繼電保護技術在變壓器故障解決中的應用分析

陜西延長石油天然氣股份有限公司 牛寧寧 王 輝

隨著電力系統的不斷發展和壯大，變壓器作為電力傳輸與分配的重要組成部分，其安全穩定運行對整個電力系統的可靠性越發重要。然而，變壓器故障作為電力系統運行中的常見問題之一，可能導致電力中斷、設備損壞甚至事故發生，對電力系統的穩定運行和人員財產安全帶來潛在威脅。因此，采用高效準確的繼電保護技術，對變壓器故障進行檢測、定位和解決，成為保障電力系統安全穩定運行的關鍵環節。

1 繼電保護技術在變壓器故障檢測中的應用

1.1 過電流保護

過電流保護作為電力系統中常見且關鍵的保護手段，在變壓器系統中扮演著不可或缺的角色。其核心原理是基于電流大小的判別，當變壓器內部發生故障時，例如短路，導致電流迅速升高時，過電流保護能夠迅速檢測到這種異常，并觸發保護裝置。在數學上，過電流保護的觸發條件可以表達為：

I 故障＞I 額定×系數

其中，I 故障表示檢測到的故障電流，I 額定為變壓器的額定電流，系數則是保護裝置的設定參數。若故障電流超過額定電流的一定倍數，保護裝置便會快速作出響應，切斷電路，有效防止故障進一步蔓延。值得強調的是，過電流保護不僅在內部故障時起作用，同時也對外部短路等異常情況具備響應能力，從而確保了電力系統的穩定運行。過電流保護的特點之一在于其迅速地響應速度，這源于其簡單而有效的工作原理。此外，其觸發條件可以根據不同變壓器和電力系統的特點進行調整，確保其在不同工況下的可靠性。然而，盡管過電流保護具有顯著優勢，但在實際應用中仍需考慮到故障電流與負荷電流之間的區別，以及電流波形的非穩態特性[1]。這就要求在保護參數設定時，綜合考慮不同情況下的復雜性和多變性。

1.2 差動保護

差動保護作為一種基于電流差值的高級繼電保護技術，在變壓器故障檢測中扮演著關鍵角色。其核心原理是通過比較變壓器輸入端和輸出端電流之間的差異，從而判斷電流傳輸過程中是否存在異常。數學上，差動保護的基本表達式可以表示為：

I 差=I 輸入－I 輸出

其中，I 差為輸入和輸出電流的差值，I 輸入和I 輸出分別為變壓器輸入和輸出端的電流。當I 差超過設定的閾值時，差動保護裝置會進行保護動作，防止可能的故障進一步擴大。由于電流差值異常通常意味著電流在傳輸途中受到了異常的影響，差動保護能夠迅速檢測到這種變化并作出響應。其觸發時間可以用以下表達式來表示：

t 觸發=1/f 采樣×n

其中，t 觸發表示保護觸發時間，f 采樣為采樣頻率，n 為采樣點數。該方程表明，采樣頻率越高，差動保護的觸發時間越快，對故障的響應速度也更高。然而，差動保護在應用中需要考慮因變壓器內部參數的差異而引起的誤差，以及電流互感器的線性度等因素。因此，在設計差動保護系統時，需要充分考慮這些因素，確保保護裝置的準確性和可靠性，差動保護器如圖1所示。

圖1 差動保護器

1.3 頻率保護

頻率保護作為一種專注于電力系統頻率異常的繼電保護技術，在變壓器故障檢測中發揮著重要作用。其關鍵任務是監測電力系統頻率的變化，一旦變壓器故障引發電力系統頻率異常波動，頻率保護能夠敏感地察覺并采取適當的保護措施。在數學上，電力系統頻率的變化率可以表示為：

頻率保護在變壓器故障檢測中的優勢在于其對系統穩定性的敏感性。變壓器內部故障，如短路，可能導致電力系統的不穩定，進而引發頻率異常。頻率保護能夠快速感知頻率變化，為故障的早期檢測提供重要線索，防止其進一步升級成更嚴重的問題。此外，頻率保護還可以作為變壓器設備異常的預警，提醒運維人員及時采取行動。在應用頻率保護時，需要考慮系統負荷波動等非故障因素對頻率的影響，以及頻率保護參數的設置。為了準確判定頻率異常，還需要考慮系統頻率的基準值和波動范圍等。在頻率保護系統設計和參數調整時需要綜合考慮這些因素。

2 繼電保護技術在變壓器故障定位中的應用

2.1 零序電流法

零序電流法是一種常用的變壓器故障定位方法，通過對故障相序零序電流的測量和分析，判斷故障的位置。在數學上，零序電流法可以表達為：

I0=Ia+Ib+Ic

其中，I0為故障相序零序電流，Ia、Ib 和Ic 分別為變壓器各相電流。通過比較測得的零序電流和計算得到的額定零序電流，可以確定故障發生的位置。

2.2 感應電流法

感應電流法利用變壓器故障時產生的感應電流來定位故障。當變壓器發生故障時，故障電流會導致磁通的不對稱，從而在相鄰線圈中產生感應電流。感應電流法的數學表達式為：

2.3 電壓法

電壓法是一種基于測量故障點兩側電壓變化的繼電保護方法，用于定位變壓器故障。該方法基于故障引起的電壓波形變化，通過分析電壓的不對稱性，能夠快速、有效地確定故障的位置。

