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變壓器故障與保護(hù)措施

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

2024-10-22 08:48:32

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(luò)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(shí)，短路電流所產(chǎn)生的高溫電弧不僅會(huì)燒壞變壓器繞組的絕緣和鐵芯，而且會(huì)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燃燒。因此變壓器故障時(shí)必須將其切除。

變壓器的異常情況主要有過負(fù)荷、油面降低、外部短路引起的過電流，運(yùn)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(dāng)變壓器處于異常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，應(yīng)給出告警信號(hào)。

2、變壓器保護(hù)的配置

短路故障的主保護(hù)：主要有縱差保護(hù)、重瓦斯保護(hù)等。

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

異常運(yùn)行保護(hù)：主要有過負(fù)荷保護(hù)、過勵(lì)磁保護(hù)、輕瓦斯保護(hù)、中性點(diǎn)間隙保護(hù)、溫度油位及冷卻系統(tǒng)故障保護(hù)等。

3、非電量保護(hù)

利用變壓器的油、氣、溫度等非電氣量構(gòu)成的變壓器保護(hù)稱為非電量保護(hù)。主要有瓦斯保護(hù)、壓力保護(hù)、溫度保護(hù)、油位保護(hù)及冷卻器全停保護(hù)。非電量保護(hù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要?jiǎng)幼饔谔l或發(fā)信。

（1）瓦斯保護(hù)

當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時(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，同時(shí)變壓器油流速度加快，利用氣體和油流來實(shí)現(xiàn)的保護(hù)稱為瓦斯保護(hù)。

輕瓦斯保護(hù)：當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生輕微故障或異常時(shí)，故障點(diǎn)局部過熱，引起部分油膨脹，油內(nèi)氣體形成氣泡進(jìn)入氣體繼電器，輕瓦斯保護(hù)動(dòng)作，發(fā)出輕瓦斯信號(hào)。

重瓦斯保護(hù)：當(dāng)變壓器油箱內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，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(hù)動(dòng)作，發(fā)出重瓦斯信號(hào)并出口跳閘，切除變壓器。

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

（2）壓力保護(hù)

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

（3）溫度及油位保護(hù)

當(dāng)變壓器溫度升高達(dá)到預(yù)警值，溫度保護(hù)發(fā)出告警信號(hào)，并投入起動(dòng)備用冷卻器。

當(dāng)變壓器漏油或由于其他原因使得油位降低是，油位保護(hù)動(dòng)作，發(fā)出告警信號(hào)。

（4）冷卻器全停保護(hù)

當(dāng)運(yùn)行中的變壓器冷卻器全停時(shí)，變壓器溫度會(huì)升高，若不及時(shí)處理，可能會(huì)導(dǎo)致變壓器繞組絕緣損壞。因此在變壓器運(yùn)行中冷卻器全停時(shí)，該保護(hù)發(fā)出告警信號(hào)并經(jīng)長(zhǎng)延時(shí)切除變壓器。

4、差動(dòng)保護(hù)

變壓器差動(dòng)保護(hù)是變壓器電氣量的主保護(hù)，其保護(hù)范圍是各側(cè)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(shí)，差動(dòng)保護(hù)均要?jiǎng)幼鳌?/span>

（1）變壓器的勵(lì)磁涌流

空投變壓器時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁電流稱作勵(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：空投變壓器時(shí)由于鐵芯飽和勵(lì)磁涌流很大，通常為額定電流的2~6倍，很大可達(dá)8倍以上。由于勵(lì)磁涌流只在充電側(cè)流入變壓器，因此會(huì)在差動(dòng)回路中產(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，尤其二次諧波分量很為明顯；d、勵(lì)磁涌流是衰減的。

根據(jù)勵(lì)磁涌流的以上特點(diǎn)，為防止勵(lì)磁涌流造成變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，工程中利用：二次諧波含量高、波形不對(duì)稱、波形間斷角大這三種原理來實(shí)現(xiàn)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)的實(shí)質(zhì)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(lì)磁涌流。當(dāng)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(shí)，判斷差流是由于勵(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)效果也就越差。

（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，故障電流較大導(dǎo)致CT飽和時(shí)，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(huì)由于二次諧波制動(dòng)導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)閉鎖或延緩動(dòng)作。這將嚴(yán)重?fù)p壞變壓器。為了解決這個(gè)問題，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(dòng)速斷的整定值（通常比差動(dòng)保護(hù)整定值要高），它將立即動(dòng)作切除變壓器，不經(jīng)過勵(lì)磁涌流等判據(jù)的閉鎖。

關(guān)于變壓器的主保護(hù)簡(jiǎn)單介紹這些，繼續(xù)介紹一下變壓器的后備保護(hù)。變壓器的后備保護(hù)配置種類很多，這里主要簡(jiǎn)單介紹一下變壓器的復(fù)壓閉鎖過流保護(hù)和接地保護(hù)兩類后備保護(hù)。

1、復(fù)壓閉鎖過流保護(hù)

復(fù)壓閉鎖過流保護(hù)是大、中型變壓器相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)變壓器及過流保護(hù)不能滿足靈敏度要求的降壓變壓器。利用負(fù)序電壓和低電壓構(gòu)成的復(fù)合電壓能夠反映保護(hù)范圍內(nèi)的各種故障，降低了過電流保護(hù)的整定值，提高了靈敏度。

復(fù)合電壓過流保護(hù)，由復(fù)合電壓元件、過流元件、時(shí)間元件構(gòu)成。保護(hù)的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)，可以通過軟件將本側(cè)電壓提供給其他側(cè)使用，這樣就保證了任意某側(cè)PT檢修時(shí)，仍能使用復(fù)壓過流保護(hù)。

2、變壓器的接地保護(hù)

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

（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，在大電流接地系統(tǒng)側(cè)應(yīng)設(shè)置反應(yīng)接地故障的零序電流保護(hù)。在高、中兩側(cè)均直接接地的變壓器，其零序電流保護(hù)應(yīng)帶方向，方向宜指向各側(cè)母線。

零序電流保護(hù)的原理與線路的零序保護(hù)類似，可參考第30期。零序電流可取自中性點(diǎn)CT二次電流，也可由本側(cè)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(cè)PT開口三角電壓，也可由本側(cè)二次三相電壓自產(chǎn)。在微機(jī)保護(hù)裝置中，主要采取自產(chǎn)方式。

對(duì)于大型三繞組變壓器，零序電流保護(hù)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(jí)延時(shí)，以較短延時(shí)縮小故障范圍（跳母聯(lián)或條本側(cè)開關(guān)），以較長(zhǎng)延時(shí)切除變壓器（跳三側(cè)開關(guān)）。具體保護(hù)配置根據(jù)實(shí)際情況確定。

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

（2）中性點(diǎn)不接地方式

零序電流通過變壓器中性點(diǎn)構(gòu)成零序回路。但如果所有變壓器中性點(diǎn)都接地，那么接地點(diǎn)的短路電流就分流到了各個(gè)變壓器上，這樣會(huì)造成零序過流保護(hù)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(duì)中性點(diǎn)接地運(yùn)行的變壓器數(shù)量是有規(guī)定的。

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)出現(xiàn)間隙電弧引起過電壓損壞變壓器，應(yīng)配置零序電壓保護(hù)。

全絕緣變壓器由于其中性點(diǎn)絕緣水平較高，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，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，再有零序電壓保護(hù)切除中性點(diǎn)不接地的變壓器。

（3）中性點(diǎn)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(diǎn)線圈的對(duì)地絕緣比其他部位弱。中性點(diǎn)絕緣容易被擊穿。因此需要配置間隙保護(hù)。

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