楊建敏 巨邦集團(tuán)有限公司

引言：電力供電系統(tǒng)中，電力變壓器是關(guān)鍵元件之一，主要負(fù)責(zé)電力供電系統(tǒng)中電壓變換、電能分配部分的運(yùn)轉(zhuǎn)，是電力系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)轉(zhuǎn)的重要環(huán)節(jié)。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷加速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)電能的需求量不斷增加，截止2017年，我國(guó)電能系統(tǒng)中變壓器的變電容量達(dá)到43.5億千伏安，并且這個(gè)數(shù)字還在逐年增加，如此巨大的變電容量下一旦電力變壓器出現(xiàn)斷電事故，會(huì)對(duì)社會(huì)穩(wěn)定和發(fā)展帶來不可忽視的影響。電力變壓器常處于外部環(huán)境和內(nèi)部電磁感應(yīng)的影響之下，需要相應(yīng)的保護(hù)技術(shù)維持其穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，最大程度上避免發(fā)生斷電事故，避免影響人們生產(chǎn)生活，避免因電力變壓器運(yùn)維問題對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成損失。

1.電力變壓器

1.1 變壓器

變壓器是一種靜止的電壓、電流交換設(shè)備，電磁感應(yīng)原理是變壓器運(yùn)行的主要原理，在變壓器中根據(jù)功能和用途可分為電力變壓器（如圖一所示）、試驗(yàn)變壓器、儀用變壓器、特殊用途變壓器，其中電力變壓器是本文探討的主角，主要負(fù)責(zé)在電力供應(yīng)系統(tǒng)中的電壓升降、電能輸配。

1.2 電力變壓器

電力變壓器是利用電磁感應(yīng)原理，將一種交流電壓轉(zhuǎn)變成頻率相同的一種或多種不同的交流電壓的電氣設(shè)備，當(dāng)電力變壓器中的一次繞組通以交流電后會(huì)產(chǎn)生交變磁通，交變磁通通過鐵芯傳導(dǎo)后在二次繞組中感應(yīng)出交流電動(dòng)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的升降和電能的輸配。電力變壓器能夠升降電壓的高低與一次繞組和二次繞組匝數(shù)有關(guān)，能夠變電的容量與一二次繞組匝數(shù)也關(guān)系密切，因此當(dāng)電力變壓器被施加額定電壓后，可以根據(jù)變電容量計(jì)算出正常狀態(tài)下的額定電流，從而降低電力變壓器的空載率，提高能源利用率。根據(jù)絕緣介質(zhì)區(qū)分可分為：油浸式變壓器、干式變壓器和氣體絕緣變壓器；目前，我國(guó)最常見電力變壓器是三相油浸式變壓器，因其消耗量小、使用壽命長(zhǎng)，用于電力供應(yīng)系統(tǒng)中升壓、降壓操作。

圖一 油浸式電力變壓器

2.電力變壓器保護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 瓦斯保護(hù)

瓦斯保護(hù)技術(shù)主要應(yīng)用于油浸式變壓器中，其目的在于對(duì)電力變壓器內(nèi)部故障進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)油浸變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，電弧和電壓產(chǎn)生的高溫使變壓器內(nèi)絕緣材料分解形成氣體，這種氣體就是瓦斯，內(nèi)部故障會(huì)產(chǎn)生氣流和油流，從而在變壓器油箱內(nèi)部產(chǎn)生較大的壓力，將變壓器中的油液及氣體壓縮在瓦斯氣體繼電器中，對(duì)油浸式變壓器形成保護(hù)，這種瓦斯氣體與油液的流動(dòng)保護(hù)動(dòng)作被稱為瓦斯保護(hù)。瓦斯保護(hù)的出現(xiàn)使油浸式變壓器在發(fā)生事故后，無需檢修人員采取措施就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器的保護(hù)，也為檢修人員的辨別和維修動(dòng)作提供保護(hù)，可以有效降低安全事故的發(fā)生幾率。

2.2 跳閘保護(hù)

跳閘保護(hù)又稱自動(dòng)斷開保護(hù)，是油浸式電力變壓器中最常用的保護(hù)技術(shù)，主要負(fù)責(zé)在電路短路時(shí)感應(yīng)瞬間電流變化，自動(dòng)將故障發(fā)生處的供電斷路器斷開，限制故障影響范圍，有效降低電力事故對(duì)電力變壓器和周邊用電用戶的安全影響。跳閘保護(hù)裝置原理簡(jiǎn)單、安裝操作難度系數(shù)低、適用性高，但相對(duì)不斷發(fā)展完善的電力變壓器等電力設(shè)備而言，跳閘保護(hù)裝置的靈敏度仍有提高空間，通過在靈敏度方面的研究和改進(jìn)可以有效提高跳閘保護(hù)裝置的安全保護(hù)效率，擴(kuò)大跳閘保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用范圍，進(jìn)而提高國(guó)家電網(wǎng)運(yùn)行安全。

