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变压器的一些基本保护知识
2016-04-14
一、变压器的故障
1、内部故障
变压器内部故障主要包括绕组相间短路、绕组匝间短路和中性点接地系统绕组地接地短路等。这些故障危害很大，因为短路电流产生的高温电弧不仅会烧毁绕组绝缘盒铁芯，还会使绝缘材料和变压器油分解而产生大量气体，有可能使变压器油箱局部变形、破裂，甚至发生油箱爆炸事故。因此，当变压器发生内部故障时，必须迅速将变压器切除。这点需切记。
2、外部故障
变压器外部故障主要是变压器套管和引出线上发生的相间短路和接地短路。发生这类故障时，也应迅速切除变压器，以尽量减少短路电流对变压器的冲击。
二、变压器不正常工作状态
变压器不正常工作状态主要变现为：
（1）外部短路引起的电流。
（2）过负荷。
（3）油箱漏油造成的油面降低。
（4）变压器中性点电压升高或外部电压过高或频率降低等引起的过励磁。
三、变压器应装设的保护装置
（1）反映变压器油箱内部故障和油面降低的瓦斯保护。
（2）反映变压器绕组和引出线相间短路、中性点直接接地系统绕组和引出线的单相接地短路的纵差保护或电流速断保护。
（3）反映变压器外部相间短路并作为瓦斯保护盒差动保护（或电流速断保护）后备的过电流保护（或复合电压起动的过电流保护或负序过电流保护）。
（4）反映中性点直接接地系统中变压器外部、内部接地短路的零序电流保护。
（5）反映变压器对称过负荷的过负荷保护。
（6）反映变压器过励磁的保护。
四、变压器的主保护
（一）瓦斯保护
（1）瓦斯保护的基本工作原理
反映故障时气体数量和油流速度的保护称为瓦斯保护。当变压器内部故障时，故障点局部高温使变压器油温升高，体积膨胀，油内空气被排出而形成上升气体。若故障点产生电弧，则变压器油和绝缘材料将分解出大量气体，这些气体自油箱流向储油柜。
故障程度越严重，产生气体越多，流向储油柜的油流速度越快。由于气体数量和油流速度能直接反映变压器故障性质和严重程度，股产生少量气体和气流速度较小时，轻瓦斯动作于信号;故障严重，油流速度高时，重瓦斯保护瞬时作用于跳闸。
气体继电器是构成瓦斯保护的主要元件，它是安装在油箱与储油柜的联管中部，这样油箱内部气体必须通过气体继电器才能流向储油柜。为了使气体顺利地流向储油柜，老式变压器要求油箱与联管都要有一定倾斜度，其中油箱要求有1%-1.5%，联管要求有2%-4%的倾斜度。
新型的变压器在容易聚集气体的地方（如套管升高座）装有集气分管，各集气分管都接入集气总管，然后将集气总管接到气体继电器前端的联管上。这样，只要集气管和联管有一定倾斜度，气体就能流入储油柜，所以油箱就没有倾斜度方面的要求了。
目前，国内采用开口杯挡板式气体继电器，其工作原理如下：
1）正常工作时，开口杯中充满了油，由于开口杯自身重力产生的力矩小于平衡锤产生的力矩，所以开口杯向上顶，干簧触点断开。
2）当变压器油箱内部发生轻微故障时，少量气体将聚集在继电器的顶部，使继电器内的油面下降，开口杯露出油面，由于开口杯自身重量加上杯内的油重量所产生的力矩大于平衡锤产生的力矩，因此开口杯向下转动，当固定在开口杯上的磁铁随开口杯下降到接近干簧触点时，该触点闭合发出轻瓦斯动作信号。
3）当油箱内部发生严重故障时，就会产生大量的气体并伴随着油流冲击挡板，当油流速度达到继电器的整定值时，挡板被冲到一定的位置，固定在挡板上的磁铁就接近于干簧触点，使该触点闭合，该触点闭合动作于断路器跳闸。
（2）瓦斯保护的整定
1）轻瓦斯保护的整定
轻瓦斯动作值的大小用气体容量大小表示。一般轻瓦斯保护的气体容积范围为20 -300cm 3;气体容量的调整可通过改变重锤的力臂长度来实现。
2）重瓦斯保护的整定
重瓦斯保护动作值的大小用油流速度大小来表示。对油流的一般要求：自冷式变压器为0.8-1.0m/s，强油循环变压器为1.0-1.2m/s，120MVA以上的变压器为1.2-1.3m/s。
（3）瓦斯保护的优缺点
