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變壓器的一些基本保護知識
2016-04-14
一、變壓器的故障
1、內部故障
變壓器內部故障主要包括繞組相間短路、繞組匝間短路和中性點接地系統繞組地接地短路等。這些故障危害很大，因為短路電流產生的高溫電弧不僅會燒毀繞組絕緣盒鐵芯，還會使絕緣材料和變壓器油分解而產生大量氣體，有可能使變壓器油箱局部變形、破裂，甚至發生油箱爆炸事故。因此，當變壓器發生內部故障時，必須迅速將變壓器切除。這點需切記。
2、外部故障
變壓器外部故障主要是變壓器套管和引出線上發生的相間短路和接地短路。發生這類故障時，也應迅速切除變壓器，以盡量減少短路電流對變壓器的沖擊。
二、變壓器不正常工作狀態
變壓器不正常工作狀態主要變現為：
（1）外部短路引起的電流。
（2）過負荷。
（3）油箱漏油造成的油面降低。
（4）變壓器中性點電壓升高或外部電壓過高或頻率降低等引起的過勵磁。
三、變壓器應裝設的保護裝置
（1）反映變壓器油箱內部故障和油面降低的瓦斯保護。
（2）反映變壓器繞組和引出線相間短路、中性點直接接地系統繞組和引出線的單相接地短路的縱差保護或電流速斷保護。
（3）反映變壓器外部相間短路并作為瓦斯保護盒差動保護（或電流速斷保護）后備的過電流保護（或復合電壓起動的過電流保護或負序過電流保護）。
（4）反映中性點直接接地系統中變壓器外部、內部接地短路的零序電流保護。
（5）反映變壓器對稱過負荷的過負荷保護。
（6）反映變壓器過勵磁的保護。
四、變壓器的主保護
（一）瓦斯保護
（1）瓦斯保護的基本工作原理
反映故障時氣體數量和油流速度的保護稱為瓦斯保護。當變壓器內部故障時，故障點局部高溫使變壓器油溫升高，體積膨脹，油內空氣被排出而形成上升氣體。若故障點產生電弧，則變壓器油和絕緣材料將分解出大量氣體，這些氣體自油箱流向儲油柜。
故障程度越嚴重，產生氣體越多，流向儲油柜的油流速度越快。由于氣體數量和油流速度能直接反映變壓器故障性質和嚴重程度，股產生少量氣體和氣流速度較小時，輕瓦斯動作于信號;故障嚴重，油流速度高時，重瓦斯保護瞬時作用于跳閘。
氣體繼電器是構成瓦斯保護的主要元件，它是安裝在油箱與儲油柜的聯管中部，這樣油箱內部氣體必須通過氣體繼電器才能流向儲油柜。為了使氣體順利地流向儲油柜，老式變壓器要求油箱與聯管都要有一定傾斜度，其中油箱要求有1%-1.5%，聯管要求有2%-4%的傾斜度。
新型的變壓器在容易聚集氣體的地方（如套管升高座）裝有集氣分管，各集氣分管都接入集氣總管，然后將集氣總管接到氣體繼電器前端的聯管上。這樣，只要集氣管和聯管有一定傾斜度，氣體就能流入儲油柜，所以油箱就沒有傾斜度方面的要求了。
目前，國內采用開口杯擋板式氣體繼電器，其工作原理如下：
1）正常工作時，開口杯中充滿了油，由于開口杯自身重力產生的力矩小于平衡錘產生的力矩，所以開口杯向上頂，干簧觸點斷開。
2）當變壓器油箱內部發生輕微故障時，少量氣體將聚集在繼電器的頂部，使繼電器內的油面下降，開口杯露出油面，由于開口杯自身重量加上杯內的油重量所產生的力矩大于平衡錘產生的力矩，因此開口杯向下轉動，當固定在開口杯上的磁鐵隨開口杯下降到接近干簧觸點時，該觸點閉合發出輕瓦斯動作信號。
