變壓器的短路承受能力試驗(yàn)主要是考核其承受短路的機(jī)械力，并不能驗(yàn)證其熱特征(在標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定承受短路的耐熱能力由計(jì)算驗(yàn)證)。短路承受能力試驗(yàn)通常是在試驗(yàn)室完成的。國(guó)際電工委員會(huì)(iec)和我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(gb)都對(duì)變壓器承受短路的能力進(jìn)行了明確的規(guī)定，并且對(duì)短路承受能力試驗(yàn)的方法和要求進(jìn)行了闡述。下面就試驗(yàn)中有關(guān)的具體問(wèn)題作進(jìn)一步的分析。
1 短路試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)
變壓器短路試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)有國(guó)標(biāo)gb 1094.5—1985、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)iec 76-5：1976和1996年修改稿(iec 14/268cd，現(xiàn)未正式采用)。gb 1094.5—1985和iec 76-5：1976基本等效。目前國(guó)內(nèi)的變壓器均按gb 1094.5—1985這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，出口變壓器則按iec 76-5：1976或與其相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)。它們之間的差異見(jiàn)表1。
表1 短路試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)比較
序號(hào)
項(xiàng)目
gb 1094.5—85
iec 76-5：1976
iec 14/346/fdis
1
容量分類(lèi)
ⅰ
＜3 150kva
同gb
＜2 500kva
ⅱ
3 150～40 000kva
2 500～100 000kva
ⅲ
＞40 000kva
＞100 000kva
2
試驗(yàn)油溫
0～40℃
同gb
10～40℃
3
持續(xù)時(shí)間
ⅰ
0.5s±10%
同gb
同gb
ⅱ、ⅲ
制造廠和使用部門(mén)協(xié)商
0.25s±10%
4
電抗變化
ⅰ
≤2%(同心式)
≤4%(箔式和短路阻抗為3%以上)
同gb
同gb
ⅱ、ⅲ
制造廠與使用部門(mén)協(xié)商
≤1%或1%～2%(雙方協(xié)商)
5
電流幅值及偏差
每相至少有一次100%最大非對(duì)稱(chēng)電流，其他兩次不低于75%最大非對(duì)稱(chēng)電流
每相至少有3次100%最大非對(duì)稱(chēng)電流
同iec 76-5：1976
對(duì)稱(chēng)電流≤±10%
非對(duì)稱(chēng)電流≤±5%
同gb
同gb
6
試驗(yàn)次數(shù)
ⅰ
采用三相電源時(shí)，共進(jìn)行3次試驗(yàn)；采用單相電源時(shí)，共進(jìn)行9次試驗(yàn)，每相進(jìn)行3次試驗(yàn)，非對(duì)稱(chēng)短路電流一次100%，另兩次不低于75%
采用三相電源時(shí)，共進(jìn)行9次試驗(yàn)，采用單相電源時(shí)共9次，每相進(jìn)行3次，但非對(duì)稱(chēng)電流3次都是100%
同iec 76-5：1976
ⅱ、ⅲ
制造廠和使用部門(mén)協(xié)商
同gb
同gb
7
分接位置
ⅰ
最大、最小和額定
同gb
同gb
ⅱ、ⅲ
制造廠和使用部門(mén)協(xié)商
8
絕緣試驗(yàn)
(復(fù)試)電壓
原絕緣電壓的85%
原絕緣電壓的75%
原絕緣電壓的100%
9
系統(tǒng)短路表觀容量
—
與gb不盡相同
與gb不盡相同
10
非對(duì)稱(chēng)分量峰值
系數(shù)2k
