變壓器故障類型及保護(hù)措施分析

王剛 王銳

摘要：變壓器是電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，安裝于變電所內(nèi)，主要分為油浸式變壓器和干式變壓器兩種，本文主要對油浸式變壓器的故障類型及保護(hù)措施進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。

關(guān)鍵詞：故障類型;主保護(hù);后備保護(hù)

Analysis of transformer fault types and protection measures

Wang GangWang Rui

Changchun PolytechnicJilinChangchun130033

Abstract：The transformer is the key equipment in power system，installed in the substation，mainly divided into oil and dry type transformer two，this paper focuses on the oil immersed transformer fault type and protection system are analyzed.

Key words：fault type;main protection;backup protection

變壓器在電力系統(tǒng)中占據(jù)重要位置且造價昂貴，一旦故障將會造成電力系統(tǒng)的大面積停電，給生產(chǎn)生活帶來巨大的影響，甚至產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失，變壓器的故障類型多種多樣，對于不同的故障類型需要采取相對應(yīng)的保護(hù)措施，可見對于變壓器的保護(hù)顯得尤其重要。

一、油浸式變壓器常見故障及具體保護(hù)措施

（一）故障類型分析

油浸式變壓器的故障類型，主要包括三個方面：

（1）變壓器的內(nèi)部故障。變壓器內(nèi)部的元件主要有鐵芯和繞組，浸在變壓器油中，內(nèi)部出現(xiàn)故障的類型主要為不同相繞組絕緣損壞產(chǎn)生的相間短路、同一相繞組相鄰匝之間絕緣破壞產(chǎn)生的匝間短路和繞組絕緣破壞碰觸鐵芯和外殼產(chǎn)生的接地短路，如果變壓器出現(xiàn)上述三種內(nèi)部故障，將造成變壓器鐵芯和繞組的劇烈發(fā)熱，從而使變壓器油分解產(chǎn)生大量的氣體（主要成分為甲烷），此氣體為瓦斯氣體，對于干式變壓器，則不會產(chǎn)生瓦斯氣體，內(nèi)部故障產(chǎn)生很大的短路電流，破壞繞組絕緣，燒壞變壓器鐵芯，如果保護(hù)措施不當(dāng)，變壓器發(fā)生故障會導(dǎo)致事故的發(fā)生。（2）變壓器的外部故障。變壓器外部元件主要包括變壓器高低壓引出接線端子和高低壓絕緣套管，外部故障主要包括兩種形式，各相引出線之間發(fā)生的相間短路和引出線絕緣套管破碎通過變壓器外殼接地的接地短路，外部故障的故障類型與線路故障基本相同。（3）變壓器的不正常運(yùn)行狀態(tài)。變壓器除了上述兩種故障之外，還有不正常的運(yùn)行狀態(tài)，主要包括變壓器過負(fù)荷運(yùn)行引起的過電流、變壓器長時間運(yùn)行或漏油引起的油面降低及變壓器由于頻率降低和電壓升高引起的變壓器過勵磁，上述三種情況都屬于變壓器的不正常運(yùn)行狀態(tài)，需要由保護(hù)裝置發(fā)出信號并不需要跳閘，可以持續(xù)運(yùn)行一段時間。

（二）保護(hù)措施分析

對于上述不同的故障類型，均需要采取相應(yīng)的保護(hù)措施，保護(hù)措施主要有：

（1）油浸式變壓器的瓦斯保護(hù)。瓦斯保護(hù)作為變壓器的主保護(hù)，用于對變壓器內(nèi)部故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)中的油面降低的防護(hù)，下面對油浸式變壓器的瓦斯保護(hù)進(jìn)行介紹，圖1為瓦斯保護(hù)的原理接線圖，根據(jù)故障的嚴(yán)重程度，產(chǎn)生的瓦斯氣體量不同，油面降低產(chǎn)生的氣體量比較少，瓦斯繼電器KG上面的觸點(diǎn)閉合產(chǎn)生輕瓦斯信號，不需要跳閘，當(dāng)變壓器內(nèi)部短路故障產(chǎn)生時，發(fā)熱嚴(yán)重產(chǎn)生大量的瓦斯氣體，由信號繼電器KS發(fā)出重瓦斯信號，同時發(fā)出跳閘命令跳變壓器兩側(cè)斷路器，切除故障，本接線圖中采用了帶保持線圈的中間繼電器KCO，主要是為了防止故障時油速不穩(wěn)定造成的不能可靠跳閘，KCO為電壓起動，電流保持的中間繼電器，電壓線圈阻抗比較大，為了保證KS能夠準(zhǔn)確發(fā)出重瓦斯信號，所以需要將KCO起動線圈并聯(lián)R2，提高KS的靈敏度。而XB的作用主要是氣體繼電器試驗(yàn)時或變壓器剛投入運(yùn)行時，將XB切換至R1處，使重瓦斯僅發(fā)信號不跳閘。

