Трансформатор — стационарное устройство, работающее непрерывно и отличающееся повышенной надёжностью с меньшей вероятностью отказов. Однако, поскольку большинство трансформаторов устанавливаются на открытом воздухе и подвергаются воздействию рабочей нагрузки, а также последствиям короткозамыкательных повреждений в энергосистеме, в процессе эксплуатации неизбежно возникают различные виды неисправностей и аварийные режимы.

1. Распространённые неисправности и отклонения
Неисправности трансформаторов можно разделить на внутренние и внешние.
Внутренние неисправности — это повреждения, возникающие внутри обмотки трансформатора, включая межфазный короткий замыкание обмотки, межвитковое короткое замыкание одной фазной обмотки, короткое замыкание между обмоткой и железным сердечником, а также обрыв обмотки.
Внешние повреждения включают различные межфазные короткозамкнутые замыкания между внешними выводными проводами трансформатора, а также однофазные замыкания на землю, возникающие при пробое изоляционной муфты выводного провода через корпус.
Отказ трансформатора чрезвычайно опасен. Особенно при внутреннем повреждении, возникающая в результате короткого замыкания высокотемпературная дуга не только выжигает изоляцию и сердечник обмотки трансформатора, но и приводит к нагреву и разложению трансформаторного масла с выделением большого объёма газов, что вызывает деформацию и даже взрыв корпуса трансформатора. Поэтому при выходе трансформатора из строя его необходимо немедленно отключить.
К основным неисправностям трансформатора относятся перегрузка, снижение уровня масла, сверхтоки, возникающие вследствие внешнего короткого замыкания, высокая температура масла в работающем трансформаторе, повышенная температура обмоток, избыточное давление в трансформаторе, а также отказ системы охлаждения. При нахождении трансформатора в состоянии ненормальной работы должна подаваться сигнализация. 2. Основная защита от короткозамыкательных повреждений предусмотрена…
для защиты трансформаторов: в основном продольная защита, защита от срабатывания реле газового выделения и др.
Резервная защита от коротких замыканий: в основном включает комплексную защиту от перегрузки по току с блокировкой по напряжению, защиту от перегрузки по току с нулевой последовательностью (с направлением), низкоимпедансную защиту и др.
Защита от ненормальных режимов работы: в основном — защита от перегрузки, защита от перенапряжения возбуждения, защита от слабого газа, защита разрыва нейтральной точки, а также защита от неисправностей температуры, уровня масла и системы охлаждения и др.
3. Безэлектрическая защита
: Защита трансформатора, основанная на измерении неэлектрических параметров — таких как уровень масла, наличие газа и температура трансформатора, — называется неэлектрической защитой. Основными видами такой защиты являются газовая, предохранительная по давлению, термическая, защита уровня масла и защита от полной остановки системы охлаждения. Неэлектрическая защита срабатывает либо на отключение, либо на подачу сигнала в зависимости от требований объекта.
(1) Газовая защита
При выходе из строя внутренних частей трансформатора, под действием тока короткого замыкания и дуги в месте короткого замыкания, внутри трансформатора образуется большое количество газа, а скорость движения масла в трансформаторе возрастает; защита, осуществляемая с помощью сигнализации по газу и по потоку масла, называется газовой защитой.
Малое газовое реле: при возникновении незначительной неисправности или отклонения внутри трансформатора место повреждения частично перегревается, что приводит к расширению части масла; образующиеся в масле газовые пузырьки поднимаются в газовое реле, и срабатывание малого газового реле выдаёт сигнал о наличии газа.
Защита от выделения тяжёлого газа: при возникновении серьёзной неисправности в масляном баке трансформатора ток короткого замыкания оказывается значительным; дуга приводит к интенсивному разложению трансформаторного масла, в результате чего образуется большое количество газа и создаётся мощный поток масла. При этом ударная перегородка обеспечивает срабатывание защиты по сигналу о выделении тяжёлого газа, подачу соответствующего сигнала и отключение выводов, а также отключение трансформатора.
Масляная газовая защита является основной защитой от внутренних повреждений в трансформаторном масле и способна выявлять различные виды неисправностей внутри трансформатора. При возникновении небольшого числа межвитковых коротких замыканий в обмотках трансформатора, хотя ток короткого замыкания может быть значительным, дифференциальный ток, формируемый в системе дифференциальной защиты, может оказаться недостаточно большим, что приведёт к срабатыванию блокировки этой защиты. Поэтому для выявления и устранения внутренних повреждений трансформатора необходимо полагаться на масляную газовую защиту.

