1 變壓器可能發(fā)生的故障和不正常運(yùn)行方式
變壓器在電力系統(tǒng)中廣泛地用來(lái)升高或降低電壓，是電力系統(tǒng)不可缺少的重要電氣設(shè)備�，F(xiàn)代生產(chǎn)的變壓器，雖然在設(shè)計(jì)和材料方面有所改進(jìn)，結(jié)構(gòu)上比較可靠，相當(dāng)于輸電線路和發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，變壓器故障機(jī)會(huì)也比較少。但在實(shí)際運(yùn)行中，仍有可能發(fā)生各種類型的故障和異常運(yùn)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(yùn)行情況對(duì)電力系統(tǒng)的影響限制到最小范圍，應(yīng)根據(jù)變壓器的容量等級(jí)和重要程度的不同，裝設(shè)必要的、性能良好及動(dòng)作可靠的繼電保護(hù)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(duì)變壓器立即產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷作用。在這種情況下，可通過(guò)檢測(cè)其不平衡的電流和電壓進(jìn)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(diǎn)直接接地側(cè)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(huì)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(shí)，短路故障還將引起系統(tǒng)電壓降低，如延長(zhǎng)低電壓的時(shí)間，能造成旋轉(zhuǎn)電機(jī)之間失去同步，失步電機(jī)引起的過(guò)渡電流將造成其他繼電器動(dòng)作而誤跳閘。因此，在變壓器內(nèi)部發(fā)生電氣故障時(shí)，應(yīng)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(duì)變壓器產(chǎn)生緩慢發(fā)展的損害作用，但一般不能檢測(cè)其不平衡的電量。故障原因有：
① 導(dǎo)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(guò)低或油路阻塞，容易在繞組上產(chǎn)生局部熱點(diǎn);
③ 分接開關(guān)故障，并聯(lián)運(yùn)行變壓器之間產(chǎn)生環(huán)流和負(fù)荷分配不合理，造成變壓器繞組過(guò)熱。
這種故障在初始階段是不嚴(yán)重的，不會(huì)對(duì)變壓器立即產(chǎn)生損傷，但在發(fā)展過(guò)程中可能產(chǎn)生各種故障，擴(kuò)大事故的范圍，因此，應(yīng)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(dǎo)致引出線的相間短路或單相接地短路。
實(shí)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(tái)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(guò)負(fù)荷引起的過(guò)電流;中性點(diǎn)直接接地電力網(wǎng)中，外部接地短路引起的過(guò)電流及中性點(diǎn)過(guò)電壓;冷卻系統(tǒng)故障;變壓器的溫度升高等。
變壓器保護(hù)可以分為短路保護(hù)和異常運(yùn)行保護(hù)兩類。短路保護(hù)用以反應(yīng)被保護(hù)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(hù)裝置或斷路器拒動(dòng)，又有主保護(hù)和后備保護(hù)之分。異常運(yùn)行保護(hù)用以反應(yīng)各種可能給機(jī)組造成危害的異常工況，此保護(hù)作用于發(fā)信號(hào)。這類保護(hù)一般只裝設(shè)一套專用繼電器，不設(shè)后備保護(hù)。
2 變壓器保護(hù)裝置裝設(shè)的原則
