變壓器是連續(xù)運行的靜止設備，運行比較可靠，故障機會較少。但由于絕大部分變壓器安裝在戶外，并且受到運行時承受負荷的影響以及電力系統(tǒng)短路故障的影響，在運行過程中不可避免的出現(xiàn)各類故障和異常情況。

 

1、變壓器的常見故障和異常

 

變壓器的故障可分為內(nèi)部故障和外部故障。

 

內(nèi)部故障指的是箱殼內(nèi)部發(fā)生的故障，有繞組的相間短路故障、一相繞組的匝間短路故障、繞組與鐵芯間的短路故障、繞組的斷線故障等。

 

外部故障指的是變壓器外部引出線間的各種相間短路故障、引出線絕緣套管閃絡通過箱殼發(fā)生的單相接地故障。

 

變壓器發(fā)生故障危害很大。特別是發(fā)生內(nèi)部故障時，短路電流所產(chǎn)生的高溫電弧不僅會燒壞變壓器繞組的絕緣和鐵芯，而且會使變壓器油受熱分解產(chǎn)生大量氣體，引起變壓器外殼變形甚至爆炸。因此變壓器故障時必須將其切除。

 

變壓器的異常情況主要有過負荷、油面降低、外部短路引起的過電流，運行中的變壓器油溫過高、繞組溫度過高、變壓器壓力過高、以及冷卻系統(tǒng)故障等。當變壓器處于異常運行狀態(tài)時，應給出告警信號。

2、變壓器保護的配置

 

短路故障的主保護：主要有縱差保護、重瓦斯保護等。

 

短路故障的后備保護：主要有復合電壓閉鎖過流保護、零序（方向）過流保護、低阻抗保護等。

 

異常運行保護：主要有過負荷保護、過勵磁保護、輕瓦斯保護、中性點間隙保護、溫度油位及冷卻系統(tǒng)故障保護等。

 

3、非電量保護

 

利用變壓器的油、氣、溫度等非電氣量構成的變壓器保護稱為非電量保護。主要有瓦斯保護、壓力保護、溫度保護、油位保護及冷卻器全停保護。非電量保護根據(jù)現(xiàn)場需要動作于跳閘或發(fā)信。

 

（1）瓦斯保護

 

當變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時，由于短路電流和短路點電弧的作用，變壓器內(nèi)部會產(chǎn)生大量氣體，同時變壓器油流速度加快，利用氣體和油流來實現(xiàn)的保護稱為瓦斯保護。

 

輕瓦斯保護：當變壓器內(nèi)部發(fā)生輕微故障或異常時，故障點局部過熱，引起部分油膨脹，油內(nèi)氣體形成氣泡進入氣體繼電器，輕瓦斯保護動作，發(fā)出輕瓦斯信號。

 

重瓦斯保護：當變壓器油箱內(nèi)發(fā)生嚴重故障時，故障電流較大，電弧使變壓器油大量分解，產(chǎn)生大量氣體和油流，沖擊檔板使重瓦斯繼保護動作，發(fā)出重瓦斯信號并出口跳閘，切除變壓器。

 

重瓦斯保護是油箱內(nèi)部故障的主保護，他能反映變壓器內(nèi)部的各種故障。當變壓器發(fā)生少數(shù)匝間短路，雖然故障電流很大，但在差動保護中產(chǎn)生的差流可能并不大，差動保護可能拒動。因此對于變壓器內(nèi)部故障，需要依靠重瓦斯保護切除故障。

（2）壓力保護

 

壓力保護也是變壓器油箱內(nèi)部故障的主保護。含壓力釋放和壓力突變保護，用于反應變壓器油的壓力。

 

（3）溫度及油位保護

 

當變壓器溫度升高達到預警值，溫度保護發(fā)出告警信號，并投入起動備用冷卻器。

當變壓器漏油或由于其他原因使得油位降低是，油位保護動作，發(fā)出告警信號。

 

（4）冷卻器全停保護

 

當運行中的變壓器冷卻器全停時，變壓器溫度會升高，若不及時處理，可能會導致變壓器繞組絕緣損壞。因此在變壓器運行中冷卻器全停時，該保護發(fā)出告警信號并經(jīng)長延時切除變壓器。

 

4、差動保護

 

變壓器差動保護是變壓器電氣量的主保護，其保護范圍是各側電流互感器所包圍的部分。在這范圍內(nèi)發(fā)生的繞組相間短路、匝間短路等故障時，差動保護均要動作。

 

關于變壓器差動保護的原理，之前我們之前已經(jīng)進行了詳細的討論，需要的朋友可以在歷史記錄6、7、8期中回看相關內(nèi)容。對此就不做贅述了，這里再簡單補充一些關于勵磁涌流的概念。

 

（1）變壓器的勵磁涌流

 

空投變壓器時產(chǎn)生的勵磁電流稱作勵磁涌流。勵磁涌流的大小與變壓器的結構、合閘角、容量、合閘前剩磁等因素有關。測量表明：空投變壓器時由于鐵芯飽和勵磁涌流很大，通常為額定電流的2~6倍，最大可達8倍以上。由于勵磁涌流只在充電側流入變壓器，因此會在差動回路中產(chǎn)生很大的差流，導致差動保護誤動作。

 

勵磁涌流具有以下特點：a、涌流數(shù)值很大，含有明顯的非周期分量；b、波形呈尖頂狀，且是間斷的；c、含有明顯的高次諧波分量，尤其二次諧波分量最為明顯；d、勵磁涌流是衰減的。

 

根據(jù)勵磁涌流的以上特點，為防止勵磁涌流造成變壓器差動保護誤動，工程中利用：二次諧波含量高、波形不對稱、波形間斷角大這三種原理來實現(xiàn)差動保護的閉鎖。

