變壓器保護基礎知識

一、變壓器的故障　　

1. 內部故障　　

變壓器內故障主要包括繞組相間短路、繞組匝間短路及中性點(diǎn)接地系統繞組地接地短路等。這些故障危害很大，因為短路電流產(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，當變壓器發(fā)生內部故障時(shí)，必須迅速將變壓器切除?！　?/p>

2. 外部故障　　

變壓器外部故障主要是變壓器套管和引出線(xiàn)上發(fā)生的相間短路和接地短路。發(fā)生這類(lèi)故障時(shí)，也應迅速切除變壓器，以盡量減少短路電流對變壓器地沖擊?！　?/p>

二、變壓器不正常工作狀態(tài)　　

變壓器不正常工作狀態(tài)主要變現為：　　

（1） 外部短路引起的電流?！　?/p>

（2） 過(guò)負荷?！　?/p>

（3） 油箱漏油造成的油面降低?！　?/p>

（4） 變壓器中性點(diǎn)電壓升高或外部電壓過(guò)高或頻率降低等引起的過(guò)勵磁?！　?/p>

三、變壓器應裝設的保護裝置　　

（1） 反映變壓器油箱內部故障和油面降低的瓦斯保護?！　?/p>

（2） 反映變壓器繞組和引出線(xiàn)相間短路、中性點(diǎn)直接接地系統繞組和引出線(xiàn)的單相接地短路的縱差保護或電流速斷保護?！　?/p>

（3） 反映變壓器外部相間短路并作為瓦斯保護盒差動(dòng)保護（或電流速斷保護）后備的過(guò)電流保護（或復合電壓起動(dòng)的過(guò)電流保護或負序過(guò)電流保護）?！　?/p>

（4） 反映中性點(diǎn)直接接地系統中變壓器外部、內部接地短路的零序電流保護?！　?/p>

（5） 反映變壓器對稱(chēng)過(guò)負荷的過(guò)負荷保護?！　?/p>

（6） 反映變壓器過(guò)勵磁的保護?！　?/p>

變壓器的主保護　　

一、瓦斯保護　　

（一）瓦斯保護的基本工作原理　　

反映故障時(shí)氣體數量和油流速度的保護稱(chēng)為瓦斯保護。當變壓器內部故障時(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油柜。故障程度越嚴重，產(chǎn)生氣體越多，流向儲油柜的油流速度越快。由于氣體數量和油流速度能直接反映變壓器故障性質(zhì)和嚴重程度，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；故障嚴重，油流速度高時(shí)，重瓦斯保護瞬時(shí)作用于跳閘?！　?/p>

氣體繼電器是構成瓦斯保護的主要元件，它是安裝在油箱與儲油柜的聯(lián)管中部，這樣油箱內部氣體必須通過(guò)氣體繼電器才能流向儲油柜。為了使氣體順利地流向儲油柜，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，氣體就能流入儲油柜，所以油箱就沒(méi)有傾斜度方面的要求了?！　?/p>

目前，國內采用開(kāi)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(kāi)口杯中充滿(mǎn)了油，由于開(kāi)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(kāi)口杯向上頂，干簧觸點(diǎn)斷開(kāi)?！　?/p>

（2） 當變壓器油箱內部發(fā)生輕微故障時(shí)，少量氣體將聚集在繼電器的頂部，使繼電器內的油面下降，開(kāi)口杯露出油面，由于開(kāi)口杯自身重量加上杯內的油重量所產(chǎn)生的力矩大于平衡錘產(chǎn)生的力矩，因此開(kāi)口杯向下轉動(dòng)，當固定在開(kāi)口杯上的磁鐵隨開(kāi)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?！　?/p>

（3） 當油箱內部發(fā)生嚴重故障時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生大量的氣體并伴隨著(zhù)油流沖擊擋板，當油流速度達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?！　?/p>

（二）瓦斯保護的整定　　

1. 輕瓦斯保護的整定　　

輕瓦斯動(dòng)作值的大小用氣體容量大小表示。一般輕瓦斯保護的氣體容積范圍為20　-300cm　3；氣體容量的調整可通過(guò)改變重錘的力臂長(cháng)度來(lái)實(shí)現?！　?/p>

2. 重瓦斯保護的整定　　

重瓦斯保護動(dòng)作值的大小用油流速度大小來(lái)表示。對油流的一般要求：自冷式變壓器為0.8　-1.0m　/s，強油循環(huán)變壓器為1.0　-1.2m　/s，120MVA以上的變壓器為1.2　-1.3m　/s。

（三） 瓦斯保護的優(yōu)缺點(diǎn)　　

瓦斯保護的主要優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，能全面反映變壓器油箱內部的各種故障。特別是當發(fā)生匝間短路且被短接的匝數很少時(shí)，故障回路的電流雖然很大，可能造成嚴重的局部過(guò)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)保護也可能不動(dòng)作。因此，瓦斯保護對反映這類(lèi)故障具有特別重要的意義。此外，瓦斯保護是鐵芯燒損的唯一保護。瓦斯保護由于簡(jiǎn)單、靈敏、經(jīng)濟而被廣泛使用，在800KVA及以上的油浸式變壓器和400KVA及以上的室內油浸式變壓器均應裝設瓦斯保護?！　?/p>

