變壓器故障類型及保護措施分析

王剛 王銳

摘要：變壓器是電力系統中的關鍵設備，安裝于變電所內，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措施進行了系統的分析。

關鍵詞：故障類型;主保護;后備保護

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

變壓器在電力系統中占據重要位置且造價昂貴，一旦故障將會造成電力系統的大面積停電，給生產生活帶來巨大的影響，甚至產生巨大的經濟損失，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的保護措施，可見對于變壓器的保護顯得尤其重要。

一、油浸式變壓器常見故障及具體保護措施

（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）變壓器的內部故障。變壓器內部的元件主要有鐵芯和繞組，浸在變壓器油中，內部出現故障的類型主要為不同相繞組絕緣損壞產生的相間短路、同一相繞組相鄰匝之間絕緣破壞產生的匝間短路和繞組絕緣破壞碰觸鐵芯和外殼產生的接地短路，如果變壓器出現上述三種內部故障，將造成變壓器鐵芯和繞組的劇烈發熱，從而使變壓器油分解產生大量的氣體（主要成分為甲烷），此氣體為瓦斯氣體，對于干式變壓器，則不會產生瓦斯氣體，內部故障產生很大的短路電流，破壞繞組絕緣，燒壞變壓器鐵芯，如果保護措施不當，變壓器發生故障會導致事故的發生。（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）變壓器的不正常運行狀態。變壓器除了上述兩種故障之外，還有不正常的運行狀態，主要包括變壓器過負荷運行引起的過電流、變壓器長時間運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行狀態，需要由保護裝置發出信號并不需要跳閘，可以持續運行一段時間。

（二）保護措施分析

對于上述不同的故障類型，均需要采取相應的保護措施，保護措施主要有：

（1）油浸式變壓器的瓦斯保護。瓦斯保護作為變壓器的主保護，用于對變壓器內部故障和不正常運行狀態中的油面降低的防護，下面對油浸式變壓器的瓦斯保護進行介紹，圖1為瓦斯保護的原理接線圖，根據故障的嚴重程度，產生的瓦斯氣體量不同，油面降低產生的氣體量比較少，瓦斯繼電器KG上面的觸點閉合產生輕瓦斯信號，不需要跳閘，當變壓器內部短路故障產生時，發熱嚴重產生大量的瓦斯氣體，由信號繼電器KS發出重瓦斯信號，同時發出跳閘命令跳變壓器兩側斷路器，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能夠準確發出重瓦斯信號，所以需要將KCO起動線圈并聯R2，提高KS的靈敏度。而XB的作用主要是氣體繼電器試驗時或變壓器剛投入運行時，將XB切換至R1處，使重瓦斯僅發信號不跳閘。

（2）電流速斷保護和縱差保護。電流速斷保護一般用于容量較小的變壓器，通常保護裝于電源側，與瓦斯保護配合反映變壓器繞組及引出線上的相間短路故障，當變壓器電源側為直接接地系統時，保護采用完全星形接線，若為非直接接地系統，可采用兩相不完全星形接線。縱差保護作為變壓器的主保護，由于需要變壓器兩側均裝設保護裝置，造價相對比較高，因此主要用于中大型變壓器的保護，主要用于防護內部故障和外部故障的相間短路、接地短路及防護內部的匝間短路，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，則能夠進行保護，如果內部匝間短路匝數很少，則外部電流變化很小，縱差保護不會動作，但是由于匝間短路循環電流比較大，導致發熱比較嚴重，瓦斯保護可以動作，下面說明縱差保護的原理及接線方式，對于傳統的電磁式保護來說，變壓器的縱差保護產生不平衡電流的因素很多，不像線路縱差保護那樣簡單，必須保證變壓器正常運行時和外部故障時流入差動繼電器KD的電流相等，否則會產生很大的不平衡電流，導致保護誤動作，下面以Y，d11接線的變壓器為例介紹不平衡電流產生的具體原因及解決措施。

①變壓器兩側接線不同而產生不平衡電流。圖2中由于變壓器高壓側采用了星形接線，低壓側采用了三角形接線，所以即使兩側電流互感器變比選的合適，由于變壓器兩側電流相位差為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，將變壓器星形側電流互感器二次繞組接成三角形，而將變壓器三角形側電流互感器的二次繞組接成星形，采用相位補償的方法，可以校正兩側的相位差，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，對于兩側電流互感器的計算變比的公式如下：

變壓器星形側電流互感器的計算變比為：nTA（Y）=3IN（Y）5

變壓器三角形側電流互感器的計算變比為：nTA（D）=IN（D）5

上面公式中，由于變壓器星形側電流互感器接成了三角形，二次側電流增大了3倍，所以求取計算變比時，要人為把高壓側變比增加3倍，其中IN（Y）、IN（D）為變壓器星形側和三角形側的額定線電流，從上述兩公式可以求出兩側電流互感器的計算變比，而計算變比的值與互感器標準變比的值往往不一樣，選擇時只能選擇與計算變比接近的、偏大的標準變比互感器，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的平衡線圈予以補償。

③變壓器兩側電流互感器的型號不同。互感器由于電壓等級不同，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由于帶負荷調壓的變壓器改變分接頭。由于電網電壓波動，導致變壓器二次側輸出不穩定，為了保證二次側穩定輸出，通常變壓器設置分接頭開關，分接頭開關實際調節的是一次繞組的匝數，改變分接頭開關位置導致電流的變化引入不平衡電流，解決方法主要是提高保護動作電流整定值的辦法。

⑤由于勵磁涌流產生的不平衡電流。變壓器是在一次側勵磁的，尤其在變壓器空載投入或故障切除后，電壓恢復過程中，都會產生很大的勵磁涌流，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間斷，采取的措施主要是根據上述特點來完成的，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。除了上述兩種變壓器的主保護外，變壓器還需要設置相應的后備保護，其中過電流保護主要用于對相間短路的后備保護，相間短路的后備保護種類比較多，對于不同容量的變壓器需要采取不同的措施，主要的后備保護包括過電流保護、低電壓起動的過電流保護和復合電壓起動的過電流保護等。

（4）零序保護。零序保護包括零序電流保護和零序電壓保護兩種，分別適用于中性點接地和中性點不接地系統，作為接地短路的后備保護，零序電流保護作為后備保護延時動作跳閘，零序電壓保護發出信號。

（5）過負荷保護。變壓器過負荷運行屬于不正常的運行狀態，能夠持續運行一段時間，但是需要發出信號并及時處理，處理不當容易引發事故。

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

二、結語

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

參考文獻：

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

[3]張保會，尹項根.電力系統繼電保護.北京：中國電力出版社，2009.12.

基金項目：2019年度吉林省高教科研重點課題“高職院校創新創業教育與專業教育融合發展人才培養模式的探索與實踐”（JGJX2019B45）

作者簡介：王剛（1979），男，本科，講師，研究方向為自動化、電氣控制及供配電技術的科研與教學;王銳（1982），男，碩士研究生，講師，研究方向為數控及機電一體化技術的科研與教學。