(2) Защита от давления
: Защита от избыточного давления также является основной защитой от внутренних повреждений в баке трансформатора. Включает защиту от сброса давления и защиту от резких изменений давления и предназначена для контроля уровня давления масла в трансформаторе.
(3) Защита от перегрева и пониженного уровня масла Когда
Если температура трансформатора повышается до значения, предупреждающего о возможной аварии, система защиты по температуре подаёт сигнал тревоги и включает резервный кулер. При утечке масла из трансформатора или при снижении уровня масла по другим причинам система защиты уровня масла также подаёт сигнал тревоги.
(4) Полная защита охладителя от остановки Когда
Если работа охладителя трансформатора полностью остановлена, температура трансформатора будет повышаться; при отсутствии своевременного реагирования это может привести к повреждению изоляции обмоток трансформатора. Поэтому при полной остановке охладителя во время эксплуатации трансформатора система защиты подаёт сигнал тревоги и после длительной задержки выводит трансформатор из работы.
4. Дифференциальная защита
Дифференциальная защита трансформатора является основной защитой по электрическим величинам и охватывает участок, ограниченный токовыми трансформаторами с каждой стороны. При возникновении в этом объёме аварийных режимов, таких как межфазное короткое замыкание или межвитковое замыкание обмоток, дифференциальная защита должна срабатывать.

