变压器常见故障及其主保护研究

赵武波

朔州职业技术学院，山西 朔州 036000

0 引言

变压器在电力系统中起着至关重要的作用。变压器的容量通常是发电机的9倍以上。变压器主要结合电磁感应机理传递电参量以及电能等的设备，其主要应用机理为交换交流变压、交流变流和变化阻抗，以便合理输送、分配和使用电能。

1 变压器常见故障类型

作为典型的静止电气设备形式，变压器需要长期运行，停电的可能性较小，而且变压器绝大部分均安装在户外，受外界环境、电力负荷短路问题等因素的干扰，任意一种潜在的不合规的运行机制及问题，均会对整个系统的安全问题造成严重影响。

典型的变压器故障包含油箱内部故障以及油箱外部故障两类。油箱内部故障则表示不同绕组的相间短路、绕组匝间短路、中性点直接接地系统侧绕组的单向接地短路等。相比外部故障形式，内部故障的危险性更高，故障点出现短路情况下，温度将立即攀升，不仅会对绕组绝缘特性和铁心造成影响，而且会进一步加剧绝缘物质、变压器油等的影响，甚至出现油箱爆炸等情况[1]。

油箱外部故障形式则涵盖了变压器绕组导线内短路、引出线和套管之间的相间短路、接地短路、闪络、破碎导致的解体短路等问题。

变压器非常规工作情况下的故障形式包含外部接地短路导致的电压攀升、电流过大、负荷过高，油箱中存在油面降低，冷却系统故障导致的温升情况，等等。

2 变压器主保护形式

变压器保护主要指变压器出现此类故障以及非常规运行工况下，保护可以切实规避断路器跳闸继而有效去除故障、产生信号告知运行成员去除非常规的运行故障。

2.1 瓦斯保护

在变压器内部存在故障的情况下，短路电流会进一步提升变压器的油温，使油的体积极具扩张，甚至存在沸腾问题，随着油内空气排出继而产生大量的上升气泡。如果故障位置存在电弧，那么变压器油和绝缘材料会进一步裂解形成诸多的气体，从箱体流至上端油枕，故障越严重，则出现的气体越多，流至油枕的气流速率也更快，甚至气流内带有许多细微且滚烫的变压器油成分。结合这些气体完成的保护即为气体保护，也称为瓦斯保护。

瓦斯保护典型的故障形式即漏油问题、匝数不多的短路问题、铁心损坏、线圈短路、绝缘恶化、油面降低等。这些故障发生时往往差动保护等其他保护均不能动作，而瓦斯保护能够触发。因此，该保护为典型的设备内部故障最为有效的保护形式。瓦斯保护核心围绕瓦斯继电器展开，是典型的气体继电器，以及气体保护的核心组件，安置于油箱与油枕的连接位置，由此油箱中的气体需经过瓦斯继电器才可以流至油枕。

（1）瓦斯继电器的动作方式。在变压器正常运行状态下，瓦斯继电器中涵盖了上下开口的油杯，上油杯搭载了一对触点和信号模块连通，而下油杯也搭载了一对触点和断路器联通，两个油杯因为平衡锤影响而升高，其附着的两个触点也为断开形式。

如果变压器出现轻微故障，将导致的气体逐步攀升，侵入瓦斯继电器中，自上而下去除其中的油，使油位降低，上油杯因为残余油力矩高于转轴的另一侧平衡锤的力矩而下降。在此情况下，上油杯磁铁挨着触点，其双杆簧触电接近连通信号电路，出现灯光参量等，告示工作人员开展检修，即轻瓦斯动作告警。

如果变压器油箱中出现较为严重的故障问题，包括相间短路、铁心起火等，将会产生较多的气体，由此带着油流自变压器油箱结合相关管道侵入油枕内。在油气混合体入侵瓦斯继电器期间，会对挡板产生影响，挡板由于弹簧的作用力而倒下，导致安置于挡板中的磁铁和双杆簧触点接近，下油杯触点连通跳闸电路。命令断路器跳闸切断电源达到保护变压器的作用，这被称为重瓦斯动作[2]。

