變壓器繼電保護技術(shù)及配置方案研究

龍 波，艾昶恩，曹 揚

（國網(wǎng)瀘州供電公司，四川 瀘州 646000）

0 引言

電力變壓器是電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備之一。隨著發(fā)電裝機容量逐年攀升和大容量特高壓輸電的發(fā)展，大型變壓器在系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越多[1]。大型電力變壓器造價昂貴，地位重要，一旦因故障遭到破壞，將會造成重大經(jīng)濟損失，同時對供電可靠性和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來嚴(yán)重的影響。然而，相對于電網(wǎng)中其他元件，220kV及以上變壓器故障次數(shù)多，繼電保護動作正確率低[2]。變壓器繼電保護可以保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，防止事故的發(fā)生和擴大，而且高效的配置方案可以提高保護的可靠性。因此，探究變壓器的故障和繼電保護具有重要意義。

1 變壓器故障分析及保護策略

1.1 變壓器故障分析

變壓器故障主要是指非正常運行狀態(tài)，這些狀態(tài)會使變壓器遭受危險沖擊，有可能縮短變壓器壽命。變壓器故障理論是繼電保護的基礎(chǔ)，只有抓住故障的本質(zhì)特征才能設(shè)計出性能優(yōu)良的變壓器繼電保護設(shè)備。因此，對變壓器故障的研究具有重要意義。

依照故障發(fā)生的位置，變壓器故障可分為外部故障和內(nèi)部故障。外部故障是指發(fā)生在變壓器外部的故障，主要有以下幾種情況：過負(fù)荷、過電壓、低頻運行和外部短路；內(nèi)部故障是指發(fā)生在變壓器保護區(qū)內(nèi)的故障，不僅包括變壓器外殼內(nèi)部，還包括變壓器以外、電流互感器（TA）以內(nèi)的故障，主要有過熱、過壓力、過勵磁、繞組短路、匝間短路、鐵心故障、油箱故障、套管閃絡(luò)等故障[3]。

變壓器主要故障類型如圖1所示。在外部故障中，過負(fù)荷故障是指由于并列變壓器負(fù)荷分配不合理或者三相變壓器負(fù)荷不平衡，實際負(fù)荷超過額定負(fù)荷的狀態(tài)，從而引起變壓器過熱，降低變壓器壽命；過電壓故障是指短期暫態(tài)過電壓或長期工頻過電壓，其中暫態(tài)過電壓會導(dǎo)致端部線匝處承受沖擊并可能斷裂，工頻過電壓將導(dǎo)致變壓器過勵磁和增加對繞組絕緣的威脅；低頻運行故障是指變壓器運行在低頻區(qū)域，導(dǎo)致變壓器鐵心過勵磁；外部短路故障會產(chǎn)生很大的變壓器電流，易造成變壓器損壞。

圖1 變壓器故障類型Fig.1 Transformer fault types

在內(nèi)部故障中，過熱故障是指變壓器內(nèi)部溫度過高，常會燒壞繞組絕緣，造成繞組接地或短路，一些裸露金屬熱點可能會燒壞鐵芯、螺栓等部件，嚴(yán)重時可以造成變壓器損壞。其原因包括內(nèi)部接觸不良、冷卻劑漏液、冷卻劑流動受阻以及冷卻風(fēng)扇或泵停轉(zhuǎn)；過壓力故障是指變壓器油箱出現(xiàn)過壓現(xiàn)象；過勵磁故障是指鐵心過勵磁，可能會損壞疊片絕緣；繞組短路故障會引起電流急劇增加，導(dǎo)致電氣絕緣損壞；匝間短路故障經(jīng)常在高壓變壓器中出現(xiàn)，而低壓變壓器很少出現(xiàn)；鐵心短路故障是指疊片之間的絕緣被破壞引起的短路；油箱故障是指封閉的油箱發(fā)生漏油或者冷卻管道中油路阻塞，它會引起變壓器危險過熱和絕緣強度降低；套管閃絡(luò)故障是指套管絕緣閃絡(luò)，導(dǎo)致接地的變壓器油箱發(fā)生短路，一般由雷電或其他浪涌現(xiàn)象引起。

1.2 變壓器故障保護策略

根據(jù)變壓器故障的變化過程及造成的損害程度，將這些故障分為早期故障和嚴(yán)重故障。早期故障是指緩慢發(fā)展的故障，開始對變壓器影響不大，但是如果不能及時排除，會發(fā)展成為嚴(yán)重故障。嚴(yán)重故障是指瞬時對變壓器造成損害的故障，如不立即動作切除，會造成變壓器損害擴大。變壓器繼電保護應(yīng)遵循以下策略：對于早期故障，繼電保護必須能夠反應(yīng)，發(fā)出告警信號或延時跳閘；對于嚴(yán)重故障，繼電保護要動作于跳閘或動作于信號。因此，要求繼電保護裝置不僅能識別變壓器故障，而且能區(qū)分早期故障和嚴(yán)重故障，并作出相應(yīng)動作。