瓦斯保护的主要优点是结构简单，能全面反映变压器油箱内部的各种故障。特别是当发生匝间短路且被短接的匝数很少时，故障回路的电流虽然很大，可能造成严重的局部过热，但反映在外部电路的电流变化却很小，甚至连灵敏性较高的差动保护也可能不动作。因此，瓦斯保护对反映这类故障具有特别重要的意义。此外，瓦斯保护是铁芯烧损的唯一保护。瓦斯保护由于简单、灵敏、经济而被广泛使用，在800KVA及以上的油浸式变压器和400KVA及以上的室内油浸式变压器均应装设瓦斯保护。
瓦斯保护的主要缺点是不能反映变压器套管及引出线的故障。所以瓦斯保护不能作为变压器地唯一主保护，它与差动保护共同作为变压器地主保护。
（二）差动保护
1、差动保护的基本原理
变压器差动保护是按循环电流原理构成的，它能正确区分变压器内、外故障，并能瞬时切除保护区内的故障。变压器两侧分别装设电流互感器TA1和TA2，其二次线圈按环流原则相串联，差动继电器接在差流回路上。
正常运行或外部故障时，变压器两侧都有电流通过，两个电流互感器的变比若选择适当时，二次电流I12和I22的大小相等，方向相同，而在差动回路中I12和I22的方向相反，因而差动继电器KD中的电流等于两侧电流互感器二次电流之差，电流为零，所以正常运行或外部故障时继电器不会动作。
当变压器内部发生故障时，两侧电流互感器的二次电流Id12和Id22在差动回路中方向相同，差动继电器流过的电流为两电流之和，使差动继电器动作。
实际上，由于变压器励磁涌流、接线方式和电流互感器的误差等因素的影响，差动继电器中会流过不平衡电流，不平衡电流越大，继电器的动作电流越大，致使差动保护的灵敏性降低。因此差动保护需要解决的主要问题之一是采用各种措施避免不平衡电流的影响，在保证选择性的条件下，还要保证内部故障时有足够的灵敏性和速动性。
2、差动保护的特殊问题
1）励磁电流的影响
变压器正常运行时的励磁电流只流过电源侧，通过电流互感器反映到差动回路造成不平衡电流。不过在正常情况下，变压器励磁电流很小，一般不超过额定电流的1%;在外部故障时，由于电压降低，励磁电流也减小，所以它的影响就更小，故在实际整定时不予考虑。
2）励磁涌流的影响
当变压器空载合闸时，可能出现很大的励磁涌流，其值最大可达变压器额定电流的6-8倍。它经变压器电源侧电流互感器传到二次侧，如流入差动回路，往往会导致差动保护的误动作。
防止励磁涌流引起差动保护误动的措施：
（1）采用差动速断保护。由于差动速断保护有固有动作时间，故动作电流无需避开最大电流，此方案灵敏性低，只适用于小型变压器。
（2）采用带中间速饱和变流器的差动继电器。中间速饱和变流器可以抑制励磁涌流的传变，从而防止保护的误动。但由于内部短路时暂态电流也含有非周期分量，故保护应延时动作。加之由于三相涌流中往往有一相无非周期分量，以致该相速饱和变流器不起作用，这又必须使保护动作值加大，故保护的灵敏性降低。由于这种方法动作迟缓，灵敏性差，只适用于中、小型变压器。
（3）采用二次谐波制动。在励磁涌流中，除基波、非周期分量电流以外，二次谐波电流为最大，这是励磁涌流最明显的特征，因为在其他工况下，很少有二次谐波产生。这是大型变压器差动保护防止励磁涌流的主要措施。
（4）利用励磁涌流波形具有明显间断角的特征来避免励磁涌流。目前有两种方案，一种是直接鉴别间断角的大小来判断是励磁涌流还是内部短路。另一种是比较励磁涌流和二次短路电流的变化率。
（5）在变压器各电压侧的绕组上单独装设差动保护，于是励磁涌流不再进入差动回路。
3）变压器各侧电流相位不同的影响
变压器长采用Y，d11接线方式，因此，变压器两侧电流的相位不一致。在正常情况下，变压器三角形侧的线电流比星形侧对应的电流超前30°。若两侧电流互感器采用相同的接线方式，则二次侧电流也相差30°。因此必须补偿由于两侧电流相位不同而引起的不平衡电流。
4）各侧电流互感器误差不同的影响
由于各电流互感器励磁特性不同及二次负荷不同，因此在差动回路中会引起较大的不平衡电流。
5）电流互感器的计算变比与选用的标准变比不同的影响
这种变比不同会引起不平衡电流，当这种不平衡电流大于5%额定负载电流时，应采取补偿措施。常用补偿方法是采用辅助自耦变流器，或利用差动继电器的平衡线圈来进行平衡。
6）变压器调压的影响
变压器在运行中需要根据系统电压的要求进行调压，实际上就是改变变压器的变比，因此将产生不平衡电流。不平衡电流的大小与调压的范围有关。由于在运行中不可能随变压器分接头改变而重新调整继电器，因此，由于变压器调压而引起的不平衡电流应在整定保护动作值时考虑躲过。
