變壓器是一種連續(xù)運(yùn)行的靜止設(shè)備，運(yùn)行可靠，故障機(jī)會(huì)少。但由于大部分變壓器安裝在室外，受運(yùn)行過(guò)程中負(fù)荷和電力系統(tǒng)短路故障的影響，運(yùn)行過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種故障和異常情況。

引文作者:上海蓋能電氣市場(chǎng)部（專(zhuān)注干式變壓器30年）

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一、變壓器壓器常見(jiàn)故障及異常

變壓器故障可分為內(nèi)部故障和外部故障。

內(nèi)部故障是指箱殼內(nèi)部的故障，包括繞組相間短路故障、一相繞組匝間短路故障、繞組與鐵芯短路故障、繞組斷線(xiàn)故障等。

外部故障是指變壓器外部引出線(xiàn)之間的各種短路故障，引出線(xiàn)絕緣套管閃絡(luò)通過(guò)外殼的單相接地故障。

變壓器故障危害很大。特別是當(dāng)發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，短路電流產(chǎn)生的高溫電弧不僅會(huì)燒壞變壓器繞組的絕緣和鐵芯，還會(huì)使變壓器油受熱分解產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致變壓器外殼變形甚至爆炸。因此，變壓器故障必須切除。

變壓器的異常情況主要包括過(guò)載、油面降低、外部短路引起的過(guò)電流、運(yùn)行中變壓器油溫過(guò)高、繞組溫度過(guò)高、變壓器壓力過(guò)高、冷卻系統(tǒng)故障等。當(dāng)變壓器處于異常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，應(yīng)給出報(bào)警信號(hào)。

二、變壓器保護(hù)的配置

短路故障的主要保護(hù):縱差保護(hù)、重瓦斯保護(hù)等。

短路故障后備保護(hù):主要包括復(fù)合電壓閉鎖過(guò)流保護(hù)、零序(方向)過(guò)流保護(hù)、低阻抗保護(hù)等。

異常運(yùn)行保護(hù):主要包括過(guò)載保護(hù)、過(guò)勵(lì)磁保護(hù)、輕瓦斯保護(hù)、中性點(diǎn)間隙保護(hù)、溫度油位和冷卻系統(tǒng)故障保護(hù)等。

三、非電量保護(hù)

由油、氣、溫等非電氣量組成的變壓器保護(hù)稱(chēng)為非電氣保護(hù)。主要包括瓦斯保護(hù)、壓力保護(hù)、溫度保護(hù)、油位保護(hù)和冷卻器全停保護(hù)。非功率保護(hù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要跳閘或發(fā)送信息。

1.瓦斯保護(hù)

當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，由于短路電流和短路點(diǎn)電弧的作用，變壓器內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量氣體，變壓器的油流速度會(huì)加快。氣體和油流實(shí)現(xiàn)的保護(hù)稱(chēng)為瓦斯保護(hù)。

(1)輕氣體保護(hù):當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)輕微故障或異常時(shí)，故障點(diǎn)局部過(guò)熱，導(dǎo)致部分油膨脹，油中氣體形成氣泡進(jìn)入氣體繼電器，輕氣體保護(hù)動(dòng)作發(fā)出輕氣體信號(hào)。

(2)重瓦斯保護(hù):當(dāng)變壓器油箱出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，故障電流較大，電弧分解變壓器油，產(chǎn)生大量氣體和油流。沖擊擋板使重瓦斯繼續(xù)保護(hù)動(dòng)作，發(fā)出重瓦斯信號(hào)，出口跳閘，切除變壓器。

(3)重瓦斯保護(hù)是油箱內(nèi)部故障的主要保護(hù)，可以反映變壓器內(nèi)部的各種故障。當(dāng)變壓器發(fā)生少數(shù)匝間短路時(shí)，雖然故障電流很大，但差動(dòng)保護(hù)產(chǎn)生的差流可能不大，差動(dòng)保護(hù)可能會(huì)被拒絕。因此，對(duì)于變壓器內(nèi)部故障，需要依靠重瓦斯保護(hù)來(lái)切除故障。

2.壓力保護(hù)

壓力保護(hù)也是變壓器油箱內(nèi)部故障的主要保護(hù)。用于反應(yīng)變壓器油的壓力，包括壓力釋放和壓力突變保護(hù)。

3.保護(hù)溫度和油位

當(dāng)變壓器溫度升高達(dá)到預(yù)警值時(shí)，溫度保護(hù)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，啟動(dòng)備用冷卻器。

當(dāng)變壓器漏油或由于其他原因降低油位時(shí)，油位保護(hù)動(dòng)作發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4.冷卻器全停保護(hù)

