变压器故障类型及保护措施分析

王刚 王锐

摘要：变压器是电力系统中的关键设备，安装于变电所内，主要分为油浸式变压器和干式变压器两种，本文主要对油浸式变压器的故障类型及保护措施进行了系统的分析。

关键词：故障类型;主保护;后备保护

Analysis of transformer fault types and protection measures

Wang GangWang Rui

Changchun PolytechnicJilinChangchun130033

Abstract：The transformer is the key equipment in power system，installed in the substation，mainly divided into oil and dry type transformer two，this paper focuses on the oil immersed transformer fault type and protection system are analyzed.

Key words：fault type;main protection;backup protection

变压器在电力系统中占据重要位置且造价昂贵，一旦故障将会造成电力系统的大面积停电，给生产生活带来巨大的影响，甚至产生巨大的经济损失，变压器的故障类型多种多样，对于不同的故障类型需要采取相对应的保护措施，可见对于变压器的保护显得尤其重要。

一、油浸式变压器常见故障及具体保护措施

（一）故障类型分析

油浸式变压器的故障类型，主要包括三个方面：

（1）变压器的内部故障。变压器内部的元件主要有铁芯和绕组，浸在变压器油中，内部出现故障的类型主要为不同相绕组绝缘损坏产生的相间短路、同一相绕组相邻匝之间绝缘破坏产生的匝间短路和绕组绝缘破坏碰触铁芯和外壳产生的接地短路，如果变压器出现上述三种内部故障，将造成变压器铁芯和绕组的剧烈发热，从而使变压器油分解产生大量的气体（主要成分为甲烷），此气体为瓦斯气体，对于干式变压器，则不会产生瓦斯气体，内部故障产生很大的短路电流，破坏绕组绝缘，烧坏变压器铁芯，如果保护措施不当，变压器发生故障会导致事故的发生。（2）变压器的外部故障。变压器外部元件主要包括变压器高低压引出接线端子和高低压绝缘套管，外部故障主要包括两种形式，各相引出线之间发生的相间短路和引出线绝缘套管破碎通过变压器外壳接地的接地短路，外部故障的故障类型与线路故障基本相同。（3）变压器的不正常运行状态。变压器除了上述两种故障之外，还有不正常的运行状态，主要包括变压器过负荷运行引起的过电流、变压器长时间运行或漏油引起的油面降低及变压器由于频率降低和电压升高引起的变压器过励磁，上述三种情况都属于变压器的不正常运行状态，需要由保护装置发出信号并不需要跳闸，可以持续运行一段时间。

（二）保护措施分析

对于上述不同的故障类型，均需要采取相应的保护措施，保护措施主要有：

（1）油浸式变压器的瓦斯保护。瓦斯保护作为变压器的主保护，用于对变压器内部故障和不正常运行状态中的油面降低的防护，下面对油浸式变压器的瓦斯保护进行介绍，图1为瓦斯保护的原理接线图，根据故障的严重程度，产生的瓦斯气体量不同，油面降低产生的气体量比较少，瓦斯继电器KG上面的触點闭合产生轻瓦斯信号，不需要跳闸，当变压器内部短路故障产生时，发热严重产生大量的瓦斯气体，由信号继电器KS发出重瓦斯信号，同时发出跳闸命令跳变压器两侧断路器，切除故障，本接线图中采用了带保持线圈的中间继电器KCO，主要是为了防止故障时油速不稳定造成的不能可靠跳闸，KCO为电压起动，电流保持的中间继电器，电压线圈阻抗比较大，为了保证KS能够准确发出重瓦斯信号，所以需要将KCO起动线圈并联R2，提高KS的灵敏度。而XB的作用主要是气体继电器试验时或变压器刚投入运行时，将XB切换至R1处，使重瓦斯仅发信号不跳闸。

（2）电流速断保护和纵差保护。电流速断保护一般用于容量较小的变压器，通常保护装于电源侧，与瓦斯保护配合反映变压器绕组及引出线上的相间短路故障，当变压器电源侧为直接接地系统时，保护采用完全星形接线，若为非直接接地系统，可采用两相不完全星形接线。纵差保护作为变压器的主保护，由于需要变压器两侧均装设保护装置，造价相对比较高，因此主要用于中大型变压器的保护，主要用于防护内部故障和外部故障的相间短路、接地短路及防护内部的匝间短路，但是需要注意的是，并不是所有的匝间短路都能反映，如果内部匝间短路比较多，反映在外部电流互感器的电流变化比较大，则能够进行保护，如果内部匝间短路匝数很少，则外部电流变化很小，纵差保护不会动作，但是由于匝间短路循环电流比较大，导致发热比较严重，瓦斯保护可以动作，下面说明纵差保护的原理及接线方式，对于传统的电磁式保护来说，变压器的纵差保护产生不平衡电流的因素很多，不像线路纵差保护那样简单，必须保证变压器正常运行时和外部故障时流入差动继电器KD的电流相等，否则会产生很大的不平衡电流，导致保护误动作，下面以Y，d11接线的变压器为例介绍不平衡电流产生的具体原因及解决措施。

