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1、變壓器的常見(jiàn)故障和異常

變壓器的故障可分為內部故障和外部故障。

內部故障指的是箱殼內部發(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(xiàn)故障等。

外部故障指的是變壓器外部引出線(xiàn)間的各種相間短路故障、引出線(xiàn)絕緣套管閃絡(luò )通過(guò)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爆炸。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(guò)負荷、油面降低、外部短路引起的過(guò)電流，運行中的變壓器油溫過(guò)高、繞組溫度過(guò)高、變壓器壓力過(guò)高、以及冷卻系統故障等。當變壓器處于異常運行狀態(tài)時(shí)，應給出告警信號。

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(guò)流保護、零序（方向）過(guò)流保護、低阻抗保護等。

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

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(chēng)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。非電量保護根據現場(chǎng)需要動(dòng)作于跳閘或發(fā)信。

（1）瓦斯保護

當變壓器內部發(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(lái)實(shí)現的保護稱(chēng)為瓦斯保護。

輕瓦斯保護：當變壓器內部發(fā)生輕微故障或異常時(shí)，故障點(diǎn)局部過(guò)熱，引起部分油膨脹，油內氣體形成氣泡進(jìn)入氣體繼電器，輕瓦斯保護動(dòng)作，發(fā)出輕瓦斯信號。

重瓦斯保護：當變壓器油箱內發(fā)生嚴重故障時(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動(dòng)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部故障的主保護，他能反映變壓器內部的各種故障。當變壓器發(fā)生少數匝間短路，雖然故障電流很大，但在差動(dòng)保護中產(chǎn)生的差流可能并不大，差動(dòng)保護可能拒動(dòng)。因此對于變壓器內部故障，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(dòng)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(dòng)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(shí)，變壓器溫度會(huì )升高，若不及時(shí)處理，可能會(huì )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(shí)，該保護發(fā)出告警信號并經(jīng)長(cháng)延時(shí)切除變壓器。

4、差動(dòng)保護

變壓器差動(dòng)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。在這范圍內發(fā)生的繞組相間短路、匝間短路等故障時(shí)，差動(dòng)保護均要動(dòng)作。

關(guān)于變壓器差動(dòng)保護的原理，之前我們之前已經(jīng)進(jìn)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(guān)內容。對此就不做贅述了，這里再簡(jiǎn)單補充一些關(guān)于勵磁涌流的概念。

（1）變壓器的勵磁涌流

空投變壓器時(shí)產(chǎn)生的勵磁電流稱(chēng)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(guān)。測量表明：空投變壓器時(shí)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(huì )在差動(dòng)回路中產(chǎn)生很大的差流，導致差動(dòng)保護誤動(dòng)作。

勵磁涌流具有以下特點(diǎn)：a、涌流數值很大，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。

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

（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(lái)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值（通常為20%）時(shí)，判斷差流是由于勵磁涌流引起的，閉鎖差動(dòng)保護。

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

當變壓器內部出現嚴重故障，故障電流較大導致CT飽和時(shí)，CT二次電流中也含有大量的諧波分量，根據上面的敘述，這就很可能會(huì )由于二次諧波制動(dòng)導致差動(dòng)保護閉鎖或延緩動(dòng)作。這將嚴重損壞變壓器。為了解決這個(gè)問(wèn)題，通常會(huì )設置差動(dòng)速斷保護。

差動(dòng)速斷元件，實(shí)際上是縱差保護的高定值差動(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(guò)了差動(dòng)速斷的整定值（通常比差動(dòng)保護整定值要高），它將立即動(dòng)作切除變壓器，不經(jīng)過(guò)勵磁涌流等判據的閉鎖。

關(guān)于變壓器的主保護簡(jiǎn)單介紹這些，繼續介紹一下變壓器的后備保護。變壓器的后備保護配置種類(lèi)很多，這里主要簡(jiǎn)單介紹一下變壓器的復壓閉鎖過(guò)流保護和接地保護兩類(lèi)后備保護。

1、復壓閉鎖過(guò)流保護

復壓閉鎖過(guò)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、系統聯(lián)絡(luò )變壓器及過(guò)流保護不能滿(mǎn)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的各種故障，降低了過(guò)電流保護的整定值，提高了靈敏度。

復合電壓過(guò)流保護，由復合電壓元件、過(guò)流元件、時(shí)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(guò)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(shí)，仍能使用復壓過(guò)流保護。動(dòng)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(guò)流保護、零序過(guò)電壓保護、間隙保護等等，下面根據中性點(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(xiàn)。

零序電流保護的原理與線(xiàn)路的零序保護類(lèi)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(kāi)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(shí)，以較短延時(shí)縮小故障范圍（跳母聯(lián)或條本側開(kāi)關(guān)），以較長(cháng)延時(shí)切除變壓器（跳三側開(kāi)關(guān)）。具體保護配置根據實(shí)際情況確定。

如圖，零序方向電流保護I段或II段動(dòng)作后，先經(jīng)較短延時(shí)t1或t3跳母聯(lián)或跳本側開(kāi)關(guān)，以縮小故障影響范圍，若故障量仍在，再經(jīng)過(guò)較長(cháng)延時(shí)t2或t4跳三側開(kāi)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(guò)變壓器中性點(diǎn)構成零序回路。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(guò)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，對中性點(diǎn)接地運行的變壓器數量是有規定的。

對于不接地運行的變壓器，為了防止接地故障時(shí)，故障點(diǎn)出現間隙電弧引起過(guò)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(diǎn)絕緣水平較高，當系統發(fā)生接地故障時(shí)，先有零序電流保護切除中性點(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(xiàn)圈的對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。

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

如圖在變壓器中性點(diǎn)對地之間安裝一個(gè)擊穿間隙。當接地隔離開(kāi)關(guān)閉合，變壓器直接接地，投入零序過(guò)流保護。當接地隔離開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，變壓器經(jīng)間隙接地，投入間隙保護。

間隙保護使用流過(guò)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作為判據來(lái)實(shí)現的。

若因故障中性點(diǎn)對地點(diǎn)為升高，間隙擊穿，產(chǎn)生較大間隙電流3I0，此時(shí)間隙保護動(dòng)作，經(jīng)延時(shí)切除變壓器。另外，系統發(fā)生接地故障時(shí)，中性點(diǎn)接地運行變壓器零序保護動(dòng)作，先切除中性點(diǎn)接地的變壓器。系統失去接地點(diǎn)后，如果故障仍存在，母線(xiàn)PT的開(kāi)口三角電壓3U0將會(huì )很大，此時(shí)間隙保護也會(huì )動(dòng)作。保護邏輯如下圖所示。