变压器继电保护技术及配置方案研究

龙 波，艾昶恩，曹 扬

（国网泸州供电公司，四川 泸州 646000）

0 引言

电力变压器是电力系统中重要的电气设备之一。随着发电装机容量逐年攀升和大容量特高压输电的发展，大型变压器在系统中的应用越来越多[1]。大型电力变压器造价昂贵，地位重要，一旦因故障遭到破坏，将会造成重大经济损失，同时对供电可靠性和电网安全稳定运行带来严重的影响。然而，相对于电网中其他元件，220kV及以上变压器故障次数多，继电保护动作正确率低[2]。变压器继电保护可以保证电力系统的安全稳定运行，防止事故的发生和扩大，而且高效的配置方案可以提高保护的可靠性。因此，探究变压器的故障和继电保护具有重要意义。

1 变压器故障分析及保护策略

1.1 变压器故障分析

变压器故障主要是指非正常运行状态，这些状态会使变压器遭受危险冲击，有可能缩短变压器寿命。变压器故障理论是继电保护的基础，只有抓住故障的本质特征才能设计出性能优良的变压器继电保护设备。因此，对变压器故障的研究具有重要意义。

依照故障发生的位置，变压器故障可分为外部故障和内部故障。外部故障是指发生在变压器外部的故障，主要有以下几种情况：过负荷、过电压、低频运行和外部短路；内部故障是指发生在变压器保护区内的故障，不仅包括变压器外壳内部，还包括变压器以外、电流互感器（TA）以内的故障，主要有过热、过压力、过励磁、绕组短路、匝间短路、铁心故障、油箱故障、套管闪络等故障[3]。

变压器主要故障类型如图1所示。在外部故障中，过负荷故障是指由于并列变压器负荷分配不合理或者三相变压器负荷不平衡，实际负荷超过额定负荷的状态，从而引起变压器过热，降低变压器寿命；过电压故障是指短期暂态过电压或长期工频过电压，其中暂态过电压会导致端部线匝处承受冲击并可能断裂，工频过电压将导致变压器过励磁和增加对绕组绝缘的威胁；低频运行故障是指变压器运行在低频区域，导致变压器铁心过励磁；外部短路故障会产生很大的变压器电流，易造成变压器损坏。

图1 变压器故障类型Fig.1 Transformer fault types

在内部故障中，过热故障是指变压器内部温度过高，常会烧坏绕组绝缘，造成绕组接地或短路，一些裸露金属热点可能会烧坏铁芯、螺栓等部件，严重时可以造成变压器损坏。其原因包括内部接触不良、冷却剂漏液、冷却剂流动受阻以及冷却风扇或泵停转；过压力故障是指变压器油箱出现过压现象；过励磁故障是指铁心过励磁，可能会损坏叠片绝缘；绕组短路故障会引起电流急剧增加，导致电气绝缘损坏；匝间短路故障经常在高压变压器中出现，而低压变压器很少出现；铁心短路故障是指叠片之间的绝缘被破坏引起的短路；油箱故障是指封闭的油箱发生漏油或者冷却管道中油路阻塞，它会引起变压器危险过热和绝缘强度降低；套管闪络故障是指套管绝缘闪络，导致接地的变压器油箱发生短路，一般由雷电或其他浪涌现象引起。

1.2 变压器故障保护策略

根据变压器故障的变化过程及造成的损害程度，将这些故障分为早期故障和严重故障。早期故障是指缓慢发展的故障，开始对变压器影响不大，但是如果不能及时排除，会发展成为严重故障。严重故障是指瞬时对变压器造成损害的故障，如不立即动作切除，会造成变压器损害扩大。变压器继电保护应遵循以下策略：对于早期故障，继电保护必须能够反应，发出告警信号或延时跳闸；对于严重故障，继电保护要动作于跳闸或动作于信号。因此，要求继电保护装置不仅能识别变压器故障，而且能区分早期故障和严重故障，并作出相应动作。

变压器继电保护经过长期发展，现在已经拥有纵联差动保护、瓦斯保护、励磁保护、速断保护、零序电流保护、过电流保护、过负荷保护、非电量保护等。纵联差动保护反应于变压器绕组和引出线上的各类短路故障，瓦斯保护反应于变压器油箱内部各种故障，二者一起构成主保护，其它的作为后备保护。

工程应用中对于特定的变压器，需要依据变压器的重要程度和故障对变压器的危险程度，选择合适的保护进行配置，从而实现经济性最大化。

2 变压器保护故障

大型变压器广泛采用微机继电保护，其故障包括拒动和误动，引起继电保护故障的原因有原理不成熟、制造存在缺陷、设计不合理、定值问题、安装调试问题和运行维护不良等，可将变压器继电保护故障分为以下几类[4]。

