电力变压器的故障分析及保护

2018-10-17高云凤

现代制造技术与装备 2018年9期

李强高云凤武强

（济南重工股份有限公司，济南 250109）

变压器是一种利用电磁感应原理，把电压和电流转变成另一种（或几种）同频率的不同电压、电流的电气设备。目前，广泛使用的变压器类型有油浸式变压器、气体绝缘变压器和干式变压器，其中油浸式变压器有全密封式变压器和自由呼吸式变压器两种，其主要作用是变换、传输电能，在电力系统中起着决定性的作用。变压器能否正常运行直接影响供电的连续性和电网的安全。

1 变压器故障分析

1.1 运行异常分析

1.1.1 变压器运行声音不正常

正常运行的变压器声音应为均匀、低沉的交流震动的声音，无明显的变化。若运行过程中变压器的声音出现突然的变化、不均匀或明显的不正常振动声音，可认为这是异常现象，应及时进行分析排除，必要时将变压器停运。

变压器运行中声音突然升高，可能是由于系统电压升高、电压波形有变化，或是大容量动力设备启动；变压器运行中声音由低沉变成嘶哑声，可能是由于铁芯松动，结构上有螺钉或其他零部件松动；运行中有放电声音，是由于有绝缘件损坏。此外，变压器运行系统短路或接地时，会有很大的短路电流通过，使变压器产生很大的噪声。

1.1.2 三相电压不平衡

变压器运行中三相电压超过允许值或其中一相、二相有升高或降落现象，而不是正常的负荷压降，这可能是由于一相断路或一相熔断器熔断，绕组局部或匝间短路，造成三相电压不平衡；还可能是由于三相负载不平衡，引起中性点电压偏移。

1.1.3 变压器运行中温升超过正常范围

一般油浸自冷式变压器运行中其上层油温不得超过85℃。变压器运行中油温不断升高，以至于超过其允许值，造成变压器油温度异常。油温异常的原因可分为变压器自身内部原因和外在负载、环境或循环冷却系统原因，如绕组层间或匝间短路，分接开关接触不良，冷却系统故障、缺油，变压器过负荷，铁芯片间绝缘或穿心螺栓绝缘损坏，变压器铁损增大，运行环境发生突然变化，变压器通风情况不好，二次回路中有大电阻短路，变压器油质下降等。

1.2 内部故障分析

1.2.1 油浸式变压器的内部故障

在油浸式变压器中，内部故障可分为以下几类。一是有气体产生的故障，主要为：绕组绝缘制造缺陷产生的小电弧而产生的气体；绝缘材料缓慢老化后异常放电而产生的气体；匝间短路而产生的气体。二是内部过电压同时伴有较高过电流的故障，包括单相就地短路和相间短路。这些故障可能是外部雷击或操作时产生过电压而造成的。

1.2.2 干式变压器的内部故障

干式变压器的内部故障主要有闸间短路和单相就地短路，发生这些故障原因有变压器在制造时绝缘的缺陷和长期过载运行而造成的绝缘老化。

2 变压器的保护

通过对变压器常见故障的分析，人们可以采取针对性的保护措施，有效地保障变压器的安全运行，以免发生重大事故。根据实际运行经验，变压器的保护主要有三方面内容：变压器回路的保护、供电侧和负载侧的保护以及变压器的保护。变压器的保护应该遵循四个基本要求：选择性、速动性、灵敏性和可靠性。此外，保护装置要求投资少，便于调试和运行维护，尽可能满足用电设备运行的条件。

2.1 变压器回路的保护

变压器及其回路必须安装保护措施，以减少异常电流和过电压造成的设备损坏，确保变压器的正常运行。保护措施选择的原则为：当有多个电流断开装置的保护附件都检测到故障时，只能由离故障最近的电流切断设备动作来切除故障点。例如，电力变压器的二次侧发生短路故障时，只能由二次侧的断路器跳闸，一次侧的断路器保持闭合。

一般地，用于切断故障电流的装置有两种，即断路器和熔断器。在选择断路器作为变压器回路的保护装置时，断路器必须和保护继电器相连，保护继电器具有电流检测、故障检测和给断路器发送跳闸指令的功能；选择熔断器作为保护装置时，必须确保熔芯在特定故障状态下能够熔断。

2.2 关于供电侧和负载侧的保护

变压器供电侧（一次侧）的故障通常为过电压，过电压类型主要有两种。一种是雷电过电压，由于雷击发送在给变压器供电的架空线上或其附近而造成变压器一次侧过电压；另一种为操作类过电压，如断路器或负荷开关断开而产生的过电压。根据应用，需要防护这两种过电压时，通常采用氧化锌避雷器即可，可以将其安装在变压器的高压套管处。

变压器过负荷常常是负荷逐渐增加或电气装置扩容，导致视在容量增加而造成的。过负荷会导致变压器绝缘油及绕组温度升高，缩短变压器的使用寿命。专门的变压器过负荷保护装置，通常叫做热过载继电器。热过载保护是基于电流测量和变压器的热时间常数来模拟的变压器绕组温度，有些还考虑了非线性负载的谐波效应。此外，油浸式变压器通常装有控制油温的温控器，干式变压器采用埋设在绕组绝缘最热部分的热传感器。以上这些保护装置一般提供两组检测值，第一组用于发出警示提醒维护人员，第二组用于断开变压器。

2.3 变压器的保护

对于油浸式变压器，有两种工具可以检测其内部故障的设备，其分别为瓦斯检测器和DGPT。

瓦斯检测器专门用于检测带储油罐的变压器，如图1所示，瓦斯检测器安装在连接变压器有限和储油罐管道上，检测缓慢释放的气体和内部过电压引起的油回流。

图1 带储油罐的变压器

DGPT用于全密封式变压器，如图2所示，能够检测气体、压力和温度。和瓦斯检测器一样，DGPT可以检测气体的排放和内部过电压，还可以检测油温。此外，瓦斯检测器和DGPT都能够检测绝缘油的泄漏情况。

图2 全密封式变压器

如图3所示，干式变压器采用专门的继电器，通过监测埋设在变压器绕组中的热传感器来防止二次侧过载引发的过热。内部故障可以由安装在变压器一次侧的断路器或熔断器来切除，采用断路器时由相间和接地过电流保护给出跳闸指令。另外，由于闸间故障通常只会产生微小的过电流，干式变压器没有配备专门用于内部故障检测的附加保护设备，因此产生较小过电流的内部故障无法通过熔断器进行保护，这种情况下，最好采用具有特性和整定值更灵活的过电流继电器进行保护。