（2）電流速斷保護(hù)和縱差保護(hù)。電流速斷保護(hù)一般用于容量較小的變壓器，通常保護(hù)裝于電源側(cè)，與瓦斯保護(hù)配合反映變壓器繞組及引出線上的相間短路故障，當(dāng)變壓器電源側(cè)為直接接地系統(tǒng)時，保護(hù)采用完全星形接線，若為非直接接地系統(tǒng)，可采用兩相不完全星形接線?？v差保護(hù)作為變壓器的主保護(hù)，由于需要變壓器兩側(cè)均裝設(shè)保護(hù)裝置，造價相對比較高，因此主要用于中大型變壓器的保護(hù)，主要用于防護(hù)內(nèi)部故障和外部故障的相間短路、接地短路及防護(hù)內(nèi)部的匝間短路，但是需要注意的是，并不是所有的匝間短路都能反映，如果內(nèi)部匝間短路比較多，反映在外部電流互感器的電流變化比較大，則能夠進(jìn)行保護(hù)，如果內(nèi)部匝間短路匝數(shù)很少，則外部電流變化很小，縱差保護(hù)不會動作，但是由于匝間短路循環(huán)電流比較大，導(dǎo)致發(fā)熱比較嚴(yán)重，瓦斯保護(hù)可以動作，下面說明縱差保護(hù)的原理及接線方式，對于傳統(tǒng)的電磁式保護(hù)來說，變壓器的縱差保護(hù)產(chǎn)生不平衡電流的因素很多，不像線路縱差保護(hù)那樣簡單，必須保證變壓器正常運(yùn)行時和外部故障時流入差動繼電器KD的電流相等，否則會產(chǎn)生很大的不平衡電流，導(dǎo)致保護(hù)誤動作，下面以Y，d11接線的變壓器為例介紹不平衡電流產(chǎn)生的具體原因及解決措施。

①變壓器兩側(cè)接線不同而產(chǎn)生不平衡電流。圖2中由于變壓器高壓側(cè)采用了星形接線，低壓側(cè)采用了三角形接線，所以即使兩側(cè)電流互感器變比選的合適，由于變壓器兩側(cè)電流相位差為30°，同樣會引入不平衡電流，通常解決的辦法為改變電流互感器二次繞組的連接方式，將變壓器星形側(cè)電流互感器二次繞組接成三角形，而將變壓器三角形側(cè)電流互感器的二次繞組接成星形，采用相位補(bǔ)償?shù)姆椒?，可以校正兩?cè)的相位差，保證輸入差動繼電器的電流同相位。

②由于電流互感器的變比選的不能完全合適。校正相位后，只要保證兩側(cè)電流互感器的變比選的合適就可以保證輸入差動繼電器KD的電流大小和相位都相同，對于兩側(cè)電流互感器的計(jì)算變比的公式如下：

變壓器星形側(cè)電流互感器的計(jì)算變比為：nTA（Y）=3IN（Y）5

變壓器三角形側(cè)電流互感器的計(jì)算變比為：nTA（D）=IN（D）5

上面公式中，由于變壓器星形側(cè)電流互感器接成了三角形，二次側(cè)電流增大了3倍，所以求取計(jì)算變比時，要人為把高壓側(cè)變比增加3倍，其中IN（Y）、IN（D）為變壓器星形側(cè)和三角形側(cè)的額定線電流，從上述兩公式可以求出兩側(cè)電流互感器的計(jì)算變比，而計(jì)算變比的值與互感器標(biāo)準(zhǔn)變比的值往往不一樣，選擇時只能選擇與計(jì)算變比接近的、偏大的標(biāo)準(zhǔn)變比互感器，此時，會引入不平衡電流，具體的校正方法為采用自耦變流器或利用差動繼電器KD的平衡線圈予以補(bǔ)償。

