電力變壓器的故障分析及保護(hù)

李 強(qiáng) 高云鳳 武 強(qiáng)

（濟(jì)南重工股份有限公司，濟(jì)南 250109）

變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理，把電壓和電流轉(zhuǎn)變成另一種（或幾種）同頻率的不同電壓、電流的電氣設(shè)備。目前，廣泛使用的變壓器類型有油浸式變壓器、氣體絕緣變壓器和干式變壓器，其中油浸式變壓器有全密封式變壓器和自由呼吸式變壓器兩種，其主要作用是變換、傳輸電能，在電力系統(tǒng)中起著決定性的作用。變壓器能否正常運(yùn)行直接影響供電的連續(xù)性和電網(wǎng)的安全。

1 變壓器故障分析

1.1 運(yùn)行異常分析

1.1.1 變壓器運(yùn)行聲音不正常

正常運(yùn)行的變壓器聲音應(yīng)為均勻、低沉的交流震動(dòng)的聲音，無明顯的變化。若運(yùn)行過程中變壓器的聲音出現(xiàn)突然的變化、不均勻或明顯的不正常振動(dòng)聲音，可認(rèn)為這是異常現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行分析排除，必要時(shí)將變壓器停運(yùn)。

變壓器運(yùn)行中聲音突然升高，可能是由于系統(tǒng)電壓升高、電壓波形有變化，或是大容量動(dòng)力設(shè)備啟動(dòng)；變壓器運(yùn)行中聲音由低沉變成嘶啞聲，可能是由于鐵芯松動(dòng)，結(jié)構(gòu)上有螺釘或其他零部件松動(dòng)；運(yùn)行中有放電聲音，是由于有絕緣件損壞。此外，變壓器運(yùn)行系統(tǒng)短路或接地時(shí)，會(huì)有很大的短路電流通過，使變壓器產(chǎn)生很大的噪聲。

1.1.2 三相電壓不平衡

變壓器運(yùn)行中三相電壓超過允許值或其中一相、二相有升高或降落現(xiàn)象，而不是正常的負(fù)荷壓降，這可能是由于一相斷路或一相熔斷器熔斷，繞組局部或匝間短路，造成三相電壓不平衡；還可能是由于三相負(fù)載不平衡，引起中性點(diǎn)電壓偏移。

1.1.3 變壓器運(yùn)行中溫升超過正常范圍

一般油浸自冷式變壓器運(yùn)行中其上層油溫不得超過85℃。變壓器運(yùn)行中油溫不斷升高，以至于超過其允許值，造成變壓器油溫度異常。油溫異常的原因可分為變壓器自身內(nèi)部原因和外在負(fù)載、環(huán)境或循環(huán)冷卻系統(tǒng)原因，如繞組層間或匝間短路，分接開關(guān)接觸不良，冷卻系統(tǒng)故障、缺油，變壓器過負(fù)荷，鐵芯片間絕緣或穿心螺栓絕緣損壞，變壓器鐵損增大，運(yùn)行環(huán)境發(fā)生突然變化，變壓器通風(fēng)情況不好，二次回路中有大電阻短路，變壓器油質(zhì)下降等。

1.2 內(nèi)部故障分析

1.2.1 油浸式變壓器的內(nèi)部故障

在油浸式變壓器中，內(nèi)部故障可分為以下幾類。一是有氣體產(chǎn)生的故障，主要為：繞組絕緣制造缺陷產(chǎn)生的小電弧而產(chǎn)生的氣體；絕緣材料緩慢老化后異常放電而產(chǎn)生的氣體；匝間短路而產(chǎn)生的氣體。二是內(nèi)部過電壓同時(shí)伴有較高過電流的故障，包括單相就地短路和相間短路。這些故障可能是外部雷擊或操作時(shí)產(chǎn)生過電壓而造成的。

1.2.2 干式變壓器的內(nèi)部故障

干式變壓器的內(nèi)部故障主要有閘間短路和單相就地短路，發(fā)生這些故障原因有變壓器在制造時(shí)絕緣的缺陷和長(zhǎng)期過載運(yùn)行而造成的絕緣老化。

2 變壓器的保護(hù)

通過對(duì)變壓器常見故障的分析，人們可以采取針對(duì)性的保護(hù)措施，有效地保障變壓器的安全運(yùn)行，以免發(fā)生重大事故。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，變壓器的保護(hù)主要有三方面內(nèi)容：變壓器回路的保護(hù)、供電側(cè)和負(fù)載側(cè)的保護(hù)以及變壓器的保護(hù)。變壓器的保護(hù)應(yīng)該遵循四個(gè)基本要求：選擇性、速動(dòng)性、靈敏性和可靠性。此外，保護(hù)裝置要求投資少，便于調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)，盡可能滿足用電設(shè)備運(yùn)行的條件。

2.1 變壓器回路的保護(hù)

