变压器绕组故障诊断实例分析
[摘 要]以单相双绕组变压器数学模型为基础，用3个独立的单相变压器表征三相变压器的每一相，推导出了三相之间的连接关系方程；建立一种的三相变压器内部绕组线间短路故障仿真模型；在该模型基础上，对三相变压器的短路试验电流仿真计算及特性分析，验证了模型的正确性和有效性。
中图分类号：TM41 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）18-0165-01
引言
电力变压器是电力系统中十分重要的电气设备，它对电能的可靠运输、灵活分配和安全使用具有极其重要的意义。大型电力变压器造价十分昂贵，结构复杂，一旦因故障而损坏，其检修难度大，检修时间长，将不可避免地导致严重的经济损失。因此，对变压器绕组内部故障进行仿真，对变压器故障情况进行分析研究是十分必要的。
目前，变压器内部故障仿真计算大致有两种方法：一种是根据变压器电磁方程编程求解电气量，一种是利用仿真软件建立变压器模型求解故障变压器电气量，前者计算量大、缺少通用性，文献[5]通过传统T型等效电路来表征变压器绕组，但这种方法需要对变压器的内部结构细节十分清楚，才能获知由外部试验很难估计的参数，而文献[6]些详细地讨论了变压器绕组结构特征和磁化非线性特性，但没有最终给出变压器的具体模型，也没有仿真结果。
本文首先给出了单相双绕组变压器的数学模型，然后对此模型进行调整，变为适合于模拟双绕组变压器其中一绕组发生内部故障时的三绕组变压器模型，再在Matlab/Simulink环境中搭建了三绕组变压器仿真模型。本文所构建模型结构清晰，更改参数方便，适合进行变压器绕组内部故障形式的模拟仿真。
最后基于此仿真模型，对变压器典型励磁涌流、绕组匝地匝间短路故障进行仿真，对仿真结果进行分析，验证了模型的正确性和有效性。
1 变压器绕组短路故障分析
在变压器中，涉及电气量的部件主要是绕组，绕组线圈是最复杂的部件，也
很容易被损坏。据资料统计：在各种变压器故障中，绕组出现故障约占60%～70%，而绕组匝间发生短路又占整个绕组故障的60%～70%，因此，绕组出现故障主要是由于绕组匝间短路。内部故障种类很多，其中，绕组线圈问题引起的变压器故障所占比例最大，绕组线圈短路故障包括：初级线圈匝间短路，次级线圈匝间短路，中性点的接地侧绕组的接地短路，绕组的相间短路。因此，对变压器绕组内部故障进行仿真可以对这种现象出现引起的电流变化进行研究，并进行在线监测，防止这种情况发生。
2 变压器绕组相间短路故障分析
不管采用哪种接线方式，绕组相间短路出现在侧还是侧，发生相间短路的线圈可看成绕组端部发生相间短路，如图1，2所示。
由图3可见，，因此得到：、，由这些计算式可以画出流入变压器故障相电流相量。
通过上面的分析可以看到，变压器发生绕组相间短路故障时，故障分量电流的流向总是流入变压器，与短路匝数多少没有关系；实际短路匝电流与短路匝的数量、变压器的结构等因素有关。
3 变压器绕组相间短路故障模型的构建
假设一个具有双侧电源的变压器的简单电力系统如图4所示。
根据图4，建立其对应的Matlab/simulink仿真模型如图5所示。
图中，电源采用“Three-phase soure”模型，电源EN与电源EM的电势相位相差10°，其他设置相同。三项电压电流测量模块UM、UN将在故障点和变压器两侧测量到的电压、电流信号转变成simulink信号，相当于电压、电流互感器的作用。三项断路器模块QF1和QF2分别用来控制变压器的投入，故障模块Fault1和Fault2分别用来仿真变压器保护区内和区外故障。在仿真时，主要改变他们的切换时间，其他采用默认设置即可。变压器是利用三个“saturable transformer”模块，利用三个单相变压器构成一个三相变压器，在变压器属性中选中“三绕组变压器”（Three windings Transformer），从而构造出具有一个初级绕组、两个次级绕组的单相变压器（两个次级绕组首尾相连，当作一个次级用）。初级绕组和次级绕组可按三相变压器的接线组别进行连接，次级绕组的额定电压、电阻和电感的参数也可灵活调整以便进行变压器内部故障的仿真，故障点可设置于两个次级绕组的连接线上，也可设置于绕组首端。
经过这样的处理后，就可以进行变压器内部整个绕组的单相接地、两相短路、两相接地短路、三相短路等故障的简单仿真。
4 总结
变压器在电网中发挥着重要作用，主要用于保护电网安全可靠地运行以及确保人们日常生产用电、生活用电的稳定。变压器绕组短路会影响变压器的正常使用，甚至导致变压器损坏，这对我国电力的正常供应与使用造成了非常不好的影响，本文通过对变压器绕组相间短路故障进行仿真分析，希望能为减少变压器绕组短路故障做出一点贡献，为实现我国电力行业更好地发展提供助力。
作者简介
楼冯梁：1990年出生，三峡大学毕业，助理工程师，毕业后从事电能计量管理，现就职于杭州市萧山区供电公司。
