析绕组不同位置匝间短路时的电流、磁通以及受力情况，研究变压器励磁与绕组受力的对应关系，并总结其变化规律。在此基础上，搭建变压器绕组匝间短路动模实验平台，测试短路绕组振动加速度，通过对比仿真结果与实验数据，验证了本文方法的正确性与有效性。
变压器绕组匝间短路一般由于绝缘损坏造成线匝短接，具有故障相短路电流突变、电动力与振动剧烈，且非故障相电流无明显变化的特点。传统保护在变压器发生匝间短路时辨识绕组故障状态的难度较大，若变压器持续负载运行，将会导致绕组变形甚至烧毁的恶劣后果。
变压器绕组匝间短路属于内部故障，差动保护在处理该故障时存在失效或拒动的问题。油色谱分析法利用气体探测器能够检测变压器内部故障产生的特征气体，但在处理匝间短路故障时不适用；对称分量法利用派克变换求得变压器端口电流的相位实现故障辨识，但是匝间短路等内部故障会导致对称分量法的实现困难、计算复杂等问题；漏感因子法通过短路和空载试验获取绕组正常和匝间短路时的电气信息，从而得到变压器等效电感矩阵，通过最小二乘法进行故障诊断，但是相关实验开展难度较大，监测方案实施复杂。
以上各诊断方法主要以电路为主，未充分考虑变压器故障后的电磁耦合特性。近年来很多学者基于电磁耦合原理研究变压器内部故障时磁场问题，文献[15]将变压器简化为二维模型，考虑了变压器故障时的电磁特性，但误差较大。文献[16]通过对比仿真变压器绕组短路电动力的二维模型和三维模型，说明三维仿真模型具有高精度的优势。
文献[17]模拟变压器的磁路结构分析振动噪声问题，将绕组简化为筒状结构，因此在研究绕组故障时局限性较大。文献[18]利用时间有限元法验证用于计算变压器短路电动力的方法，但是计算过程复杂，忽略了绕组短路后造成的安匝不平衡对漏磁场以及电动力的影响。文献[19,20]利用场路耦合原理，分别研究变压器内部偏磁失稳和振动问题。
已有研究表明，变压器绕组匝间短路对设备运行乃至系统稳定产生了极大危害，虽然这一问题引起了国内外的广泛关注，但是罕有文献对变压器绕组匝间短路电磁特性及受力振动进行仿真分析，关于绕组匝间短路动模实验虽然已有报道，但并未对绕组漏磁、受力与振动进行系统研究。
本文基于场路耦合原理，提出一种变压器匝间短路电磁谐响应分析方法。通过建立变压器三维有限元磁场模型，模拟变压器绕组内部匝间短路故障时谐电磁环境，结合时域微分电路模型分析变压器故障时绕组电流、漏磁场和电磁力的变化情况，并总结其规律。基于谐响应分析，通过数值仿真与物理实验相结合的方式对所得结论进行验证。
图3 变压器匝间短路仿真模型
利用时域场路耦合模型研究变压器绕组匝间短路问题，得出以下结论：
1）绕组在不同位置发生匝间短路时铁心的励磁饱和状态相似，但绕组短路电流、漏磁通及受力相差较大，端部匝间短路所产生的电磁效应更为恶劣。结果表明场路耦合模型能够有效模拟变压器绕组匝间短路时的内部磁场环境，仿真结果与实验数据对比验证了本文方法的正确性。
2）电磁谐响应分析结果表明，匝间短路时铁心励磁过饱和，端部绕组匝间短路时，各线匝漏磁通高于中部绕组匝间故障时的漏磁通；短路绕组主要承受轴向电磁力，端部绕组匝间短路时，线饼受力较为严重；绕组振动加速度频谱分布较为复杂，但振动频谱主要集中于0～500Hz频段，其中2次谐波振动最为剧烈。
3）通过动模实验平台监测不同故障情况下的绕组振动信息，结果验证了本文方法的有效性，从而为变压器绕组匝间短路的监测与分析提供可行方案。