变压器平衡绕组抗短路分析与研究

摘要：从非对称短路电流计算入手，通过平衡绕组的抗短路能力的分析与研究，对某台240MVA/220kV 变压器的平衡绕组的抗短路能力进行了优化。

1、引言

星形联结绕组中性点不接地系统中，中性点会以高于或低于地电位的电压振荡，变压器加入第三绕组可防止发生这种现象。此三角形联结的绕组还可以在相间负载不平衡时，使电流在三角形中循环，从而减弱这种不平衡，使之不致于大幅度地反馈到系统中。第三绕组还可通过不同的引出方式，作为变电站辅助负载供电以及做自耦变中的补偿装置。通常称此第三绕组为平衡绕组或稳压绕组，为方便说明，下文统一称为平衡绕组。

对平衡绕组的容量，主要考虑其必须能承受由于系统严重不平衡所产生的最大循环电流。国家标准中未对平衡绕组的容量作出明确的规定，目前，当其仅充当平衡绕组时，一般设计成10.5kV级，容量大约为变压器额定容量的1/3 或 30%。因最大循环电流值发生在变压器非对称短路时，故平衡绕组的抗短路分析与研究必须首先计算出各类非对称短路。而正常运行时绕组内电流非常小，可忽略铜导线的涡流损耗及温升，由此决定了平衡绕组的抗短路设计具有其特殊性。因此有必要对平衡绕组进行抗短路分析与研究。

2、平衡绕组短

路电流计算

平衡绕组短路电流为零序电流，即电流有零序分量是平衡绕组内存在短路电流的前提，总结多种短路情况，只有单相接地短路与两相接地短路时平衡绕组才会流过短路电流。

平衡绕组短路电流与实际电网接线图有关，笔者以高、低压侧均有电源系统的两绕组带平衡绕组的三相五柱式变压器为例进行分析。

单相接地的边界条件为故障相电压为0，非故障相电流为 0，即：

根据此复合序网络图以及上述单相接地短路的短路电流计算方式，可计算出两相接地短路时的短路电流，由于下文中有计算实例说明，这里不再过多叙述。

2.3 其他系统非对称短路电流计算

变压器低压侧无电源系统时，可在上述分析中去除低压系统对短路电流值的影响，此类问题已有文献介绍。当变压器为三绕组带平衡绕组时，可选取阻抗较低一对绕组加平衡绕组进行分析。

3、平衡绕组短路

时机械强度分析

平衡绕组短路时机械强度分析与常规绕组强度分析基本相同，可参考GB1094.5，主要包括环形应力、辐向与轴向弯曲应力、轴向倾斜力安全性、出头和换位处的强度以及其他部件（如压板、端环及拉紧杆等）的强度分析。由于篇幅有限，本文中笔者针对平衡绕组的特殊性及变压器短路损坏的主要形式，就辐向应力、辐向稳定性及轴向稳定性进行分析。

3.1 辐向应力分析

如 GB1094.5 所述，导线屈服应力值直接决定其许用应力，此处只讨论其承受的辐向应力，平衡绕组一般为内绕组，辐向受压缩力，辐向应力可根据下式计算。

由此，在平衡绕组的设计时，电流密度直接影响其承受应力大小，故平衡绕线抗短路设计时需充分考虑安全性与经济性的平衡。

3.2 辐向稳定性分析

变压器内绕组辐向失稳损坏变压器是内绕组损坏的主要形式，如图 5 所示，典型的辐向失稳形式为绕组部分突起或内凹，其成因受绕组的铜导线选型、支撑数和制造工艺等多方面因素影响。

早年的研究表明，当支撑间距离很小，绕组套装间隙较小，变形受到铁心、木撑条等阻碍时，线饼允许的极限负荷圈为：

其中：Kf 为常数，ξ1 为决定于内壁支撑数的常数，ξ2 为因轴向振动引起强度降低的系数，x3 为因匝绝缘及浸漆处理等因素引起辐向刚度变化引入的常数，c 为决定于绕组结构的常数。