①变压器两侧接线不同而产生不平衡电流。图2中由于变压器高压侧采用了星形接线，低压侧采用了三角形接线，所以即使两侧电流互感器变比选的合适，由于变压器两侧电流相位差为30°，同样会引入不平衡电流，通常解决的办法为改变电流互感器二次绕组的连接方式，将变压器星形侧电流互感器二次绕组接成三角形，而将变压器三角形侧电流互感器的二次绕组接成星形，采用相位补偿的方法，可以校正两侧的相位差，保证输入差动继电器的电流同相位。

②由于电流互感器的变比选的不能完全合适。校正相位后，只要保证两侧电流互感器的变比选的合适就可以保证输入差动继电器KD的电流大小和相位都相同，对于两侧电流互感器的计算变比的公式如下：

变压器星形侧电流互感器的计算变比为：nTA（Y）=3IN（Y）5

变压器三角形侧电流互感器的计算变比为：nTA（D）=IN（D）5

上面公式中，由于变压器星形侧电流互感器接成了三角形，二次侧电流增大了3倍，所以求取计算变比时，要人为把高压侧变比增加3倍，其中IN（Y）、IN（D）为变压器星形侧和三角形侧的额定线电流，从上述两公式可以求出两侧电流互感器的计算变比，而计算变比的值与互感器标准变比的值往往不一样，选择时只能选择与计算变比接近的、偏大的标准变比互感器，此时，会引入不平衡电流，具体的校正方法为采用自耦变流器或利用差动继电器KD的平衡线圈予以补偿。

③变压器两侧电流互感器的型号不同。互感器由于电压等级不同，型号的选择也不一样，主要包括套管式电流互感器和线圈式电流互感器兩种，型号不同，饱和特性也是不一致的，所以会引入不平衡电流，解决的措施主要是提高动作电流整定值躲开不平衡电流。

④由于带负荷调压的变压器改变分接头。由于电网电压波动，导致变压器二次侧输出不稳定，为了保证二次侧稳定输出，通常变压器设置分接头开关，分接头开关实际调节的是一次绕组的匝数，改变分接头开关位置导致电流的变化引入不平衡电流，解决方法主要是提高保护动作电流整定值的办法。

⑤由于励磁涌流产生的不平衡电流。变压器是在一次侧励磁的，尤其在变压器空载投入或故障切除后，电压恢复过程中，都会产生很大的励磁涌流，励磁涌流包含很大的非周期分量、高次谐波并且波形之间出现间断，采取的措施主要是根据上述特点来完成的，主要的措施是采用速饱和变流器消除非周期分量的影响，非周期分量不能通过速饱和变流器传送给KD，而短路电流仍然是周期分量，可以传送给KD，也可以通过电流是否具有高次谐波和波形是否有间断来判定是否为励磁涌流，如果具有励磁涌流的特性，则不动作。

（3）过电流保护。除了上述两种变压器的主保护外，变压器还需要设置相应的后备保护，其中过电流保护主要用于对相间短路的后备保护，相间短路的后备保护种类比较多，对于不同容量的变压器需要采取不同的措施，主要的后备保护包括过电流保护、低电压起动的过电流保护和复合电压起动的过电流保护等。

（4）零序保护。零序保护包括零序电流保护和零序电压保护两种，分别适用于中性点接地和中性点不接地系统，作为接地短路的后备保护，零序电流保护作为后备保护延时动作跳闸，零序电压保护发出信号。

（5）过负荷保护。变压器过负荷运行属于不正常的运行状态，能够持续运行一段时间，但是需要发出信号并及时处理，处理不当容易引发事故。

（6）过励磁保护。频率降低和由于负荷变化引起电压的升高，都会导致变压器铁芯饱和引起变压器励磁电流升高，需要装设过励磁保护。

二、结语

变压器故障类型多种多样，尤其对于大型变压器而言，保护的设置更加全面，例如需要对变压器油箱内部温度和油箱内部压力以及大型变压器的冷却系统故障进行保护，本文仅是对变压器常用的主保护和后备保护进行阐述。

参考文献：

[1]谷水清.电力系统继电保护.北京：中国电力出版社，2010.1.

[2]许建安，连晶晶.继电保护技术.北京：中国水利水电出版社，2010.2.

[3]张保会，尹项根.电力系统继电保护.北京：中国电力出版社，2009.12.

基金项目：2019年度吉林省高教科研重点课题“高职院校创新创业教育与专业教育融合发展人才培养模式的探索与实践”（JGJX2019B45）

作者简介：王刚（1979），男，本科，讲师，研究方向为自动化、电气控制及供配电技术的科研与教学;王锐（1982），男，硕士研究生，讲师，研究方向为数控及机电一体化技术的科研与教学。