瓦斯保護的主要缺點(diǎn)是不能反映變壓器套管及引出線(xiàn)的故障。所以瓦斯保護不能作為變壓器地唯一主保護，它與差動(dòng)保護共同作為變壓器地主保護?！　?/p>

二、 差動(dòng)保護　　

（一）差動(dòng)保護的基本原理　　

變壓器差動(dòng)保護是按循環(huán)電流原理構成的，它能正確區分變壓器內、外故障，并能瞬時(shí)切除保護區內的故障。變壓器兩側分別裝設電流互感器TA1和TA2，其二次線(xiàn)圈按環(huán)流原則相串聯(lián)，差動(dòng)繼電器接在差流回路上。

正常運行或外部故障時(shí)，變壓器兩側都有電流通過(guò)，兩個(gè)電流互感器的變比若選擇適當時(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中的電流等于兩側電流互感器二次電流之差，電流為零，所以正常運行或外部故障時(shí)繼電器不會(huì )動(dòng)作?！　?/p>

當變壓器內部發(fā)生故障時(shí)，兩側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(guò)的電流為兩電流之和，使差動(dòng)繼電器動(dòng)作?！　?/p>

實(shí)際上，由于變壓器勵磁涌流、接線(xiàn)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(guò)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)保護的靈敏性降低。因此差動(dòng)保護需要解決的主要問(wèn)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，還要保證內部故障時(shí)有足夠的靈敏性和速動(dòng)性?！　?/p>

（二）差動(dòng)保護的特殊問(wèn)題　　

1. 勵磁電流的影響　　

變壓器正常運行時(shí)的勵磁電流只流過(guò)電源側，通過(guò)電流互感器反映到差動(dòng)回路造成不平衡電流。不過(guò)在正常情況下，變壓器勵磁電流很小，一般不超過(guò)額定電流的1%；在外部故障時(shí)，由于電壓降低，勵磁電流也減小，所以它的影響就更小，故在實(shí)際整定時(shí)不予考慮?！　?/p>

2. 勵磁涌流的影響　　

當變壓器空載合閘時(shí)，可能出現很大的勵磁涌流，其值最大可達變壓器額定電流的6-8倍。它經(jīng)變壓器電源側電流互感器傳到二次側，如流入差動(dòng)回路，往往會(huì )導致差動(dòng)保護的誤動(dòng)作?！　?/p>

防止勵磁涌流引起差動(dòng)保護誤動(dòng)的措施：　　

（1） 采用差動(dòng)速斷保護。由于差動(dòng)速斷保護有固有動(dòng)作時(shí)間，故動(dòng)作電流無(wú)需避開(kāi)最大電流，此方案靈敏性低，只適用于小型變壓器?！?/p>

（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磁涌流的傳變，從而防止保護的誤動(dòng)。但由于內部短路時(shí)暫態(tài)電流也含有非周期分量，故保護應延時(shí)動(dòng)作。加之由于三相涌流中往往有一相無(wú)非周期分量，以致該相速飽和變流器不起作用，這又必須使保護動(dòng)作值加大，故保護的靈敏性降低。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?！　?/p>

（3） 采用二次諧波制動(dòng)。在勵磁涌流中，除基波、非周期分量電流以外，二次諧波電流為最大，這是勵磁涌流最明顯的特征，因為在其他工況下，很少有二次諧波產(chǎn)生。這是大型變壓器差動(dòng)保護防止勵磁涌流的主要措施?！　?/p>

（4） 利用勵磁涌流波形具有明顯間斷角的特征來(lái)避免勵磁涌流。目前有兩種方案，一種是直接鑒別間斷角的大小來(lái)判斷是勵磁涌流還是內部短路。另一種是比較勵磁涌流和二次短路電流的變化率?！　?/p>

（5） 在變壓器各電壓側的繞組上單獨裝設差動(dòng)保護，于是勵磁涌流不再進(jìn)入差動(dòng)回路?！　?/p>

3. 變壓器各側電流相位不同的影響　　

變壓器長(cháng)采用Y，d11接線(xiàn)方式，因此，變壓器兩側電流的相位不一致。在正常情況下，變壓器三角形側的線(xiàn)電流比星形側對應的電流超前30°。若兩側電流互感器采用相同的接線(xiàn)方式，則二次側電流也相差30°。因此必須補償由于兩側電流相位不同而引起的不平衡電流?！　?/p>

4. 各側電流互感器誤差不同的影響　　

由于各電流互感器勵磁特性不同及二次負荷不同，因此在差動(dòng)回路中會(huì )引起較大的不平衡電流?！　?/p>

5. 電流互感器的計算變比與選用的標準變比不同的影響　　

這種變比不同會(huì )引起不平衡電流，當這種不平衡電流大于5%額定負載電流時(shí)，應采取補償措施。常用補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(xiàn)圈來(lái)進(jìn)行平衡?！　?/p>

6. 變壓器調壓的影響　　

變壓器在運行中需要根據系統電壓的要求進(jìn)行調壓，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壓的范圍有關(guān)。由于在運行中不可能隨變壓器分接頭改變而重新調整繼電器，因此，由于變壓器調壓而引起的不平衡電流應在整定保護動(dòng)作值時(shí)考慮躲過(guò)。