龍 波，艾昶恩，曹 揚(yáng)

（國(guó)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(jī)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(lái)越多[1]。大型電力變壓器造價(jià)昂貴，地位重要，一旦因故障遭到破壞，將會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)對(duì)供電可靠性和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的影響。然而，相對(duì)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(hù)動(dòng)作正確率低[2]。變壓器繼電保護(hù)可以保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，防止事故的發(fā)生和擴(kuò)大，而且高效的配置方案可以提高保護(hù)的可靠性。因此，探究變壓器的故障和繼電保護(hù)具有重要意義。

1 變壓器故障分析及保護(hù)策略

1.1 變壓器故障分析

變壓器故障主要是指非正常運(yùn)行狀態(tài)，這些狀態(tài)會(huì)使變壓器遭受危險(xiǎn)沖擊，有可能縮短變壓器壽命。變壓器故障理論是繼電保護(hù)的基礎(chǔ)，只有抓住故障的本質(zhì)特征才能設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的變壓器繼電保護(hù)設(shè)備。因此，對(duì)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(guò)負(fù)荷、過(guò)電壓、低頻運(yùn)行和外部短路；內(nèi)部故障是指發(fā)生在變壓器保護(hù)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(guò)熱、過(guò)壓力、過(guò)勵(lì)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(guò)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(shí)際負(fù)荷超過(guò)額定負(fù)荷的狀態(tài)，從而引起變壓器過(guò)熱，降低變壓器壽命；過(guò)電壓故障是指短期暫態(tài)過(guò)電壓或長(zhǎng)期工頻過(guò)電壓，其中暫態(tài)過(guò)電壓會(huì)導(dǎo)致端部線匝處承受沖擊并可能斷裂，工頻過(guò)電壓將導(dǎo)致變壓器過(guò)勵(lì)磁和增加對(duì)繞組絕緣的威脅；低頻運(yùn)行故障是指變壓器運(yùn)行在低頻區(qū)域，導(dǎo)致變壓器鐵心過(guò)勵(lì)磁；外部短路故障會(huì)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(guò)熱故障是指變壓器內(nèi)部溫度過(guò)高，常會(huì)燒壞繞組絕緣，造成繞組接地或短路，一些裸露金屬熱點(diǎn)可能會(huì)燒壞鐵芯、螺栓等部件，嚴(yán)重時(shí)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(dòng)受阻以及冷卻風(fēng)扇或泵停轉(zhuǎn)；過(guò)壓力故障是指變壓器油箱出現(xiàn)過(guò)壓現(xiàn)象；過(guò)勵(lì)磁故障是指鐵心過(guò)勵(lì)磁，可能會(huì)損壞疊片絕緣；繞組短路故障會(huì)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(huì)引起變壓器危險(xiǎn)過(guò)熱和絕緣強(qiáng)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(hù)策略

根據(jù)變壓器故障的變化過(guò)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(kāi)始對(duì)變壓器影響不大，但是如果不能及時(shí)排除，會(huì)發(fā)展成為嚴(yán)重故障。嚴(yán)重故障是指瞬時(shí)對(duì)變壓器造成損害的故障，如不立即動(dòng)作切除，會(huì)造成變壓器損害擴(kuò)大。變壓器繼電保護(hù)應(yīng)遵循以下策略：對(duì)于早期故障，繼電保護(hù)必須能夠反應(yīng)，發(fā)出告警信號(hào)或延時(shí)跳閘；對(duì)于嚴(yán)重故障，繼電保護(hù)要?jiǎng)幼饔谔l或動(dòng)作于信號(hào)。因此，要求繼電保護(hù)裝置不僅能識(shí)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(dòng)作。

變壓器繼電保護(hù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)擁有縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、瓦斯保護(hù)、勵(lì)磁保護(hù)、速斷保護(hù)、零序電流保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、非電量保護(hù)等?？v聯(lián)差動(dòng)保護(hù)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(hù)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(hù)，其它的作為后備保護(hù)。