除上述影响因素以外，笔者总结多年来通过突发短路试验产品和外接修试产品的经验及查阅相关文献，总结在平衡绕组抗短路设计时，需要重点注意的问题。

（1）材料屈服应力的选取必须根据工艺水平，不可盲目提高，除绕制难度提高外，在导线换位位置可能引发如绝缘损坏、辐向超高等其它问题。

（2） 在辐向稳定性校核前必须通过辐向应力校核且保留一定安全裕度。

（3） 绕组套装间隙在工艺能控范围内越小其辐向稳定性越好。

（4） 采用成型硬绝缘筒及内撑条加倍措施将较大提升辐向稳定性。

（5）平衡绕组正常运行时电流非常小，应尽量增大单根导线厚度，必要时可以考虑立绕工艺。

3.3 轴向稳定性分析

绕组轴向失稳损坏变压器是绕组损坏的又一主要形式，如图 6 所示为线饼上下弯曲变形形式。

绕组轴向受力研究目前没有统一的理论及算法，与绕组形式、轴向压紧力、导线及垫块选材及绕组间的安匝不平衡率等多种因素相关，一般使用动态仿真计算。针对平衡绕组的特殊性，笔者使用动态仿真计算对铜导线复合线根数与抗轴向极限倾斜力的关系进行了分析，如图 7 所示。

在条件允许的前提下，适当减少导线复合数，增加单根导线宽度，绕组的抗轴向倾斜能力明显提升， 这与 GB1094.5 中的极限轴向倾斜力的计算公式的趋势吻合。

总结其他影响因素，在平衡绕组轴向稳定性方面，需要重点注意的问题。

（1）由于篇幅原因，没有对安匝不平衡率、垫块等因素进行分析，设计时可参考常规设计方法，如等匝设计方法。

（2）轴向稳定性能力与制造工艺关系密切，除传统理念上的“轴向压紧，辐向撑紧”外，对单个线饼而言，还须采用合理的撑条结构，做到“辐向挤紧”。

（3）尽量增大单根导线厚度，必要时可以考虑立绕工艺，以提高其轴向极限倾斜力。

4、计算设计实例

以一台型号为 SFZ10-240000/220 的三相两绕组带平衡绕组变压器为例对电力变压器平衡绕组抗短路分析进行说明（以额定分接为例），其基本参数如下。

额定容量：240/240/72MVA

电压组合：220/38.5/10.5kV

额定电流：629.84/3 599.07/7 619.05A

铁心结构：三相五柱式

联结组别：YN,yn0+d11

阻抗：HV-LV：13.49%；HV-WV：22.15%；LV-WV：6.31%

可见，两相接地短路不同于三相对称短路或单相接地短路，其安匝平衡为矢量平衡，对平衡绕组的抗短路能力校核时，选择平衡绕组对应的最大电流，即三绕组取实部进行短路强度分析。

4.4 抗短路计算与设计

根据第 3 节介绍的加强方法，对此台产品的平衡绕组进行了优化设计，经专业变压器抗短路强度仿真分析软件计算，优化前后安全系数如表1。

其中主要采用的优化方法有：

（1）内撑条数量加倍。

（2）平衡绕组内增加成型硬绝缘筒。

（3）导线屈服应力由160MPa 优化改为 200MPa。

（4）增加导线厚度，由 8 根并绕改为 6 根并绕。

5 、结论

本文中笔者针对平衡绕组的特殊性，分析其短路电流特点，使用对称分量法对高低压均带电源系统变压器的平衡绕组内的非对称短路电流进行了理论分析，其他变压器带平衡绕组的短路电流计算可类似推导。以此为最大故障电流的平衡绕组的抗短路分析与研究结合平衡绕组正常运行时电流非常小的特点，从辐向应力及辐向稳定性及轴向稳定性三方面简要介绍了理论计算方法与抗短路设计中的注意问题。最后以一台实际产品的平衡绕组的抗短路分析与研究为例将上述研究结果运用于实践，同时保证了产品的安全性与经济性。