2.3 過勵(lì)磁和過電流保護(hù)

過勵(lì)磁和過電流保護(hù)主要應(yīng)用于升壓、降壓電力變壓器內(nèi)，其工作原理是保護(hù)裝置根據(jù)電壓和電流的瞬間變化來判斷變壓器運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于變壓器瞬間電壓和電流值超出額定參數(shù)范圍的情況予以自動(dòng)斷開處理，避免電流和電壓瞬間增大對(duì)變壓器金屬元件、電路造成損耗和影響，達(dá)到對(duì)電力變壓器的保護(hù)。通常情況下，過勵(lì)磁保護(hù)用于升壓變壓器內(nèi)，而過電流保護(hù)用于降壓變壓器內(nèi)，是一組對(duì)于電網(wǎng)供應(yīng)系統(tǒng)中變壓器施以保護(hù)的對(duì)應(yīng)技術(shù)。

2.4 差動(dòng)保護(hù)

差動(dòng)保護(hù)技術(shù)是一種通過檢測(cè)兩端電流矢量差判斷是否保護(hù)電氣元件的保護(hù)技術(shù)，差動(dòng)保護(hù)技術(shù)應(yīng)用范圍包括供電線路、發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器等電網(wǎng)供應(yīng)系統(tǒng)元件，其中原理是“電路中流入節(jié)點(diǎn)電流總和等于零”，差動(dòng)保護(hù)裝置將電氣設(shè)備視作節(jié)點(diǎn)，當(dāng)電氣設(shè)備流入的電流差不等于零時(shí)就會(huì)技法保護(hù)裝置，使斷路器跳開，屬于跳閘保護(hù)裝置的升級(jí)版本。傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)裝置因需要感應(yīng)節(jié)點(diǎn)電流量差進(jìn)行故障判斷，因此靈敏度較高，但保護(hù)裝置實(shí)際運(yùn)行過程中，變壓器內(nèi)繞組線圈通過交流電時(shí)會(huì)產(chǎn)生微弱的電流，這股微弱的電流會(huì)干擾差動(dòng)保護(hù)裝置，使其出現(xiàn)判斷誤差；當(dāng)電力變壓器外部出現(xiàn)故障時(shí)，同樣容易導(dǎo)致通過差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)感應(yīng)節(jié)點(diǎn)的電流出現(xiàn)不平衡，導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)裝置出現(xiàn)誤判，由此可見差動(dòng)保護(hù)技術(shù)及裝置在實(shí)際運(yùn)用過程中靈敏度和可靠度是一對(duì)相互沖突的性能，因此差動(dòng)保護(hù)裝置在實(shí)際運(yùn)用時(shí)必須采取相應(yīng)的解決措施，盡量減少差動(dòng)保護(hù)裝置誤判幾率。

2.5 電力變壓器外部保護(hù)

2.5.1 防雷保護(hù)

電力變壓器因?qū)儆陔娋W(wǎng)供應(yīng)系統(tǒng)元件，尤其是升壓、降壓變壓器常設(shè)立在戶外甚至是空曠的郊外，作為輸電元件本身利用電磁感應(yīng)完成升降壓和輸配電能目的，特別容易受到雷電天氣影響，因此電力變壓器必須設(shè)置防雷保護(hù)，最大程度上避免被雷電擊中變壓器，避免因雷電或放電現(xiàn)象引起電力變壓器內(nèi)外部故障，導(dǎo)致大面積停電，引起社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。

2.5.2 除銹保護(hù)

與防雷保護(hù)設(shè)置原因一致，電力變壓器設(shè)立在戶外還需要考慮到降雨、降雪、霧氣、霜凍、揚(yáng)塵等天氣因素的影響，受到水分和灰塵的影響有可能影響電力變壓器的靈敏度和工作性能，消耗能源，甚至有可能因污垢積累過度導(dǎo)致電力變壓器停止工作，影響電網(wǎng)供應(yīng)系統(tǒng)工作效率。電力變壓器除銹保護(hù)除在金屬部位和元件處噴涂防銹涂層外，還需要運(yùn)維人員定期進(jìn)行除銹和清潔工作，保證電力變壓器的工作性能和效率。

2.6 冷控失電保護(hù)