當(dāng)運(yùn)行中的變壓器冷卻器完全停止時(shí)，變壓器溫度會(huì)升高。如果不及時(shí)處理，變壓器繞組的絕緣可能會(huì)損壞。因此，當(dāng)冷卻器在變壓器運(yùn)行過(guò)程中完全停止時(shí)，保護(hù)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，變壓器被長(zhǎng)時(shí)間切除。

四、差動(dòng)保護(hù)

變壓器差動(dòng)保護(hù)是變壓器電量的主要保護(hù)，其保護(hù)范圍是各側(cè)電流互感器的包圍。當(dāng)繞組相間短路、匝間短路等故障發(fā)生在此范圍內(nèi)時(shí)，差動(dòng)保護(hù)應(yīng)動(dòng)作。

1.變壓器勵(lì)磁涌流

空投變壓器產(chǎn)生的勵(lì)磁電流稱(chēng)為勵(lì)磁涌流。勵(lì)磁涌流的大小與變壓器的結(jié)構(gòu)、合閘角、容量、合閘前剩磁等因素有關(guān)。測(cè)量表明，由于鐵芯飽和勵(lì)磁涌流大，空投變壓器通常是額定電流的2~6倍，最大可達(dá)8倍以上。由于勵(lì)磁涌流只流入充電側(cè)的變壓器，差動(dòng)電路中會(huì)產(chǎn)生很大的差流，導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。

勵(lì)磁涌流具有以下特點(diǎn):a、涌流值大，含有明顯的非周期性分量；b、波形呈尖頂狀，間歇性；c、含有明顯的高次諧波分量，尤其是二次諧波分量最明顯；d、勵(lì)磁涌流衰減。

根據(jù)勵(lì)磁涌流的上述特點(diǎn)，為了防止勵(lì)磁涌流引起的變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，工程利用二次諧波含量高、波形不對(duì)稱(chēng)、波形間斷角大三個(gè)原理實(shí)現(xiàn)了差動(dòng)保護(hù)的閉鎖。

2.二次諧波制動(dòng)原理

二次諧波制動(dòng)的本質(zhì)是利用差流中的二次諧波分量來(lái)判斷差流是故障電流還是勵(lì)磁涌流。當(dāng)二次諧波分量與基波分量的百分比大于一定值(通常為20%)時(shí)，判斷差流是勵(lì)磁涌流引起的，閉鎖差動(dòng)保護(hù)。

因此，二次諧波制動(dòng)比越大，允許基波中包含的二次諧波電流越多，制動(dòng)效果越差。

3.差動(dòng)速斷保護(hù)

當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)嚴(yán)重故障，故障電流大導(dǎo)致CT飽和時(shí)，CT二次電流也含有大量諧波分量。根據(jù)上述描述，由于二次諧波制動(dòng)，差動(dòng)很可能會(huì)保護(hù)閉鎖或延遲運(yùn)動(dòng)。這將嚴(yán)重?fù)p壞變壓器。為解決這一問(wèn)題，通常會(huì)設(shè)置差動(dòng)速斷保護(hù)。

差動(dòng)速斷元件實(shí)際上是縱差保護(hù)的高定值差動(dòng)元件。與一般差動(dòng)元件不同，它反映了差流的有效值。無(wú)論差流的波形如何，諧波分量如何，只要差流的有效值超過(guò)差動(dòng)速斷的整定值(通常高于差動(dòng)保護(hù)的整定值)，就會(huì)立即動(dòng)作切除變壓器，不會(huì)被勵(lì)磁涌流等判據(jù)鎖定。

五、變壓器的后備保護(hù)

簡(jiǎn)單介紹一下變壓器的主要保護(hù)，繼續(xù)介紹變壓器的后備保護(hù)。變壓器的后備保護(hù)配置有很多種。這里簡(jiǎn)單介紹一下復(fù)壓閉鎖過(guò)流保護(hù)和接地保護(hù)。

1.復(fù)壓閉鎖過(guò)流保護(hù)

復(fù)壓閉鎖過(guò)流保護(hù)是大中型變壓器之間短路故障的后備保護(hù)。適用于升壓變壓器、系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)變壓器和過(guò)流保護(hù)不能滿(mǎn)足靈敏度要求的降壓變壓器。負(fù)序電壓和低電壓組成的復(fù)合電壓可以反映保護(hù)范圍內(nèi)的各種故障，降低過(guò)流保護(hù)的整定值，提高靈敏度。

