1 變壓器可能發(fā)生的故障和不正常運行方式
變壓器在電力系統(tǒng)中廣泛地用來升高或降低電壓，是電力系統(tǒng)不可缺少的重要電氣設備。現(xiàn)代生產(chǎn)的變壓器，雖然在設計和材料方面有所改進，結構上比較可靠，相當于輸電線路和發(fā)電機來說，變壓器故障機會也比較少。但在實際運行中，仍有可能發(fā)生各種類型的故障和異常運行情況。為了保證電力系統(tǒng)安全連續(xù)地供電，并將故障和異常運行情況對電力系統(tǒng)的影響限制到最小范圍，應根據(jù)變壓器的容量等級和重要程度的不同，裝設必要的、性能良好及動作可靠的繼電保護裝置。
變壓器的故障可分為內(nèi)部故障和外部故障。內(nèi)部故障是指變壓器油箱里面發(fā)生的故障，大致可分為兩類。
1)電氣故障
電氣故障將對變壓器立即產(chǎn)生嚴重的損傷作用。在這種情況下，可通過檢測其不平衡的電流和電壓進行分析。通常故障原因如下：
① 高壓或低壓繞組相間短路;
② 中性點直接接地側的單相接地短路;
③ 高壓或低壓繞組匝間短路;
④ 第三繞組上的接地故障或匝間短路。
內(nèi)部短路故障產(chǎn)生的電弧，不僅會損壞繞組的絕緣、燒毀鐵芯，而且由于絕緣材料和變壓器油因受熱分解而產(chǎn)生大量的氣體，有可能引起變壓器油箱爆炸。同時，短路故障還將引起系統(tǒng)電壓降低，如延長低電壓的時間，能造成旋轉電機之間失去同步，失步電機引起的過渡電流將造成其他繼電器動作而誤跳閘。因此，在變壓器內(nèi)部發(fā)生電氣故障時，應迅速將變壓器切除。
2) “初始”故障
“初始”故障即初始局部的故障。它將對變壓器產(chǎn)生緩慢發(fā)展的損害作用，但一般不能檢測其不平衡的電量。故障原因有：
① 導體之間電氣連接接觸不良或鐵芯故障，在變壓器油中可能產(chǎn)生間歇性電弧;
② 冷卻媒介不足將使變壓器油溫升高，如油位過低或油路阻塞，容易在繞組上產(chǎn)生局部熱點;
③ 分接開關故障，并聯(lián)運行變壓器之間產(chǎn)生環(huán)流和負荷分配不合理，造成變壓器繞組過熱。
這種故障在初始階段是不嚴重的，不會對變壓器立即產(chǎn)生損傷，但在發(fā)展過程中可能產(chǎn)生各種故障，擴大事故的范圍，因此，應盡可能快地消除。
變壓器最常見的外部故障，是油箱外部絕緣套管及引出線上的故障，可能導致引出線的相間短路或單相接地短路。
實踐證明，變壓器引出線上的相間短路，單相接地短路和繞組的匝間短路是比較常見的故障形式。三臺單相變壓器組成的變壓器組，發(fā)生內(nèi)部相間短路是不可能的，在三相變壓器中發(fā)生內(nèi)部相間短路的可能性也小。變壓器的不正常工作狀態(tài)主要是：由于外部短路和過負荷引起的過電流;中性點直接接地電力網(wǎng)中，外部接地短路引起的過電流及中性點過電壓;冷卻系統(tǒng)故障;變壓器的溫度升高等。
變壓器保護可以分為短路保護和異常運行保護兩類。短路保護用以反應被保護范圍內(nèi)發(fā)生的各種類型的短路故障，作用于斷路器跳閘。為了防止保護裝置或斷路器拒動，又有主保護和后備保護之分。異常運行保護用以反應各種可能給機組造成危害的異常工況，此保護作用于發(fā)信號。這類保護一般只裝設一套專用繼電器，不設后備保護。
2 變壓器保護裝置裝設的原則
大型變壓器的造價昂貴，一旦發(fā)生故障遭到損壞，其檢修難度大、時間長，要造成很大的經(jīng)濟損失。特別是在單臺容量占系統(tǒng)容量比例很大的情況下，發(fā)生故障后突然切除變壓器，將給電力系統(tǒng)造成很大的擾動。因此，在考慮大型變壓器繼電保護的總體配置時，除了保證其安全運行外，還應最大限度地縮小故障影響范圍，特別要防止保護裝置誤動作或拒動作。這樣，不僅要求有性能良好的保護繼電器，還要求在繼電保護的總體配置上盡量做到完善、合理。
對大型主變壓器保護，根據(jù)加強主保護、簡化后備保護的原則，其主保護除瓦斯保護以往，可實現(xiàn)快速保護雙重化;后備保護除零序保護應與線路保護配合外，相間保護只保證對變壓器各側母線短路有靈敏度，允許不作為相鄰線路故障的后備保護。
根據(jù)《繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程》的規(guī)定，變壓器一般應裝設下列繼電保護裝置：
1) 反應變壓器油箱內(nèi)部故障和油面降低的瓦斯保護
