趙武波

朔州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 朔州 036000

0 引言

變壓器在電力系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。變壓器的容量通常是發(fā)電機(jī)的9倍以上。變壓器主要結(jié)合電磁感應(yīng)機(jī)理傳遞電參量以及電能等的設(shè)備，其主要應(yīng)用機(jī)理為交換交流變壓、交流變流和變化阻抗，以便合理輸送、分配和使用電能。

1 變壓器常見(jiàn)故障類型

作為典型的靜止電氣設(shè)備形式，變壓器需要長(zhǎng)期運(yùn)行，停電的可能性較小，而且變壓器絕大部分均安裝在戶外，受外界環(huán)境、電力負(fù)荷短路問(wèn)題等因素的干擾，任意一種潛在的不合規(guī)的運(yùn)行機(jī)制及問(wèn)題，均會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全問(wèn)題造成嚴(yán)重影響。

典型的變壓器故障包含油箱內(nèi)部故障以及油箱外部故障兩類。油箱內(nèi)部故障則表示不同繞組的相間短路、繞組匝間短路、中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)側(cè)繞組的單向接地短路等。相比外部故障形式，內(nèi)部故障的危險(xiǎn)性更高，故障點(diǎn)出現(xiàn)短路情況下，溫度將立即攀升，不僅會(huì)對(duì)繞組絕緣特性和鐵心造成影響，而且會(huì)進(jìn)一步加劇絕緣物質(zhì)、變壓器油等的影響，甚至出現(xiàn)油箱爆炸等情況[1]。

油箱外部故障形式則涵蓋了變壓器繞組導(dǎo)線內(nèi)短路、引出線和套管之間的相間短路、接地短路、閃絡(luò)、破碎導(dǎo)致的解體短路等問(wèn)題。

變壓器非常規(guī)工作情況下的故障形式包含外部接地短路導(dǎo)致的電壓攀升、電流過(guò)大、負(fù)荷過(guò)高，油箱中存在油面降低，冷卻系統(tǒng)故障導(dǎo)致的溫升情況，等等。

2 變壓器主保護(hù)形式

變壓器保護(hù)主要指變壓器出現(xiàn)此類故障以及非常規(guī)運(yùn)行工況下，保護(hù)可以切實(shí)規(guī)避斷路器跳閘繼而有效去除故障、產(chǎn)生信號(hào)告知運(yùn)行成員去除非常規(guī)的運(yùn)行故障。

2.1 瓦斯保護(hù)

在變壓器內(nèi)部存在故障的情況下，短路電流會(huì)進(jìn)一步提升變壓器的油溫，使油的體積極具擴(kuò)張，甚至存在沸騰問(wèn)題，隨著油內(nèi)空氣排出繼而產(chǎn)生大量的上升氣泡。如果故障位置存在電弧，那么變壓器油和絕緣材料會(huì)進(jìn)一步裂解形成諸多的氣體，從箱體流至上端油枕，故障越嚴(yán)重，則出現(xiàn)的氣體越多，流至油枕的氣流速率也更快，甚至氣流內(nèi)帶有許多細(xì)微且滾燙的變壓器油成分。結(jié)合這些氣體完成的保護(hù)即為氣體保護(hù)，也稱為瓦斯保護(hù)。

瓦斯保護(hù)典型的故障形式即漏油問(wèn)題、匝數(shù)不多的短路問(wèn)題、鐵心損壞、線圈短路、絕緣惡化、油面降低等。這些故障發(fā)生時(shí)往往差動(dòng)保護(hù)等其他保護(hù)均不能動(dòng)作，而瓦斯保護(hù)能夠觸發(fā)。因此，該保護(hù)為典型的設(shè)備內(nèi)部故障最為有效的保護(hù)形式。瓦斯保護(hù)核心圍繞瓦斯繼電器展開(kāi)，是典型的氣體繼電器，以及氣體保護(hù)的核心組件，安置于油箱與油枕的連接位置，由此油箱中的氣體需經(jīng)過(guò)瓦斯繼電器才可以流至油枕。

