变压器故障状态及保护措施

余文强

（国网湖北省电力有限公司随州供电公司，湖北 随州 441399）

0 引 言

电力系统的可靠、稳定、安全运行与国民生活和生产息息相关[1]。近年来，随着社会对电能质量和电能需求的不断提高，我国建成了许多超高压、特高压输电系统[2]。其中，变压器设备在电力系统中扮演着重要角色，是不可或缺的设备之一[3]。如果变压器发生故障，可能会影响电力系统的正常运行，严重时将导致电力系统崩溃[4]。变压器损坏时维修比较麻烦，且维修时间成本、经济成本、人工成本较高[5]。

继电保护装置可以保护变压器，保障电力系统安全、可靠运行[6]。因此，需确保继电保护装置能在指定时间内动作，若动作不及时或没有动作将无法及时切断故障而损坏变压器，甚至烧毁变压器[7]。除此之外，若继电保护装置误动作，也会影响电力系统供电的稳定性[8,9]。

文章通过总结变压器常见的故障类型，按故障严重程度、变压器的容量大小，将故障分为故障和非正常运行状态2 类，并分析故障产生的原因[10-12]。针对不同的故障原因，安装相应的变压器保护装置。下面通过分析一个变压器动作保护案例，强调保护装置的重要性，并给出清除故障的方法。

1 变压器故障状态

1.1 故障运行状态

按照变压器的故障位置，可以将故障运行状态分为变压器油箱外故障和变压器油箱内故障2 种。变压器油箱外故障是指绝缘套管发生接地短路故障、引出线发生相间短路故障或引出线发生接地短路故障。变压器油箱内故障指变压器各相绕组发生相间短路或接地短路、每一相绕组发生匝间短路或者变压器铁芯损坏。

当发生变压器油箱内故障时，会在损坏绝缘与硅钢片铁芯的同时产生大电流，释放大量的热量。这些热量会导致油温升高，使变压器油箱内的油发生气化，导致油箱内气压升高，严重时引发爆炸。因此，相比于变压器油箱外故障，变压器油箱内故障的危害更大，故障切除时间也更短。

1.2 非正常运行状态

变压器的非正常运行状态存在多种类型。例如：变压器外部短路，导致变压器绕组电流过大；变压器风扇故障导致冷却能力变差，工作温度升高，从而缩短变压器的使用寿命，降低变压器的工作效率。

由于变压器的额定点设计在硅钢片的饱和拐点处，电压、频率偏移会导致变压器铁芯过饱和使得变压器铁芯过热，降低了变压器的工作效率，缩短了其使用寿命。

变压器油箱密封性能过差会导致油泄漏，影响变压器散热。此外，变压器过载运行时间过长，也会导致变压器绕组温度升高，绕组绝缘层受损，严重时甚至会因烧毁绕组绝缘层而发生绕组匝间短路或绕组相间短路。

2 变压器保护措施

变压器的保护措施应具备瓦斯保护、纵差保护、外部相间短路时后备保护、电流速断保护、过载保护、过励磁（过饱和）保护以及一些非电量的保护功能。

2.1 瓦斯保护

瓦斯保护主要是在变压器发生油箱内故障时动作，能够在变压器发生油箱内部绕组匝间短路或相间短路、铁芯性能恶化、绕组断路、变压器油泄漏、变压器油减少以及分断开关故障等故障时，保障变压器稳定运行。

按照故障的严重程度，可以将瓦斯保护分为2种，即轻瓦斯保护和重瓦斯保护。其中，轻瓦斯保护主要是将故障转换成故障信号，帮助运维人员及时发现故障，并针对不同故障类型采取相应的措施。重瓦斯保护是在变压器内部出现重大故障时，直接跳闸或切断变压器电源，防止故障进一步恶化。

瓦斯保护具备动作迅速、可靠性高、灵敏度高以及结构简单等优点。一般情况下，对于容量大于0.8 MVA 的油侵式变压器和容量大于0.4 MVA 的车间内使用的油侵式变压器，要配备瓦斯保护装置。

2.2 纵差保护

纵差保护主要是在变压器出现绕组匝间短路或相间短路、变压器三相绕组中性点接地故障时的保护动作。一般情况下，容量大于10 MVA 的发电厂用的单独运行的变压器或备用变压器、容量大于6.3 MVA的并列运行的变压器和厂用变压器，要求配置纵差保护装置。

