6.3.1 变压器常见故障与保护配置
电力变压器是电力系统的重要组成元件，它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。
电力变压器的故障可以分为油箱内部故障和油箱外部故障。油箱内部故障包括绕组的相间短路、中性点直接接地侧的接地短路和匝间短路。变压器油箱内部故障的危害很大，故障处的电弧不仅烧坏绕组绝缘和铁芯，而且使绝缘材料和变压器油强烈气化，严重时可能引起油箱爆炸。油箱外部故障，主要是绝缘套管和引出线上发生的相间短路和中性点直接接地侧的接地短路。
变压器的异常运行状态主要有过负荷、外部短路引起的过电流、外部接地短路引起中性点过电压、油面降低及过电压或频率降低引起的过励磁等。
为了保证电力系统安全可靠地运行，针对上述故障和异常运行状态，电力变压器应装设下列保护。
（1）瓦斯保护。0.8MVA及以上的油浸式变压器和0.4MVA及以上的车间内油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。
（2）纵差动保护或电流速断保护。纵差动保护或电流速断保护用来反映变压器绕组、套管及引出线的短路故障，保护动作于跳开各电源侧断路器。
纵差动保护适用于6.3MVA及以上的并列运行变压器、发电厂厂用工作变压器和工业企业中的重要变压器，10MVA及以上的单独运行变压器和发电厂厂用备用变压器。
（3）相间短路的后备保护。相间短路的后备保护用来防御外部相间短路引起的过电流，并作为瓦斯保护和纵差动保护（或电流速断保护）的后备。保护延时动作于跳开断路器。
（4）零序保护。对于中性点直接接地系统中的变压器，一般应装设零序保护，用来反映变压器高压绕组及引出线和相邻元件（母线和线路）的接地短路。
（5）过负荷保护。对于0.4MVA及以上的变压器，当数台并列运行或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应装设过负荷保护。对于自耦变压器或多绕组变压器，保护装置应能反映公共绕组及各侧的过负荷情况。过负荷保护经延时动作于信号元件。
（6）过励磁保护。现代大型变压器，额定工作磁密与饱和磁密接近。当电压升高或频率降低时，工作磁密增加，使励磁电流增加。特别是铁芯饱和之后，励磁电流急剧增大，造成过励磁，将使变压器温度升高而遭受损坏。因此，对于大型变压器应装设过励磁保护，按其过励磁的严重程度，保护装置的输出动作于信号元件或跳开断路器。
6.3.2 变压器瓦斯保护
当油浸式变压器油箱内部发生故障时，由于故障点电流和电弧的作用，使变压器油及其他绝缘材料分解，产生气体，它们将从油箱流向油枕。故障程度越严重，产生气体越多，流速越快，甚至气流中还夹杂着变压器油。利用这种气体实现的保护称为瓦斯保护。
图6.3.1 瓦斯继电器安装示意图
1—瓦斯继电器；2—油枕
瓦斯继电器是构成瓦斯保护的主要元件。其安装位置如图6.3.1所示，瓦斯继电器1装于油箱与油枕2之间的连接管道中间。为便于气流顺利通过瓦斯继电器，变压器顶盖与水平面应有1％～1.5％的坡度，连接管道应有2％～4％的坡度。
瓦斯保护动作迅速、灵敏度高、接线简单，能反映油箱内部发生的各种故障，但不能反映油箱外的套管及引出线上的故障。
6.3.3 变压器纵差动保护
1.变压器纵差动保护的工作原理
变压器纵差动保护的基本工作原理与线路的纵差动保护相同，其单相原理接线如图6.3.2所示。
图6.3.2 变压器纵差动保护工作原理
外部故障时（k1点）
继电器不动作。
内部短路时（k2点）
继电器动作。
为了保证纵差动保护的正确工作，就必须适当选择两侧电流互感器的变比，使得在正常运行或外部短路时，两个电流互感器的二次电流相等。
电力系统的大中型双绕组变压器通常采用Y，△11接线方式。在正常运行时，Y侧电流滞后△侧电流30°。为了使正常运行时纵差动保护两臂中的电流同相，需将变压器Y侧的电流互感器接成△形，而将变压器△侧的电流互感器二次绕组接线Y形。
2.纵差保护的不平衡电流
由于引起变压器纵差动保护不平衡电流的因素增多，使得不平衡电流增大，因此，需要采取相应的措施，以减少不平衡电流对纵差动保护的影响。
（1）电流互感器计算变比与实际变比不同引起的不平衡电流。理论上计算出来的变比称计算变比。实际上，电流互感器的变比已标准化，实际变比选得比计算变比大。这样，在正常运行时，两侧保护臂的电流不等，在差动回路引起不平衡电流。
（2）变压器调压分接头改变引起的不平衡电流。当电力系统运行方式变化时，往往需要调节变压器的调压分接头，以保证系统的电压水平。调压分接头的改变将引起新的不平衡电流。
（3）两侧电流互感器的型号不同引起的不平衡电流。
（4）励磁涌流引起的不平衡电流。变压器在正常运行时，励磁电流很小，一般不超过额定电流的2％～10％。当变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复时，励磁电流大大增加，其值可达到变压器额定电流的6～8倍，这种励磁电流称为励磁涌流。励磁涌流的大小和衰减速度与电压的初相位、剩磁的大小和方向、电源和变压器的容量等有关。例如，在电压瞬时值为最大时合闸，就不会出现励磁涌流。
励磁涌流是单侧电流，且数值很大，经过电流互感器传变至差动回路形成另一种暂态不平衡电流。若不采取措施，会导致纵差动保护误动作。在变压器纵差动保护中，消除励磁涌流影响的方法主要有：采用具有速饱和铁心的差动继电器；利用二次谐波将纵差动保护制动；鉴别短路电流和励磁涌流波形的差别。
3.采用BCH－2型继电器构成的差动保护
为了减少暂态过程中不平衡电流的影响，常用的方法是在差动回路中接入速饱和变流器。速饱和变流器的铁心截面小，极容易饱和。
速饱和变流器的工作原理，在外部故障时，暂态不平衡电流流过速饱和变流器的一次线圈，它不容易变换到二次侧，从而防止了保护误动。在内部故障的暂态过程中，短路电流也含有非周期分量，继电器不能立即动作，待非周期分量衰减后，保护才能动作将故障切除，这影响差动保护的快速性。
6.3.4 变压器的电流电压过电流保护
根据变压器容量和系统短路电流水平的不同，实现保护的方式有过电流保护、低电压启动的过电流保护、复合电压启动的过电流保护，以及负序过电流保护等。
1.过电流保护
过电流保护应装在变压器的电源侧，采用完全星形接线，其原理接线如图6.2.3所示。
动作电流应躲过变压器可能出现的最大负荷电流。
2.低电压启动的过电流保护
低电压启动的过电流保护的工作原理如图6.3.3所示。
电流元件的动作电流，应躲过变压器的额定电流，即
低电压元件的动作电压，应躲过正常情况下母线上可能出现的最低工作电压，通常取
Uop＝0.7UNT
低电压元件灵敏度校验
式中，Ukmax为最大运行方式下，相邻元件末端三相短路时，保护安装处的最大线电压。
图6.3.3 低电压启动的过电流保护工作原理
若电压元件的灵敏度达不到要求，可采用复合电压启动的过电流保护。
3.过负荷保护
过负荷一般情况下都是对称的，因此只装一相，延时动作于预告信号元件。
4.变压器的接地保护
大接地电流系统的电力变压器，一般应装设接地（零序）保护，作为变压器和相邻元件接地短路的后备保护。
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