在變壓器故障定位中，電壓法的基本原理是比較故障點兩側的電壓幅值和相位角差異。當變壓器發生故障時，故障點的電壓波形可能會出現畸變，幅值和相位角可能會發生變化[2]。通過對比正常情況下的電壓波形，可以判斷故障的位置。電壓法的表達式可以表示為：

V 差=V 故障點－V 正常點

其中，V 差為故障點電壓與正常點電壓的差值，V 故障點和V 正常點分別為故障點和正常點的電壓。

具體應用時，需要經過一系列步驟以確保準確性。首先，通過電壓傳感器或電壓互感器獲取故障點和正常點的電壓數據。其次，將測得的故障點電壓與正常點電壓進行比較。這個正常點電壓可以是其他相同條件下的測量值，也可以是通過計算得出的預期值。最后，分析故障點電壓與正常點電壓之間的差異，考察是否出現電壓波形的不對稱變化，如幅值減小或相位角偏移等。基于電壓差異的特點，可以判斷故障的位置。舉例來說，如果內部短路故障導致故障點電壓幅值下降，測量結果將明顯低于正常點電壓。通過電壓差異分析，可以精確地定位故障點。然而，在具體應用時，需考慮電壓測量的精度、負荷變化、可能的干擾因素等，以保障定位結果的準確性。因此，可將電壓法可與其他定位方法相結合，以獲取更為可靠的故障位置信息，從而為變壓器故障定位提供有力支持。

3 繼電保護技術在變壓器故障解決中的應用

3.1 過負荷保護

在變壓器故障解決中，過負荷保護是不可或缺的關鍵環節。當變壓器運行負荷超出其額定值時，過高的電流會引發變壓器內部溫度升高，從而可能導致絕緣老化、電氣設備的損壞甚至故障。為了有效應對這一問題，繼電保護技術在變壓器過負荷情景中具有重要作用。其核心在于監測變壓器電流，并在檢測到電流超過預定閾值時迅速觸發保護動作，以切斷電路，從而避免變壓器因過負荷運行而帶來的潛在風險。在具體應用過程中，需要逐步確保保護的可靠性。首先，利用電流傳感器或電流互感器實時監測變壓器電流。其次，設定合適的額定電流閾值，以明確超負荷狀態。最后，一旦監測到實際電流超過額定閾值，繼電保護裝置會立即觸發保護動作，可能涉及電路切斷、故障報警等。此外，為防止短暫電流波動誤觸發保護，還需設置適當的保護時間延遲。過負荷保護可簡化為 ：

I 實際＞I 額定

其中I 實際為實際電流，I 額定為額定電流閾值。通過電流監測及時識別超負荷狀態，保障設備的安全運行。逐步的保護設置、動作策略和時間延遲機制能夠確保保護系統的準確性和可靠性，從而為變壓器故障解決提供強有力的支持。

3.2 短路保護

短路故障可能導致電流迅速增大，威脅變壓器及周邊設備的安全運行。繼電保護裝置能夠通過檢測故障電流的急劇變化，迅速作出保護動作，切斷電路，從而阻止故障蔓延。在短路保護的具體應用中，需要根據故障類型和位置，設置適當的保護參數，確保保護裝置的準確性和可靠性。

3.3 過溫保護

過溫保護是針對變壓器內部溫度異常升高的情況。當變壓器內部出現故障時，如局部短路，會引起局部溫度升高，如圖2所示。過溫保護繼電器可以通過溫度傳感器監測變壓器的溫度，一旦溫度超過安全閾值，便會觸發保護裝置，停止變壓器運行，防止故障進一步發展。在過溫保護的實際應用中，需要合理設置溫度閾值和保護延時，以確保保護的及時性和可靠性。

圖2 變壓器油溫高

3.4 冷卻系統故障保護

在變壓器故障解決中，冷卻系統故障保護扮演著不可或缺的關鍵角色。冷卻系統的正常運行對于維持變壓器內部溫度在安全范圍內至關重要。然而，一旦冷卻系統出現故障，可能會導致變壓器內部溫度升高，進而引發更為嚴重的問題，如電氣設備老化、絕緣失效等[3]。繼電保護技術在這一情境下具有顯著作用，通過持續監測冷卻系統的運行狀態，一旦探測到冷卻系統出現異常，即刻觸發保護裝置，迅速停止變壓器運行，以避免因過熱而引發的潛在故障。在冷卻系統故障保護的實際應用中，合理設置保護參數至關重要。這包括根據冷卻系統的設計和特性，設定適當的最低冷卻液流量閾值或最高冷卻溫度閾值。保護裝置將根據這些設定參數，在檢測到冷卻系統故障時，實施相應的保護策略，可能涉及電路切斷、警報通知等[4]。這一過程需要持續地根據實際運行情況對保護參數進行調整，以確保冷卻系統故障保護的高度敏感性和可靠性。繼電保護技術的參數設置將根據不同冷卻系統的特點而異，但核心在于根據監測到的狀態和特性，制訂保護規則，確保其在冷卻系統故障發生時能夠快速、精確地采取保護措施。

綜上所述，本論文通過深入研究和分析，充分展示了繼電保護技術在變壓器故障解決中的重要性和廣泛應用。我們相信隨著技術的不斷發展和完善，未來繼電保護技術將在電力系統中發揮更大的作用，保障電力設備的安全穩定運行，為電力行業的發展貢獻力量。