電力變壓器的故障分析及保護

李 強 高云鳳 武 強

（濟南重工股份有限公司，濟南 250109）

變壓器是一種利用電磁感應原理，把電壓和電流轉變成另一種（或幾種）同頻率的不同電壓、電流的電氣設備。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，在電力系統中起著決定性的作用。變壓器能否正常運行直接影響供電的連續性和電網的安全。

1 變壓器故障分析

1.1 運行異常分析

1.1.1 變壓器運行聲音不正常

正常運行的變壓器聲音應為均勻、低沉的交流震動的聲音，無明顯的變化。若運行過程中變壓器的聲音出現突然的變化、不均勻或明顯的不正常振動聲音，可認為這是異常現象，應及時進行分析排除，必要時將變壓器停運。

變壓器運行中聲音突然升高，可能是由于系統電壓升高、電壓波形有變化，或是大容量動力設備啟動；變壓器運行中聲音由低沉變成嘶啞聲，可能是由于鐵芯松動，結構上有螺釘或其他零部件松動；運行中有放電聲音，是由于有絕緣件損壞。此外，變壓器運行系統短路或接地時，會有很大的短路電流通過，使變壓器產生很大的噪聲。

1.1.2 三相電壓不平衡

變壓器運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象，而不是正常的負荷壓降，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載不平衡，引起中性點電壓偏移。

1.1.3 變壓器運行中溫升超過正常范圍

一般油浸自冷式變壓器運行中其上層油溫不得超過85℃。變壓器運行中油溫不斷升高，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部原因和外在負載、環境或循環冷卻系統原因，如繞組層間或匝間短路，分接開關接觸不良，冷卻系統故障、缺油，變壓器過負荷，鐵芯片間絕緣或穿心螺栓絕緣損壞，變壓器鐵損增大，運行環境發生突然變化，變壓器通風情況不好，二次回路中有大電阻短路，變壓器油質下降等。

1.2 內部故障分析

1.2.1 油浸式變壓器的內部故障

在油浸式變壓器中，內部故障可分為以下幾類。一是有氣體產生的故障，主要為：繞組絕緣制造缺陷產生的小電弧而產生的氣體；絕緣材料緩慢老化后異常放電而產生的氣體；匝間短路而產生的氣體。二是內部過電壓同時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產生過電壓而造成的。

1.2.2 干式變壓器的內部故障

干式變壓器的內部故障主要有閘間短路和單相就地短路，發生這些故障原因有變壓器在制造時絕緣的缺陷和長期過載運行而造成的絕緣老化。

2 變壓器的保護

通過對變壓器常見故障的分析，人們可以采取針對性的保護措施，有效地保障變壓器的安全運行，以免發生重大事故。根據實際運行經驗，變壓器的保護主要有三方面內容：變壓器回路的保護、供電側和負載側的保護以及變壓器的保護。變壓器的保護應該遵循四個基本要求：選擇性、速動性、靈敏性和可靠性。此外，保護裝置要求投資少，便于調試和運行維護，盡可能滿足用電設備運行的條件。

2.1 變壓器回路的保護

變壓器及其回路必須安裝保護措施，以減少異常電流和過電壓造成的設備損壞，確保變壓器的正常運行。保護措施選擇的原則為：當有多個電流斷開裝置的保護附件都檢測到故障時，只能由離故障最近的電流切斷設備動作來切除故障點。例如，電力變壓器的二次側發生短路故障時，只能由二次側的斷路器跳閘，一次側的斷路器保持閉合。

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裝置時，斷路器必須和保護繼電器相連，保護繼電器具有電流檢測、故障檢測和給斷路器發送跳閘指令的功能；選擇熔斷器作為保護裝置時，必須確保熔芯在特定故障狀態下能夠熔斷。

2.2 關于供電側和負載側的保護

變壓器供電側（一次側）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過電壓；另一種為操作類過電壓，如斷路器或負荷開關斷開而產生的過電壓。根據應用，需要防護這兩種過電壓時，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。

變壓器過負荷常常是負荷逐漸增加或電氣裝置擴容，導致視在容量增加而造成的。過負荷會導致變壓器絕緣油及繞組溫度升高，縮短變壓器的使用壽命。專門的變壓器過負荷保護裝置，通常叫做熱過載繼電器。熱過載保護是基于電流測量和變壓器的熱時間常數來模擬的變壓器繞組溫度，有些還考慮了非線性負載的諧波效應。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在繞組絕緣最熱部分的熱傳感器。以上這些保護裝置一般提供兩組檢測值，第一組用于發出警示提醒維護人員，第二組用于斷開變壓器。

2.3 變壓器的保護

對于油浸式變壓器，有兩種工具可以檢測其內部故障的設備，其分別為瓦斯檢測器和DGPT。

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

圖1 帶儲油罐的變壓器

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

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，通過監測埋設在變壓器繞組中的熱傳感器來防止二次側過載引發的過熱。內部故障可以由安裝在變壓器一次側的斷路器或熔斷器來切除，采用斷路器時由相間和接地過電流保護給出跳閘指令。另外，由于閘間故障通常只會產生微小的過電流，干式變壓器沒有配備專門用于內部故障檢測的附加保護設備，因此產生較小過電流的內部故障無法通過熔斷器進行保護，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行保護。

圖3 干式變壓器

3 結語

當發現變壓器運行異常時，應及時停止運行和排查檢修，以免發生重大事故，保證電力設備的安全運行。通過對變壓器常見異常運行狀態及故障的分析，本文提出了變壓器回路、供電側和負載側以及變壓器本體的保護措施。其目的是為變壓器設計、選型、回路配置及上下游保護提供良好的思路和方案，并在實際生產中保護好變壓器。