電力變壓器運(yùn)行過程中常見冷控失電的故障，主要是指電力變壓器冷卻器控制回路電源消失的故障，通常情況下在電力變壓器冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障后，風(fēng)冷、水冷的變壓器仍然能夠持續(xù)工作近20分鐘，20分鐘后若電力變壓器內(nèi)油溫頂層溫度超過75℃變壓器就會(huì)停止工作，冷控失電保護(hù)技術(shù)和裝置就是為了能夠及時(shí)檢測(cè)出此種故障使電力變壓器及時(shí)得到維修，進(jìn)而維持電力系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)效率。冷控失電故障常出現(xiàn)在大型電力變壓器中，冷控失電保護(hù)裝置多裝配在大型油浸式電力變壓器內(nèi)，通過監(jiān)控油溫參數(shù)范圍判斷故障，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障信號(hào)報(bào)警和跳閘保護(hù)啟動(dòng)，縮短電力變壓器接受運(yùn)維人員維修作業(yè)的時(shí)間差，減少電力變壓器在故障問題上的消耗量。

2.7 零序過流保護(hù)

零序過流保護(hù)與應(yīng)用在電力變壓器上的其他保護(hù)技術(shù)不同，零序過流保護(hù)只關(guān)注接地故障，只有接地故障發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生零序電流觸發(fā)保護(hù)裝置，因此零序過流保護(hù)裝置不受其他非接地故障影響和干擾。在電力領(lǐng)域研究中，正序、負(fù)序、零序是人為進(jìn)行區(qū)分的三個(gè)量，正常情況下電路中通過零序互感器的回路暢通，電流矢量和為零；當(dāng)線路出現(xiàn)漏電情況時(shí)，電路通過零序互感器的回路出現(xiàn)電流矢量和不為零的情況，回路中出現(xiàn)零序電流進(jìn)而激發(fā)零序過流保護(hù)裝置。當(dāng)前，零序過流保護(hù)裝置作為電力變壓器的后備保護(hù)裝置和接地保護(hù)的后備保護(hù)裝置，為電力變壓器的巡檢、維修人員提供重要的安全防護(hù)，可以有效避免電力變壓器出現(xiàn)接地后漏電現(xiàn)象，有效避免對(duì)電力變壓器信息巡檢和維修的人員在不知情情況下觸電，造成電力供應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)維安全事故。

3.電力變壓器保護(hù)技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì)

隨著我國(guó)電力領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，電力供應(yīng)系統(tǒng)逐漸向信息化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，進(jìn)而帶動(dòng)我國(guó)電力領(lǐng)域不斷提升供電穩(wěn)定和安全。當(dāng)前電力變壓器保護(hù)技術(shù)多關(guān)注與如何提高電力變壓器穩(wěn)定性、如何及時(shí)對(duì)電力變壓器故障進(jìn)行報(bào)警或跳閘保護(hù)、如何減小電力變壓器故障的維修難度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶供電的穩(wěn)定和高效，降低電力運(yùn)維人員的工作壓力，但目前，我國(guó)電力供應(yīng)系統(tǒng)尚不能對(duì)故障發(fā)生、維修過程中的系統(tǒng)癱瘓、停電問題進(jìn)行緩解處理，這使得我國(guó)因電力供應(yīng)問題導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失仍不可忽視。未來電力變壓器保護(hù)技術(shù)將向提前預(yù)警、啟動(dòng)備用裝置、分段維修、維持供電穩(wěn)定方面發(fā)展，目前還在推廣過程中的分段智能監(jiān)控是比較可期的發(fā)展方向，能夠有效提高電力變壓器和電力供應(yīng)系統(tǒng)的智能化程度，為電力供應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定性提高做出重要貢獻(xiàn)。

結(jié)束語：電力供電系統(tǒng)需要電力變壓器的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)維持供電穩(wěn)定，電力領(lǐng)域技術(shù)人員也在電力變壓器部分投入大量的科研精力，電力變壓器保護(hù)技術(shù)從瓦斯保護(hù)、自動(dòng)斷開保護(hù)逐步發(fā)展到差動(dòng)保護(hù)、過電流保護(hù)，為電力變壓器自動(dòng)化、智能化、現(xiàn)代化打下堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)，為我國(guó)電網(wǎng)穩(wěn)定供電提供專業(yè)保障。在未來，隨著電力科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力變壓器還將迎來更多先進(jìn)、科學(xué)的保護(hù)技術(shù)，為國(guó)家電力系統(tǒng)長(zhǎng)久、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)提供科學(xué)保障。