(1) Ток всплеска возбуждения
Ток, возникающий при включении трансформатора в сеть, называется током намагничивания. Его величина зависит от конструкции трансформатора, угла включения, его мощности, остаточной магнитной индукции до включения и других факторов. Измерения показывают, что из‑за сильного насыщения сердечника ток намагчивания при включении обычно составляет 2–6 номинальных токов, а в отдельных случаях может превышать 8 номинальных токов. Поскольку ток намагчивания протекает в трансформатор только со стороны подачи напряжения, в дифференциальной цепи возникает значительный дифференциальный ток, что приводит к срабатыванию дифференциальной защиты.
Ток намагничивания при включении обладает следующими характеристиками: а) значение тока намагчивания очень велико и содержит выраженные апериодические составляющие; б) форма волны имеет остроконечную, прерывистую структуру; в) в спектре присутствуют заметные высшие гармоники, причём вторая гармоника проявляется наиболее ярко; г) ток намагчивания при включении постепенно затухает.
С учётом указанных выше характеристик тока намагничивания, для предотвращения срабатывания дифференциальной защиты трансформатора вследствие этого тока применяются три принципа: высокое содержание вторых гармоник, асимметрия формы волны и большой угол разрыва формы волны, что позволяет осуществить блокировку дифференциальной защиты.
(2) Сущность принципа торможения второй гармоники
Заключается в использовании вторых гармоник в дифференциальном токе для определения того, является ли этот ток аварийным или током возбуждения при включении. Если процентное содержание второй гармоники и основной составляющей превышает определённое значение (обычно 20%), считается, что дифференциальный ток обусловлен током возбуждения при включении, и дифференциальная защита блокируется.
Следовательно, чем больше коэффициент торможения второй гармоники, тем больше токов второй гармоники допускается в основной волне, и тем хуже будет эффект торможения.
(3) Дифференциальная быстродействующая защита
При наличии серьёзной неисправности внутри трансформатора, когда ток замыкания велик и трансформатор тока насыщается, вторичный ток трансформатора тока также содержит значительное количество гармонических составляющих; в соответствии с приведённым выше описанием это может привести к блокировке или задержке работы дифференциальной защиты вследствие действия вторичной гармоники. Это чревато серьёзными повреждениями трансформатора. Для решения этой проблемы обычно устанавливают дифференциальную защиту с быстродействующим отключением.
Дифференциальный элемент быстрого отключения представляет собой, по сути, высокочувствительный дифференциальный элемент для продольной защиты. В отличие от обычного дифференциального элемента, он отображает действующее значение дифференциального тока. Независимо от формы волны дифференциального тока и величины содержащихся в нём гармонических составляющих, при условии, что действующее значение дифференциального тока превышает заданное значение срабатывания дифференциального быстрого отключения (как правило, выше значения срабатывания дифференциальной защиты), устройство немедленно отключает трансформатор, не применяя блокировку по таким критериям, как ток намагничивания при включении.
Краткое введение в основную защиту трансформатора и в продолжение — в резервную защиту трансформатора. Существует множество вариантов схем резервной защиты трансформаторов; здесь мы в основном кратко рассмотрим два типа такой защиты: защиту от перегрузки по току с блокировкой по напряжению и защиту на заземление.
1. Защита от сверхтоков
В системе защиты от перенапряжения защита от сверхтоков при отключении перенапряжения является резервной защитой против межфазных коротких замыканий в трансформаторах больших и средних мощностей. Она применяется для повышающих трансформаторов, трансформаторов системы связи, а также понижающих трансформаторов, чья защита от сверхтоков не удовлетворяет требованиям по чувствительности. Составное напряжение, формируемое из напряжения обратной последовательности и низкого напряжения, позволяет выявлять различные виды повреждений в пределах зоны действия защиты, снижать уставку защиты от сверхтоков и повышать её чувствительность.
Композитная защита от перенапряжения и тока перегрузки состоит из композитного напряжённого элемента, элемента тока перегрузки и временного элемента. Ток защиты подаётся от вторичного трёхфазного тока трансформатора тока со стороны трансформатора, а напряжение — от вторичного трёхфазного напряжения трансформатора напряжения либо с других сторон. В случае микропроцессорной защиты напряжение данной стороны может быть передано на другие стороны программными средствами, что обеспечивает возможность использования защиты от перенапряжения и тока перегрузки даже при проведении капитального ремонта любого трансформатора напряжения на одной из сторон. Логика срабатывания приведена на следующем рисунке.

2. Защита от прямого контакта с землёй
Трансформаторная резервная защита от замыкания на землю для трансформаторов большой и средней мощности обычно включает: защиту от перекоса тока нулевой последовательности, защиту от перенапряжения нулевой последовательности, защиту разрядника и др.; далее приводится краткое описание в соответствии с тремя различными способами заземления нейтральной точки.
(1) Для трансформаторов с непосредственным заземлением нейтрали
При напряжении 110 кВ и выше и наличии нейтрального прямого заземления на стороне системы с большим током замыкания на землю следует устанавливать защиту по току нулевой последовательности, реагирующую на замыкание на землю. Для трансформаторов, непосредственно заземлённых как со стороны высокого, так и со стороны среднего напряжения, защита по току нулевой последовательности должна быть направленной, причём направление должно быть ориентировано на шину каждой из сторон.
Принцип действия защиты по току нулевой последовательности аналогичен принципу защиты линий по току нулевой последовательности и описан в выпуске № 30. Ток нулевой последовательности может измеряться по вторичному току трансформатора тока нейтрали либо формироваться самостоятельно на основе трёхфазного вторичного тока трансформаторов тока со стороны местной подстанции. Напряжение нулевой последовательности, подаваемое на элемент направления, может сниматься с открытого треугольника трансформатора напряжения со стороны местной подстанции либо генерироваться самостоятельно на основе трёхфазного вторичного напряжения со стороны местной подстанции. В микропроцессорном устройстве защиты основным способом является самостоятельное формирование.
Для крупных трёхобмоточных трансформаторов защита от тока нулевой последовательности может выполняться в трёхступенчатом исполнении. Ступень I и ступень II — направленные, а ступень III — ненаправленная. Каждая ступень, как правило, имеет двухступенчатую выдержку времени: при короткой выдержке срабатывает отключение участка с меньшим расстоянием до повреждения (например, при пропуске шинной соединительной или сторонней переключателя), а при более длительной — отключение самого трансформатора (например, при пропуске трёхстороннего выключателя). Конкретная схема защиты определяется исходя из конкретной эксплуатационной ситуации.
Как показано на рисунке, после срабатывания первой или второй ступени защиты тока нулевой последовательности по направлению тока трансформатор сначала отключается с более короткой задержкой t1 или t3 путём отключения шинной секции или отключения местного выключателя, чтобы ограничить зону воздействия повреждения; если неисправность сохраняется, трансформатор отключается трёхсторонним выключателем с более длительной задержкой t2 или t4. Третья ступень не имеет направленности и производит непосредственное отключение трансформатора с задержкой.