③變壓器兩側(cè)電流互感器的型號不同?；ジ衅饔捎陔妷旱燃壊煌?，型號的選擇也不一樣，主要包括套管式電流互感器和線圈式電流互感器兩種，型號不同，飽和特性也是不一致的，所以會引入不平衡電流，解決的措施主要是提高動作電流整定值躲開不平衡電流。

④由于帶負(fù)荷調(diào)壓的變壓器改變分接頭。由于電網(wǎng)電壓波動，導(dǎo)致變壓器二次側(cè)輸出不穩(wěn)定，為了保證二次側(cè)穩(wěn)定輸出，通常變壓器設(shè)置分接頭開關(guān)，分接頭開關(guān)實(shí)際調(diào)節(jié)的是一次繞組的匝數(shù)，改變分接頭開關(guān)位置導(dǎo)致電流的變化引入不平衡電流，解決方法主要是提高保護(hù)動作電流整定值的辦法。

⑤由于勵磁涌流產(chǎn)生的不平衡電流。變壓器是在一次側(cè)勵磁的，尤其在變壓器空載投入或故障切除后，電壓恢復(fù)過程中，都會產(chǎn)生很大的勵磁涌流，勵磁涌流包含很大的非周期分量、高次諧波并且波形之間出現(xiàn)間斷，采取的措施主要是根據(jù)上述特點(diǎn)來完成的，主要的措施是采用速飽和變流器消除非周期分量的影響，非周期分量不能通過速飽和變流器傳送給KD，而短路電流仍然是周期分量，可以傳送給KD，也可以通過電流是否具有高次諧波和波形是否有間斷來判定是否為勵磁涌流，如果具有勵磁涌流的特性，則不動作。

（3）過電流保護(hù)。除了上述兩種變壓器的主保護(hù)外，變壓器還需要設(shè)置相應(yīng)的后備保護(hù)，其中過電流保護(hù)主要用于對相間短路的后備保護(hù)，相間短路的后備保護(hù)種類比較多，對于不同容量的變壓器需要采取不同的措施，主要的后備保護(hù)包括過電流保護(hù)、低電壓起動的過電流保護(hù)和復(fù)合電壓起動的過電流保護(hù)等。

（4）零序保護(hù)。零序保護(hù)包括零序電流保護(hù)和零序電壓保護(hù)兩種，分別適用于中性點(diǎn)接地和中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，作為接地短路的后備保護(hù)，零序電流保護(hù)作為后備保護(hù)延時動作跳閘，零序電壓保護(hù)發(fā)出信號。

（5）過負(fù)荷保護(hù)。變壓器過負(fù)荷運(yùn)行屬于不正常的運(yùn)行狀態(tài)，能夠持續(xù)運(yùn)行一段時間，但是需要發(fā)出信號并及時處理，處理不當(dāng)容易引發(fā)事故。

（6）過勵磁保護(hù)。頻率降低和由于負(fù)荷變化引起電壓的升高，都會導(dǎo)致變壓器鐵芯飽和引起變壓器勵磁電流升高，需要裝設(shè)過勵磁保護(hù)。

二、結(jié)語

變壓器故障類型多種多樣，尤其對于大型變壓器而言，保護(hù)的設(shè)置更加全面，例如需要對變壓器油箱內(nèi)部溫度和油箱內(nèi)部壓力以及大型變壓器的冷卻系統(tǒng)故障進(jìn)行保護(hù)，本文僅是對變壓器常用的主保護(hù)和后備保護(hù)進(jìn)行闡述。

參考文獻(xiàn)：

[1]谷水清.電力系統(tǒng)繼電保護(hù).北京：中國電力出版社，2010.1.

[2]許建安，連晶晶.繼電保護(hù)技術(shù).北京：中國水利水電出版社，2010.2.

[3]張保會，尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù).北京：中國電力出版社，2009.12.

基金項(xiàng)目：2019年度吉林省高教科研重點(diǎn)課題“高職院校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與專業(yè)教育融合發(fā)展人才培養(yǎng)模式的探索與實(shí)踐”（JGJX2019B45）

作者簡介：王剛（1979），男，本科，講師，研究方向?yàn)樽詣踊㈦姎饪刂萍肮┡潆娂夹g(shù)的科研與教學(xué);王銳（1982），男，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)閿?shù)控及機(jī)電一體化技術(shù)的科研與教學(xué)。