容量為800KVA 及以上的油浸式變壓器和400KVA 及以上的車間內(nèi)油浸式變壓器，均應裝設瓦斯保護。當油箱內(nèi)部故障產(chǎn)生輕微瓦斯或油面降低時，保護裝置應瞬時動作于信號;當產(chǎn)生大量瓦斯時，保護裝置應動作于跳閘，斷開變壓器各側的斷路器。對于高壓側未裝設斷路器的線路—變壓器組，當未采取使瓦斯保護能切除變壓器內(nèi)部故障的技術措施時，瓦斯保護可僅動作于信號。
2) 反應變壓器繞組、引出線的相間短路，中性點直接接地側繞組、引出線和套管的接地短路，以及繞組匝間短路的電流速斷保護或縱聯(lián)差動保護
① 對于6300KVA 以下廠用工作變壓器和并聯(lián)運行的變壓器，10000KVA以下廠用備用變壓器和單獨運行的變壓器(通常是中、小型發(fā)電機組的配套設備)，當后備保護的動作時限大于0.5s時，應裝設電流速斷保護。
② 對于6300KVA 及以上廠用工作變壓器和并列運行的變壓器，10000KVA及以上廠用備用變壓器和單獨運行的變壓器(是大型發(fā)電機組配套設備)，以及2000KVA 及以上用電流速斷保護靈敏度不符合要求(  )的變壓器，應裝設縱聯(lián)差動保護。
③ 對于高壓側電壓為330KV 及以上的變壓器，可裝設快速雙重差動保護。
為滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定方面的要求，當變壓器發(fā)生故障時，要求保護裝置快速切除故障。通常變壓器的瓦斯保護和縱差保護已構成了雙重化快速保護，但變壓器外部引出線上的故障只有一套快速保護。當變壓器故障差動保護拒動時，將由帶延時的后備保護切除。為了保證在任何情況下都能快速切除故障，對高壓側電壓為330KV 及以上的變壓器，應裝設雙重差動保護。
④ 對于發(fā)電機變壓器組，當發(fā)電機與變壓器之間有斷路器時，變壓器應裝設單獨的縱聯(lián)差動保護;當發(fā)電機與變壓器之間沒有斷路器時，100000KW 及以下的機組，可只裝設發(fā)電機變壓器組共用的差動保護;100000KW 及以上的機組，除共用差動保護外，發(fā)電機還裝設單獨的差動保護;對200000KW 及以上的機組，還應在變壓器上增設單獨的差動保護，以實現(xiàn)完全雙重化快速保護方式。當變壓器縱聯(lián)差動保護對單相接地短路靈敏度不符合要求時，可增設零序差動保護。
3) 反應外部相間短路的過電流保護、復合電壓起動的過電流保護、負序電流保護和阻抗保護
這些保護可作為變壓器主保護的后備保護，又可作相鄰母線或線路保護的后備。
過電流保護宜用于降壓變壓器。對于升壓變壓器，系統(tǒng)聯(lián)絡變壓器和過電流保護不符合靈敏度要求(  <1.25)的降壓變壓器，一般采用復合電壓起動的過電流保護。對于63000KVA 及以上的升壓變壓器，采用負序電流和單相式低壓起動的過電流保護。
對于升壓變壓器和系統(tǒng)聯(lián)絡變壓器，當采用以上保護不能滿足靈敏性和選擇性要求時，可采用阻抗保護。各項保護裝置動作后，應帶時限動作于跳閘。
4) 反應中性點直接接地的電力網(wǎng)中，外部單相接地短路的零序電流保護
在中性點直接接地的電力網(wǎng)中，如變壓器的中性點直接接地運行，對外部單相接地引起的過電流，應裝設零序電流保護。
① 零序電流保護可由兩段組成，每段各設兩個時限，并均以較短的時限動作于母線聯(lián)絡斷路器，以較長的時限有選擇性地動作于斷開變壓器各側斷路器。
② 在中性點直接接地的電力網(wǎng)中，如低壓側有電源的變壓器中性點可能接地運行或不接地運行時，對外部單相接地引起的過電流，以及對因失去接地中性點引起的電壓升高，應按下列規(guī)定裝設保護裝置：
a、全絕緣變壓器。按規(guī)定裝設零序電流保護。并增設零序過電壓保護。當電力網(wǎng)發(fā)生單相接地短路而失去接地中性點時，零序過電壓保護經(jīng)延時動作于斷開變壓器各側斷路器。
b、分級絕緣變壓器。變壓器中性點裝設放電間隙時，裝設零序電流保護，并增設反應零序電壓和間隙放電電流的零序電流電壓保護。當電力網(wǎng)發(fā)生單相接地短路而失去接地中性點時，零序電流電壓保護經(jīng)延時動作于斷開變壓器各側斷路器。
變壓器中性點不裝設放電間隙時，應裝設兩段零序電流保護和一套零序電流電壓保護。零序電流保護以較短的時限斷開母線聯(lián)絡變壓器，以較長的時限動作于切除中性點接地的變壓器，應先切除中性點不接地變壓器，后切除中性點接地變壓器。
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