浅析变压器故障类型分析与其继电保护设计研究

李东波

（天津光电惠高电子有限公司，天津 300000）

0 引言

变压器作为电气控制系统中必不可少的电气元件之一，质量可靠的变压器是电气控制系统与设备正常运行的关键因素。本文对各种电气控制系统中变压器的故障进行归纳总结，其故障类型大致可以归类成绕组故障、铁芯故障、分接开关故障以及绝缘故障等[1]。

1 变压器故障类型分析

1.1 变压器的绕组故障

众所周知，绕组作为整个变压器中的核心电气部件，其主要的功能是将电能进行传输与转换，是电气控制回路电压输入与输出的关键。变压器的绕组故障通常指发生在绕组中的某些故障，例如变压器线圈或者绝缘中的故障，线圈短路、断路、接线松动、位移或是线圈烧损都可能引起变压器绕组故障。

变压器线圈导线表面如果没有进行光滑处理，在出厂后其表面仍带有毛刺，当变压器在电气控制运行过程中受到磁力作用时，导线上的毛刺损伤绝缘，从而导致线圈匝间发生短路；再者，如果变压器工作环境恶劣，当水分进入线圈绝缘层后，变压器在其运行过程中也极易发生线圈匝间短路；此外，线圈接头点焊质量不够牢靠，会导致线圈引出线与套管导电杆连接不稳定，如此一来，变压器在运行过程中会因为接头持续发热而引起局部绝缘迅速老化，当绝缘情况恶化到一定程度时，线圈被过大的电流熔断，绕组发生断路[2]。变压器在正常工作状态时一旦发生较为严重的外部短路状况，在电磁力与机械力的双重作用下，绕组的结构会产生塑性变形，其形状会产生不可逆的变化，导致电路传输以及散热状况恶化，这通常也是变压器绕组发生变形的主要原因之一。

1.2 变压器的铁芯故障

铁芯作为变压器的重要组成部分，其功能主要是与绕组共同承担电磁能量的传输与转换。保障变压器正常运行，不仅需要确保变压器绕组质量，还需要对其铁芯质量进行严格控制。铁芯的故障一般发生在电磁回路中，如果变压器铁芯的叠片中存在绝缘损坏，在电气控制系统运行过程中，铁芯叠片之间会形成较大的循环电流，循环电流随着时间的推移会产生大量的热量，当散热持续恶化时，过多的热量不仅会对铁芯与线圈的绝缘构成威胁，还会导致变压器转化功率下降，铁耗增加。铁芯的制造过程中，如果没有对其叠片边缘进行打磨处理，叠片边缘会由于制造工艺的问题存有较大的毛刺或者出现细微的折弯现象，这种情况都会导致铁芯局部变形短路，其产生的涡流会损坏变压器。

1.3 变压器的分接开关故障

虽然分接开关内部机械部分的机械原理较为简单，但其实现动作的机械传动结构却比较复杂，此外由于电气控制系统的需要，分解开关还需要经常进行切换操作，也正如此，分接开关发生故障的机率也相对较高。一般情况下，引起分接开关发生故障的主要原因是其产品质量不过关，一旦出现分接开关接触不良、开合不到位时便会出现触头过热、断轴及放电烧损。同时，如果切换开关触点出现接触不良等问题，就会导致绝缘件的机械强度降低，严重时会导致切换开关直接损坏。此外，油室密封情况如果出现问题，会直接导致大、小油两个箱之间互相连通，进而会间接增加变压器油箱可燃性气体含量，最终导致对故障的错误判断。

变压器的分接开关故障除了产品质量不过关所导致众多故障外，还有一类常见的故障是绝缘故障。变压器的绝缘故障与其本身的设计紧密相关，如果变压器采用小油路、薄绝缘设计，则会导致变压器的使用寿命缩短，因为在变压器运行不久后就会因为绝缘故障而无法正常使用。绝缘故障也会因为相间加入了绝缘隔板使电场强度的分布被破坏，从而造成变压器相间绝缘裕度不足，引起相间短路。另一个导致绝缘板故障的重要因素是变压器被污染[3]。通常情况下，变压器对内部的清洁度要求是非常高的，因为一旦内部受到极少量金属杂质的污染后都会严重影响爬电距离，进而导致产生局部放电现象。在绝缘纸、绝缘板等部件的设计和生产过程中，往往会因为环境清洁没有做好，从而导致绝缘纸、绝缘板等器件的表面或内部被各种金属导电介质的污染，从而导致变压器在运行过程中，会出现绝缘纸、绝缘板等器件绝缘失效，产生放电，最终导致变压器无法正常工作，出现故障。如果长时间过载使用变压器也会导致绝缘老化，如此导致温度过高，从而影响变压器的正常使用。