 

（2）二次諧波制動原理

 

二次諧波制動的實質是：利用差流中的二次諧波分量，來判斷差流是故障電流還是勵磁涌流。當二次諧波分量與基波分量的百分比大于某一數(shù)值（通常為20%）時，判斷差流是由于勵磁涌流引起的，閉鎖差動保護。

 

因此二次諧波制動比越大，允許基波中包含的二次諧波電流越多，制動效果也就越差。

 

（3）差動速斷保護

 

當變壓器內(nèi)部出現(xiàn)嚴重故障，故障電流較大導致CT飽和時，CT二次電流中也含有大量的諧波分量，根據(jù)上面的敘述，這就很可能會由于二次諧波制動導致差動保護閉鎖或延緩動作。這將嚴重損壞變壓器。為了解決這個問題，通常會設置差動速斷保護。

 

差動速斷元件，實際上是縱差保護的高定值差動元件。與一般差動元件不同的是，它反映的是差流的有效值。不管差流的波形如何、含有諧波分量的大小如何，只要差流有效值超過了差動速斷的整定值（通常比差動保護整定值要高），它將立即動作切除變壓器，不經(jīng)過勵磁涌流等判據(jù)的閉鎖。

 

關于變壓器的主保護簡單介紹這些，繼續(xù)介紹一下變壓器的后備保護。變壓器的后備保護配置種類很多，這里主要簡單介紹一下變壓器的復壓閉鎖過流保護和接地保護兩類后備保護。

 

1、復壓閉鎖過流保護

 

復壓閉鎖過流保護是大、中型變壓器相間短路故障的后備保護。適用于升壓變壓器、系統(tǒng)聯(lián)絡變壓器及過流保護不能滿足靈敏度要求的降壓變壓器。利用負序電壓和低電壓構成的復合電壓能夠反映保護范圍內(nèi)的各種故障，降低了過電流保護的整定值，提高了靈敏度。

 

復合電壓過流保護，由復合電壓元件、過流元件、時間元件構成。保護的接入電流為變壓器本側CT二次三相電流，接入電壓為變壓器本側或其他側PT二次三相電壓。對于微機保護，可以通過軟件將本側電壓提供給其他側使用，這樣就保證了任意某側PT檢修時，仍能使用復壓過流保護。動作邏輯如下圖所示。

2、變壓器的接地保護

 

大中型變壓器的接地短路故障的后備保護通常有：零序過流保護、零序過電壓保護、間隙保護等等，下面根據(jù)中性點三種不同的接地方式進行簡單介紹。

 

（1）中性點直接接地

 

電壓為110kV及以上中性點直接接地的變壓器，在大電流接地系統(tǒng)側應設置反應接地故障的零序電流保護。在高、中兩側均直接接地的變壓器，其零序電流保護應帶方向，方向宜指向各側母線。

 

零序電流保護的原理與線路的零序保護類似，可參考第30期。零序電流可取自中性點CT二次電流，也可由本側CT二次三相電流自產(chǎn)。方向元件接入的零序電壓可取自本側PT開口三角電壓，也可由本側二次三相電壓自產(chǎn)。在微機保護裝置中，主要采取自產(chǎn)方式。

 

對于大型三繞組變壓器，零序電流保護可采用三段式。其中I段II段帶方向，III段不帶方向。每段一般有兩級延時，以較短延時縮小故障范圍（跳母聯(lián)或條本側開關），以較長延時切除變壓器（跳三側開關）。具體保護配置根據(jù)實際情況確定。

 

如圖，零序方向電流保護I段或II段動作后，先經(jīng)較短延時t1或t3跳母聯(lián)或跳本側開關，以縮小故障影響范圍，若故障量仍在，再經(jīng)過較長延時t2或t4跳三側開關切除變壓器。III段不帶方向，直接經(jīng)延時切除變壓器。

（2）中性點不接地方式

 

零序電流通過變壓器中性點構成零序回路。但如果所有變壓器中性點都接地，那么接地點的短路電流就分流到了各個變壓器上，這樣會造成零序過流保護靈敏度降低。所以為了將零序電流限制在一定的范圍內(nèi)，對中性點接地運行的變壓器數(shù)量是有規(guī)定的。

 

對于不接地運行的變壓器，為了防止接地故障時，故障點出現(xiàn)間隙電弧引起過電壓損壞變壓器，應配置零序電壓保護。

 

全絕緣變壓器由于其中性點絕緣水平較高，當系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，先有零序電流保護切除中性點接地的變壓器，如果故障仍然存在，再有零序電壓保護切除中性點不接地的變壓器。

 

（3）中性點經(jīng)放電間隙接地

 

超高壓變壓器均系半絕緣變壓器，其中性點線圈的對地絕緣比其他部位弱。中性點絕緣容易被擊穿。因此需要配置間隙保護。

 

間隙保護的作用就是保護中性點不接地變壓器中性點的絕緣安全。

如圖在變壓器中性點對地之間安裝一個擊穿間隙。當接地隔離開關閉合，變壓器直接接地，投入零序過流保護。當接地隔離開關斷開時，變壓器經(jīng)間隙接地，投入間隙保護。

 

間隙保護使用流過變壓器中性點的間隙電流3I0和母線PT開口三角電壓3U0作為判據(jù)來實現(xiàn)的。

 

若因故障中性點對地點為升高，間隙擊穿，產(chǎn)生較大間隙電流3I0，此時間隙保護動作，經(jīng)延時切除變壓器。另外，系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，中性點接地運行變壓器零序保護動作，先切除中性點接地的變壓器。系統(tǒng)失去接地點后，如果故障仍存在，母線PT的開口三角電壓3U0將會很大，此時間隙保護也會動作。保護邏輯如下圖所示。

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