3）當油箱內部發生嚴重故障時，就會產生大量的氣體并伴隨著油流沖擊擋板，當油流速度達到繼電器的整定值時，擋板被沖到一定的位置，固定在擋板上的磁鐵就接近于干簧觸點，使該觸點閉合，該觸點閉合動作于斷路器跳閘。
（2）瓦斯保護的整定
1）輕瓦斯保護的整定
輕瓦斯動作值的大小用氣體容量大小表示。一般輕瓦斯保護的氣體容積范圍為20 -300cm 3;氣體容量的調整可通過改變重錘的力臂長度來實現。
2）重瓦斯保護的整定
重瓦斯保護動作值的大小用油流速度大小來表示。對油流的一般要求：自冷式變壓器為0.8-1.0m/s，強油循環變壓器為1.0-1.2m/s，120MVA以上的變壓器為1.2-1.3m/s。
（3）瓦斯保護的優缺點
瓦斯保護的主要優點是結構簡單，能全面反映變壓器油箱內部的各種故障。特別是當發生匝間短路且被短接的匝數很少時，故障回路的電流雖然很大，可能造成嚴重的局部過熱，但反映在外部電路的電流變化卻很小，甚至連靈敏性較高的差動保護也可能不動作。因此，瓦斯保護對反映這類故障具有特別重要的意義。此外，瓦斯保護是鐵芯燒損的唯一保護。瓦斯保護由于簡單、靈敏、經濟而被廣泛使用，在800KVA及以上的油浸式變壓器和400KVA及以上的室內油浸式變壓器均應裝設瓦斯保護。
瓦斯保護的主要缺點是不能反映變壓器套管及引出線的故障。所以瓦斯保護不能作為變壓器地唯一主保護，它與差動保護共同作為變壓器地主保護。
（二）差動保護
1、差動保護的基本原理
變壓器差動保護是按循環電流原理構成的，它能正確區分變壓器內、外故障，并能瞬時切除保護區內的故障。變壓器兩側分別裝設電流互感器TA1和TA2，其二次線圈按環流原則相串聯，差動繼電器接在差流回路上。
正常運行或外部故障時，變壓器兩側都有電流通過，兩個電流互感器的變比若選擇適當時，二次電流I12和I22的大小相等，方向相同，而在差動回路中I12和I22的方向相反，因而差動繼電器KD中的電流等于兩側電流互感器二次電流之差，電流為零，所以正常運行或外部故障時繼電器不會動作。
當變壓器內部發生故障時，兩側電流互感器的二次電流Id12和Id22在差動回路中方向相同，差動繼電器流過的電流為兩電流之和，使差動繼電器動作。
實際上，由于變壓器勵磁涌流、接線方式和電流互感器的誤差等因素的影響，差動繼電器中會流過不平衡電流，不平衡電流越大，繼電器的動作電流越大，致使差動保護的靈敏性降低。因此差動保護需要解決的主要問題之一是采用各種措施避免不平衡電流的影響，在保證選擇性的條件下，還要保證內部故障時有足夠的靈敏性和速動性。
2、差動保護的特殊問題
1）勵磁電流的影響
變壓器正常運行時的勵磁電流只流過電源側，通過電流互感器反映到差動回路造成不平衡電流。不過在正常情況下，變壓器勵磁電流很小，一般不超過額定電流的1%;在外部故障時，由于電壓降低，勵磁電流也減小，所以它的影響就更小，故在實際整定時不予考慮。
2）勵磁涌流的影響
當變壓器空載合閘時，可能出現很大的勵磁涌流，其值最大可達變壓器額定電流的6-8倍。它經變壓器電源側電流互感器傳到二次側，如流入差動回路，往往會導致差動保護的誤動作。
防止勵磁涌流引起差動保護誤動的措施：
（1）采用差動速斷保護。由于差動速斷保護有固有動作時間，故動作電流無需避開最大電流，此方案靈敏性低，只適用于小型變壓器。