x/r≥14時(shí)，2k=2.55
x/r＜14時(shí)查表
同gb
x/r≥14時(shí)，2k=2.69(對(duì)于容量超過(guò)100mva第ⅲ類(lèi)變壓器)
注：iec 14/346/fdis為修訂iec76-5：1976委員會(huì)文件，請(qǐng)各國(guó)家委員會(huì)提意見(jiàn)，近期將頒布實(shí)施。
2.短路故障的接線(xiàn)方式
對(duì)雙繞組變壓器和不帶第三繞組的自耦變壓器，由于二次側(cè)(低壓側(cè))的短路能最嚴(yán)密地反映系統(tǒng)的短路故障狀態(tài)，因此應(yīng)優(yōu)先考慮二次側(cè)短路。短接時(shí)應(yīng)采用低電阻的銅排或斷路器進(jìn)行短接。對(duì)三繞組變壓器(包括自耦變壓器)，必須根據(jù)每臺(tái)特定的變壓器來(lái)決定短路的方式和施加短路的端子，每個(gè)繞組的最大故障電流可以根據(jù)故障的類(lèi)型計(jì)算出來(lái)。因它是由不同的故障類(lèi)型、故障位置和系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)決定的，在試驗(yàn)時(shí)應(yīng)至少在一種試驗(yàn)中受到最大故障電流的作用。通常是通過(guò)幾種不同的接線(xiàn)方式進(jìn)行短路承受能力試驗(yàn)，從而保證所有繞組的短路承受能力都得到驗(yàn)證。
短路試驗(yàn)可采用兩種方式：
(1)預(yù)先短路法：也稱(chēng)對(duì)預(yù)先短路的變壓器施加電壓的短路試驗(yàn)，即在變壓器的二次側(cè)預(yù)先短路或合上斷路器，然后在一次側(cè)進(jìn)行勵(lì)磁。這種方法要求離鐵心柱最遠(yuǎn)的繞組接電源，目的是為了盡可能地避免鐵心飽和以及在最初的幾個(gè)周期內(nèi)的磁化涌流疊加到短路電流上。
(2)后短路法：也稱(chēng)對(duì)預(yù)先勵(lì)磁變壓器進(jìn)行短接的短路試驗(yàn)，即變壓器一次繞組施加勵(lì)磁電壓，二次繞組利用短路裝置進(jìn)行短路的方式。這種方式更接近實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。
3 短路試驗(yàn)電源
短路試驗(yàn)方式與試驗(yàn)室現(xiàn)有的電源有關(guān)。
一般來(lái)說(shuō)，三相電源可以進(jìn)行三相變壓器的三相短路和單相對(duì)地短路試驗(yàn)，試驗(yàn)接線(xiàn)見(jiàn)圖1。單相電源可以模擬三相變壓器的三相短路，也可以進(jìn)行單相變壓器的單相短路，試驗(yàn)接線(xiàn)見(jiàn)圖2。對(duì)于y聯(lián)結(jié)繞組，是在一個(gè)線(xiàn)路端子與其余兩個(gè)連在一起的線(xiàn)路端子之間施加電源或短路(通常稱(chēng)1.5相試驗(yàn))。對(duì)于d聯(lián)結(jié)繞組，是在兩個(gè)線(xiàn)路端子之間施加電源或短路，而第三線(xiàn)路端子無(wú)任何接線(xiàn)。
圖1 三相試驗(yàn)的典型接線(xiàn)圖
(a)yd聯(lián)結(jié) (b)yy聯(lián)結(jié) (c)dy聯(lián)結(jié) (d)dd聯(lián)結(jié) (e)自耦變壓器yy聯(lián)結(jié) (f)雙分裂變壓器dy聯(lián)結(jié)fd、hd分、合閘斷路器
圖2 單相電源模擬三相短路故障的典型接線(xiàn)圖
(a)yy聯(lián)結(jié) (b)yd聯(lián)結(jié) (c)dy聯(lián)結(jié) (d)dd聯(lián)結(jié)
