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山东信平变压器:变压器匝间短路建模及其实际应用

2018-05-16 09:45:56 德州信平电子有限公司 阅读

匝间短路是变压器常见的内部故障,一般由于内部线圈之间的绝缘漆破损,导致绕组匝间导通。

匝间短路的故障电流在变压器内部流过,外部电流互感器通常无明显反应。如果变压器重瓦斯保护动作正确,且对故障录波分析表明没有内部相间或接地故障,则基本可以断定为内部发生匝间短路。对于降压变压器,假设电源侧发生匝间短路,被短路的绕组不再流过一次电流,电源侧等效匝数减少,变比下降,由于电源侧电压视为恒定,导致负荷侧电压升高。相反,如果负荷侧匝间短路,则负荷侧电压下降,负荷电流下降。

由于无功补偿、站用电等需要,目前电网广泛采用三绕组及以上的变压器,多绕组变压器某一负荷侧发生匝间短路时,由于各个绕组之间相互耦合,不仅仅故障侧电压会降低,非故障负荷侧的电压也会降低,事故案例也证明了这一点。发生匝间短路前后变压器外接负荷的阻抗不变,负荷电流与母线电压成正比,但如果绕组接成三角形,发生匝间短路时三角形内部可能有零序电流分量,利用负荷电流不一定能计算出绕组电流,而对于负荷侧没有多主变并列运行的情况,可以根据母线电压计算出各绕组电压,因此分析绕组电压比分析电流更具备可行性。而目前国内外的研究很少分析匝间短路的电压影响,变压器内部故障分析计算仍然是继电保护的研究重点。

本文以三绕组降压变压器为例,分析低压绕组匝间短路的特点,建立了等效模型,推导了故障后电压公式,通过公式不仅可以计算出故障信息,还证明了相对于非故障的中压侧,发生故障的低压侧电压下降更严重。最后,本文引用了一个实例,通过本文公式成功判断了某次匝间短路事故的短路点,并采用Matlab仿真了该实例,仿真结果证明了公式正确且具备实用价值。

低压侧电流折算到一次侧为1匝间短路建模1.1负荷侧匝间短路等效电路以三绕组降压变压器低压绕组发生匝间短路为例进行分析,假设中压侧带负载为友2,低压侧带负载友3,在低压绕组发生匝间短路,短路电阻为兄,假设短路的匝数与总匝数的比值为m(0  单独考虑低压绕组,低压侧把被短路的绕组和未被短路的绕组分别视为两个不同的带内阻的电源,则低压侧的电路图如所示。

应用叠加定理,将负荷电流全部等效到一次侧。

先假设中被短路绕组的感应电压为零,则在未被短路绕组中产生的感应电流等效到一次侧为再假设中未被短路绕组的感应电压为零,则在被短路绕组中产生的感应电流等效到一次侧为式(3)明显为两并联电路的电流,所以低压绕组发生匝间短路时,三绕组变压器等效到一次侧的电路图如所示。

从中可以看出,低压绕组匝间短路,中压侧、非故障低压侧、故障电压侧三个负荷侧等效阻抗并联,被短路的低压绕组和未被短路的低压绕组分别等效为独立的两个绕组,变比分别为k13/m和k13/(1-m),三绕组变压器视为四绕组变压器,包括高压侧、中压侧、被短路的低压侧和未被短路的低压侧。1.2故障后的电压降故障前后中低压侧输出电压分别为Zl2、Zl3两端的电压,为了方便计算,对中的并联电路的大阻抗和串联电路的小阻抗进行了适当的忽略,把简化为如所示。

三绕组变压器低压绕组匝间短路简化图根据叠加定理,低压侧发生匝间短路后,计算故障后变压器等效电路图的中心点电压,中心点电压'为其中,故障后,中低压侧的电压为负载两端的电压。

分mZ3□R'T别为变压器中低压侧绕组感抗压降比。

事故前后中低压侧的电压下降比例au2、au3满足其中,U2、U3为事故前的中低压侧电压。

式(6)中只包括两个未知数m和R',负载参数在故障前后不发生变化,可以取故障前的计算值,变压器参数同样取故障前的参数,可以从变压器铭牌给定的值计算得到,代入式(6)可以计算出m和R'.令m=0,R'=~,中低压绕组只有一个等效阻抗kf3ZL3,变为事故前的三绕组等效图,满足低压侧参数,结论类似。