（2）采用帶中間速飽和變流器的差動繼電器。中間速飽和變流器可以抑制勵磁涌流的傳變，從而防止保護的誤動。但由于內部短路時暫態電流也含有非周期分量，故保護應延時動作。加之由于三相涌流中往往有一相無非周期分量，以致該相速飽和變流器不起作用，這又必須使保護動作值加大，故保護的靈敏性降低。由于這種方法動作遲緩，靈敏性差，只適用于中、小型變壓器。
（3）采用二次諧波制動。在勵磁涌流中，除基波、非周期分量電流以外，二次諧波電流為最大，這是勵磁涌流最明顯的特征，因為在其他工況下，很少有二次諧波產生。這是大型變壓器差動保護防止勵磁涌流的主要措施。
（4）利用勵磁涌流波形具有明顯間斷角的特征來避免勵磁涌流。目前有兩種方案，一種是直接鑒別間斷角的大小來判斷是勵磁涌流還是內部短路。另一種是比較勵磁涌流和二次短路電流的變化率。
（5）在變壓器各電壓側的繞組上單獨裝設差動保護，于是勵磁涌流不再進入差動回路。
3）變壓器各側電流相位不同的影響
變壓器長采用Y，d11接線方式，因此，變壓器兩側電流的相位不一致。在正常情況下，變壓器三角形側的線電流比星形側對應的電流超前30°。若兩側電流互感器采用相同的接線方式，則二次側電流也相差30°。因此必須補償由于兩側電流相位不同而引起的不平衡電流。
4）各側電流互感器誤差不同的影響
由于各電流互感器勵磁特性不同及二次負荷不同，因此在差動回路中會引起較大的不平衡電流。
5）電流互感器的計算變比與選用的標準變比不同的影響
這種變比不同會引起不平衡電流，當這種不平衡電流大于5%額定負載電流時，應采取補償措施。常用補償方法是采用輔助自耦變流器，或利用差動繼電器的平衡線圈來進行平衡。
6）變壓器調壓的影響
變壓器在運行中需要根據系統電壓的要求進行調壓，實際上就是改變變壓器的變比，因此將產生不平衡電流。不平衡電流的大小與調壓的范圍有關。由于在運行中不可能隨變壓器分接頭改變而重新調整繼電器，因此，由于變壓器調壓而引起的不平衡電流應在整定保護動作值時考慮躲過。
1、內部故障
變壓器內部故障主要包括繞組相間短路、繞組匝間短路和中性點接地系統繞組地接地短路等。這些故障危害很大，因為短路電流產生的高溫電弧不僅會燒毀繞組絕緣盒鐵芯，還會使絕緣材料和變壓器油分解而產生大量氣體，有可能使變壓器油箱局部變形、破裂，甚至發生油箱爆炸事故。因此，當變壓器發生內部故障時，必須迅速將變壓器切除。這點需切記。
2、外部故障
變壓器外部故障主要是變壓器套管和引出線上發生的相間短路和接地短路。發生這類故障時，也應迅速切除變壓器，以盡量減少短路電流對變壓器的沖擊。
二、變壓器不正常工作狀態
變壓器不正常工作狀態主要變現為：
（1）外部短路引起的電流。
（2）過負荷。
（3）油箱漏油造成的油面降低。
（4）變壓器中性點電壓升高或外部電壓過高或頻率降低等引起的過勵磁。
三、變壓器應裝設的保護裝置
（1）反映變壓器油箱內部故障和油面降低的瓦斯保護。
（2）反映變壓器繞組和引出線相間短路、中性點直接接地系統繞組和引出線的單相接地短路的縱差保護或電流速斷保護。
（3）反映變壓器外部相間短路并作為瓦斯保護盒差動保護（或電流速斷保護）后備的過電流保護（或復合電壓起動的過電流保護或負序過電流保護）。
（4）反映中性點直接接地系統中變壓器外部、內部接地短路的零序電流保護。
（5）反映變壓器對稱過負荷的過負荷保護。
（6）反映變壓器過勵磁的保護。
四、變壓器的主保護
（一）瓦斯保護
（1）瓦斯保護的基本工作原理
反映故障時氣體數量和油流速度的保護稱為瓦斯保護。當變壓器內部故障時，故障點局部高溫使變壓器油溫升高，體積膨脹，油內空氣被排出而形成上升氣體。若故障點產生電弧，則變壓器油和絕緣材料將分解出大量氣體，這些氣體自油箱流向儲油柜。