復(fù)合電壓過(guò)流保護(hù)由復(fù)合電壓元件、過(guò)流元件和時(shí)間元件組成。保護(hù)接入電流為變壓器本側(cè)CT二次三相電流，接入電壓為變壓器本側(cè)或其他側(cè)PT二次三相電壓。對(duì)于微機(jī)保護(hù)，本側(cè)電壓可以通過(guò)軟件提供給其他側(cè)，以確保任何一側(cè)的PT維護(hù)仍然可以使用復(fù)壓過(guò)流保護(hù)。如下圖所示，動(dòng)作邏輯。

2.變壓器的接地保護(hù)

大中型變壓器接地短路故障的備用保護(hù)通常包括:零序過(guò)流保護(hù)、零序過(guò)電壓保護(hù)、間隙保護(hù)等。下面簡(jiǎn)單介紹一下中性點(diǎn)三種不同的接地方式。

(1)中性點(diǎn)直接接地

電壓為110kV及以上中性點(diǎn)直接接地的變壓器，應(yīng)在大電流接地系統(tǒng)側(cè)設(shè)置反應(yīng)接地故障的零序電流保護(hù)。對(duì)于高、中兩側(cè)直接接地的變壓器，其零序電流保護(hù)應(yīng)有方向，方向應(yīng)指向各側(cè)母線(xiàn)。

零序電流保護(hù)的原理類(lèi)似于線(xiàn)路的零序保護(hù)，可以參考第30期。零序電流可取自中性點(diǎn)CT二次電流或本側(cè)CT二次三相電流。方向元件接入的零序電壓可以取自本側(cè)PT開(kāi)口三角電壓或本側(cè)二次三相電壓。微機(jī)保護(hù)裝置主要采用自產(chǎn)方式。

對(duì)于大型三繞組變壓器，零序電流保護(hù)可用三段式。其中I段有方向，III段沒(méi)有方向。每段一般有兩級(jí)延遲，以較短的延遲縮小故障范圍(跳母聯(lián)或條本側(cè)開(kāi)關(guān))，以較長(zhǎng)的延遲切除變壓器(跳三側(cè)開(kāi)關(guān))。根據(jù)實(shí)際情況確定具體的保護(hù)配置。

如圖所示，零序方向電流保護(hù)I段或II段動(dòng)作后，首先通過(guò)短延時(shí)t1或t3跳母聯(lián)或跳本側(cè)開(kāi)關(guān)，以縮小故障影響范圍，如果故障量仍然存在，則通過(guò)長(zhǎng)延時(shí)t2或t4跳三側(cè)開(kāi)關(guān)切除變壓器。無(wú)方向的III段，通過(guò)延遲直接切除變壓器。

(2)中性點(diǎn)不接地

零序電流通過(guò)變壓器中性點(diǎn)形成零序電路。但是，如果所有變壓器的中性點(diǎn)都接地，那么接地點(diǎn)的短路電流就會(huì)分流到各個(gè)變壓器上，從而降低零序過(guò)流保護(hù)的靈敏度。因此，為了將零序電流限制在一定范圍內(nèi)，規(guī)定了中性點(diǎn)接地運(yùn)行的變壓器數(shù)量。

對(duì)于不接地運(yùn)行的變壓器，為了防止接地故障時(shí)故障點(diǎn)間隙電弧造成過(guò)電壓損壞，應(yīng)配備零序電壓保護(hù)。

由于全絕緣變壓器中性點(diǎn)絕緣水平高，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障時(shí)，首先有零序電流保護(hù)切除中性點(diǎn)接地的變壓器。如果故障仍然存在，然后有零序電壓保護(hù)切除中性點(diǎn)不接地的變壓器。

(3)中性點(diǎn)通過(guò)放電間隙接地

超高壓變壓器均為半絕緣變壓器，其中性點(diǎn)線(xiàn)圈對(duì)地絕緣較弱。中性點(diǎn)絕緣容易擊穿。所以需要配置間隙保護(hù)。

間隙保護(hù)的作用是保護(hù)中性點(diǎn)不接地變壓器中性點(diǎn)的絕緣安全。

間隙保護(hù)是通過(guò)流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)的間隙電流3I0和母線(xiàn)PT開(kāi)口三角電壓3U0來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

如果由于故障中性點(diǎn)對(duì)位置上升，間隙擊穿，產(chǎn)生較大間隙電流3I0，此時(shí)間隙保護(hù)動(dòng)作，變壓器被延遲切除。此外，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障時(shí)，中性點(diǎn)接地運(yùn)行變壓器零序保護(hù)動(dòng)作，首先切除中性點(diǎn)接地變壓器。在系統(tǒng)失去接地點(diǎn)之后，如果故障仍然存在，母線(xiàn)PT的開(kāi)口三角電壓3U0將會(huì)很大，此時(shí)間隙保護(hù)也動(dòng)作。