淺析變壓器故障類型分析與其繼電保護設計研究

李東波

（天津光電惠高電子有限公司，天津 300000）

0 引言

變壓器作為電氣控制系統中必不可少的電氣元件之一，質量可靠的變壓器是電氣控制系統與設備正常運行的關鍵因素。本文對各種電氣控制系統中變壓器的故障進行歸納總結，其故障類型大致可以歸類成繞組故障、鐵芯故障、分接開關故障以及絕緣故障等[1]。

1 變壓器故障類型分析

1.1 變壓器的繞組故障

眾所周知，繞組作為整個變壓器中的核心電氣部件，其主要的功能是將電能進行傳輸與轉換，是電氣控制回路電壓輸入與輸出的關鍵。變壓器的繞組故障通常指發生在繞組中的某些故障，例如變壓器線圈或者絕緣中的故障，線圈短路、斷路、接線松動、位移或是線圈燒損都可能引起變壓器繞組故障。

變壓器線圈導線表面如果沒有進行光滑處理，在出廠后其表面仍帶有毛刺，當變壓器在電氣控制運行過程中受到磁力作用時，導線上的毛刺損傷絕緣，從而導致線圈匝間發生短路；再者，如果變壓器工作環境惡劣，當水分進入線圈絕緣層后，變壓器在其運行過程中也極易發生線圈匝間短路；此外，線圈接頭點焊質量不夠牢靠，會導致線圈引出線與套管導電桿連接不穩定，如此一來，變壓器在運行過程中會因為接頭持續發熱而引起局部絕緣迅速老化，當絕緣情況惡化到一定程度時，線圈被過大的電流熔斷，繞組發生斷路[2]。變壓器在正常工作狀態時一旦發生較為嚴重的外部短路狀況，在電磁力與機械力的雙重作用下，繞組的結構會產生塑性變形，其形狀會產生不可逆的變化，導致電路傳輸以及散熱狀況惡化，這通常也是變壓器繞組發生變形的主要原因之一。

1.2 變壓器的鐵芯故障

鐵芯作為變壓器的重要組成部分，其功能主要是與繞組共同承擔電磁能量的傳輸與轉換。保障變壓器正常運行，不僅需要確保變壓器繞組質量，還需要對其鐵芯質量進行嚴格控制。鐵芯的故障一般發生在電磁回路中，如果變壓器鐵芯的疊片中存在絕緣損壞，在電氣控制系統運行過程中，鐵芯疊片之間會形成較大的循環電流，循環電流隨著時間的推移會產生大量的熱量，當散熱持續惡化時，過多的熱量不僅會對鐵芯與線圈的絕緣構成威脅，還會導致變壓器轉化功率下降，鐵耗增加。鐵芯的制造過程中，如果沒有對其疊片邊緣進行打磨處理，疊片邊緣會由于制造工藝的問題存有較大的毛刺或者出現細微的折彎現象，這種情況都會導致鐵芯局部變形短路，其產生的渦流會損壞變壓器。

1.3 變壓器的分接開關故障

雖然分接開關內部機械部分的機械原理較為簡單，但其實現動作的機械傳動結構卻比較復雜，此外由于電氣控制系統的需要，分解開關還需要經常進行切換操作，也正如此，分接開關發生故障的機率也相對較高。一般情況下，引起分接開關發生故障的主要原因是其產品質量不過關，一旦出現分接開關接觸不良、開合不到位時便會出現觸頭過熱、斷軸及放電燒損。同時，如果切換開關觸點出現接觸不良等問題，就會導致絕緣件的機械強度降低，嚴重時會導致切換開關直接損壞。此外，油室密封情況如果出現問題，會直接導致大、小油兩個箱之間互相連通，進而會間接增加變壓器油箱可燃性氣體含量，最終導致對故障的錯誤判斷。

變壓器的分接開關故障除了產品質量不過關所導致眾多故障外，還有一類常見的故障是絕緣故障。變壓器的絕緣故障與其本身的設計緊密相關，如果變壓器采用小油路、薄絕緣設計，則會導致變壓器的使用壽命縮短，因為在變壓器運行不久后就會因為絕緣故障而無法正常使用。絕緣故障也會因為相間加入了絕緣隔板使電場強度的分布被破壞，從而造成變壓器相間絕緣裕度不足，引起相間短路。另一個導致絕緣板故障的重要因素是變壓器被污染[3]。通常情況下，變壓器對內部的清潔度要求是非常高的，因為一旦內部受到極少量金屬雜質的污染后都會嚴重影響爬電距離，進而導致產生局部放電現象。在絕緣紙、絕緣板等部件的設計和生產過程中，往往會因為環境清潔沒有做好，從而導致絕緣紙、絕緣板等器件的表面或內部被各種金屬導電介質的污染，從而導致變壓器在運行過程中，會出現絕緣紙、絕緣板等器件絕緣失效，產生放電，最終導致變壓器無法正常工作，出現故障。如果長時間過載使用變壓器也會導致絕緣老化，如此導致溫度過高，從而影響變壓器的正常使用。