變壓器繼電保護經(jīng)過長期發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)擁有縱聯(lián)差動保護、瓦斯保護、勵磁保護、速斷保護、零序電流保護、過電流保護、過負(fù)荷保護、非電量保護等?？v聯(lián)差動保護反應(yīng)于變壓器繞組和引出線上的各類短路故障，瓦斯保護反應(yīng)于變壓器油箱內(nèi)部各種故障，二者一起構(gòu)成主保護，其它的作為后備保護。

工程應(yīng)用中對于特定的變壓器，需要依據(jù)變壓器的重要程度和故障對變壓器的危險程度，選擇合適的保護進行配置，從而實現(xiàn)經(jīng)濟性最大化。

2 變壓器保護故障

大型變壓器廣泛采用微機繼電保護，其故障包括拒動和誤動，引起繼電保護故障的原因有原理不成熟、制造存在缺陷、設(shè)計不合理、定值問題、安裝調(diào)試問題和運行維護不良等，可將變壓器繼電保護故障分為以下幾類[4]。

2.1 保護功能缺陷

保護功能缺陷是指變壓器保護裝置功能或原理存在缺陷，無法識別或者誤識別變壓器故障，例如，勵磁涌流引起差動保護誤動事故[5]；和應(yīng)涌流導(dǎo)致變差誤動[6]；直流偏磁造成變壓器差動保護拒動[7]；大容量變壓器零序阻抗越來越小造成零序保護不動作，而且，二次電壓回路中性點多點接地或交流電壓回路斷線，會造成零序保護誤動[8]。

保護功能缺陷主要包括差動保護無法躲過勵磁涌流、和應(yīng)涌流，CT飽和導(dǎo)致誤動，直流偏磁產(chǎn)生大量二次諧波引起拒動。變壓器保護在實際運行過程中出現(xiàn)的上述故障揭示了保護功能缺陷，這給已經(jīng)成熟應(yīng)用的繼電保護技術(shù)帶來了挑戰(zhàn)，所以需要結(jié)合工程實踐不斷地發(fā)展和完善變壓器繼電保護技術(shù)。

2.2 人為故障

人為故障是指人為因素造成的故障，例如，高壓開關(guān)設(shè)備本體與電纜連接處安裝不當(dāng)，引發(fā)絕緣破壞導(dǎo)致220kV變電站跳閘[9]；330kV某主變差動保護二次回路“誤碰”導(dǎo)致誤動跳閘和整定中平衡系數(shù)計算錯誤導(dǎo)致差動誤動[5]；這些都屬于典型的人為故障。

人為故障是最不應(yīng)該出現(xiàn)的變壓器保護故障，是由繼電保護人員在安裝、調(diào)試、維護和檢修過程中操作不當(dāng)或者違章引起，主要包括誤碰問題、整定錯誤、接線錯誤、設(shè)備安裝不規(guī)范、帶電處理事故、帶電插拔硬件和誤將TV二次回路短路。

2.3 干擾故障

干擾故障主要指保護裝置中的微電子元件受到電磁干擾的影響和危害，由此導(dǎo)致的保護故障。常見干擾故障有空充變壓器引起斷路器跳閘，空投電容器產(chǎn)生暫態(tài)高頻電流對二次回路造成干擾，操作隔離開關(guān)時電弧導(dǎo)致瞬間電磁干擾，交流電壓竄入直流中引起光耦誤動，高壓設(shè)施產(chǎn)生的工頻電磁干擾，高壓電路中因絕緣擊穿、避雷器和火花間隙放電引起的干擾，雷電帶來的強電磁干擾。

2.4 保護裝置故障

保護裝置故障是指組成變壓器保護的裝置不能正常工作，主要包括集成電路元件老化，二次回路絕緣破壞，二次回路電源故障，微機電源故障，雷擊造成的設(shè)備損壞，收發(fā)信機通訊故障。

3 變壓器保護關(guān)鍵技術(shù)

3.1 勵磁涌流的識別

當(dāng)變壓器空載投入或外部故障切除后電壓恢復(fù)時，電壓從零或者很小的數(shù)值突然上升到運行電壓，變壓器產(chǎn)生很大的勵磁涌流，造成差動保護的誤動作。差動保護如何準(zhǔn)確地快速地區(qū)別勵磁涌流和輕微故障電流，這是變壓器繼電保護面臨的一大難題[10]。