這里解釋一下單相電源模擬三相變壓器的三相短路的情況。在國(guó)標(biāo)中規(guī)定，對(duì)三相變壓器的每一相應(yīng)進(jìn)行三次短路承受能力試驗(yàn)，其中非對(duì)稱(chēng)短路電流的第一峰值一次為100%，另兩次不低于75%。當(dāng)應(yīng)用三相電源進(jìn)行三相變壓器短路試驗(yàn)時(shí)，通常是選擇某一相電壓過(guò)零時(shí)選相合閘開(kāi)關(guān)合閘，以便獲得最大的非對(duì)稱(chēng)短路電流第一峰值。此時(shí)該相對(duì)稱(chēng)短路電流的第一峰值最大(假設(shè)為100%)，而另兩相的相電壓合閘角一相是+30°，另一相是-30°。通過(guò)計(jì)算可知其短路電流第一峰值都大于75%，這是與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一致的。而采用單相電源模擬三相變壓器的三相短路時(shí)，通常短路試驗(yàn)接線(xiàn)是采用1.5相試驗(yàn)，通過(guò)選相合閘開(kāi)關(guān)選擇相電壓過(guò)零合閘來(lái)得到非對(duì)稱(chēng)短路電流的第一峰值，另兩次可以調(diào)整合閘角度來(lái)達(dá)到非對(duì)稱(chēng)短路電流的第一峰值不低于75%。而iec標(biāo)準(zhǔn)要求三相變壓器的每一相都應(yīng)承受三次100%的非對(duì)稱(chēng)短路電流，只要是三次皆過(guò)零合閘就可以實(shí)現(xiàn)，因此用單相電源模擬三相變壓器的三相短路是等效的。但實(shí)際上實(shí)現(xiàn)每次都是相電壓過(guò)零合閘是不現(xiàn)實(shí)的。同步合閘裝置是有一定分散性的，因此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定非對(duì)稱(chēng)短路電流第一峰值偏差為±5%。實(shí)踐證明，在電壓過(guò)零的±15°范圍內(nèi)合閘是完全可以滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求的。
4 試驗(yàn)時(shí)控制短路電流的方法
調(diào)試短路電流可以采用串聯(lián)電抗器和調(diào)整電源電壓兩種方式，應(yīng)在降低短路電流的前提下進(jìn)行試驗(yàn)?？刂谱畲蠓菍?duì)稱(chēng)短路電流，除控制選相合閘開(kāi)關(guān)的合閘相角外，它還可以通過(guò)調(diào)整電源電壓、電路中的總阻抗以及x/r比值來(lái)控制。通常有如下幾種調(diào)整方法：
(1)采用電源變壓器的分接開(kāi)關(guān)來(lái)控制電源電壓。
(2)利用發(fā)電機(jī)、母線(xiàn)、線(xiàn)路的布置及聯(lián)結(jié)方式來(lái)產(chǎn)生可以利用的試驗(yàn)回路的短路容量。
(3)利用電源電壓的合閘相位角來(lái)控制故障的開(kāi)始瞬間。
(4)接入附加電抗，用來(lái)補(bǔ)償電路中的總電抗、改變?cè)囼?yàn)回路的x/r比值。
(5)選擇變壓器故障分接接線(xiàn)方式或試驗(yàn)回路的中性點(diǎn)接線(xiàn)方式。
5 電壓、電流測(cè)量
由于低壓側(cè)電壓為零，故應(yīng)記錄被試變壓器的高壓側(cè)的電壓示波圖，最好的測(cè)量方法是通過(guò)分壓器與示波器連接。短路電流作為短路試驗(yàn)的最主要數(shù)據(jù)需要在被試變壓器的每一相上進(jìn)行電流的示波圖測(cè)量，應(yīng)優(yōu)先采用電流互感器與示波器連接。當(dāng)測(cè)量接地的二次側(cè)短路電流時(shí)，也可采用分流器測(cè)量。對(duì)油箱對(duì)地的電流也應(yīng)監(jiān)測(cè)，通常采用電流互感器與示波器連接方式測(cè)量，同時(shí)還應(yīng)監(jiān)測(cè)氣體繼電器的信號(hào)。圖3為以三相電源為例進(jìn)行三相短路試驗(yàn)的試驗(yàn)回路接線(xiàn)圖。
圖3 三相電源進(jìn)行三相變壓器短路試驗(yàn)回路接線(xiàn)圖
pt——電壓互感器 ct——電流互感器 cro——數(shù)字記錄儀
6 短路故障的檢測(cè)方式
6.1 電壓、電流波(包括油箱對(duì)地電流和氣體繼電器信號(hào))
