变压器在电力系统运行过程中，短路故障是较为严重的故障类型之一，它不仅可能导致变压器本身的损坏，还会对整个电力系统的稳定性和可靠性造成极大影响。因此，深入分析变压器短路故障的原因、机理，并制定有效的防护策略具有重要的技术意义。
一、变压器短路故障的原因
外部短路故障引发的过电流
电力系统中可能会由于线路故障、设备故障等原因发生外部短路。当变压器二次侧发生短路时，短路电流会急剧增大，该电流会流过变压器的绕组，产生巨大的电磁力。这种电磁力可能会使绕组发生变形、位移，甚至导致绕组绝缘损坏，引发短路故障。例如，在高压输电线路中，因恶劣天气（如雷击、大风导致线路异物搭接等）引起的相间短路或接地短路，短路电流会瞬间冲击与之相连的变压器。
变压器内部绝缘缺陷
变压器内部的绝缘系统在长期运行过程中可能会出现老化、受潮、局部放电等缺陷。这些绝缘缺陷会降低绝缘的耐压能力，在正常运行电压或过电压作用下，就可能发生绝缘击穿，从而引发短路故障。例如，变压器在制造过程中，如果绝缘材料存在质量问题，或者在安装、运行过程中受到机械损伤，导致绝缘层出现微小裂纹，水分和杂质就容易侵入，逐渐破坏绝缘性能。
设计与制造工艺缺陷
变压器的设计不合理或制造工艺不完善也可能导致短路故障的发生。例如，绕组的匝数设计不准确、线径选择不当，可能导致绕组在正常运行或过电流情况下发热严重，加速绝缘老化，最终引发短路。在制造过程中，绕组绕制不紧密、换位错误，铁芯叠片不整齐、紧固不牢等问题，都会影响变压器的电气性能和机械强度，增加短路故障的风险。
二、变压器短路故障的机理
当变压器发生短路故障时，短路电流会在绕组中产生强大的电磁力。根据安培定律，这个电磁力与电流的平方成正比，与绕组的匝数、长度以及磁场强度等因素有关。电磁力可分为轴向电磁力和径向电磁力。轴向电磁力会使绕组沿轴向发生压缩或拉伸变形，可能导致绕组的饼间绝缘损坏；径向电磁力则会使绕组向外扩张或向内挤压，使绕组的匝间绝缘承受巨大压力，容易造成匝间短路。同时，短路电流产生的热量会使绕组温度迅速升高，如果不能及时散热，绕组的绝缘材料会因过热而碳化、脆化，进一步降低绝缘性能，加剧短路故障的发展。
三、防护策略
短路阻抗设计与优化
在变压器设计阶段，合理设计短路阻抗是一种重要的防护措施。适当提高短路阻抗可以限制短路电流的大小，从而减小短路时绕组所承受的电磁力。但是，短路阻抗过高也会增加变压器的电压调整率，影响其正常运行性能。因此，需要根据电力系统的具体要求和变压器的应用场景，对短路阻抗进行优化设计，找到一个既能有效限制短路电流，又能保证变压器其他性能指标的平衡点。
加强绝缘监测与维护
采用先进的绝缘监测技术，如局部放电监测、油中溶解气体分析等，对变压器的绝缘状态进行实时监测。一旦发现绝缘性能下降的迹象，及时采取措施进行维护，如对变压器进行干燥处理、更换绝缘油、修复绝缘缺陷等。定期对变压器进行预防性试验，包括绝缘电阻测试、耐压试验等，全面检查变压器的绝缘状况，确保其在良好的绝缘状态下运行。
机械强度提升
在变压器制造过程中，提高绕组和铁芯的机械强度。对于绕组，采用高强度的导线和绝缘材料，优化绕组的绕制工艺，保证绕组绕制紧密、换位正确，增加绕组的轴向和径向支撑结构，如采用硬纸板筒、撑条等，以增强绕组抵抗电磁力的能力。对于铁芯，确保铁芯叠片整齐、紧固牢固，采用合适的夹紧装置，防止铁芯在短路时发生松动和变形。
通过对变压器短路故障的全面分析，并采取有效的防护策略，可以显著降低变压器短路故障的发生概率，提高变压器在电力系统中的运行可靠性和稳定性，保障电力系统的安全稳定运行。