勵磁涌流的識別一直是變壓器保護研究的熱點，目前工程上大多是根據(jù)勵磁涌流與故障電流在波形特征上的差異進行識別，例如，二次諧波原理[11]、間斷角原理[12]、波形對稱原理[13]、波形正弦度特征法[14]；研究新的波形特征識別勵磁涌流，例如，波動誤差結(jié)合峰-峰間距法[15]、波形時域分布特征法[16]、基波分量衰減判別法[17]；引入先進的數(shù)學(xué)方法分析波形特征，例如，小波分析[18]、雙曲S變換[19]、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)[20]；結(jié)合人工智能方法進行辨識，例如，模糊邏輯[21]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[22]。除上述基于電流波形特征的方法外，還有一些基于新原理的識別方法，例如等值回路方程法和瞬時勵磁電感法[23]、磁通特性法[24]、勵磁阻抗法[25]、基于能量成分的方法[26]。

為了提高差動保護的可靠性和靈敏性，這些新方法分別從不同角度描述了勵磁涌流和內(nèi)部故障電流的區(qū)別，從傳統(tǒng)的電流波形特征發(fā)展到電壓、電感、勵磁通、勵磁阻等新特征，在此基礎(chǔ)上引入先進的分析方法和人工智能技術(shù)進行處理，最后綜合多種方法識別。這些方法各有優(yōu)缺點，有待系統(tǒng)的比較和總結(jié)，更重要的是大部分還停留在實驗仿真階段，需要進一步做動模試驗、現(xiàn)場試驗。勵磁涌流識別的難點在于不確定性和多樣性，無法建立與實際情況相符的模型。

綜上所述，今后發(fā)展方向主要有3個，一是系統(tǒng)比較和綜合現(xiàn)有的識別方法，二是探尋更可靠的判別特征，三是建立更符合實際的勵磁涌流理論模型。

3.2 電磁兼容問題

變電站是一個具有高強度電磁場環(huán)境的特殊區(qū)域，特別是由大型變壓器構(gòu)成的，其中既有高電壓、大電流的一次強電設(shè)備，又有低電壓、小電流的二次弱電設(shè)備。一次強電設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾對弱電設(shè)備的正常工作構(gòu)成極大的威脅，電磁波對繼電保護設(shè)備干擾會造成采樣信號失真、自動裝置異常、保護誤動或拒動，甚至元件損壞。因此，大型變壓器繼電保護設(shè)備的抗干擾能力已經(jīng)成為一項重要的性能指標(biāo)，而且電磁兼容性試驗也成為繼電保護設(shè)備狀態(tài)檢修的一項重要工作。

提高抗干擾性能的措施分為兩大類，一類是硬件措施，防止干擾進入微機保護弱電系統(tǒng)，包括各種隔離、屏蔽、濾波、接地、合理布局和配線及減弱電源線傳遞干擾等方法。另外一類是軟件措施，干擾一旦突破了由硬件組成的防線，可由軟件糾正，常見的有故障自檢、采樣值抗干擾糾錯、看門狗程序[27]。

在實際應(yīng)用中，微機保護一般采用屏蔽的方式來處理電磁兼容問題，對于特殊情況可綜合應(yīng)用其它方法。另外，采用光纖抗干擾是一種理想途徑。

3.3 和應(yīng)涌流識別

近年來，出現(xiàn)了多起由和應(yīng)涌流引起的變壓器差動保護誤動的新故障，如何可靠區(qū)分和應(yīng)涌流與內(nèi)部故障電流，這是變壓器保護遇到的又一難題。和應(yīng)涌流是相對于勵磁涌流的一種涌流，當(dāng)一臺變壓器空載合閘時，引起另外一臺相鄰正在運行的并聯(lián)或級聯(lián)變壓器差動保護誤動，即和應(yīng)涌流現(xiàn)象。目前，變壓器差動保護中還沒有特別針對和應(yīng)涌流的防范措施，研究現(xiàn)有涌流閉鎖判據(jù)對和應(yīng)涌流的適用性，并探尋新的制動方案來防止和應(yīng)涌流引起的差動保護誤動有重要意義[28]。

3.4 采樣的同步化

目前，大型變壓器繼電保護正在朝著微機化、數(shù)字化快速發(fā)展，從通信接口中接收不同采樣頻率的數(shù)字量，導(dǎo)致差動保護誤差較大，因此，采樣的同步問題是實現(xiàn)數(shù)字化差動保護的關(guān)鍵技術(shù)[29]。