試驗(yàn)期間的電流或電壓波形中發(fā)生任何一個(gè)突變都將顯示出變壓器內(nèi)部有電氣故障。但是有時(shí)匝間短路后其電流波形圖仍檢測(cè)不出有任何變化的跡象。因此不能單純以電流波形未出現(xiàn)變化就認(rèn)為產(chǎn)品短路試驗(yàn)合格。
6.2 電抗
采用精密電感分析儀測(cè)量，比較短路前后的電抗變化。電抗變化是非常靈敏地反映被試變壓器的內(nèi)部故障情況。若電抗發(fā)生變化(超標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時(shí))，應(yīng)分別在高壓和低壓側(cè)進(jìn)行此阻抗的測(cè)量，可以判斷繞組可能出現(xiàn)的位移。如果在高、低壓側(cè)測(cè)出的電抗都增大，一般是表示這個(gè)心柱上的繞組產(chǎn)生了變形。
6.3 吊心檢查
短路承受能力試驗(yàn)后，繞組、引線(xiàn)和支撐結(jié)構(gòu)等應(yīng)無(wú)明顯位移、變形，器身表面應(yīng)無(wú)放電痕跡。
6.4 復(fù)試?yán)性囼?yàn)
要求例行試驗(yàn)項(xiàng)目復(fù)試應(yīng)全部合格。
目前iec和gb標(biāo)準(zhǔn)都要求用以上故障檢測(cè)方式來(lái)判斷被試變壓器是否通過(guò)了短路承受能力試驗(yàn)。
7 判斷故障的新輔助方法
除前面介紹的判斷變壓器短路試驗(yàn)合格的方法外，國(guó)際上又發(fā)明了兩種新的判斷短路故障的方法，這兩種方法是通過(guò)對(duì)被試變壓器不吊心檢查而間接測(cè)量來(lái)判斷繞組變形。由于時(shí)間比較短，技術(shù)上較難根據(jù)被測(cè)波形的變化情況來(lái)區(qū)別故障程度，因此目前僅限于積累經(jīng)驗(yàn)和研究階段。
7.1 低壓脈沖法
低壓脈沖法是檢測(cè)變壓器繞組有無(wú)位移的方法，是間接測(cè)量，就是比較短路試驗(yàn)前后所攝取的低電壓脈沖電流示波圖，應(yīng)看不出明顯的變化。其基本原理就是利用重復(fù)式脈沖電壓發(fā)生器，將電壓波施加在被試變壓器的一個(gè)或多個(gè)端子上，并同時(shí)記錄一個(gè)或多個(gè)端子上的電流響應(yīng)波。由于導(dǎo)線(xiàn)的位移，匝間電容發(fā)生變化。從而會(huì)在端子上的電流波形中產(chǎn)生變化。目前認(rèn)為差動(dòng)電流法是判斷繞組變形的較靈敏方法。接線(xiàn)見(jiàn)圖4。此法的缺點(diǎn)是對(duì)示波圖的變化做出解釋時(shí)應(yīng)有豐富的經(jīng)驗(yàn)，并且很難從示波圖上來(lái)量化短路故障的程度。
圖4 差分法試驗(yàn)回路
(a)y聯(lián)結(jié) (b)d聯(lián)結(jié)
r分流器 u低壓脈沖
7.2 頻率響應(yīng)法(時(shí)域響應(yīng)法)
也是間接測(cè)量繞組變形的方法，目前也屬發(fā)展階段。其原理就是將變壓器看成是一個(gè)由電抗、電感、電容組成的線(xiàn)性無(wú)源二端口網(wǎng)絡(luò)。按網(wǎng)絡(luò)理論，其特性是由傳遞函數(shù)來(lái)描述，每臺(tái)變壓器的每一繞組的傳遞函數(shù)是應(yīng)該與繞組一一對(duì)應(yīng)的。當(dāng)變壓器繞組發(fā)生變形時(shí)，其對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)同原特性函數(shù)比較應(yīng)有所不同。其試驗(yàn)接線(xiàn)見(jiàn)圖5。
圖5 頻率響應(yīng)法試驗(yàn)回路
(a)高壓回路 (b)低壓回路
綜上所述，變壓器的短路試驗(yàn)技術(shù)是不斷發(fā)展的，特別是短路故障的判斷技術(shù)是不斷發(fā)展的。雖然低壓脈沖法和頻率響應(yīng)法暫時(shí)技術(shù)不太成熟，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的積累，我們相信一定會(huì)成為判斷變壓器短路故障的新輔助方法。一旦技術(shù)成熟，它們最終將會(huì)被標(biāo)準(zhǔn)采用。