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

引文作者:上海蓋能電氣市場部（專注干式變壓器30年）

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一、變壓器壓器常見故障及異常

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、繞組斷線故障等。

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

變壓器故障危害很大。特別是當發(fā)生內(nèi)部故障時，短路電流產(chǎn)生的高溫電弧不僅會燒壞變壓器繞組的絕緣和鐵芯，還會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載、油面降低、外部短路引起的過電流、運行中變壓器油溫過高、繞組溫度過高、變壓器壓力過高、冷卻系統(tǒng)故障等。當變壓器處于異常運行狀態(tài)時，應(yīng)給出報警信號。

二、變壓器保護的配置

短路故障的主要保護:縱差保護、重瓦斯保護等。

短路故障后備保護:主要包括復(fù)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:主要包括過載保護、過勵磁保護、輕瓦斯保護、中性點間隙保護、溫度油位和冷卻系統(tǒng)故障保護等。

三、非電量保護

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

1.瓦斯保護

當變壓器內(nèi)部出現(xiàn)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，變壓器的油流速度會加快。氣體和油流實現(xiàn)的保護稱為瓦斯保護。

(1)輕氣體保護:當變壓器內(nèi)部出現(xiàn)輕微故障或異常時，故障點局部過熱，導(dǎo)致部分油膨脹，油中氣體形成氣泡進入氣體繼電器，輕氣體保護動作發(fā)出輕氣體信號。

(2)重瓦斯保護:當變壓器油箱出現(xiàn)嚴重故障時，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)保護動作，發(fā)出重瓦斯信號，出口跳閘，切除變壓器。

(3)重瓦斯保護是油箱內(nèi)部故障的主要保護，可以反映變壓器內(nèi)部的各種故障。當變壓器發(fā)生少數(shù)匝間短路時，雖然故障電流很大，但差動保護產(chǎn)生的差流可能不大，差動保護可能會被拒絕。因此，對于變壓器內(nèi)部故障，需要依靠重瓦斯保護來切除故障。

2.壓力保護

壓力保護也是變壓器油箱內(nèi)部故障的主要保護。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。

3.保護溫度和油位

當變壓器溫度升高達到預(yù)警值時，溫度保護發(fā)出報警信號，啟動備用冷卻器。

當變壓器漏油或由于其他原因降低油位時，油位保護動作發(fā)出報警信號。

4.冷卻器全停保護

當運行中的變壓器冷卻器完全停止時，變壓器溫度會升高。如果不及時處理，變壓器繞組的絕緣可能會損壞。因此，當冷卻器在變壓器運行過程中完全停止時，保護發(fā)出報警信號，變壓器被長時間切除。

四、差動保護

變壓器差動保護是變壓器電量的主要保護，其保護范圍是各側(cè)電流互感器的包圍。當繞組相間短路、匝間短路等故障發(fā)生在此范圍內(nèi)時，差動保護應(yīng)動作。

1.變壓器勵磁涌流

空投變壓器產(chǎn)生的勵磁電流稱為勵磁涌流。勵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)。測量表明，由于鐵芯飽和勵磁涌流大，空投變壓器通常是額定電流的2~6倍，最大可達8倍以上。由于勵磁涌流只流入充電側(cè)的變壓器，差動電路中會產(chǎn)生很大的差流，導(dǎo)致差動保護誤動作。

勵磁涌流具有以下特點: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、勵磁涌流衰減。

根據(jù)勵磁涌流的上述特點，為了防止勵磁涌流引起的變壓器差動保護誤動，工程利用二次諧波含量高、波形不對稱、波形間斷角大三個原理實現(xiàn)了差動保護的閉鎖。

2.二次諧波制動原理

二次諧波制動的本質(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磁涌流。當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，判斷差流是勵磁涌流引起的，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，故障電流大導(dǎo)致CT飽和時，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，差動很可能會保護閉鎖或延遲運動。這將嚴重損壞變壓器。為解決這一問題，通常會設(shè)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，它反映了差流的有效值。無論差流的波形如何，諧波分量如何，只要差流的有效值超過差動速斷的整定值(通常高于差動保護的整定值)，就會立即動作切除變壓器，不會被勵磁涌流等判據(jù)鎖定。

五、變壓器的后備保護

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

1.復(fù)壓閉鎖過流保護

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

復(fù)合電壓過流保護由復(fù)合電壓元件、過流元件和時間元件組成。保護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。對于微機保護，本側(cè)電壓可以通過軟件提供給其他側(cè)，以確保任何一側(cè)的PT維護仍然可以使用復(fù)壓過流保護。如下圖所示，動作邏輯。

2.變壓器的接地保護

大中型變壓器接地短路故障的備用保護通常包括:零序過流保護、零序過電壓保護、間隙保護等。下面簡單介紹一下中性點三種不同的接地方式。

(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，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。對于高、中兩側(cè)直接接地的變壓器，其零序電流保護應(yīng)有方向，方向應(yīng)指向各側(cè)母線。

零序電流保護的原理類似于線路的零序保護，可以參考第30期。零序電流可取自中性點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開口三角電壓或本側(cè)二次三相電壓。微機保護裝置主要采用自產(chǎn)方式。

對于大型三繞組變壓器，零序電流保護可用三段式。其中I段有方向，III段沒有方向。每段一般有兩級延遲，以較短的延遲縮小故障范圍(跳母聯(lián)或條本側(cè)開關(guān))，以較長的延遲切除變壓器(跳三側(cè)開關(guān))。根據(jù)實際情況確定具體的保護配置。

如圖所示，零序方向電流保護I段或II段動作后，首先通過短延時t1或t3跳母聯(lián)或跳本側(cè)開關(guān)，以縮小故障影響范圍，如果故障量仍然存在，則通過長延時t2或t4跳三側(cè)開關(guān)切除變壓器。無方向的III段，通過延遲直接切除變壓器。

(2)中性點不接地

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

對于不接地運行的變壓器，為了防止接地故障時故障點間隙電弧造成過電壓損壞，應(yīng)配備零序電壓保護。

由于全絕緣變壓器中性點絕緣水平高，當系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障時，首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，然后有零序電壓保護切除中性點不接地的變壓器。

(3)中性點通過放電間隙接地

超高壓變壓器均為半絕緣變壓器，其中性點線圈對地絕緣較弱。中性點絕緣容易擊穿。所以需要配置間隙保護。

間隙保護的作用是保護中性點不接地變壓器中性點的絕緣安全。

間隙保護是通過流經(jīng)變壓器中性點的間隙電流3I0和母線PT開口三角電壓3U0來實現(xiàn)的。

如果由于故障中性點對位置上升，間隙擊穿，產(chǎn)生較大間隙電流3I0，此時間隙保護動作，變壓器被延遲切除。此外，當系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障時，中性點接地運行變壓器零序保護動作，首先切除中性點接地變壓器。在系統(tǒng)失去接地點之后，如果故障仍然存在，母線PT的開口三角電壓3U0將會很大，此時間隙保護也動作。