變壓器及其回路必須安裝保護(hù)措施，以減少異常電流和過電壓造成的設(shè)備損壞，確保變壓器的正常運(yùn)行。保護(hù)措施選擇的原則為：當(dāng)有多個(gè)電流斷開裝置的保護(hù)附件都檢測(cè)到故障時(shí)，只能由離故障最近的電流切斷設(shè)備動(dòng)作來切除故障點(diǎn)。例如，電力變壓器的二次側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，只能由二次側(cè)的斷路器跳閘，一次側(cè)的斷路器保持閉合。

一般地，用于切斷故障電流的裝置有兩種，即斷路器和熔斷器。在選擇斷路器作為變壓器回路的保護(hù)裝置時(shí)，斷路器必須和保護(hù)繼電器相連，保護(hù)繼電器具有電流檢測(cè)、故障檢測(cè)和給斷路器發(fā)送跳閘指令的功能；選擇熔斷器作為保護(hù)裝置時(shí)，必須確保熔芯在特定故障狀態(tài)下能夠熔斷。

2.2 關(guān)于供電側(cè)和負(fù)載側(cè)的保護(hù)

變壓器供電側(cè)（一次側(cè)）的故障通常為過電壓，過電壓類型主要有兩種。一種是雷電過電壓，由于雷擊發(fā)送在給變壓器供電的架空線上或其附近而造成變壓器一次側(cè)過電壓；另一種為操作類過電壓，如斷路器或負(fù)荷開關(guān)斷開而產(chǎn)生的過電壓。根據(jù)應(yīng)用，需要防護(hù)這兩種過電壓時(shí)，通常采用氧化鋅避雷器即可，可以將其安裝在變壓器的高壓套管處。

變壓器過負(fù)荷常常是負(fù)荷逐漸增加或電氣裝置擴(kuò)容，導(dǎo)致視在容量增加而造成的。過負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致變壓器絕緣油及繞組溫度升高，縮短變壓器的使用壽命。專門的變壓器過負(fù)荷保護(hù)裝置，通常叫做熱過載繼電器。熱過載保護(hù)是基于電流測(cè)量和變壓器的熱時(shí)間常數(shù)來模擬的變壓器繞組溫度，有些還考慮了非線性負(fù)載的諧波效應(yīng)。此外，油浸式變壓器通常裝有控制油溫的溫控器，干式變壓器采用埋設(shè)在繞組絕緣最熱部分的熱傳感器。以上這些保護(hù)裝置一般提供兩組檢測(cè)值，第一組用于發(fā)出警示提醒維護(hù)人員，第二組用于斷開變壓器。

2.3 變壓器的保護(hù)

對(duì)于油浸式變壓器，有兩種工具可以檢測(cè)其內(nèi)部故障的設(shè)備，其分別為瓦斯檢測(cè)器和DGPT。

瓦斯檢測(cè)器專門用于檢測(cè)帶儲(chǔ)油罐的變壓器，如圖1所示，瓦斯檢測(cè)器安裝在連接變壓器有限和儲(chǔ)油罐管道上，檢測(cè)緩慢釋放的氣體和內(nèi)部過電壓引起的油回流。

圖1 帶儲(chǔ)油罐的變壓器

DGPT用于全密封式變壓器，如圖2所示，能夠檢測(cè)氣體、壓力和溫度。和瓦斯檢測(cè)器一樣，DGPT可以檢測(cè)氣體的排放和內(nèi)部過電壓，還可以檢測(cè)油溫。此外，瓦斯檢測(cè)器和DGPT都能夠檢測(cè)絕緣油的泄漏情況。

圖2 全密封式變壓器

如圖3所示，干式變壓器采用專門的繼電器，通過監(jiān)測(cè)埋設(shè)在變壓器繞組中的熱傳感器來防止二次側(cè)過載引發(fā)的過熱。內(nèi)部故障可以由安裝在變壓器一次側(cè)的斷路器或熔斷器來切除，采用斷路器時(shí)由相間和接地過電流保護(hù)給出跳閘指令。另外，由于閘間故障通常只會(huì)產(chǎn)生微小的過電流，干式變壓器沒有配備專門用于內(nèi)部故障檢測(cè)的附加保護(hù)設(shè)備，因此產(chǎn)生較小過電流的內(nèi)部故障無法通過熔斷器進(jìn)行保護(hù)，這種情況下，最好采用具有特性和整定值更靈活的過電流繼電器進(jìn)行保護(hù)。

圖3 干式變壓器

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)發(fā)現(xiàn)變壓器運(yùn)行異常時(shí)，應(yīng)及時(shí)停止運(yùn)行和排查檢修，以免發(fā)生重大事故，保證電力設(shè)備的安全運(yùn)行。通過對(duì)變壓器常見異常運(yùn)行狀態(tài)及故障的分析，本文提出了變壓器回路、供電側(cè)和負(fù)載側(cè)以及變壓器本體的保護(hù)措施。其目的是為變壓器設(shè)計(jì)、選型、回路配置及上下游保護(hù)提供良好的思路和方案，并在實(shí)際生產(chǎn)中保護(hù)好變壓器。