（1）瓦斯繼電器的動(dòng)作方式。在變壓器正常運(yùn)行狀態(tài)下，瓦斯繼電器中涵蓋了上下開(kāi)口的油杯，上油杯搭載了一對(duì)觸點(diǎn)和信號(hào)模塊連通，而下油杯也搭載了一對(duì)觸點(diǎn)和斷路器聯(lián)通，兩個(gè)油杯因?yàn)槠胶忮N影響而升高，其附著的兩個(gè)觸點(diǎn)也為斷開(kāi)形式。

如果變壓器出現(xiàn)輕微故障，將導(dǎo)致的氣體逐步攀升，侵入瓦斯繼電器中，自上而下去除其中的油，使油位降低，上油杯因?yàn)闅堄嘤土馗哂谵D(zhuǎn)軸的另一側(cè)平衡錘的力矩而下降。在此情況下，上油杯磁鐵挨著觸點(diǎn)，其雙桿簧觸電接近連通信號(hào)電路，出現(xiàn)燈光參量等，告示工作人員開(kāi)展檢修，即輕瓦斯動(dòng)作告警。

如果變壓器油箱中出現(xiàn)較為嚴(yán)重的故障問(wèn)題，包括相間短路、鐵心起火等，將會(huì)產(chǎn)生較多的氣體，由此帶著油流自變壓器油箱結(jié)合相關(guān)管道侵入油枕內(nèi)。在油氣混合體入侵瓦斯繼電器期間，會(huì)對(duì)擋板產(chǎn)生影響，擋板由于彈簧的作用力而倒下，導(dǎo)致安置于擋板中的磁鐵和雙桿簧觸點(diǎn)接近，下油杯觸點(diǎn)連通跳閘電路。命令斷路器跳閘切斷電源達(dá)到保護(hù)變壓器的作用，這被稱為重瓦斯動(dòng)作[2]。

如果油箱存在漏油問(wèn)題，可能導(dǎo)致繼電器容器中的油流盡。先是繼電器上油杯降低，上觸點(diǎn)導(dǎo)通，出現(xiàn)音響以及燈光告警，隨后下油杯降低，下觸點(diǎn)導(dǎo)通跳閘鏈路，命令斷路器跳閘，達(dá)到保護(hù)變壓器的作用，同時(shí)提醒運(yùn)維人員處理故障。

（2）瓦斯保護(hù)動(dòng)作后的故障分析。瓦斯保護(hù)動(dòng)作被激活后，箱體內(nèi)產(chǎn)生的氣體會(huì)積聚在瓦斯繼電器中，能夠結(jié)合氣體的特性判斷故障。氣體故障分析表如表1所示。

表1 氣體故障分析表

2.2 差動(dòng)保護(hù)

瓦斯保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)以及電流速斷保護(hù)等為典型的主保護(hù)形式，而后備保護(hù)則涵蓋了過(guò)流形式、零序保護(hù)等。在實(shí)際中過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作不夠迅速且具有一定的時(shí)限；電流速斷保護(hù)雖然動(dòng)作迅速，但是動(dòng)作整定電流比較大不適用于輕微內(nèi)部故障。因此，6.3 MVA及以上的廠用電和10 MVA及以上的廠用備用電而言，需要搭載差動(dòng)保護(hù)。

（1）差動(dòng)保護(hù)的原理。該保護(hù)的核心功能為反饋設(shè)備的繞組、引出線、導(dǎo)管和其彼此的短路問(wèn)題。差動(dòng)保護(hù)是根據(jù)對(duì)比被保護(hù)設(shè)備各端電流對(duì)象為以及數(shù)值的機(jī)理形成[3]。變壓器差動(dòng)保護(hù)原理如圖1所示。圖1反映了雙繞組的設(shè)備差動(dòng)保護(hù)機(jī)理，結(jié)合循環(huán)電流機(jī)理，設(shè)備兩邊依次搭接了電流互裝置，依據(jù)圖片內(nèi)極性聯(lián)系予以搭接。

