變壓器繼電保護技術及配置方案研究

龍 波，艾昶恩，曹 揚

（國網瀘州供電公司，四川 瀘州 646000）

0 引言

電力變壓器是電力系統中重要的電氣設備之一。隨著發電裝機容量逐年攀升和大容量特高壓輸電的發展，大型變壓器在系統中的應用越來越多[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，將會造成重大經濟損失，同時對供電可靠性和電網安全穩定運行帶來嚴重的影響。然而，相對于電網中其他元件，220kV及以上變壓器故障次數多，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的安全穩定運行，防止事故的發生和擴大，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，這些狀態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，只有抓住故障的本質特征才能設計出性能優良的變壓器繼電保護設備。因此，對變壓器故障的研究具有重要意義。

依照故障發生的位置，變壓器故障可分為外部故障和內部故障。外部故障是指發生在變壓器外部的故障，主要有以下幾種情況：過負荷、過電壓、低頻運行和外部短路；內部故障是指發生在變壓器保護區內的故障，不僅包括變壓器外殼內部，還包括變壓器以外、電流互感器（TA）以內的故障，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，過負荷故障是指由于并列變壓器負荷分配不合理或者三相變壓器負荷不平衡，實際負荷超過額定負荷的狀態，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過電壓或長期工頻過電壓，其中暫態過電壓會導致端部線匝處承受沖擊并可能斷裂，工頻過電壓將導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域，導致變壓器鐵心過勵磁；外部短路故障會產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

在內部故障中，過熱故障是指變壓器內部溫度過高，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，嚴重時可以造成變壓器損壞。其原因包括內部接觸不良、冷卻劑漏液、冷卻劑流動受阻以及冷卻風扇或泵停轉；過壓力故障是指變壓器油箱出現過壓現象；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，導致電氣絕緣損壞；匝間短路故障經常在高壓變壓器中出現，而低壓變壓器很少出現；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；套管閃絡故障是指套管絕緣閃絡，導致接地的變壓器油箱發生短路，一般由雷電或其他浪涌現象引起。

1.2 變壓器故障保護策略

根據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重故障。早期故障是指緩慢發展的故障，開始對變壓器影響不大，但是如果不能及時排除，會發展成為嚴重故障。嚴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。變壓器繼電保護應遵循以下策略：對于早期故障，繼電保護必須能夠反應，發出告警信號或延時跳閘；對于嚴重故障，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，而且能區分早期故障和嚴重故障，并作出相應動作。

變壓器繼電保護經過長期發展，現在已經擁有縱聯差動保護、瓦斯保護、勵磁保護、速斷保護、零序電流保護、過電流保護、過負荷保護、非電量保護等。縱聯差動保護反應于變壓器繞組和引出線上的各類短路故障，瓦斯保護反應于變壓器油箱內部各種故障，二者一起構成主保護，其它的作為后備保護。

工程應用中對于特定的變壓器，需要依據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，從而實現經濟性最大化。

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、設計不合理、定值問題、安裝調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]；和應涌流導致變差誤動[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、和應涌流，CT飽和導致誤動，直流偏磁產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的上述故障揭示了保護功能缺陷，這給已經成熟應用的繼電保護技術帶來了挑戰，所以需要結合工程實踐不斷地發展和完善變壓器繼電保護技術。

2.2 人為故障

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

人為故障是最不應該出現的變壓器保護故障，是由繼電保護人員在安裝、調試、維護和檢修過程中操作不當或者違章引起，主要包括誤碰問題、整定錯誤、接線錯誤、設備安裝不規范、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，空投電容器產生暫態高頻電流對二次回路造成干擾，操作隔離開關時電弧導致瞬間電磁干擾，交流電壓竄入直流中引起光耦誤動，高壓設施產生的工頻電磁干擾，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，雷擊造成的設備損壞，收發信機通訊故障。

3 變壓器保護關鍵技術

3.1 勵磁涌流的識別

當變壓器空載投入或外部故障切除后電壓恢復時，電壓從零或者很小的數值突然上升到運行電壓，變壓器產生很大的勵磁涌流，造成差動保護的誤動作。差動保護如何準確地快速地區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]；引入先進的數學方法分析波形特征，例如，小波分析[18]、雙曲S變換[19]、數學形態學[20]；結合人工智能方法進行辨識，例如，模糊邏輯[21]、神經網絡方法[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部故障電流的區別，從傳統的電流波形特征發展到電壓、電感、勵磁通、勵磁阻等新特征，在此基礎上引入先進的分析方法和人工智能技術進行處理，最后綜合多種方法識別。這些方法各有優缺點，有待系統的比較和總結，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，今后發展方向主要有3個，一是系統比較和綜合現有的識別方法，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境的特殊區域，特別是由大型變壓器構成的，其中既有高電壓、大電流的一次強電設備，又有低電壓、小電流的二次弱電設備。一次強電設備產生的電磁干擾對弱電設備的正常工作構成極大的威脅，電磁波對繼電保護設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備的抗干擾能力已經成為一項重要的性能指標，而且電磁兼容性試驗也成為繼電保護設備狀態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，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 和應涌流識別

近年來，出現了多起由和應涌流引起的變壓器差動保護誤動的新故障，如何可靠區分和應涌流與內部故障電流，這是變壓器保護遇到的又一難題。和應涌流是相對于勵磁涌流的一種涌流，當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或級聯變壓器差動保護誤動，即和應涌流現象。目前，變壓器差動保護中還沒有特別針對和應涌流的防范措施，研究現有涌流閉鎖判據對和應涌流的適用性，并探尋新的制動方案來防止和應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、數字化快速發展，從通信接口中接收不同采樣頻率的數字量，導致差動保護誤差較大，因此，采樣的同步問題是實現數字化差動保護的關鍵技術[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，并結合工程應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涌流導致的保護誤動，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化。

2）增強現場繼電保護從業人員工作責任心，加強和提高從業人員的業務技術水平。現場檢修維護人員應嚴格遵守相關規程和導則，執行操作票、危險點分析預控等安全保障措施，杜絕因人為因素造成誤動作的發生。

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

4）制定和完善變壓器繼電保護狀態檢修方案，定期按檢修方案進行維護，及時發現潛在問題，做好預防措施。

4.2 合理經濟的配置方案

一方面由于變壓器結構復雜，有可能發生繁多的故障和異常狀態，需要裝設多達幾十種的繼電保護，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濟性，需要根據實際情況選擇保護配置方案，應遵循以下原則：

1）各項保護功能完備，以確保反應各種故障和異常狀態。

2）選用的保護原理應性能優良，有成熟的運行經驗，滿足技術要求。

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

4）組屏合理，雙重化的兩套保護系統應分屏設置，非電氣量保護與電氣量的保護也應分屏設置，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進行檢修和調試。

4.3 工程應用

工程實踐中要求依據《繼電保護和安全自動化裝置技術規程》和國家電網公司制定的相關規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，一般變壓器則根據實際情況靈活地選擇所需的保護。下面結合四川瀘州市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 結束語

電力工業迅猛發展，超高壓大容量變壓器不斷投入運行。電力系統的安全穩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絡化,數字化，智能化，保護、控制、測量和數據通信一體化發展，要完全實現智能化還有很多問題需要解決。最后，工程應用過程中如何選擇合適的經濟的主變保護配置方案有待進一步研究，這需要設計人員和現場工程人員相互配合，最好能制定一套決策流程。

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