4 建議及配置方案

基于變壓器故障和變壓器保護故障的分析，下面為提高保護的可靠性提出了一些建議，并結(jié)合工程應(yīng)用討論了變壓器保護的配置方案。

4.1 建議

1）針對勵磁涌流與和應(yīng)涌流導(dǎo)致的保護誤動，在大型變壓器投運之前要求進行多次空載合閘實驗，工程中要研究更為完善的變壓器保護，推動新型繼電保護原理向工程實踐轉(zhuǎn)化。

2）增強現(xiàn)場繼電保護從業(yè)人員工作責(zé)任心，加強和提高從業(yè)人員的業(yè)務(wù)技術(shù)水平?，F(xiàn)場檢修維護人員應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)程和導(dǎo)則，執(zhí)行操作票、危險點分析預(yù)控等安全保障措施，杜絕因人為因素造成誤動作的發(fā)生。

3）建設(shè)大型變壓器繼電保護前需要綜合考慮所選擇設(shè)備的電磁兼容性能，后期維護中依據(jù)《繼電器及裝置基本試驗方法》做好電磁試驗，及時發(fā)現(xiàn)電磁干擾隱患。

4）制定和完善變壓器繼電保護狀態(tài)檢修方案，定期按檢修方案進行維護，及時發(fā)現(xiàn)潛在問題，做好預(yù)防措施。

4.2 合理經(jīng)濟的配置方案

一方面由于變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有可能發(fā)生繁多的故障和異常狀態(tài)，需要裝設(shè)多達(dá)幾十種的繼電保護，然而，實際上有些故障是小概率事件。另一方面，對于大型變壓器，各種差動保護針對不同故障靈敏度不同。因此，為了提高保護的可靠性和經(jīng)濟性，需要根據(jù)實際情況選擇保護配置方案，應(yīng)遵循以下原則：

1）各項保護功能完備，以確保反應(yīng)各種故障和異常狀態(tài)。

2）選用的保護原理應(yīng)性能優(yōu)良，有成熟的運行經(jīng)驗，滿足技術(shù)要求。

3）根據(jù)變壓器容量、價值對重要的變壓器繼電保護實現(xiàn)完全的雙重化，對一般的單套配置。

4）組屏合理，雙重化的兩套保護系統(tǒng)應(yīng)分屏設(shè)置，非電氣量保護與電氣量的保護也應(yīng)分屏設(shè)置，以保證在變壓器不停運狀況下可對其中任何一套保護系統(tǒng)進行檢修和調(diào)試。

4.3 工程應(yīng)用

工程實踐中要求依據(jù)《繼電保護和安全自動化裝置技術(shù)規(guī)程》和國家電網(wǎng)公司制定的相關(guān)規(guī)程配置變壓器保護裝置。大型電力變壓器微機保護一般要求主后綜合，雙套配置，從而提高繼電保護的可靠性。

大型電力變壓的繼電保護必須全面，能反應(yīng)各種故障和異常，其中重要的保護需雙重配置，一般變壓器則根據(jù)實際情況靈活地選擇所需的保護。下面結(jié)合四川瀘州市220kV和110kV變壓器繼電保護配置進行說明。瀘州市各站220kV主變保護配置統(tǒng)計情況見表1，采用兩套保護裝置加一套非電量保護裝置，110kV主變保護配置舉例情況見表2，共有5種配置方案。分析可知，220kV主變保護裝置必須雙重配置，一般非電量保護裝置單獨配置，而且主變保護裝置全面包括各種保護。110kV主變保護的配置方案很靈活，在差動保護的基礎(chǔ)上選擇不同的后備保護，而且不需要雙重配置。

表1 四川瀘州市220kV主變保護配置Table 1 The Protection confi guration scheme for 220kV main transformer in LuZhou SiChuan

表2 四川瀘州市110kV主變保護配置Table 2 The Protection confi guration scheme for 110kV main transformer in LuZhou SiChuan

5 結(jié)束語

電力工業(yè)迅猛發(fā)展，超高壓大容量變壓器不斷投入運行。電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行對變壓器繼電保護提出了更為苛刻的要求，變壓器保護運行情況還不十分理想，存在著許多需要改進的地方。另外，變壓器繼電保護正向網(wǎng)絡(luò)化,數(shù)字化，智能化，保護、控制、測量和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展，要完全實現(xiàn)智能化還有很多問題需要解決。最后，工程應(yīng)用過程中如何選擇合適的經(jīng)濟的主變保護配置方案有待進一步研究，這需要設(shè)計人員和現(xiàn)場工程人員相互配合，最好能制定一套決策流程。

[1]王增平.電力主設(shè)備保護研究的幾個熱點問題[J].華北電力大學(xué)學(xué)報,2008,35(6):27-31.