2.1 保护功能缺陷

保护功能缺陷是指变压器保护装置功能或原理存在缺陷，无法识别或者误识别变压器故障，例如，励磁涌流引起差动保护误动事故[5]；和应涌流导致变差误动[6]；直流偏磁造成变压器差动保护拒动[7]；大容量变压器零序阻抗越来越小造成零序保护不动作，而且，二次电压回路中性点多点接地或交流电压回路断线，会造成零序保护误动[8]。

保护功能缺陷主要包括差动保护无法躲过励磁涌流、和应涌流，CT饱和导致误动，直流偏磁产生大量二次谐波引起拒动。变压器保护在实际运行过程中出现的上述故障揭示了保护功能缺陷，这给已经成熟应用的继电保护技术带来了挑战，所以需要结合工程实践不断地发展和完善变压器继电保护技术。

2.2 人为故障

人为故障是指人为因素造成的故障，例如，高压开关设备本体与电缆连接处安装不当，引发绝缘破坏导致220kV变电站跳闸[9]；330kV某主变差动保护二次回路“误碰”导致误动跳闸和整定中平衡系数计算错误导致差动误动[5]；这些都属于典型的人为故障。

人为故障是最不应该出现的变压器保护故障，是由继电保护人员在安装、调试、维护和检修过程中操作不当或者违章引起，主要包括误碰问题、整定错误、接线错误、设备安装不规范、带电处理事故、带电插拔硬件和误将TV二次回路短路。

2.3 干扰故障

干扰故障主要指保护装置中的微电子元件受到电磁干扰的影响和危害，由此导致的保护故障。常见干扰故障有空充变压器引起断路器跳闸，空投电容器产生暂态高频电流对二次回路造成干扰，操作隔离开关时电弧导致瞬间电磁干扰，交流电压窜入直流中引起光耦误动，高压设施产生的工频电磁干扰，高压电路中因绝缘击穿、避雷器和火花间隙放电引起的干扰，雷电带来的强电磁干扰。

2.4 保护装置故障

保护装置故障是指组成变压器保护的装置不能正常工作，主要包括集成电路元件老化，二次回路绝缘破坏，二次回路电源故障，微机电源故障，雷击造成的设备损坏，收发信机通讯故障。

3 变压器保护关键技术

3.1 励磁涌流的识别

当变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时，电压从零或者很小的数值突然上升到运行电压，变压器产生很大的励磁涌流，造成差动保护的误动作。差动保护如何准确地快速地区别励磁涌流和轻微故障电流，这是变压器继电保护面临的一大难题[10]。

励磁涌流的识别一直是变压器保护研究的热点，目前工程上大多是根据励磁涌流与故障电流在波形特征上的差异进行识别，例如，二次谐波原理[11]、间断角原理[12]、波形对称原理[13]、波形正弦度特征法[14]；研究新的波形特征识别励磁涌流，例如，波动误差结合峰-峰间距法[15]、波形时域分布特征法[16]、基波分量衰减判别法[17]；引入先进的数学方法分析波形特征，例如，小波分析[18]、双曲S变换[19]、数学形态学[20]；结合人工智能方法进行辨识，例如，模糊逻辑[21]、神经网络方法[22]。除上述基于电流波形特征的方法外，还有一些基于新原理的识别方法，例如等值回路方程法和瞬时励磁电感法[23]、磁通特性法[24]、励磁阻抗法[25]、基于能量成分的方法[26]。

为了提高差动保护的可靠性和灵敏性，这些新方法分别从不同角度描述了励磁涌流和内部故障电流的区别，从传统的电流波形特征发展到电压、电感、励磁通、励磁阻等新特征，在此基础上引入先进的分析方法和人工智能技术进行处理，最后综合多种方法识别。这些方法各有优缺点，有待系统的比较和总结，更重要的是大部分还停留在实验仿真阶段，需要进一步做动模试验、现场试验。励磁涌流识别的难点在于不确定性和多样性，无法建立与实际情况相符的模型。

综上所述，今后发展方向主要有3个，一是系统比较和综合现有的识别方法，二是探寻更可靠的判别特征，三是建立更符合实际的励磁涌流理论模型。

3.2 电磁兼容问题

变电站是一个具有高强度电磁场环境的特殊区域，特别是由大型变压器构成的，其中既有高电压、大电流的一次强电设备，又有低电压、小电流的二次弱电设备。一次强电设备产生的电磁干扰对弱电设备的正常工作构成极大的威胁，电磁波对继电保护设备干扰会造成采样信号失真、自动装置异常、保护误动或拒动，甚至元件损坏。因此，大型变压器继电保护设备的抗干扰能力已经成为一项重要的性能指标，而且电磁兼容性试验也成为继电保护设备状态检修的一项重要工作。