(2) Нейтральная точка не заземлена, и
Ток нулевой последовательности протекает через нейтраль трансформатора, образуя контур нулевой последовательности. Однако если все нейтрали трансформаторов заземлены, ток короткого замыкания в точке заземления отводится на отдельные трансформаторы, что приводит к снижению чувствительности защиты от перегрузки по току нулевой последовательности. Поэтому, чтобы ограничить ток нулевой последовательности в определённых пределах, регулируется число трансформаторов, работающих с нейтралью, соединённой с землёй.
Для трансформаторов, работающих без заземления, в целях предотвращения повреждений трансформатора от перенапряжений, возникающих вследствие дугового разряда в месте замыкания на землю при возникновении замыкания на землю, следует предусмотреть защиту по нулевой последовательности напряжения.
Благодаря высокому уровню изоляции в нейтральной точке системы при возникновении замыкания на землю предусмотрена защита по току нулевой последовательности, отключающая трансформатор, заземлённый в нейтральной точке; если неисправность сохраняется, применяется защита по напряжению нулевой последовательности, отключающая трансформатор, не заземлённый в нейтральной точке.
(3) Заземление нейтральной точки
Трансформаторы сверхвысокого напряжения, в которых разрядный зазор образует часть конструкции, являются полуизолированными трансформаторами; при этом изоляция нейтральной точки обмотки по сравнению с другими частями менее прочна. Изоляция нейтральной точки подвержена пробою. Поэтому необходимо предусматривать защиту разрядным зазором.
Функция защиты от пробоя заключается в обеспечении надёжной изоляции нейтральной точки трансформатора.

Как показано на рисунке, между нейтральной точкой трансформатора и землёй устанавливается разрядный промежуток. При замкнутом заземляющем разъединителе трансформатор подключается к земле напрямую, и в действие вступает защита от перекрёстных токов нулевой последовательности. При разомкнутом заземляющем разъединителе трансформатор заземляется через разрядный промежуток, и включается защита по этому промежутку.

Защита от замыкания на землю осуществляется на основе критерия, использующего ток замыкания 3I0, протекающий через нейтраль трансформатора, и напряжение треугольника 3U0 шинного измерительного трансформатора.
Если нейтральная точка замыкания находится на повышенном потенциале, разряд в зазоре пробивается, и возникает значительный ток зазора, равный 3I0; в этот момент срабатывает защита зазора, а трансформатор отключается с выдержкой времени. Кроме того, при возникновении замыкания на землю в системе с заземлённой нейтралью срабатывает защита трансформатора по нулевой последовательности, и первым отключается трансформатор, заземлённый в нейтральной точке. После того как система теряет точку заземления, если неисправность сохраняется, напряжение открытого треугольника ПТ шины 3U0 становится очень большим, и также срабатывает защита зазора. Логика работы защиты приведена на следующем рисунке.