[2]沈曉凡,舒治淮,劉宇,等.2009年國家電網(wǎng)公司繼電保護裝置運行統(tǒng)計與分析[J].電網(wǎng)技術(shù),2011,35(2):189-193.

[3]Anderson P M. Power system protection[M]. New York:McGraw-Hill,1999:567-586.

[4]陳家斌,張露江.繼電保護二次回路電源故障處理方法及典型應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2012:39-45.

[5]鐘天翔,金樹軍.500kV變壓器瓦斯繼電器誤動作原因分析[J].高壓電器,2011,47(5):79-82.

[6]魏莉,鄭濤,王國功,等.變壓器差動保護誤動原因綜合分析及防誤動措施[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2008,36(19):40-43.

[7]于奎營,直流偏磁對變壓器差動保護的影響及抑制[D].沈陽:東北電力大學(xué),2012:16-21.

[8]索南加樂,杜斌,許立強,等.基于變壓器中性點零序電流的方向元件[J].電力系統(tǒng)自動化,2009,33(15):72-77.

[9]袁大陸,李巖軍,和彥淼."3.21"北京電網(wǎng)220kV草橋變電站停電事故調(diào)查分析[J].電網(wǎng)技術(shù),2008,32(18):92-95.

[10]徐?；?淺談變壓器勵磁涌流判據(jù)的發(fā)展?fàn)顩r[J].儀器儀表用戶,2007,14(6):116-117.

[11]李剛,何怡剛.基于DSP與單片機雙CPU變壓器差動保護[J].儀器儀表用戶,2007,14(1):76-77.

[12]朱亞明,鄭玉平.間斷角大批量的變壓器差動保護的性能特點及微機實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動化,1996,20(11):36-40.

[13]孫志杰,陳云侖.波形對稱原理的變壓器差動保護[J].電力系統(tǒng)自動化,1996,20(4):42-46.

[14]和敬涵,李靜正,姚斌,等.基于波形正弦度特征的變壓器勵磁涌流判別算法[J].中國電機工程學(xué)報,2007,27(4):54-59.

[15]尤夏,張艷霞.波動誤差結(jié)合峰—峰間距法識別變壓器勵磁涌流[J].電力系統(tǒng)自動化,2012,36(14):36-40,45.

[16]吳丹,方厚輝.變壓器勵磁涌流識別新原理的算法[J].儀器儀表用戶,2007,14(3):111-112.

[17]公茂法,夏文華,李國亮,等.變壓器和應(yīng)涌流和勵磁涌流識別新判據(jù)[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2012,40(18):139-143.

[18]蔣維,李鋮.基于小波變換的變壓器局部放電信號的分析方法研究[J].儀器儀表用戶,2006,13(6):17-17.

[19]焦尚彬,黃璜,趙黎明,等.基于雙曲S變換的變壓器勵磁涌流和內(nèi)部故障識別新方法[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2011,39(16):114-120．

[20]馬靜,徐巖,王增平.利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)提取暫態(tài)量的變壓器保護新原理[J].中國電機工程學(xué)報,2006,26(6):19-23.

[21]王雪,王增平.變壓器勵磁涌流變權(quán)綜合識別方法研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2012,40(6):63-68.

[22]劉偉春.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在變壓器故障診斷中的應(yīng)用[J].儀器儀表用戶,2010,17(5):77-78,88.

[23]鄧祥力,王傳啟,張哲.基于回路平衡方程和勵磁電感的特高壓變壓器保護[J].中國電機工程學(xué)報,2012,32(1):147-153.

[24]孫洋,黃家棟.基于磁通頻域特征的變壓器勵磁涌流識別新方法[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,38(1):21-25.

[25]李克亮,王文利,常欣.基于動態(tài)阻抗特性的變壓器勵磁涌流判別方法[C].2011中國電工技術(shù)學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集,2011:868-871.

[26]張炳達(dá),張碩.基于能量成分的變壓器勵磁涌流識別法[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2012,40(17):121-126.

[27]袁文嘉,賀要鋒,王來軍,等.提高微機保護裝置的抗干擾性和可靠性的措施探討[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2009,37(21):131-133.

[28]畢大強,孫葉,李德佳,等.和應(yīng)涌流導(dǎo)致差動保護誤動原因分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2008,31(22):36-40.

[29]高厚磊,江世芳,賀家李.數(shù)字電流差動保護中幾種采樣同步方法[J].1996,20(9):46-49．