基于百分比的水平匝間故障檢測算法研究

張秦琴，趙力思，魏 猛，付 程，劉亞軍

（國網重慶市電力公司銅梁供電分公司，重慶 402560）

在電力系統中，變壓器對保證電力系統穩定運行有重要意義[1]。然而，由于長期運行和環境因素等原因，變壓器可能面臨匝間故障（TTF）的風險[2]。因此，變壓器匝間故障檢測成為電力系統維護和監測中至關重要的任務。近年來，針對變壓器匝間故障檢測問題，研究者們提出了許多不同的算法和方法。傳統方法包括振動分析、紅外熱成像、氣體分析等；基于機器學習的方法[3]包括支持向量機、決策樹、隨機森林、神經網絡等；基于信號處理的方法[4]主要是通過對變壓器的電流、電壓等信號進行采集和分析，提取不同頻率范圍內的特征參數，如諧波、噪聲等，以判斷是否存在匝間故障。文章旨在研究一種TTF檢測算法，針對變壓器中1%匝間故障的起始進行有效探測，利用增量電流的正負分量進行檢測，并引入工作電流和抑制電流，通過施加實際匝間故障于2 kVA 三相變壓器并對測試信號進行測量。同時，將所提出的算法與目前最先進的現場TTF 檢測方法EPVA 進行性能比較，實現對TTF 的早期、精確和快速檢測。

1 基于百分比的故障相關電流增量法

變壓器正常運行時，差流中的負序分量接近于0，但在TTF 發生后，差流中的負序分量突然增大，這種突變能夠作為一種靈敏的TTF 檢測判據。

以下首先討論故障相關電流增量法（FRIC），然后對其進行改進，使其更加安全、可靠。

1.1 FRIC法

通過對變壓器匝比、矢量組以及零序分量進行補償，可以根據變壓器的原邊電流和副邊電流得到變壓器的差流，如式（1）所示。

由于匝間故障的發生，變壓器電流的負分量和正分量的差量被稱為FRIC。為了評估FRIC，需要評估變壓器電流與其最近的非故障穩態值之間的差異：

利用FRI 識別低水平TTF 的3個條件如下所示：

式中，ε和μ為趨近于0的常數閾值，δ為趨近于1的常數。

1.2 基于百分比的FRIC方法

以下介紹新的基于FRIC 參數的操作和抑制信號。工作電流IOP和抑制電流IRES定義如下：

基于式（7），式（4）可以改寫為：

式（5）改寫如下：

基于原副邊電流定義新的條件如下：

其中 是一個常數閾值。將式（9）和式（10）相乘：

式中，m1為常數參數。若IOP大于指定閾值，且IOP和IRES的比值大于m1，則觸發TTF起始。

通過采用雙斜率特性，所提出的基于百分比的FRIC 在重外部故障情況下的安全性將得到提高，能夠保護從兩側饋電的變壓器以及多繞組變壓器。

2 實驗裝置

文章使 用1 臺2 kVA 定制變壓器（三 相，400/400 V，三橋臂堆疊鐵芯），以評估匝間故障下所提方法的性能。

3 匝間故障下所提方法與其他TTF檢測算法的比較

以下給定只涉及繞組的1%的TTF 已發生在變壓器不同的運行場景下：①正常運行狀態（N）；②空載工況（NL）；③外部單線對地故障（LG）；④外部線路對線路外部故障（LL）。針對不同的繞組連接方式與EPVA 和NSPD 方法進行了比較。所提算法在所有測試中都在小于25 ms 時檢測到了1%的TTF 起始。

3.1 案例1：低水平1%TTF

本案例中，低電平1%TTF 已發生于Y-Y 變壓器，其提供了相當于額定容量85%的純阻性負載。在t=91 ms 時，TTF 在變壓器副邊繞組上觸發。雖然短路匝中的故障電流約為額定電流的6倍，但相關的一次電流僅小幅增加，二次電流的增量變化可忽略不計。圖1給出了所提方法的工作和抑制電流信號的瞬時值。由于故障的發生，所有記錄的電流都增大，所有檢測方法均適用。

圖1 Y-Y變壓器上1%TTF起始電流檢測結果

3.2 案例2：1%TTF，且存在外部故障

圖2給出了所提方法的操作信號和抑制信號的瞬時值。t=86 ms 時，變壓器二次側已觸發外部單相接地故障。外部故障導致副邊繞組故障相電流急劇增大，原邊繞組對應的兩相電流也有所增加。

圖2 1% TTF在D-Yn變壓器外線對地故障時工作電流和抑制電流的瞬時值

外部故障后，t=155 ms 時，變壓器原邊繞組上已觸發1%TTF。由于外部故障對變壓器電流產生了顯著影響，TTF 啟動引起的電流增量變化不明顯，短路匝中的故障電流約為額定電流的6倍。

從圖2可以看出，由于外部故障的產生，所提方法的抑制電流大幅增加，能夠增強其對可能的誤差的處理穩定性。

更新穩態電流后，抑制電流和運行電流恢復到其小值。因此，即使在存在外部故障的情況下，所提方法也可以很容易地檢測到TTF 的發生。表1給出了這些方法在所有可能的外部故障下的跳閘時間。

表1 不同算法在不同變壓器運行工況下的跳閘時間

4 閾值確定

為確定所提方法以及EPVA 算法的最佳閾值，在Yn-Yn 變壓器上進行了多次實驗測試。同樣給定1%的TTF 已發生在變壓器不同的運行場景下。

圖3 給出了每次試驗中變壓器的穩態工作點。TTF 啟動前的穩態運行點由虛線圓圈表示，啟動后的穩態運行點由實線圓圈表示。基于百分數的特征曲線(如圖3中實線和虛線所示)應區分虛線圓(無故障條件)和實線圓(有故障條件)。如果選取的特征曲線接近實線圓，則會影響方法的可靠性。

圖3 Yn-Yn變壓器在TTF發生前（虛線圓圈）和發生后（實線圓圈）不同工況下的穩態工作點

從圖3（a）和（b）可以看出，EPVA 方法的安全可信閾值設定較為復雜。這是由于在TTF 發生之前，其穩態運行點取決于變壓器的運行工況，文章所提方法的閾值選取簡單直觀，且具有安全可靠的保護繼電器性能。

5 結束語

變壓器保護及時檢測TTF 的早期發生對于系統的穩定運行至關重要。文章提出了一種基于百分比的FRIC 方法來檢測變壓器中1%匝間故障的起始。通過將實際匝間故障施加到2 kVA 三相變壓器上，對測試信號進行測量。結果表明，所提方法能夠在小于25 ms 的時間內檢測到TTF 發生，即使存在外部故障也能實現精確檢測，能夠精確快速地實現TTF 的精確檢測。