提高抗干扰性能的措施分为两大类，一类是硬件措施，防止干扰进入微机保护弱电系统，包括各种隔离、屏蔽、滤波、接地、合理布局和配线及减弱电源线传递干扰等方法。另外一类是软件措施，干扰一旦突破了由硬件组成的防线，可由软件纠正，常见的有故障自检、采样值抗干扰纠错、看门狗程序[27]。

在实际应用中，微机保护一般采用屏蔽的方式来处理电磁兼容问题，对于特殊情况可综合应用其它方法。另外，采用光纤抗干扰是一种理想途径。

3.3 和应涌流识别

近年来，出现了多起由和应涌流引起的变压器差动保护误动的新故障，如何可靠区分和应涌流与内部故障电流，这是变压器保护遇到的又一难题。和应涌流是相对于励磁涌流的一种涌流，当一台变压器空载合闸时，引起另外一台相邻正在运行的并联或级联变压器差动保护误动，即和应涌流现象。目前，变压器差动保护中还没有特别针对和应涌流的防范措施，研究现有涌流闭锁判据对和应涌流的适用性，并探寻新的制动方案来防止和应涌流引起的差动保护误动有重要意义[28]。

3.4 采样的同步化

目前，大型变压器继电保护正在朝着微机化、数字化快速发展，从通信接口中接收不同采样频率的数字量，导致差动保护误差较大，因此，采样的同步问题是实现数字化差动保护的关键技术[29]。

4 建议及配置方案

基于变压器故障和变压器保护故障的分析，下面为提高保护的可靠性提出了一些建议，并结合工程应用讨论了变压器保护的配置方案。

4.1 建议

1）针对励磁涌流与和应涌流导致的保护误动，在大型变压器投运之前要求进行多次空载合闸实验，工程中要研究更为完善的变压器保护，推动新型继电保护原理向工程实践转化。

2）增强现场继电保护从业人员工作责任心，加强和提高从业人员的业务技术水平。现场检修维护人员应严格遵守相关规程和导则，执行操作票、危险点分析预控等安全保障措施，杜绝因人为因素造成误动作的发生。

3）建设大型变压器继电保护前需要综合考虑所选择设备的电磁兼容性能，后期维护中依据《继电器及装置基本试验方法》做好电磁试验，及时发现电磁干扰隐患。

4）制定和完善变压器继电保护状态检修方案，定期按检修方案进行维护，及时发现潜在问题，做好预防措施。

4.2 合理经济的配置方案

一方面由于变压器结构复杂，有可能发生繁多的故障和异常状态，需要装设多达几十种的继电保护，然而，实际上有些故障是小概率事件。另一方面，对于大型变压器，各种差动保护针对不同故障灵敏度不同。因此，为了提高保护的可靠性和经济性，需要根据实际情况选择保护配置方案，应遵循以下原则：

1）各项保护功能完备，以确保反应各种故障和异常状态。

2）选用的保护原理应性能优良，有成熟的运行经验，满足技术要求。

3）根据变压器容量、价值对重要的变压器继电保护实现完全的双重化，对一般的单套配置。

4）组屏合理，双重化的两套保护系统应分屏设置，非电气量保护与电气量的保护也应分屏设置，以保证在变压器不停运状况下可对其中任何一套保护系统进行检修和调试。

4.3 工程应用

工程实践中要求依据《继电保护和安全自动化装置技术规程》和国家电网公司制定的相关规程配置变压器保护装置。大型电力变压器微机保护一般要求主后综合，双套配置，从而提高继电保护的可靠性。

大型电力变压的继电保护必须全面，能反应各种故障和异常，其中重要的保护需双重配置，一般变压器则根据实际情况灵活地选择所需的保护。下面结合四川泸州市220kV和110kV变压器继电保护配置进行说明。泸州市各站220kV主变保护配置统计情况见表1，采用两套保护装置加一套非电量保护装置，110kV主变保护配置举例情况见表2，共有5种配置方案。分析可知，220kV主变保护装置必须双重配置，一般非电量保护装置单独配置，而且主变保护装置全面包括各种保护。110kV主变保护的配置方案很灵活，在差动保护的基础上选择不同的后备保护，而且不需要双重配置。

表1 四川泸州市220kV主变保护配置Table 1 The Protection confi guration scheme for 220kV main transformer in LuZhou SiChuan

表2 四川泸州市110kV主变保护配置Table 2 The Protection confi guration scheme for 110kV main transformer in LuZhou SiChuan

5 结束语

电力工业迅猛发展，超高压大容量变压器不断投入运行。电力系统的安全稳定运行对变压器继电保护提出了更为苛刻的要求，变压器保护运行情况还不十分理想，存在着许多需要改进的地方。另外，变压器继电保护正向网络化,数字化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展，要完全实现智能化还有很多问题需要解决。最后，工程应用过程中如何选择合适的经济的主变保护配置方案有待进一步研究，这需要设计人员和现场工程人员相互配合，最好能制定一套决策流程。

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