變壓器繞組匝間短路一般由于絕緣損壞造成線匝短接，具有故障相短路電流突變、電動(dòng)力與振動(dòng)劇烈，且非故障相電流無明顯變化的特點(diǎn)。傳統(tǒng)保護(hù)在變壓器發(fā)生匝間短路時(shí)辨識(shí)繞組故障狀態(tài)的難度較大，若變壓器持續(xù)負(fù)載運(yùn)行，將會(huì)導(dǎo)致繞組變形甚至燒毀的惡劣后果。

變壓器繞組匝間短路屬于內(nèi)部故障，差動(dòng)保護(hù)在處理該故障時(shí)存在失效或拒動(dòng)的問題。油色譜分析法利用氣體探測(cè)器能夠檢測(cè)變壓器內(nèi)部故障產(chǎn)生的特征氣體，但在處理匝間短路故障時(shí)不適用；對(duì)稱分量法利用派克變換求得變壓器端口電流的相位實(shí)現(xiàn)故障辨識(shí)，但是匝間短路等內(nèi)部故障會(huì)導(dǎo)致對(duì)稱分量法的實(shí)現(xiàn)困難、計(jì)算復(fù)雜等問題；漏感因子法通過短路和空載試驗(yàn)獲取繞組正常和匝間短路時(shí)的電氣信息，從而得到變壓器等效電感矩陣，通過最小二乘法進(jìn)行故障診斷，但是相關(guān)實(shí)驗(yàn)開展難度較大，監(jiān)測(cè)方案實(shí)施復(fù)雜。

以上各診斷方法主要以電路為主，未充分考慮變壓器故障后的電磁耦合特性。近年來很多學(xué)者基于電磁耦合原理研究變壓器內(nèi)部故障時(shí)磁場(chǎng)問題，文獻(xiàn)[15]將變壓器簡(jiǎn)化為二維模型，考慮了變壓器故障時(shí)的電磁特性，但誤差較大。文獻(xiàn)[16]通過對(duì)比仿真變壓器繞組短路電動(dòng)力的二維模型和三維模型，說明三維仿真模型具有高精度的優(yōu)勢(shì)。

文獻(xiàn)[17]模擬變壓器的磁路結(jié)構(gòu)分析振動(dòng)噪聲問題，將繞組簡(jiǎn)化為筒狀結(jié)構(gòu)，因此在研究繞組故障時(shí)局限性較大。文獻(xiàn)[18]利用時(shí)間有限元法驗(yàn)證用于計(jì)算變壓器短路電動(dòng)力的方法，但是計(jì)算過程復(fù)雜，忽略了繞組短路后造成的安匝不平衡對(duì)漏磁場(chǎng)以及電動(dòng)力的影響。文獻(xiàn)[19,20]利用場(chǎng)路耦合原理，分別研究變壓器內(nèi)部偏磁失穩(wěn)和振動(dòng)問題。

已有研究表明，變壓器繞組匝間短路對(duì)設(shè)備運(yùn)行乃至系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)生了極大危害，雖然這一問題引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，但是罕有文獻(xiàn)對(duì)變壓器繞組匝間短路電磁特性及受力振動(dòng)進(jìn)行仿真分析，關(guān)于繞組匝間短路動(dòng)模實(shí)驗(yàn)雖然已有報(bào)道，但并未對(duì)繞組漏磁、受力與振動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)研究。

本文基于場(chǎng)路耦合原理，提出一種變壓器匝間短路電磁諧響應(yīng)分析方法。通過建立變壓器三維有限元磁場(chǎng)模型，模擬變壓器繞組內(nèi)部匝間短路故障時(shí)諧電磁環(huán)境，結(jié)合時(shí)域微分電路模型分析變壓器故障時(shí)繞組電流、漏磁場(chǎng)和電磁力的變化情況，并總結(jié)其規(guī)律。基于諧響應(yīng)分析，通過數(shù)值仿真與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)所得結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3 變壓器匝間短路仿真模型

結(jié)論

利用時(shí)域場(chǎng)路耦合模型研究變壓器繞組匝間短路問題，得出以下結(jié)論：

1）繞組在不同位置發(fā)生匝間短路時(shí)鐵心的勵(lì)磁飽和狀態(tài)相似，但繞組短路電流、漏磁通及受力相差較大，端部匝間短路所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)更為惡劣。結(jié)果表明場(chǎng)路耦合模型能夠有效模擬變壓器繞組匝間短路時(shí)的內(nèi)部磁場(chǎng)環(huán)境，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了本文方法的正確性。

2）電磁諧響應(yīng)分析結(jié)果表明，匝間短路時(shí)鐵心勵(lì)磁過飽和，端部繞組匝間短路時(shí)，各線匝漏磁通高于中部繞組匝間故障時(shí)的漏磁通；短路繞組主要承受軸向電磁力，端部繞組匝間短路時(shí)，線餅受力較為嚴(yán)重；繞組振動(dòng)加速度頻譜分布較為復(fù)雜，但振動(dòng)頻譜主要集中于0～500Hz頻段，其中2次諧波振動(dòng)最為劇烈。

3）通過動(dòng)模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)測(cè)不同故障情況下的繞組振動(dòng)信息，結(jié)果驗(yàn)證了本文方法的有效性，從而為變壓器繞組匝間短路的監(jiān)測(cè)與分析提供可行方案。