大型變壓器的造價(jià)昂貴，一旦發(fā)生故障遭到損壞，其檢修難度大、時(shí)間長(zhǎng)，要造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。特別是在單臺(tái)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(dòng)。因此，在考慮大型變壓器繼電保護(hù)的總體配置時(shí)，除了保證其安全運(yùn)行外，還應(yīng)最大限度地縮小故障影響范圍，特別要防止保護(hù)裝置誤動(dòng)作或拒動(dòng)作。這樣，不僅要求有性能良好的保護(hù)繼電器，還要求在繼電保護(hù)的總體配置上盡量做到完善、合理。
對(duì)大型主變壓器保護(hù)，根據(jù)加強(qiáng)主保護(hù)、簡(jiǎn)化后備保護(hù)的原則，其主保護(hù)除瓦斯保護(hù)以往，可實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)雙重化;后備保護(hù)除零序保護(hù)應(yīng)與線路保護(hù)配合外，相間保護(hù)只保證對(duì)變壓器各側(cè)母線短路有靈敏度，允許不作為相鄰線路故障的后備保護(hù)。
根據(jù)《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，變壓器一般應(yīng)裝設(shè)下列繼電保護(hù)裝置：
1) 反應(yīng)變壓器油箱內(nèi)部故障和油面降低的瓦斯保護(hù)
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(yīng)裝設(shè)瓦斯保護(hù)。當(dāng)油箱內(nèi)部故障產(chǎn)生輕微瓦斯或油面降低時(shí)，保護(hù)裝置應(yīng)瞬時(shí)動(dòng)作于信號(hào);當(dāng)產(chǎn)生大量瓦斯時(shí)，保護(hù)裝置應(yīng)動(dòng)作于跳閘，斷開變壓器各側(cè)的斷路器。對(duì)于高壓側(cè)未裝設(shè)斷路器的線路—變壓器組，當(dāng)未采取使瓦斯保護(hù)能切除變壓器內(nèi)部故障的技術(shù)措施時(shí)，瓦斯保護(hù)可僅動(dòng)作于信號(hào)。
2) 反應(yīng)變壓器繞組、引出線的相間短路，中性點(diǎn)直接接地側(cè)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(hù)或縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)
① 對(duì)于6300KVA 以下廠用工作變壓器和并聯(lián)運(yùn)行的變壓器，10000KVA以下廠用備用變壓器和單獨(dú)運(yùn)行的變壓器(通常是中、小型發(fā)電機(jī)組的配套設(shè)備)，當(dāng)后備保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限大于0.5s時(shí)，應(yīng)裝設(shè)電流速斷保護(hù)。
② 對(duì)于6300KVA 及以上廠用工作變壓器和并列運(yùn)行的變壓器，10000KVA及以上廠用備用變壓器和單獨(dú)運(yùn)行的變壓器(是大型發(fā)電機(jī)組配套設(shè)備)，以及2000KVA 及以上用電流速斷保護(hù)靈敏度不符合要求(  )的變壓器，應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。
③ 對(duì)于高壓側(cè)電壓為330KV 及以上的變壓器，可裝設(shè)快速雙重差動(dòng)保護(hù)。
為滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定方面的要求，當(dāng)變壓器發(fā)生故障時(shí)，要求保護(hù)裝置快速切除故障。通常變壓器的瓦斯保護(hù)和縱差保護(hù)已構(gòu)成了雙重化快速保護(hù)，但變壓器外部引出線上的故障只有一套快速保護(hù)。當(dāng)變壓器故障差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)時(shí)，將由帶延時(shí)的后備保護(hù)切除。為了保證在任何情況下都能快速切除故障，對(duì)高壓側(cè)電壓為330KV 及以上的變壓器，應(yīng)裝設(shè)雙重差動(dòng)保護(hù)。
