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如何提高变压器保护安全防范？
发布时间：
2023-07-27
来源：
电气圈
变压器是一种连续运行的静止设备，运行可靠，故障机会少。但由于大部分变压器安装在室外，受运行过程中负荷和电力系统短路故障的影响，运行过程中不可避免地会出现各种故障和异常情况。
一、变压器压器常见故障及异常
变压器故障可分为内部故障和外部故障。
内部故障是指箱壳内部的故障，包括绕组相间短路故障、一相绕组匝间短路故障、绕组与铁芯短路故障、绕组断线故障等。
外部故障是指变压器外部引出线之间的各种短路故障，引出线绝缘套管闪络通过外壳的单相接地故障。
变压器故障危害很大。特别是当发生内部故障时，短路电流产生的高温电弧不仅会烧坏变压器绕组的绝缘和铁芯，还会使变压器油受热分解产生大量气体，导致变压器外壳变形甚至爆炸。因此，变压器故障必须切除。
变压器的异常情况主要包括过载、油面降低、外部短路引起的过电流、运行中变压器油温过高、绕组温度过高、变压器压力过高、冷却系统故障等。当变压器处于异常运行状态时，应给出报警信号。
二、变压器保护的配置
短路故障的主要保护:纵差保护、重瓦斯保护等。
短路故障后备保护:主要包括复合电压闭锁过流保护、零序(方向)过流保护、低阻抗保护等。
异常运行保护:主要包括过载保护、过励磁保护、轻瓦斯保护、中性点间隙保护、温度油位和冷却系统故障保护等。
三、非电量保护
由油、气、温等非电气量组成的变压器保护称为非电气保护。主要包括瓦斯保护、压力保护、温度保护、油位保护和冷却器全停保护。非功率保护根据现场需要跳闸或发送信息。
1.瓦斯保护
当变压器内部出现故障时，由于短路电流和短路点电弧的作用，变压器内部会产生大量气体，变压器的油流速度会加快。气体和油流实现的保护称为瓦斯保护。
(1)轻气体保护:当变压器内部出现轻微故障或异常时，故障点局部过热，导致部分油膨胀，油中气体形成气泡进入气体继电器，轻气体保护动作发出轻气体信号。
(2)重瓦斯保护:当变压器油箱出现严重故障时，故障电流较大，电弧分解变压器油，产生大量气体和油流。冲击挡板使重瓦斯继续保护动作，发出重瓦斯信号，出口跳闸，切除变压器。
(3)重瓦斯保护是油箱内部故障的主要保护，可以反映变压器内部的各种故障。当变压器发生少数匝间短路时，虽然故障电流很大，但差动保护产生的差流可能不大，差动保护可能会被拒绝。因此，对于变压器内部故障，需要依靠重瓦斯保护来切除故障。
2.压力保护
压力保护也是变压器油箱内部故障的主要保护。用于反应变压器油的压力，包括压力释放和压力突变保护。
3.保护温度和油位
当变压器温度升高达到预警值时，温度保护发出报警信号，启动备用冷却器。
当变压器漏油或由于其他原因降低油位时，油位保护动作发出报警信号。
4.冷却器全停保护
当运行中的变压器冷却器完全停止时，变压器温度会升高。如果不及时处理，变压器绕组的绝缘可能会损坏。因此，当冷却器在变压器运行过程中完全停止时，保护发出报警信号，变压器被长时间切除。
四、差动保护
变压器差动保护是变压器电量的主要保护，其保护范围是各侧电流互感器的包围。当绕组相间短路、匝间短路等故障发生在此范围内时，差动保护应动作。
1.变压器励磁涌流
空投变压器产生的励磁电流称为励磁涌流。励磁涌流的大小与变压器的结构、合闸角、容量、合闸前剩磁等因素有关。测量表明，由于铁芯饱和励磁涌流大，空投变压器通常是额定电流的2~6倍，最大可达8倍以上。由于励磁涌流只流入充电侧的变压器，差动电路中会产生很大的差流，导致差动保护误动作。
励磁涌流具有以下特点:a、涌流值大，含有明显的非周期性分量；b、波形呈尖顶状，间歇性；c、含有明显的高次谐波分量，尤其是二次谐波分量最明显；d、励磁涌流衰减。
根据励磁涌流的上述特点，为了防止励磁涌流引起的变压器差动保护误动，工程利用二次谐波含量高、波形不对称、波形间断角大三个原理实现了差动保护的闭锁。
2.二次谐波制动原理
二次谐波制动的本质是利用差流中的二次谐波分量来判断差流是故障电流还是励磁涌流。当二次谐波分量与基波分量的百分比大于一定值(通常为20%)时，判断差流是励磁涌流引起的，闭锁差动保护。