对于容量小于10 MVA 且后备保护设备动作时间超过0.5 s 的变压器，应增加电流速断保护装置；容量大于2 MVA 且电流速断保护装置动作时间短、灵敏度低的变压器，应配置纵差保护装置。

2.3 外部相间短路时后备保护

外部相间短路时后备保护主要在变压器油箱发生外故障时动作，如负载过大导致变压器过流运行的非正常运行状态。该保护还能保护与变压器相邻的元件，为变压器的主保护装置提供后备保护。

相间短路保护主要保护变压器过载运行时的过电流非正常运行状态、低压运行时的过电流非正常运行状态、启动时的过电流非正常运行状态以及负序运行时的过电流非正常运行状态。

此外，还有接地短路后备保护，主要通过检测零序电压与电流进行保护动作。

2.4 过载保护

变压器长期过载运行将导致变压器绕组长期流过大电流，造成变压器绕组温升过高而发生损坏。对于并联运行的变压器，如果短路阻抗标幺值匹配不合理，易导致其中一台或多台变压器长期过载运行。因此，对于容量大于0.4 MVA 的变压器，应配置过载保护装置。

2.5 过饱和保护

对于电压等级在500 kV 以上的变压器，需要配置过励磁保护（过饱和保护）装置。变压器长期过饱和运行，将导致变压器铁芯损耗增加，变压器发热严重，从而导致绝缘老化，缩短变压器的使用寿命。

2.6 非电量保护

非电量保护指对变压器油箱内部的非电物理量的保护，如油面高度、变压器温度等。

3 变压器故障案例分析

3.1 变电站情况介绍

2019 年4 月石店变电站发生相间短路故障。该变电站为220 kV 高压变电站，于2012 年投入运行，共有2 台主变压器，容量均为2×180 MVA，连接组别为YNyn0d11，采用自然油循环风冷的冷却方式。高压断路器额定电压为220 V、115 V、37 V。其中：变压器采购于保定天威保变电气公司；220 kV、110 kV 的高压断路器采购于ABB 公司；35 kV 采购于山东泰开成套电器公司。

该变电站220 kV 高压侧和110 kV 中压侧采用双母接线方式并列运行，35 kV 低压侧则采用单母接线方式分段运行。变电站220 kV 高压侧进出线2 回，110 kV 中压侧进出线5 回，35 kV 低压侧进出线4 回。

该变电站负荷为41 MW，并配有6 组6×10 000 kVA的电容器。

变电站220 kV 高压侧2 台主变压器并列运行，110 kV 中压侧2 台主变压器并列运行，35 kV 低压侧2 台主变压器分列运行。

3.2 故障分析

事故发生当天上午有降雨，雨后巡检未发现异常。18:42 时，1 号主变压器发生差动保护动作，1 号主变压器的出口跳闸，但是低压侧断路器未跳闸。监控中心操作人员远程命令低压侧断路器断开失败，通知当地工作人员到现场完成断开低压侧断路器操作。当日20:30，检修人员采用数据追忆等方式检查一次设备，未发现异常。直至当日22:10，发现低压侧压有树枝，两相套管间有电弧放电痕迹。

3.3 保护动作

该变电站发生事故时，先是纵差差动保护装置发生动作，然后是纵差比列差动保护装置发生动作，发生保护动作的原因均为低压侧发生相间短路。通过数据追忆发现，保护装置动作时，A 相电流为7 619 A，B 相电流为7 619 A，而C 相电流达到15 328 A。

3.4 故障处理

次日凌晨，工作人员将低压侧的B、C 相的穿墙套管喷涂室温硫化硅橡胶涂料，重新包封损坏的绝缘包封材料，并完成了耐压测试。

4 结 论

变压器是电力系统不可或缺的重要组成装置之一。电力系统是否能够可靠、稳定、安全运行与变压器息息相关。文章主要介绍变压器的故障类型，介绍相应的故障保护方法。通过保护装置及时分断变压器，可降低变压器损坏概率，遏制事故的进一步扩大，从而提高电力系统运行的社会效益和经济效益。