④ 對(duì)于發(fā)電機(jī)變壓器組，當(dāng)發(fā)電機(jī)與變壓器之間有斷路器時(shí)，變壓器應(yīng)裝設(shè)單獨(dú)的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù);當(dāng)發(fā)電機(jī)與變壓器之間沒有斷路器時(shí)，100000KW 及以下的機(jī)組，可只裝設(shè)發(fā)電機(jī)變壓器組共用的差動(dòng)保護(hù);100000KW 及以上的機(jī)組，除共用差動(dòng)保護(hù)外，發(fā)電機(jī)還裝設(shè)單獨(dú)的差動(dòng)保護(hù);對(duì)200000KW 及以上的機(jī)組，還應(yīng)在變壓器上增設(shè)單獨(dú)的差動(dòng)保護(hù)，以實(shí)現(xiàn)完全雙重化快速保護(hù)方式。當(dāng)變壓器縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)對(duì)單相接地短路靈敏度不符合要求時(shí)，可增設(shè)零序差動(dòng)保護(hù)。
3) 反應(yīng)外部相間短路的過(guò)電流保護(hù)、復(fù)合電壓起動(dòng)的過(guò)電流保護(hù)、負(fù)序電流保護(hù)和阻抗保護(hù)
這些保護(hù)可作為變壓器主保護(hù)的后備保護(hù)，又可作相鄰母線或線路保護(hù)的后備。
過(guò)電流保護(hù)宜用于降壓變壓器。對(duì)于升壓變壓器，系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)變壓器和過(guò)電流保護(hù)不符合靈敏度要求(  <1.25)的降壓變壓器，一般采用復(fù)合電壓起動(dòng)的過(guò)電流保護(hù)。對(duì)于63000KVA 及以上的升壓變壓器，采用負(fù)序電流和單相式低壓起動(dòng)的過(guò)電流保護(hù)。
對(duì)于升壓變壓器和系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)變壓器，當(dāng)采用以上保護(hù)不能滿足靈敏性和選擇性要求時(shí)，可采用阻抗保護(hù)。各項(xiàng)保護(hù)裝置動(dòng)作后，應(yīng)帶時(shí)限動(dòng)作于跳閘。
4) 反應(yīng)中性點(diǎn)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(hù)
在中性點(diǎn)直接接地的電力網(wǎng)中，如變壓器的中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行，對(duì)外部單相接地引起的過(guò)電流，應(yīng)裝設(shè)零序電流保護(hù)。
① 零序電流保護(hù)可由兩段組成，每段各設(shè)兩個(gè)時(shí)限，并均以較短的時(shí)限動(dòng)作于母線聯(lián)絡(luò)斷路器，以較長(zhǎng)的時(shí)限有選擇性地動(dòng)作于斷開變壓器各側(cè)斷路器。
② 在中性點(diǎn)直接接地的電力網(wǎng)中，如低壓側(cè)有電源的變壓器中性點(diǎn)可能接地運(yùn)行或不接地運(yùn)行時(shí)，對(duì)外部單相接地引起的過(guò)電流，以及對(duì)因失去接地中性點(diǎn)引起的電壓升高，應(yīng)按下列規(guī)定裝設(shè)保護(hù)裝置：
a、全絕緣變壓器。按規(guī)定裝設(shè)零序電流保護(hù)。并增設(shè)零序過(guò)電壓保護(hù)。當(dāng)電力網(wǎng)發(fā)生單相接地短路而失去接地中性點(diǎn)時(shí)，零序過(guò)電壓保護(hù)經(jīng)延時(shí)動(dòng)作于斷開變壓器各側(cè)斷路器。
b、分級(jí)絕緣變壓器。變壓器中性點(diǎn)裝設(shè)放電間隙時(shí)，裝設(shè)零序電流保護(hù)，并增設(shè)反應(yīng)零序電壓和間隙放電電流的零序電流電壓保護(hù)。當(dāng)電力網(wǎng)發(fā)生單相接地短路而失去接地中性點(diǎn)時(shí)，零序電流電壓保護(hù)經(jīng)延時(shí)動(dòng)作于斷開變壓器各側(cè)斷路器。
變壓器中性點(diǎn)不裝設(shè)放電間隙時(shí)，應(yīng)裝設(shè)兩段零序電流保護(hù)和一套零序電流電壓保護(hù)。零序電流保護(hù)以較短的時(shí)限斷開母線聯(lián)絡(luò)變壓器，以較長(zhǎng)的時(shí)限動(dòng)作于切除中性點(diǎn)接地的變壓器，應(yīng)先切除中性點(diǎn)不接地變壓器，后切除中性點(diǎn)接地變壓器。
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