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、電動力與振動劇烈，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)生匝間短路時辨識繞組故障狀態(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，差動保護(hù)在處理該故障時存在失效或拒動的問題。油色譜分析法利用氣體探測器能夠檢測變壓器內(nèi)部故障產(chǎn)生的特征氣體，但在處理匝間短路故障時不適用；對稱分量法利用派克變換求得變壓器端口電流的相位實現(xiàn)故障辨識，但是匝間短路等內(nèi)部故障會導(dǎo)致對稱分量法的實現(xiàn)困難、計算復(fù)雜等問題；漏感因子法通過短路和空載試驗獲取繞組正常和匝間短路時的電氣信息，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)實驗開展難度較大，監(jiān)測方案實施復(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)部故障時磁場問題，文獻(xiàn)[15]將變壓器簡化為二維模型，考慮了變壓器故障時的電磁特性，但誤差較大。文獻(xiàn)[16]通過對比仿真變壓器繞組短路電動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。

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

已有研究表明，變壓器繞組匝間短路對設(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)對變壓器繞組匝間短路電磁特性及受力振動進(jìn)行仿真分析，關(guān)于繞組匝間短路動模實驗雖然已有報道，但并未對繞組漏磁、受力與振動進(jìn)行系統(tǒng)研究。

本文基于場路耦合原理，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模型，模擬變壓器繞組內(nèi)部匝間短路故障時諧電磁環(huán)境，結(jié)合時域微分電路模型分析變壓器故障時繞組電流、漏磁場和電磁力的變化情況，并總結(jié)其規(guī)律?；谥C響應(yīng)分析，通過數(shù)值仿真與物理實驗相結(jié)合的方式對所得結(jié)論進(jìn)行驗證。

圖3 變壓器匝間短路仿真模型

結(jié)論

利用時域場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)生匝間短路時鐵心的勵磁飽和狀態(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)果表明場路耦合模型能夠有效模擬變壓器繞組匝間短路時的內(nèi)部磁場環(huán)境，仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比驗證了本文方法的正確性。

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

3）通過動模實驗平臺監(jiān)測不同故障情況下的繞組振動信息，結(jié)果驗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)測與分析提供可行方案。