故障程度越嚴重，產生氣體越多，流向儲油柜的油流速度越快。由于氣體數量和油流速度能直接反映變壓器故障性質和嚴重程度，股產生少量氣體和氣流速度較小時，輕瓦斯動作于信號;故障嚴重，油流速度高時，重瓦斯保護瞬時作用于跳閘。
氣體繼電器是構成瓦斯保護的主要元件，它是安裝在油箱與儲油柜的聯管中部，這樣油箱內部氣體必須通過氣體繼電器才能流向儲油柜。為了使氣體順利地流向儲油柜，老式變壓器要求油箱與聯管都要有一定傾斜度，其中油箱要求有1%-1.5%，聯管要求有2%-4%的傾斜度。
新型的變壓器在容易聚集氣體的地方（如套管升高座）裝有集氣分管，各集氣分管都接入集氣總管，然后將集氣總管接到氣體繼電器前端的聯管上。這樣，只要集氣管和聯管有一定傾斜度，氣體就能流入儲油柜，所以油箱就沒有傾斜度方面的要求了。
目前，國內采用開口杯擋板式氣體繼電器，其工作原理如下：
1）正常工作時，開口杯中充滿了油，由于開口杯自身重力產生的力矩小于平衡錘產生的力矩，所以開口杯向上頂，干簧觸點斷開。
2）當變壓器油箱內部發生輕微故障時，少量氣體將聚集在繼電器的頂部，使繼電器內的油面下降，開口杯露出油面，由于開口杯自身重量加上杯內的油重量所產生的力矩大于平衡錘產生的力矩，因此開口杯向下轉動，當固定在開口杯上的磁鐵隨開口杯下降到接近干簧觸點時，該觸點閉合發出輕瓦斯動作信號。
3）當油箱內部發生嚴重故障時，就會產生大量的氣體并伴隨著油流沖擊擋板，當油流速度達到繼電器的整定值時，擋板被沖到一定的位置，固定在擋板上的磁鐵就接近于干簧觸點，使該觸點閉合，該觸點閉合動作于斷路器跳閘。
（2）瓦斯保護的整定
1）輕瓦斯保護的整定
輕瓦斯動作值的大小用氣體容量大小表示。一般輕瓦斯保護的氣體容積范圍為20 -300cm 3;氣體容量的調整可通過改變重錘的力臂長度來實現。
2）重瓦斯保護的整定
重瓦斯保護動作值的大小用油流速度大小來表示。對油流的一般要求：自冷式變壓器為0.8-1.0m/s，強油循環變壓器為1.0-1.2m/s，120MVA以上的變壓器為1.2-1.3m/s。
（3）瓦斯保護的優缺點
瓦斯保護的主要優點是結構簡單，能全面反映變壓器油箱內部的各種故障。特別是當發生匝間短路且被短接的匝數很少時，故障回路的電流雖然很大，可能造成嚴重的局部過熱，但反映在外部電路的電流變化卻很小，甚至連靈敏性較高的差動保護也可能不動作。因此，瓦斯保護對反映這類故障具有特別重要的意義。此外，瓦斯保護是鐵芯燒損的唯一保護。瓦斯保護由于簡單、靈敏、經濟而被廣泛使用，在800KVA及以上的油浸式變壓器和400KVA及以上的室內油浸式變壓器均應裝設瓦斯保護。
瓦斯保護的主要缺點是不能反映變壓器套管及引出線的故障。所以瓦斯保護不能作為變壓器地唯一主保護，它與差動保護共同作為變壓器地主保護。
（二）差動保護
1、差動保護的基本原理
變壓器差動保護是按循環電流原理構成的，它能正確區分變壓器內、外故障，并能瞬時切除保護區內的故障。變壓器兩側分別裝設電流互感器TA1和TA2，其二次線圈按環流原則相串聯，差動繼電器接在差流回路上。
正常運行或外部故障時，變壓器兩側都有電流通過，兩個電流互感器的變比若選擇適當時，二次電流I12和I22的大小相等，方向相同，而在差動回路中I12和I22的方向相反，因而差動繼電器KD中的電流等于兩側電流互感器二次電流之差，電流為零，所以正常運行或外部故障時繼電器不會動作。