2 繼電保護設計與研究

在電氣控制系統運行過程中出故障后，能夠在最短時間、最小范圍內進行自動故障的自動切除，或者發出報警信號即是繼電保護裝置。繼電保護裝置能夠在最快或者最有效的方式自動切除或者報告故障，從而最大程度減少故障對整個電氣控制系統的影響，是電氣控制系統最重要的配置。

2.1 差動保護設計要點

差動保護設計是變壓器保護中一種最常見也是最有效的方法之一。差動保護設計的主要原則是按照正常運行時的環流接線安裝變壓器兩側的電流互感器二次側。在變壓器正常運行情況下，差動繼電器內的電流與兩側電流互感器二次電流非常接近，兩者之間的差值幾乎等于零，這種情況下，變壓器處于正常運行狀態，差動保護機制也不會啟動。隨著現代技術的不斷發展和改革，差動保護設計的功能也越來越完善，尤其是高性能微型計算機處理芯片引入到差動保護機制的設計中，從而為進行繼電保護裝置的研究和應用帶來了質的飛躍。基于高性能微型計算機處理芯片，目前已經研制出了一套包括主保護、后備保護兩套微機保護的裝置，大大提高了差動保護對變壓器的保護，這種保護技術也得到了業內廣泛的認可和普及應用。包括主保護、后備保護兩套微機保護的裝置針對變壓器套管、引出線以及內部短路等故障可以實現全面和充分的保護和反映，尤其是針對高壓側電壓在及以上的變壓器，兩套微機保護的裝置顯得尤為重要，不可或缺。兩套微機保護的裝置在高壓側電壓在及以上的變壓器故障保護上功能強大。一旦故障發生后，兩套微機保護的裝置可以實現瞬時動作斷開各側斷路器的目的，這種瞬時動作斷開也大大降低了故障對整個變壓器的損壞，降低故障的發生幾率和危害程度[4]。針對雙重差動保護裝置，可以通過如下的方法進行設計：依次將第一套保護電流回路和第二套保護裝置與原差動保護電流互感器的二次繞組和原后備保護電流互感器的二次繞組相連接，這兩步必須按照依次按照順序進行，由此可以實現在旁代時便無需進行切換操作。將第二套保護與原后備保護電流互感器的二次繞組相連接，雖然保護范圍有所減少，但是可以實現保障旁代時兩套保護全部處于運行狀態。

2.2 瓦斯保護設計要點

差動保護在變壓器故障保護方面有著重要的作用，不可或缺，但是也無法對所有的變壓器故障實現保護。如匝間短路、鐵芯局部燒損、絕緣劣化、線圈燒損等，面對這些故障瓦斯保護能夠正常動作的原因是由于瓦斯保護本身也是通過氣體繼電器來實現的。當下較為常見的瓦斯保護主要是分為兩種，一種是輕瓦斯保護，另外一種則是重瓦斯保護。輕瓦斯保護主要依據氣體的化學成為、含量、顏色以及可燃性等條件來分析保護原因以及故障性質進行判斷，有利于電氣調試人員迅速發現變壓器故障等問題，并根據指示對相應問題進行處理。重瓦斯保護則是斷路器跳閘。這種模式是對氣體產生的速度進行監測，通過對氣體成為及特征進行分析，從而獲得故障原因以及具體的位置，在變壓器發生嚴重故障時自動切斷電源，以此來保護變壓器不被損壞。

2.3 過載保護的設計要點

在通常情況下，變壓器的過載保護都是三相對稱的，也正如此保護裝置僅僅需要將一個電流繼電器連接到一相上且針對信號預設一定的延時動作即可實現[5]。而對于雙繞組的變壓器而言，過載保護則應該放置于主電源單側電源三相繞組降壓型變壓器內，如果繞組的容量相同，則可以將過載保護裝置安裝在電源側，如果容量不同，則可以在電源側與繞組容量最小的一側加裝過載保護裝置。

3 結語

當下，隨著我國經濟建設的持續開展，國民生活水平也逐漸提升，人們對于自動化設備的依賴也愈加強烈，而電氣控制系統作為自動化設備的核心組成部分之一，其硬件質量，特別是變壓器的穩定性直接影響自動化設備的可靠性。然而，由于各種因素的作用，變壓器會出現各種各樣的故障，有的是具體的質量問題，也有抽象的理論問題，這都將影響電氣控制系統正常的運行，更將影響自動化設備的正常使用。與此同時，繼電保護在電氣控制系統中的應用進一步降低了變壓器發生故障的機率，有效的保證了電氣控制系統的安全與穩定，極大地提升了自動化設備的使用可靠性。