變壓器的短路承受能力試驗主要是考核其承受短路的機械力，并不能驗證其熱特征(在標準中明確規(guī)定承受短路的耐熱能力由計算驗證)。短路承受能力試驗通常是在試驗室完成的。國際電工委員會(iec)和我國國家標準(gb)都對變壓器承受短路的能力進行了明確的規(guī)定，并且對短路承受能力試驗的方法和要求進行了闡述。下面就試驗中有關的具體問題作進一步的分析。
1 短路試驗的標準
變壓器短路試驗的標準有國標gb 1094.5—1985、國際標準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。目前國內(nèi)的變壓器均按gb 1094.5—1985這一標準進行試驗，出口變壓器則按iec 76-5：1976或與其相應的國家標準試驗。它們之間的差異見表1。
表1 短路試驗標準比較
序號
項目
gb 1094.5—85
iec 76-5：1976
iec 14/346/fdis
1
容量分類
ⅰ
＜3 150kva
同gb
＜2 500kva
ⅱ
3 150～40 000kva
2 500～100 000kva
ⅲ
＞40 000kva
＞100 000kva
2
試驗油溫
0～40℃
同gb
10～40℃
3
持續(xù)時間
ⅰ
0.5s±10%
同gb
同gb
ⅱ、ⅲ
制造廠和使用部門協(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%最大非對稱電流，其他兩次不低于75%最大非對稱電流
每相至少有3次100%最大非對稱電流
同iec 76-5：1976
對稱電流≤±10%
非對稱電流≤±5%
同gb
同gb
6
試驗次數(shù)
ⅰ
采用三相電源時，共進行3次試驗；采用單相電源時，共進行9次試驗，每相進行3次試驗，非對稱短路電流一次100%，另兩次不低于75%
采用三相電源時，共進行9次試驗，采用單相電源時共9次，每相進行3次，但非對稱電流3次都是100%
同iec 76-5：1976
ⅱ、ⅲ
制造廠和使用部門協(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
制造廠和使用部門協(xié)商
8
絕緣試驗
(復試)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
非對稱分量峰值
系數(shù)2k
x/r≥14時，2k=2.55
x/r＜14時查表
同gb
x/r≥14時，2k=2.69(對于容量超過100mva第ⅲ類變壓器)
注：iec 14/346/fdis為修訂iec76-5：1976委員會文件，請各國家委員會提意見，近期將頒布實施。
2.短路故障的接線方式
對雙繞組變壓器和不帶第三繞組的自耦變壓器，由于二次側(低壓側)的短路能最嚴密地反映系統(tǒng)的短路故障狀態(tài)，因此應優(yōu)先考慮二次側短路。短接時應采用低電阻的銅排或斷路器進行短接。對三繞組變壓器(包括自耦變壓器)，必須根據(jù)每臺特定的變壓器來決定短路的方式和施加短路的端子，每個繞組的最大故障電流可以根據(jù)故障的類型計算出來。因它是由不同的故障類型、故障位置和系統(tǒng)數(shù)據(jù)來決定的，在試驗時應至少在一種試驗中受到最大故障電流的作用。通常是通過幾種不同的接線方式進行短路承受能力試驗，從而保證所有繞組的短路承受能力都得到驗證。
短路試驗可采用兩種方式：
(1)預先短路法：也稱對預先短路的變壓器施加電壓的短路試驗，即在變壓器的二次側預先短路或合上斷路器，然后在一次側進行勵磁。這種方法要求離鐵心柱最遠的繞組接電源，目的是為了盡可能地避免鐵心飽和以及在最初的幾個周期內(nèi)的磁化涌流疊加到短路電流上。
(2)后短路法：也稱對預先勵磁變壓器進行短接的短路試驗，即變壓器一次繞組施加勵磁電壓，二次繞組利用短路裝置進行短路的方式。這種方式更接近實際運行狀態(tài)。
3 短路試驗電源
短路試驗方式與試驗室現(xiàn)有的電源有關。
一般來說，三相電源可以進行三相變壓器的三相短路和單相對地短路試驗，試驗接線見圖1。單相電源可以模擬三相變壓器的三相短路，也可以進行單相變壓器的單相短路，試驗接線見圖2。對于y聯(lián)結繞組，是在一個線路端子與其余兩個連在一起的線路端子之間施加電源或短路(通常稱1.5相試驗)。對于d聯(lián)結繞組，是在兩個線路端子之間施加電源或短路，而第三線路端子無任何接線。
圖1 三相試驗的典型接線圖
(a)yd聯(lián)結 (b)yy聯(lián)結 (c)dy聯(lián)結 (d)dd聯(lián)結 (e)自耦變壓器yy聯(lián)結 (f)雙分裂變壓器dy聯(lián)結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圖
(a)yy聯(lián)結 (b)yd聯(lián)結 (c)dy聯(lián)結 (d)dd聯(lián)結