1、内部故障
变压器内部故障主要包括绕组相间短路、绕组匝间短路和中性点接地系统绕组地接地短路等。这些故障危害很大，因为短路电流产生的高温电弧不仅会烧毁绕组绝缘盒铁芯，还会使绝缘材料和变压器油分解而产生大量气体，有可能使变压器油箱局部变形、破裂，甚至发生油箱爆炸事故。因此，当变压器发生内部故障时，必须迅速将变压器切除。这点需切记。
2、外部故障
变压器外部故障主要是变压器套管和引出线上发生的相间短路和接地短路。发生这类故障时，也应迅速切除变压器，以尽量减少短路电流对变压器的冲击。
二、变压器不正常工作状态
变压器不正常工作状态主要变现为：
（1）外部短路引起的电流。
（2）过负荷。
（3）油箱漏油造成的油面降低。
（4）变压器中性点电压升高或外部电压过高或频率降低等引起的过励磁。
三、变压器应装设的保护装置
（1）反映变压器油箱内部故障和油面降低的瓦斯保护。
（2）反映变压器绕组和引出线相间短路、中性点直接接地系统绕组和引出线的单相接地短路的纵差保护或电流速断保护。
（3）反映变压器外部相间短路并作为瓦斯保护盒差动保护（或电流速断保护）后备的过电流保护（或复合电压起动的过电流保护或负序过电流保护）。
（4）反映中性点直接接地系统中变压器外部、内部接地短路的零序电流保护。
（5）反映变压器对称过负荷的过负荷保护。
（6）反映变压器过励磁的保护。
四、变压器的主保护
（一）瓦斯保护
（1）瓦斯保护的基本工作原理
反映故障时气体数量和油流速度的保护称为瓦斯保护。当变压器内部故障时，故障点局部高温使变压器油温升高，体积膨胀，油内空气被排出而形成上升气体。若故障点产生电弧，则变压器油和绝缘材料将分解出大量气体，这些气体自油箱流向储油柜。
故障程度越严重，产生气体越多，流向储油柜的油流速度越快。由于气体数量和油流速度能直接反映变压器故障性质和严重程度，股产生少量气体和气流速度较小时，轻瓦斯动作于信号;故障严重，油流速度高时，重瓦斯保护瞬时作用于跳闸。
气体继电器是构成瓦斯保护的主要元件，它是安装在油箱与储油柜的联管中部，这样油箱内部气体必须通过气体继电器才能流向储油柜。为了使气体顺利地流向储油柜，老式变压器要求油箱与联管都要有一定倾斜度，其中油箱要求有1%-1.5%，联管要求有2%-4%的倾斜度。
新型的变压器在容易聚集气体的地方（如套管升高座）装有集气分管，各集气分管都接入集气总管，然后将集气总管接到气体继电器前端的联管上。这样，只要集气管和联管有一定倾斜度，气体就能流入储油柜，所以油箱就没有倾斜度方面的要求了。
目前，国内采用开口杯挡板式气体继电器，其工作原理如下：
1）正常工作时，开口杯中充满了油，由于开口杯自身重力产生的力矩小于平衡锤产生的力矩，所以开口杯向上顶，干簧触点断开。
2）当变压器油箱内部发生轻微故障时，少量气体将聚集在继电器的顶部，使继电器内的油面下降，开口杯露出油面，由于开口杯自身重量加上杯内的油重量所产生的力矩大于平衡锤产生的力矩，因此开口杯向下转动，当固定在开口杯上的磁铁随开口杯下降到接近干簧触点时，该触点闭合发出轻瓦斯动作信号。
3）当油箱内部发生严重故障时，就会产生大量的气体并伴随着油流冲击挡板，当油流速度达到继电器的整定值时，挡板被冲到一定的位置，固定在挡板上的磁铁就接近于干簧触点，使该触点闭合，该触点闭合动作于断路器跳闸。
（2）瓦斯保护的整定
1）轻瓦斯保护的整定
轻瓦斯动作值的大小用气体容量大小表示。一般轻瓦斯保护的气体容积范围为20 -300cm 3;气体容量的调整可通过改变重锤的力臂长度来实现。
2）重瓦斯保护的整定
重瓦斯保护动作值的大小用油流速度大小来表示。对油流的一般要求：自冷式变压器为0.8-1.0m/s，强油循环变压器为1.0-1.2m/s，120MVA以上的变压器为1.2-1.3m/s。
（3）瓦斯保护的优缺点
瓦斯保护的主要优点是结构简单，能全面反映变压器油箱内部的各种故障。特别是当发生匝间短路且被短接的匝数很少时，故障回路的电流虽然很大，可能造成严重的局部过热，但反映在外部电路的电流变化却很小，甚至连灵敏性较高的差动保护也可能不动作。因此，瓦斯保护对反映这类故障具有特别重要的意义。此外，瓦斯保护是铁芯烧损的唯一保护。瓦斯保护由于简单、灵敏、经济而被广泛使用，在800KVA及以上的油浸式变压器和400KVA及以上的室内油浸式变压器均应装设瓦斯保护。