圖1 變壓器差動(dòng)保護(hù)原理圖

普通運(yùn)行以及外界存在問(wèn)題情況下，經(jīng)過(guò)差動(dòng)繼電器內(nèi)的電流和兩邊流互的二次電流差值，只需要適度的配比甄選兩邊的流互變化就能夠促使此類情形下經(jīng)過(guò)繼電器電流為零，則，該情況下通過(guò)變壓器電流和自變壓器流出的結(jié)果基本一致，不觸發(fā)差動(dòng)繼電器。

當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，其兩端的電流不平衡產(chǎn)生差動(dòng)電流，即，此時(shí)差動(dòng)繼電器動(dòng)作跳開(kāi)斷路器切斷電源。

可以看出，流過(guò)差動(dòng)繼電器的不恒定電路隨機(jī)對(duì)繼電器造成影響，電路越不穩(wěn)定，則繼電器工作電流越高，當(dāng)電流的不穩(wěn)定情況達(dá)到某一閾值時(shí)，則會(huì)對(duì)其靈敏性產(chǎn)生影響。因此，有必要研究不平衡電流出現(xiàn)的具體誘因和降低辦法。

（2）不平衡電流產(chǎn)生的原因。第一，變壓器正常運(yùn)行情況下產(chǎn)生不平衡電流。一是電力系統(tǒng)中的變壓器由于結(jié)構(gòu)、接線等原因會(huì)造成其兩側(cè)電流角度相差30°，則變壓器兩邊的電流互感器兩側(cè)對(duì)應(yīng)的二次電流也達(dá)到30°，繼而出現(xiàn)不穩(wěn)定電流；二是變壓器正常運(yùn)行條件下進(jìn)入差動(dòng)繼電器的電流為零，訴求兩邊的TA變比結(jié)果和變壓器變比一致，但是具體情況則為T(mén)A于制造方面的規(guī)范性，其變比通常為接近同時(shí)較大的標(biāo)準(zhǔn)，從而產(chǎn)生不平衡電流。第二，變壓器暫態(tài)情況下產(chǎn)生不平衡電流。差動(dòng)保護(hù)主要為一次系統(tǒng)短路暫態(tài)期間出現(xiàn)跳閘而發(fā)出指令，與TA一次短路暫態(tài)期間，電流帶有非周期參量，其時(shí)間變化較小，難以變化值二次側(cè)，繼而變成TA勵(lì)磁電流，促使鐵心飽和，疊加非周期參量后，鐵心進(jìn)一步過(guò)飽和，導(dǎo)致TA低壓電流偏差進(jìn)一步擴(kuò)大，不恒定電流隨機(jī)更高[4]。

（3）減小不平衡電流的措施。差動(dòng)保護(hù)鏈路內(nèi)的不穩(wěn)定電流會(huì)對(duì)保護(hù)的可靠性、靈敏性等產(chǎn)生干擾，降低這一不平衡性的主要措施如下。

第一，減小正常運(yùn)行情況下的不平衡電流。變壓器各側(cè)的TA盡量選用同樣型號(hào)、特性的產(chǎn)品，基于相位補(bǔ)償策略連接，電力系統(tǒng)內(nèi)變壓器大多為Y，d11接線方法，容易出現(xiàn)兩側(cè)的TA二次電流方向相差30°，為此，可以將變壓器星形一段的TA改為三角形形式，而另外一端則改為星形形式，從而彌補(bǔ)30°的相位差。

第二，減小暫態(tài)情況下的不平衡電流。引入兼具制動(dòng)特質(zhì)的差動(dòng)繼電器和間斷角機(jī)理的差動(dòng)繼電器可以降低暫態(tài)期間的非周期參量，繼而降低不平衡的電流[5]。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對(duì)變壓器保護(hù)的研究逐漸受到關(guān)注。變壓器保護(hù)樣式較多，文章主要介紹了瓦斯保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)兩種主保護(hù)，而一個(gè)完整的保護(hù)系統(tǒng)還應(yīng)包括后備保護(hù)、零序保護(hù)、電流保護(hù)等。后續(xù)需研發(fā)適應(yīng)情況更好的變壓器保護(hù)模塊，以進(jìn)一步提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。