2 继电保护设计与研究

在电气控制系统运行过程中出故障后，能够在最短时间、最小范围内进行自动故障的自动切除，或者发出报警信号即是继电保护装置。继电保护装置能够在最快或者最有效的方式自动切除或者报告故障，从而最大程度减少故障对整个电气控制系统的影响，是电气控制系统最重要的配置。

2.1 差动保护设计要点

差动保护设计是变压器保护中一种最常见也是最有效的方法之一。差动保护设计的主要原则是按照正常运行时的环流接线安装变压器两侧的电流互感器二次侧。在变压器正常运行情况下，差动继电器内的电流与两侧电流互感器二次电流非常接近，两者之间的差值几乎等于零，这种情况下，变压器处于正常运行状态，差动保护机制也不会启动。随着现代技术的不断发展和改革，差动保护设计的功能也越来越完善，尤其是高性能微型计算机处理芯片引入到差动保护机制的设计中，从而为进行继电保护装置的研究和应用带来了质的飞跃。基于高性能微型计算机处理芯片，目前已经研制出了一套包括主保护、后备保护两套微机保护的装置，大大提高了差动保护对变压器的保护，这种保护技术也得到了业内广泛的认可和普及应用。包括主保护、后备保护两套微机保护的装置针对变压器套管、引出线以及内部短路等故障可以实现全面和充分的保护和反映，尤其是针对高压侧电压在及以上的变压器，两套微机保护的装置显得尤为重要，不可或缺。两套微机保护的装置在高压侧电压在及以上的变压器故障保护上功能强大。一旦故障发生后，两套微机保护的装置可以实现瞬时动作断开各侧断路器的目的，这种瞬时动作断开也大大降低了故障对整个变压器的损坏，降低故障的发生几率和危害程度[4]。针对双重差动保护装置，可以通过如下的方法进行设计：依次将第一套保护电流回路和第二套保护装置与原差动保护电流互感器的二次绕组和原后备保护电流互感器的二次绕组相连接，这两步必须按照依次按照顺序进行，由此可以实现在旁代时便无需进行切换操作。将第二套保护与原后备保护电流互感器的二次绕组相连接，虽然保护范围有所减少，但是可以实现保障旁代时两套保护全部处于运行状态。

2.2 瓦斯保护设计要点

差动保护在变压器故障保护方面有着重要的作用，不可或缺，但是也无法对所有的变压器故障实现保护。如匝间短路、铁芯局部烧损、绝缘劣化、线圈烧损等，面对这些故障瓦斯保护能够正常动作的原因是由于瓦斯保护本身也是通过气体继电器来实现的。当下较为常见的瓦斯保护主要是分为两种，一种是轻瓦斯保护，另外一种则是重瓦斯保护。轻瓦斯保护主要依据气体的化学成为、含量、颜色以及可燃性等条件来分析保护原因以及故障性质进行判断，有利于电气调试人员迅速发现变压器故障等问题，并根据指示对相应问题进行处理。重瓦斯保护则是断路器跳闸。这种模式是对气体产生的速度进行监测，通过对气体成为及特征进行分析，从而获得故障原因以及具体的位置，在变压器发生严重故障时自动切断电源，以此来保护变压器不被损坏。

2.3 过载保护的设计要点

在通常情况下，变压器的过载保护都是三相对称的，也正如此保护装置仅仅需要将一个电流继电器连接到一相上且针对信号预设一定的延时动作即可实现[5]。而对于双绕组的变压器而言，过载保护则应该放置于主电源单侧电源三相绕组降压型变压器内，如果绕组的容量相同，则可以将过载保护装置安装在电源侧，如果容量不同，则可以在电源侧与绕组容量最小的一侧加装过载保护装置。

3 结语

当下，随着我国经济建设的持续开展，国民生活水平也逐渐提升，人们对于自动化设备的依赖也愈加强烈，而电气控制系统作为自动化设备的核心组成部分之一，其硬件质量，特别是变压器的稳定性直接影响自动化设备的可靠性。然而，由于各种因素的作用，变压器会出现各种各样的故障，有的是具体的质量问题，也有抽象的理论问题，这都将影响电气控制系统正常的运行，更将影响自动化设备的正常使用。与此同时，继电保护在电气控制系统中的应用进一步降低了变压器发生故障的机率，有效的保证了电气控制系统的安全与稳定，极大地提升了自动化设备的使用可靠性。