當變壓器內部發生故障時，兩側電流互感器的二次電流Id12和Id22在差動回路中方向相同，差動繼電器流過的電流為兩電流之和，使差動繼電器動作。
實際上，由于變壓器勵磁涌流、接線方式和電流互感器的誤差等因素的影響，差動繼電器中會流過不平衡電流，不平衡電流越大，繼電器的動作電流越大，致使差動保護的靈敏性降低。因此差動保護需要解決的主要問題之一是采用各種措施避免不平衡電流的影響，在保證選擇性的條件下，還要保證內部故障時有足夠的靈敏性和速動性。
2、差動保護的特殊問題
1）勵磁電流的影響
變壓器正常運行時的勵磁電流只流過電源側，通過電流互感器反映到差動回路造成不平衡電流。不過在正常情況下，變壓器勵磁電流很小，一般不超過額定電流的1%;在外部故障時，由于電壓降低，勵磁電流也減小，所以它的影響就更小，故在實際整定時不予考慮。
2）勵磁涌流的影響
當變壓器空載合閘時，可能出現很大的勵磁涌流，其值最大可達變壓器額定電流的6-8倍。它經變壓器電源側電流互感器傳到二次側，如流入差動回路，往往會導致差動保護的誤動作。
防止勵磁涌流引起差動保護誤動的措施：
（1）采用差動速斷保護。由于差動速斷保護有固有動作時間，故動作電流無需避開最大電流，此方案靈敏性低，只適用于小型變壓器。
（2）采用帶中間速飽和變流器的差動繼電器。中間速飽和變流器可以抑制勵磁涌流的傳變，從而防止保護的誤動。但由于內部短路時暫態電流也含有非周期分量，故保護應延時動作。加之由于三相涌流中往往有一相無非周期分量，以致該相速飽和變流器不起作用，這又必須使保護動作值加大，故保護的靈敏性降低。由于這種方法動作遲緩，靈敏性差，只適用于中、小型變壓器。
（3）采用二次諧波制動。在勵磁涌流中，除基波、非周期分量電流以外，二次諧波電流為最大，這是勵磁涌流最明顯的特征，因為在其他工況下，很少有二次諧波產生。這是大型變壓器差動保護防止勵磁涌流的主要措施。
（4）利用勵磁涌流波形具有明顯間斷角的特征來避免勵磁涌流。目前有兩種方案，一種是直接鑒別間斷角的大小來判斷是勵磁涌流還是內部短路。另一種是比較勵磁涌流和二次短路電流的變化率。
（5）在變壓器各電壓側的繞組上單獨裝設差動保護，于是勵磁涌流不再進入差動回路。
3）變壓器各側電流相位不同的影響
變壓器長采用Y，d11接線方式，因此，變壓器兩側電流的相位不一致。在正常情況下，變壓器三角形側的線電流比星形側對應的電流超前30°。若兩側電流互感器采用相同的接線方式，則二次側電流也相差30°。因此必須補償由于兩側電流相位不同而引起的不平衡電流。
4）各側電流互感器誤差不同的影響
由于各電流互感器勵磁特性不同及二次負荷不同，因此在差動回路中會引起較大的不平衡電流。
5）電流互感器的計算變比與選用的標準變比不同的影響
這種變比不同會引起不平衡電流，當這種不平衡電流大于5%額定負載電流時，應采取補償措施。常用補償方法是采用輔助自耦變流器，或利用差動繼電器的平衡線圈來進行平衡。
6）變壓器調壓的影響
變壓器在運行中需要根據系統電壓的要求進行調壓，實際上就是改變變壓器的變比，因此將產生不平衡電流。不平衡電流的大小與調壓的范圍有關。由于在運行中不可能隨變壓器分接頭改變而重新調整繼電器，因此，由于變壓器調壓而引起的不平衡電流應在整定保護動作值時考慮躲過。