變壓器故障保護(hù)

一、變壓器的故障
1.  內(nèi)部故障
變壓器內(nèi)故障主要包括繞組相間短路、繞組匝間短路及中性點(diǎn)接地系統(tǒng)繞組地接地短路等。這些故障危害很大，因?yàn)槎搪冯娏鳟a(chǎn)生的高溫電弧不僅會(huì)燒毀繞組絕緣盒鐵芯，還會(huì)使絕緣材料和變壓器油分解而產(chǎn)生大量氣體，有可能使變壓器油箱局部變形、破裂，甚至發(fā)生油箱爆炸事故。因此，當(dāng)變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，必須迅速將變壓器切除。
2.  外部故障
變壓器外部故障主要是變壓器套管和引出線上發(fā)生的相間短路和接地短路。發(fā)生這類故障時(shí)，也應(yīng)迅速切除變壓器，以盡量減少短路電流對(duì)變壓器地沖擊。
二、變壓器不正常工作狀態(tài)
變壓器不正常工作狀態(tài)主要變現(xiàn)為：
（1）   外部短路引起的電流。
（2）   過負(fù)荷。
（3）   油箱漏油造成的油面降低。
（4）   變壓器中性點(diǎn)電壓升高或外部電壓過高或頻率降低等引起的過勵(lì)磁。
三、變壓器應(yīng)裝設(shè)的保護(hù)裝置
（1）   反映變壓器油箱內(nèi)部故障和油面降低的瓦斯保護(hù)。
（2）   反映變壓器繞組和引出線相間短路、中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)繞組和引出線的單相接地短路的縱差保護(hù)或電流速斷保護(hù)。
（3）   反映變壓器外部相間短路并作為瓦斯保護(hù)盒差動(dòng)保護(hù)（或電流速斷保護(hù)）后備的過電流保護(hù)（或復(fù)合電壓起動(dòng)的過電流保護(hù)或負(fù)序過電流保護(hù)）。
（4）   反映中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中變壓器外部、內(nèi)部接地短路的零序電流保護(hù)。
（5）   反映變壓器對(duì)稱過負(fù)荷的過負(fù)荷保護(hù)。
（6）   反映變壓器過勵(lì)磁的保護(hù)。
變壓器的主保護(hù)
一、瓦斯保護(hù)
（一）瓦斯保護(hù)的基本工作原理
     反映故障時(shí)氣體數(shù)量和油流速度的保護(hù)稱為瓦斯保護(hù)。當(dāng)變壓器內(nèi)部故障時(shí)，故障點(diǎn)局部高溫使變壓器油溫升高，體積膨脹，油內(nèi)空氣被排出而形成上升氣體。若故障點(diǎn)產(chǎn)生電弧，則變壓器油和絕緣材料將分解出大量氣體，這些氣體自油箱流向儲(chǔ)油柜。故障程度越嚴(yán)重，產(chǎn)生氣體越多，流向儲(chǔ)油柜的油流速度越快。由于氣體數(shù)量和油流速度能直接反映變壓器故障性質(zhì)和嚴(yán)重程度，股產(chǎn)生少量氣體和氣流速度較小時(shí)，輕瓦斯動(dòng)作于信號(hào)；故障嚴(yán)重，油流速度高時(shí)，重瓦斯保護(hù)瞬時(shí)作用于跳閘。
氣體繼電器是構(gòu)成瓦斯保護(hù)的主要元件，它是安裝在油箱與儲(chǔ)油柜的聯(lián)管中部，這樣油箱內(nèi)部氣體必須通過氣體繼電器才能流向儲(chǔ)油柜。為了使氣體順利地流向儲(chǔ)油柜，老式變壓器要求油箱與聯(lián)管都要有一定傾斜度，其中油箱要求有1%-1.5%，聯(lián)管要求有2%-4%的傾斜度。新型的變壓器在容易聚集氣體的地方（如套管升高座）裝有集氣分管，各集氣分管都接入集氣總管，然后將集氣總管接到氣體繼電器前端的聯(lián)管上。這樣，只要集氣管和聯(lián)管有一定傾斜度，氣體就能流入儲(chǔ)油柜，所以油箱就沒有傾斜度方面的要求了。
目前，國(guó)內(nèi)采用開口杯擋板式氣體繼電器，其工作原理如下：
（1）   正常工作時(shí)，開口杯中充滿了油，由于開口杯自身重力產(chǎn)生的力矩小于平衡錘產(chǎn)生的力矩，所以開口杯向上頂，干簧觸點(diǎn)斷開。