因此，二次谐波制动比越大，允许基波中包含的二次谐波电流越多，制动效果越差。
3.差动速断保护
当变压器内部出现严重故障，故障电流大导致CT饱和时，CT二次电流也含有大量谐波分量。根据上述描述，由于二次谐波制动，差动很可能会保护闭锁或延迟运动。这将严重损坏变压器。为解决这一问题，通常会设置差动速断保护。
差动速断元件实际上是纵差保护的高定值差动元件。与一般差动元件不同，它反映了差流的有效值。无论差流的波形如何，谐波分量如何，只要差流的有效值超过差动速断的整定值(通常高于差动保护的整定值)，就会立即动作切除变压器，不会被励磁涌流等判据锁定。
五、变压器的后备保护
简单介绍一下变压器的主要保护，继续介绍变压器的后备保护。变压器的后备保护配置有很多种。这里简单介绍一下复压闭锁过流保护和接地保护。
1.复压闭锁过流保护
复压闭锁过流保护是大中型变压器之间短路故障的后备保护。适用于升压变压器、系统联络变压器和过流保护不能满足灵敏度要求的降压变压器。负序电压和低电压组成的复合电压可以反映保护范围内的各种故障，降低过流保护的整定值，提高灵敏度。
复合电压过流保护由复合电压元件、过流元件和时间元件组成。保护接入电流为变压器本侧CT二次三相电流，接入电压为变压器本侧或其他侧PT二次三相电压。对于微机保护，本侧电压可以通过软件提供给其他侧，以确保任何一侧的PT维护仍然可以使用复压过流保护。如下图所示，动作逻辑。
2.变压器的接地保护
大中型变压器接地短路故障的备用保护通常包括:零序过流保护、零序过电压保护、间隙保护等。下面简单介绍一下中性点三种不同的接地方式。
(1)中性点直接接地
电压为110kV及以上中性点直接接地的变压器，应在大电流接地系统侧设置反应接地故障的零序电流保护。对于高、中两侧直接接地的变压器，其零序电流保护应有方向，方向应指向各侧母线。
零序电流保护的原理类似于线路的零序保护，可以参考第30期。零序电流可取自中性点CT二次电流或本侧CT二次三相电流。方向元件接入的零序电压可以取自本侧PT开口三角电压或本侧二次三相电压。微机保护装置主要采用自产方式。
对于大型三绕组变压器，零序电流保护可用三段式。其中I段有方向，III段没有方向。每段一般有两级延迟，以较短的延迟缩小故障范围(跳母联或条本侧开关)，以较长的延迟切除变压器(跳三侧开关)。根据实际情况确定具体的保护配置。
如图所示，零序方向电流保护I段或II段动作后，首先通过短延时t1或t3跳母联或跳本侧开关，以缩小故障影响范围，如果故障量仍然存在，则通过长延时t2或t4跳三侧开关切除变压器。无方向的III段，通过延迟直接切除变压器。
(2)中性点不接地
零序电流通过变压器中性点形成零序电路。但是，如果所有变压器的中性点都接地，那么接地点的短路电流就会分流到各个变压器上，从而降低零序过流保护的灵敏度。因此，为了将零序电流限制在一定范围内，规定了中性点接地运行的变压器数量。
对于不接地运行的变压器，为了防止接地故障时故障点间隙电弧造成过电压损坏，应配备零序电压保护。
由于全绝缘变压器中性点绝缘水平高，当系统出现接地故障时，首先有零序电流保护切除中性点接地的变压器。如果故障仍然存在，然后有零序电压保护切除中性点不接地的变压器。
(3)中性点通过放电间隙接地
超高压变压器均为半绝缘变压器，其中性点线圈对地绝缘较弱。中性点绝缘容易击穿。所以需要配置间隙保护。
间隙保护的作用是保护中性点不接地变压器中性点的绝缘安全。
间隙保护是通过流经变压器中性点的间隙电流3I0和母线PT开口三角电压3U0来实现的。
如果由于故障中性点对位置上升，间隙击穿，产生较大间隙电流3I0，此时间隙保护动作，变压器被延迟切除。此外，当系统出现接地故障时，中性点接地运行变压器零序保护动作，首先切除中性点接地变压器。在系统失去接地点之后，如果故障仍然存在，母线PT的开口三角电压3U0将会很大，此时间隙保护也动作。
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