如果油箱存在漏油问题，可能导致继电器容器中的油流尽。先是继电器上油杯降低，上触点导通，出现音响以及灯光告警，随后下油杯降低，下触点导通跳闸链路，命令断路器跳闸，达到保护变压器的作用，同时提醒运维人员处理故障。

（2）瓦斯保护动作后的故障分析。瓦斯保护动作被激活后，箱体内产生的气体会积聚在瓦斯继电器中，能够结合气体的特性判断故障。气体故障分析表如表1所示。

表1 气体故障分析表

2.2 差动保护

瓦斯保护、差动保护以及电流速断保护等为典型的主保护形式，而后备保护则涵盖了过流形式、零序保护等。在实际中过电流保护动作不够迅速且具有一定的时限；电流速断保护虽然动作迅速，但是动作整定电流比较大不适用于轻微内部故障。因此，6.3 MVA及以上的厂用电和10 MVA及以上的厂用备用电而言，需要搭载差动保护。

（1）差动保护的原理。该保护的核心功能为反馈设备的绕组、引出线、导管和其彼此的短路问题。差动保护是根据对比被保护设备各端电流对象为以及数值的机理形成[3]。变压器差动保护原理如图1所示。图1反映了双绕组的设备差动保护机理，结合循环电流机理，设备两边依次搭接了电流互装置，依据图片内极性联系予以搭接。

图1 变压器差动保护原理图

普通运行以及外界存在问题情况下，经过差动继电器内的电流和两边流互的二次电流差值，只需要适度的配比甄选两边的流互变化就能够促使此类情形下经过继电器电流为零，则，该情况下通过变压器电流和自变压器流出的结果基本一致，不触发差动继电器。

当变压器内部发生故障时，其两端的电流不平衡产生差动电流，即，此时差动继电器动作跳开断路器切断电源。

可以看出，流过差动继电器的不恒定电路随机对继电器造成影响，电路越不稳定，则继电器工作电流越高，当电流的不稳定情况达到某一阈值时，则会对其灵敏性产生影响。因此，有必要研究不平衡电流出现的具体诱因和降低办法。

（2）不平衡电流产生的原因。第一，变压器正常运行情况下产生不平衡电流。一是电力系统中的变压器由于结构、接线等原因会造成其两侧电流角度相差30°，则变压器两边的电流互感器两侧对应的二次电流也达到30°，继而出现不稳定电流；二是变压器正常运行条件下进入差动继电器的电流为零，诉求两边的TA变比结果和变压器变比一致，但是具体情况则为TA于制造方面的规范性，其变比通常为接近同时较大的标准，从而产生不平衡电流。第二，变压器暂态情况下产生不平衡电流。差动保护主要为一次系统短路暂态期间出现跳闸而发出指令，与TA一次短路暂态期间，电流带有非周期参量，其时间变化较小，难以变化值二次侧，继而变成TA励磁电流，促使铁心饱和，叠加非周期参量后，铁心进一步过饱和，导致TA低压电流偏差进一步扩大，不恒定电流随机更高[4]。

（3）减小不平衡电流的措施。差动保护链路内的不稳定电流会对保护的可靠性、灵敏性等产生干扰，降低这一不平衡性的主要措施如下。

第一，减小正常运行情况下的不平衡电流。变压器各侧的TA尽量选用同样型号、特性的产品，基于相位补偿策略连接，电力系统内变压器大多为Y，d11接线方法，容易出现两侧的TA二次电流方向相差30°，为此，可以将变压器星形一段的TA改为三角形形式，而另外一端则改为星形形式，从而弥补30°的相位差。

第二，减小暂态情况下的不平衡电流。引入兼具制动特质的差动继电器和间断角机理的差动继电器可以降低暂态期间的非周期参量，继而降低不平衡的电流[5]。

3 结束语

随着电力系统的不断发展，对变压器保护的研究逐渐受到关注。变压器保护样式较多，文章主要介绍了瓦斯保护和差动保护两种主保护，而一个完整的保护系统还应包括后备保护、零序保护、电流保护等。后续需研发适应情况更好的变压器保护模块，以进一步提升电力系统的稳定性和可靠性。