（2）   當(dāng)變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生輕微故障時(shí)，少量氣體將聚集在繼電器的頂部，使繼電器內(nèi)的油面下降，開口杯露出油面，由于開口杯自身重量加上杯內(nèi)的油重量所產(chǎn)生的力矩大于平衡錘產(chǎn)生的力矩，因此開口杯向下轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)固定在開口杯上的磁鐵隨開口杯下降到接近干簧觸點(diǎn)時(shí)，該觸點(diǎn)閉合發(fā)出輕瓦斯動(dòng)作信號(hào)。
（3）   當(dāng)油箱內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生大量的氣體并伴隨著油流沖擊擋板，當(dāng)油流速度達(dá)到繼電器的整定值時(shí)，擋板被沖到一定的位置，固定在擋板上的磁鐵就接近于干簧觸點(diǎn)，使該觸點(diǎn)閉合，該觸點(diǎn)閉合動(dòng)作于斷路器跳閘。
（二）瓦斯保護(hù)的整定
1.  輕瓦斯保護(hù)的整定
輕瓦斯動(dòng)作值的大小用氣體容量大小表示。一般輕瓦斯保護(hù)的氣體容積范圍為20　-300cm　3；氣體容量的調(diào)整可通過改變重錘的力臂長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)。
2.  重瓦斯保護(hù)的整定
重瓦斯保護(hù)動(dòng)作值的大小用油流速度大小來表示。對(duì)油流的一般要求：自冷式變壓器為0.8　-1.0m　/s，強(qiáng)油循環(huán)變壓器為1.0　-1.2m　/s，120MVA以上的變壓器為1.2　-1.3m　/s。
（三）瓦斯保護(hù)的優(yōu)缺點(diǎn)
瓦斯保護(hù)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能全面反映變壓器油箱內(nèi)部的各種故障。特別是當(dāng)發(fā)生匝間短路且被短接的匝數(shù)很少時(shí)，故障回路的電流雖然很大，可能造成嚴(yán)重的局部過熱，但反映在外部電路的電流變化卻很小，甚至連靈敏性較高的差動(dòng)保護(hù)也可能不動(dòng)作。因此，瓦斯保護(hù)對(duì)反映這類故障具有特別重要的意義。此外，瓦斯保護(hù)是鐵芯燒損的唯一保護(hù)。瓦斯保護(hù)由于簡(jiǎn)單、靈敏、經(jīng)濟(jì)而被廣泛使用，在800KVA及以上的油浸式變壓器和400KVA及以上的室內(nèi)油浸式變壓器均應(yīng)裝設(shè)瓦斯保護(hù)。
瓦斯保護(hù)的主要缺點(diǎn)是不能反映變壓器套管及引出線的故障。所以瓦斯保護(hù)不能作為變壓器地唯一主保護(hù)，它與差動(dòng)保護(hù)共同作為變壓器地主保護(hù)。
二、差動(dòng)保護(hù)
（一）差動(dòng)保護(hù)的基本原理
變壓器差動(dòng)保護(hù)是按循環(huán)電流原理構(gòu)成的，它能正確區(qū)分變壓器內(nèi)、外故障，并能瞬時(shí)切除保護(hù)區(qū)內(nèi)的故障。變壓器兩側(cè)分別裝設(shè)電流互感器TA1和TA2，其二次線圈按環(huán)流原則相串聯(lián)，差動(dòng)繼電器接在差流回路上。
正常運(yùn)行或外部故障時(shí)，變壓器兩側(cè)都有電流通過，兩個(gè)電流互感器的變比若選擇適當(dāng)時(shí)，二次電流I12和I22的大小相等，方向相同，而在差動(dòng)回路中I12和I22的方向相反，因而差動(dòng)繼電器KD中的電流等于兩側(cè)電流互感器二次電流之差，電流為零，所以正常運(yùn)行或外部故障時(shí)繼電器不會(huì)動(dòng)作。
當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，兩側(cè)電流互感器的二次電流Id12和Id22在差動(dòng)回路中方向相同，差動(dòng)繼電器流過的電流為兩電流之和，使差動(dòng)繼電器動(dòng)作。
實(shí)際上，由于變壓器勵(lì)磁涌流、接線方式和電流互感器的誤差等因素的影響，差動(dòng)繼電器中會(huì)流過不平衡電流，不平衡電流越大，繼電器的動(dòng)作電流越大，致使差動(dòng)保護(hù)的靈敏性降低。因此差動(dòng)保護(hù)需要解決的主要問題之一是采用各種措施避免不平衡電流的影響，在保證選擇性的條件下，還要保證內(nèi)部故障時(shí)有足夠的靈敏性和速動(dòng)性。