工程應(yīng)用中對(duì)于特定的變壓器，需要依據(jù)變壓器的重要程度和故障對(duì)變壓器的危險(xiǎn)程度，選擇合適的保護(hù)進(jìn)行配置，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性最大化。

2 變壓器保護(hù)故障

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

2.1 保護(hù)功能缺陷

保護(hù)功能缺陷是指變壓器保護(hù)裝置功能或原理存在缺陷，無(wú)法識(shí)別或者誤識(shí)別變壓器故障，例如，勵(lì)磁涌流引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)事故[5]；和應(yīng)涌流導(dǎo)致變差誤動(dòng)[6]；直流偏磁造成變壓器差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)[7]；大容量變壓器零序阻抗越來(lái)越小造成零序保護(hù)不動(dòng)作，而且，二次電壓回路中性點(diǎn)多點(diǎn)接地或交流電壓回路斷線，會(huì)造成零序保護(hù)誤動(dòng)[8]。

保護(hù)功能缺陷主要包括差動(dòng)保護(hù)無(wú)法躲過(guò)勵(lì)磁涌流、和應(yīng)涌流，CT飽和導(dǎo)致誤動(dòng)，直流偏磁產(chǎn)生大量二次諧波引起拒動(dòng)。變壓器保護(hù)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的上述故障揭示了保護(hù)功能缺陷，這給已經(jīng)成熟應(yīng)用的繼電保護(hù)技術(shù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，所以需要結(jié)合工程實(shí)踐不斷地發(fā)展和完善變壓器繼電保護(hù)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(kāi)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(dòng)保護(hù)二次回路“誤碰”導(dǎo)致誤動(dòng)跳閘和整定中平衡系數(shù)計(jì)算錯(cuò)誤導(dǎo)致差動(dòng)誤動(dòng)[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(hù)故障，是由繼電保護(hù)人員在安裝、調(diào)試、維護(hù)和檢修過(guò)程中操作不當(dāng)或者違章引起，主要包括誤碰問(wèn)題、整定錯(cuò)誤、接線錯(cuò)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(hù)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(hù)故障。常見(jiàn)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(duì)二次回路造成干擾，操作隔離開(kāi)關(guān)時(shí)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(dòng)，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(lái)的強(qiáng)電磁干擾。

2.4 保護(hù)裝置故障

保護(hù)裝置故障是指組成變壓器保護(hù)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(jī)電源故障，雷擊造成的設(shè)備損壞，收發(fā)信機(jī)通訊故障。

3 變壓器保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 勵(lì)磁涌流的識(shí)別

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

勵(lì)磁涌流的識(shí)別一直是變壓器保護(hù)研究的熱點(diǎn)，目前工程上大多是根據(jù)勵(lì)磁涌流與故障電流在波形特征上的差異進(jìn)行識(shí)別，例如，二次諧波原理[11]、間斷角原理[12]、波形對(duì)稱原理[13]、波形正弦度特征法[14]；研究新的波形特征識(shí)別勵(lì)磁涌流，例如，波動(dòng)誤差結(jié)合峰-峰間距法[15]、波形時(shí)域分布特征法[16]、基波分量衰減判別法[17]；引入先進(jìn)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(jìn)行辨識(shí)，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(shí)別方法，例如等值回路方程法和瞬時(shí)勵(lì)磁電感法[23]、磁通特性法[24]、勵(lì)磁阻抗法[25]、基于能量成分的方法[26]。

為了提高差動(dòng)保護(hù)的可靠性和靈敏性，這些新方法分別從不同角度描述了勵(lì)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(lì)磁通、勵(lì)磁阻等新特征，在此基礎(chǔ)上引入先進(jìn)的分析方法和人工智能技術(shù)進(jìn)行處理，最后綜合多種方法識(shí)別。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)仿真階段，需要進(jìn)一步做動(dòng)模試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。勵(lì)磁涌流識(shí)別的難點(diǎn)在于不確定性和多樣性，無(wú)法建立與實(shí)際情況相符的模型。