因此,三绕组变压器负荷侧匝间短路时,两负荷侧电压都会下降,且短路绕组的电压下降比相对于另一负荷侧更大。

广西电网某220kV变电站为单主变运行,主变容量150MVA,三侧额定电压分别为220kV/ 110kV/10kV,接线方式为Yg/Yg0/D11,高压侧为电源侧,中压侧110kV侧接负荷,低压侧接10kV配网及电容补偿。某日发生主变重瓦斯动作跳主变三侧事故,变压器油色谱分析表明内部发生严重故障,而主变电气量保护均未出口,分析故障录波排除了主变内部出现相间或接地故障,初步判断为内部发生了匝间短路。

分析故障录波图可得:故障开始时间大约在录波中的-60ms处,在约+30ms处达到稳定,在约+200ms处电气量突降为零,判断此时重瓦斯保护跳三侧开关。

下面以-80ms、60ms处的电气量分别代表故障前、后。由于低压侧为三角形出线,采集到的电压为相电压,将相电压转为线电压,也就是绕组电压为经过转换得到故障前、故障后稳态的各绕组电压有效值如表1所示。

对式(6)和式(7)进行进一步推导,分析中低压绕组压降比的大小关系为表1故障前后变压器各绕组电压有效值从式(8)可以得出AU3>AU2,低压侧绕组压降比例相对更大。上述推理与绕组的接线方式无关,如果故障发生在中压侧,交换上述公的中从表1可以看出,电压下降最严重的两个绕组为:中压侧B相电压下降为AU2= 0.10,低压侧B相绕组电压也就是低压侧AB线电压下降为本文参照实际参数对上文的事故实例进行仿真,具体参数如下:变压器接线方式为Yg/Yg0/D11,额定容量为150MVA,高中低三侧短路电压为0.005,不考虑变压器饱和。系统短路容量5 000MVA,110kV侧有功负荷60MW,无功负荷10MVar,低压侧有功负荷1MW,无功补偿12MVar.Breaker闭合时阻抗即短路阻抗0.1卩。仿真,=0.04时,发生m=0.05的B相匝间短路,中低压侧仿真波形如所示。

=0.16.根据上文推导的结论可知:低压侧B相绕组电压下降最大,中压侧B相绕组电压下降略小,则故障为低压绕组B相匝间短路。把变压器参数和故障前的负载阻抗等代入式(6)可以计算出m0.05,兄0.6卩。变压器返厂后吊罩检查发现低压侧B相绕组发生了匝间短路,短路匝数也基本符合计算值,事故绕组照片如所示。

Matlab的Simulink功能有专门针对电力系统仿真分析的模块,利用该模块对上述事故进行仿真分析,仿真电路图如所示,三绕组变压器采用三个独立的变压器模型,其中B相低压绕组设有分接开关,其中的1/20的绕组引出后接可控开关Breaker,开关闭合等效为匝间短路。

从录波可以看出:电压下降最明显的为中压侧B相电压下降8.7%,低压侧AB线电压也就是B相绕组电压下降14.62%,其余各电压都有不同程度的下降,详情如表2所示。仿真结果吻合故障录波,进一步验证上文公式推导正确且具备实用价值。

表2Matlab仿真电压幅值与故障录波对比Matlab仿真故障录波故障前故障后幅值/kV幅值/kV电压变化/%故障前故障后幅值/kV幅值/kV电压变化/%中A中B中C低AC低AB低BC 4结论多绕组变压器某一负荷侧匝间短路将导致所有的负荷侧电压、电流下降,而对于三角形接线绕组匝间短路,内部存在零序电流,绕组内部电流无法通过外部电流计算得知,因而分析变压器匝间短路时,取各侧的电压值更具备可行性。本文通过采用叠加定理,把发生短路的变压器绕组等效为两个不同变比的绕组。以三绕组变压器低压侧匝间短路为例,推导了变压器负荷侧匝间短路可以等效为加一个绕组的变压器,并在三绕组变压器等效模型的基础上建立了三绕组变压器负荷侧匝间短路模型,进一步推导了匝间短路后各侧电压的计算公式。

文中还引入了一个实例进行分析,且通过Matlab仿真该实例,仿真结果和故障录波都与文中模型的结故障录波是故障过程的真实记录,是故障分析的第一手资料。本文提出的模型为变压器匝间短路故障分析提供了理论支撑,根据本文模型的结论,可以直接通过故障录波,方便快捷找出故障点。本文中建模思路对于分析各种匝间短路具有一般性,可以广泛应用于各种发电机、变压器的匝间短路建模及故障分析,简化了变压器内部故障分析计算。


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