（二）差動(dòng)保護(hù)的特殊問題
1.  勵(lì)磁電流的影響
變壓器正常運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁電流只流過電源側(cè)，通過電流互感器反映到差動(dòng)回路造成不平衡電流。不過在正常情況下，變壓器勵(lì)磁電流很小，一般不超過額定電流的1%；在外部故障時(shí)，由于電壓降低，勵(lì)磁電流也減小，所以它的影響就更小，故在實(shí)際整定時(shí)不予考慮。
2.  勵(lì)磁涌流的影響
當(dāng)變壓器空載合閘時(shí)，可能出現(xiàn)很大的勵(lì)磁涌流，其值最大可達(dá)變壓器額定電流的6-8倍。它經(jīng)變壓器電源側(cè)電流互感器傳到二次側(cè)，如流入差動(dòng)回路，往往會(huì)導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)的誤動(dòng)作。
防止勵(lì)磁涌流引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的措施：
（1）   采用差動(dòng)速斷保護(hù)。由于差動(dòng)速斷保護(hù)有固有動(dòng)作時(shí)間，故動(dòng)作電流無需避開最大電流，此方案靈敏性低，只適用于小型變壓器。
（2）   采用帶中間速飽和變流器的差動(dòng)繼電器。中間速飽和變流器可以抑制勵(lì)磁涌流的傳變，從而防止保護(hù)的誤動(dòng)。但由于內(nèi)部短路時(shí)暫態(tài)電流也含有非周期分量，故保護(hù)應(yīng)延時(shí)動(dòng)作。加之由于三相涌流中往往有一相無非周期分量，以致該相速飽和變流器不起作用，這又必須使保護(hù)動(dòng)作值加大，故保護(hù)的靈敏性降低。由于這種方法動(dòng)作遲緩，靈敏性差，只適用于中、小型變壓器。
（3）   采用二次諧波制動(dòng)。在勵(lì)磁涌流中，除基波、非周期分量電流以外，二次諧波電流為最大，這是勵(lì)磁涌流最明顯的特征，因?yàn)樵谄渌�工況下，很少有二次諧波產(chǎn)生。這是大型變壓器差動(dòng)保護(hù)防止勵(lì)磁涌流的主要措施。
（4）   利用勵(lì)磁涌流波形具有明顯間斷角的特征來避免勵(lì)磁涌流。目前有兩種方案，一種是直接鑒別間斷角的大小來判斷是勵(lì)磁涌流還是內(nèi)部短路。另一種是比較勵(lì)磁涌流和二次短路電流的變化率。
（5）   在變壓器各電壓側(cè)的繞組上單獨(dú)裝設(shè)差動(dòng)保護(hù)，于是勵(lì)磁涌流不再進(jìn)入差動(dòng)回路。
3.  變壓器各側(cè)電流相位不同的影響
變壓器長(zhǎng)采用Y，d11接線方式，因此，變壓器兩側(cè)電流的相位不一致。在正常情況下，變壓器三角形側(cè)的線電流比星形側(cè)對(duì)應(yīng)的電流超前30°。若兩側(cè)電流互感器采用相同的接線方式，則二次側(cè)電流也相差30°。因此必須補(bǔ)償由于兩側(cè)電流相位不同而引起的不平衡電流。
4.  各側(cè)電流互感器誤差不同的影響
由于各電流互感器勵(lì)磁特性不同及二次負(fù)荷不同，因此在差動(dòng)回路中會(huì)引起較大的不平衡電流。
5.  電流互感器的計(jì)算變比與選用的標(biāo)準(zhǔn)變比不同的影響
這種變比不同會(huì)引起不平衡電流，當(dāng)這種不平衡電流大于5%額定負(fù)載電流時(shí)，應(yīng)采取補(bǔ)償措施。常用補(bǔ)償方法是采用輔助自耦變流器，或利用差動(dòng)繼電器的平衡線圈來進(jìn)行平衡。
6.  變壓器調(diào)壓的影響
變壓器在運(yùn)行中需要根據(jù)系統(tǒng)電壓的要求進(jìn)行調(diào)壓，實(shí)際上就是改變變壓器的變比，因此將產(chǎn)生不平衡電流。不平衡電流的大小與調(diào)壓的范圍有關(guān)。由于在運(yùn)行中不可能隨變壓器分接頭改變而重新調(diào)整繼電器，因此，由于變壓器調(diào)壓而引起的不平衡電流應(yīng)在整定保護(hù)動(dòng)作值時(shí)考慮躲過。