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

3.2 電磁兼容問(wèn)題

變電站是一個(gè)具有高強(qiáng)度電磁場(chǎng)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(qiáng)電設(shè)備，又有低電壓、小電流的二次弱電設(shè)備。一次強(qiáng)電設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾對(duì)弱電設(shè)備的正常工作構(gòu)成極大的威脅，電磁波對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備干擾會(huì)造成采樣信號(hào)失真、自動(dòng)裝置異常、保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)，甚至元件損壞。因此，大型變壓器繼電保護(hù)設(shè)備的抗干擾能力已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)，而且電磁兼容性試驗(yàn)也成為繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)檢修的一項(xiàng)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(jìn)入微機(jī)保護(hù)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(jiàn)的有故障自檢、采樣值抗干擾糾錯(cuò)、看門狗程序[27]。

在實(shí)際應(yīng)用中，微機(jī)保護(hù)一般采用屏蔽的方式來(lái)處理電磁兼容問(wèn)題，對(duì)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(shí)別

近年來(lái)，出現(xiàn)了多起由和應(yīng)涌流引起的變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)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(hù)遇到的又一難題。和應(yīng)涌流是相對(duì)于勵(lì)磁涌流的一種涌流，當(dāng)一臺(tái)變壓器空載合閘時(shí)，引起另外一臺(tái)相鄰正在運(yùn)行的并聯(lián)或級(jí)聯(lián)變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，即和應(yīng)涌流現(xiàn)象。目前，變壓器差動(dòng)保護(hù)中還沒(méi)有特別針對(duì)和應(yīng)涌流的防范措施，研究現(xiàn)有涌流閉鎖判據(jù)對(duì)和應(yīng)涌流的適用性，并探尋新的制動(dòng)方案來(lái)防止和應(yīng)涌流引起的差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)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(hù)正在朝著微機(jī)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(dòng)保護(hù)誤差較大，因此，采樣的同步問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化差動(dòng)保護(hù)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(hù)故障的分析，下面為提高保護(hù)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(hù)的配置方案。

4.1 建議

1）針對(duì)勵(lì)磁涌流與和應(yīng)涌流導(dǎo)致的保護(hù)誤動(dòng)，在大型變壓器投運(yùn)之前要求進(jìn)行多次空載合閘實(shí)驗(yàn)，工程中要研究更為完善的變壓器保護(hù)，推動(dòng)新型繼電保護(hù)原理向工程實(shí)踐轉(zhuǎn)化。

2）增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)繼電保護(hù)從業(yè)人員工作責(zé)任心，加強(qiáng)和提高從業(yè)人員的業(yè)務(wù)技術(shù)水平?，F(xiàn)場(chǎng)檢修維護(hù)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(xiǎn)點(diǎn)分析預(yù)控等安全保障措施，杜絕因人為因素造成誤動(dòng)作的發(fā)生。

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

4）制定和完善變壓器繼電保護(hù)狀態(tài)檢修方案，定期按檢修方案進(jìn)行維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，做好預(yù)防措施。

4.2 合理經(jīng)濟(jì)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(hù)，然而，實(shí)際上有些故障是小概率事件。另一方面，對(duì)于大型變壓器，各種差動(dòng)保護(hù)針對(duì)不同故障靈敏度不同。因此，為了提高保護(hù)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇保護(hù)配置方案，應(yīng)遵循以下原則：

1）各項(xiàng)保護(hù)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(hù)原理應(yīng)性能優(yōu)良，有成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，滿足技術(shù)要求。

3）根據(jù)變壓器容量、價(jià)值對(duì)重要的變壓器繼電保護(hù)實(shí)現(xiàn)完全的雙重化，對(duì)一般的單套配置。

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

4.3 工程應(yīng)用

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

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

表1 四川瀘州市220kV主變保護(hù)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(hù)配置Table 2 The Protection confi guration scheme for 110kV main transformer in LuZhou SiChuan

5 結(jié)束語(yǔ)

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

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