瓦斯保护的主要缺点是不能反映变压器套管及引出线的故障。所以瓦斯保护不能作为变压器地唯一主保护，它与差动保护共同作为变压器地主保护。
（二）差动保护
1、差动保护的基本原理
变压器差动保护是按循环电流原理构成的，它能正确区分变压器内、外故障，并能瞬时切除保护区内的故障。变压器两侧分别装设电流互感器TA1和TA2，其二次线圈按环流原则相串联，差动继电器接在差流回路上。
正常运行或外部故障时，变压器两侧都有电流通过，两个电流互感器的变比若选择适当时，二次电流I12和I22的大小相等，方向相同，而在差动回路中I12和I22的方向相反，因而差动继电器KD中的电流等于两侧电流互感器二次电流之差，电流为零，所以正常运行或外部故障时继电器不会动作。
当变压器内部发生故障时，两侧电流互感器的二次电流Id12和Id22在差动回路中方向相同，差动继电器流过的电流为两电流之和，使差动继电器动作。
实际上，由于变压器励磁涌流、接线方式和电流互感器的误差等因素的影响，差动继电器中会流过不平衡电流，不平衡电流越大，继电器的动作电流越大，致使差动保护的灵敏性降低。因此差动保护需要解决的主要问题之一是采用各种措施避免不平衡电流的影响，在保证选择性的条件下，还要保证内部故障时有足够的灵敏性和速动性。
2、差动保护的特殊问题
1）励磁电流的影响
变压器正常运行时的励磁电流只流过电源侧，通过电流互感器反映到差动回路造成不平衡电流。不过在正常情况下，变压器励磁电流很小，一般不超过额定电流的1%;在外部故障时，由于电压降低，励磁电流也减小，所以它的影响就更小，故在实际整定时不予考虑。
2）励磁涌流的影响
当变压器空载合闸时，可能出现很大的励磁涌流，其值最大可达变压器额定电流的6-8倍。它经变压器电源侧电流互感器传到二次侧，如流入差动回路，往往会导致差动保护的误动作。
防止励磁涌流引起差动保护误动的措施：
（1）采用差动速断保护。由于差动速断保护有固有动作时间，故动作电流无需避开最大电流，此方案灵敏性低，只适用于小型变压器。
（2）采用带中间速饱和变流器的差动继电器。中间速饱和变流器可以抑制励磁涌流的传变，从而防止保护的误动。但由于内部短路时暂态电流也含有非周期分量，故保护应延时动作。加之由于三相涌流中往往有一相无非周期分量，以致该相速饱和变流器不起作用，这又必须使保护动作值加大，故保护的灵敏性降低。由于这种方法动作迟缓，灵敏性差，只适用于中、小型变压器。
（3）采用二次谐波制动。在励磁涌流中，除基波、非周期分量电流以外，二次谐波电流为最大，这是励磁涌流最明显的特征，因为在其他工况下，很少有二次谐波产生。这是大型变压器差动保护防止励磁涌流的主要措施。
（4）利用励磁涌流波形具有明显间断角的特征来避免励磁涌流。目前有两种方案，一种是直接鉴别间断角的大小来判断是励磁涌流还是内部短路。另一种是比较励磁涌流和二次短路电流的变化率。
（5）在变压器各电压侧的绕组上单独装设差动保护，于是励磁涌流不再进入差动回路。
3）变压器各侧电流相位不同的影响
变压器长采用Y，d11接线方式，因此，变压器两侧电流的相位不一致。在正常情况下，变压器三角形侧的线电流比星形侧对应的电流超前30°。若两侧电流互感器采用相同的接线方式，则二次侧电流也相差30°。因此必须补偿由于两侧电流相位不同而引起的不平衡电流。
4）各侧电流互感器误差不同的影响
由于各电流互感器励磁特性不同及二次负荷不同，因此在差动回路中会引起较大的不平衡电流。
5）电流互感器的计算变比与选用的标准变比不同的影响
这种变比不同会引起不平衡电流，当这种不平衡电流大于5%额定负载电流时，应采取补偿措施。常用补偿方法是采用辅助自耦变流器，或利用差动继电器的平衡线圈来进行平衡。
6）变压器调压的影响
变压器在运行中需要根据系统电压的要求进行调压，实际上就是改变变压器的变比，因此将产生不平衡电流。不平衡电流的大小与调压的范围有关。由于在运行中不可能随变压器分接头改变而重新调整继电器，因此，由于变压器调压而引起的不平衡电流应在整定保护动作值时考虑躲过。