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。在國標中規(guī)定，對三相變壓器的每一相應進行三次短路承受能力試驗，其中非對稱短路電流的第一峰值一次為100%，另兩次不低于75%。當應用三相電源進行三相變壓器短路試驗時，通常是選擇某一相電壓過零時選相合閘開關合閘，以便獲得最大的非對稱短路電流第一峰值。此時該相對稱短路電流的第一峰值最大(假設為100%)，而另兩相的相電壓合閘角一相是+30°，另一相是-30°。通過計算可知其短路電流第一峰值都大于75%，這是與標準規(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，通常短路試驗接線是采用1.5相試驗，通過選相合閘開關選擇相電壓過零合閘來得到非對稱短路電流的第一峰值，另兩次可以調(diào)整合閘角度來達到非對稱短路電流的第一峰值不低于75%。而iec標準要求三相變壓器的每一相都應承受三次100%的非對稱短路電流，只要是三次皆過零合閘就可以實現(xiàn)，因此用單相電源模擬三相變壓器的三相短路是等效的。但實際上實現(xiàn)每次都是相電壓過零合閘是不現(xiàn)實的。同步合閘裝置是有一定分散性的，因此標準規(guī)定非對稱短路電流第一峰值偏差為±5%。實踐證明，在電壓過零的±15°范圍內(nèi)合閘是完全可以滿足標準要求的。
4 試驗時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，應在降低短路電流的前提下進行試驗?？刂谱畲蠓菍ΨQ短路電流，除控制選相合閘開關的合閘相角外，它還可以通過調(diào)整電源電壓、電路中的總阻抗以及x/r比值來控制。通常有如下幾種調(diào)整方法：
(1)采用電源變壓器的分接開關來控制電源電壓。
(2)利用發(fā)電機、母線、線路的布置及聯(lián)結方式來產(chǎn)生可以利用的試驗回路的短路容量。
(3)利用電源電壓的合閘相位角來控制故障的開始瞬間。
(4)接入附加電抗，用來補償電路中的總電抗、改變試驗回路的x/r比值。
(5)選擇變壓器故障分接接線方式或試驗回路的中性點接線方式。
5 電壓、電流測量
由于低壓側電壓為零，故應記錄被試變壓器的高壓側的電壓示波圖，最好的測量方法是通過分壓器與示波器連接。短路電流作為短路試驗的最主要數(shù)據(jù)需要在被試變壓器的每一相上進行電流的示波圖測量，應優(yōu)先采用電流互感器與示波器連接。當測量接地的二次側短路電流時，也可采用分流器測量。對油箱對地的電流也應監(jiān)測，通常采用電流互感器與示波器連接方式測量，同時還應監(jiān)測氣體繼電器的信號。圖3為以三相電源為例進行三相短路試驗的試驗回路接線圖。
圖3 三相電源進行三相變壓器短路試驗回路接線圖
pt——電壓互感器 ct——電流互感器 cro——數(shù)字記錄儀
6 短路故障的檢測方式
6.1 電壓、電流波(包括油箱對地電流和氣體繼電器信號)
試驗期間的電流或電壓波形中發(fā)生任何一個突變都將顯示出變壓器內(nèi)部有電氣故障。但是有時匝間短路后其電流波形圖仍檢測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)變化就認為產(chǎn)品短路試驗合格。
6.2 電抗
采用精密電感分析儀測量，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(超標準規(guī)定時)，應分別在高壓和低壓側進行此阻抗的測量，可以判斷繞組可能出現(xiàn)的位移。如果在高、低壓側測出的電抗都增大，一般是表示這個心柱上的繞組產(chǎn)生了變形。
6.3 吊心檢查
短路承受能力試驗后，繞組、引線和支撐結構等應無明顯位移、變形，器身表面應無放電痕跡。
6.4 復試例行試驗
要求例行試驗項目復試應全部合格。
目前iec和gb標準都要求用以上故障檢測方式來判斷被試變壓器是否通過了短路承受能力試驗。
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合格的方法外，國際上又發(fā)明了兩種新的判斷短路故障的方法，這兩種方法是通過對被試變壓器不吊心檢查而間接測量來判斷繞組變形。由于時間比較短，技術上較難根據(jù)被測波形的變化情況來區(qū)別故障程度，因此目前僅限于積累經(jīng)驗和研究階段。
7.1 低壓脈沖法
低壓脈沖法是檢測變壓器繞組有無位移的方法，是間接測量，就是比較短路試驗前后所攝取的低電壓脈沖電流示波圖，應看不出明顯的變化。其基本原理就是利用重復式脈沖電壓發(fā)生器，將電壓波施加在被試變壓器的一個或多個端子上，并同時記錄一個或多個端子上的電流響應波。由于導線的位移，匝間電容發(fā)生變化。從而會在端子上的電流波形中產(chǎn)生變化。目前認為差動電流法是判斷繞組變形的較靈敏方法。接線見圖4。此法的缺點是對示波圖的變化做出解釋時應有豐富的經(jīng)驗，并且很難從示波圖上來量化短路故障的程度。
圖4 差分法試驗回路
(a)y聯(lián)結 (b)d聯(lián)結
r分流器 u低壓脈沖
7.2 頻率響應法(時域響應法)
也是間接測量繞組變形的方法，目前也屬發(fā)展階段。其原理就是將變壓器看成是一個由電抗、電感、電容組成的線性無源二端口網(wǎng)絡。按網(wǎng)絡理論，其特性是由傳遞函數(shù)來描述，每臺變壓器的每一繞組的傳遞函數(shù)是應該與繞組一一對應的。當變壓器繞組發(fā)生變形時，其對應的傳遞函數(shù)同原特性函數(shù)比較應有所不同。其試驗接線見圖5。
圖5 頻率響應法試驗回路
(a)高壓回路 (b)低壓回路
綜上所述，變壓器的短路試驗技術是不斷發(fā)展的，特別是短路故障的判斷技術是不斷發(fā)展的。雖然低壓脈沖法和頻率響應法暫時技術不太成熟，但經(jīng)過一段時間的積累，我們相信一定會成為判斷變壓器短路故障的新輔助方法。一旦技術成熟，它們最終將會被標準采用。