继电保护技术在变压器故障解决中的应用分析

陕西延长石油天然气股份有限公司 牛宁宁 王 辉

随着电力系统的不断发展和壮大，变压器作为电力传输与分配的重要组成部分，其安全稳定运行对整个电力系统的可靠性越发重要。然而，变压器故障作为电力系统运行中的常见问题之一，可能导致电力中断、设备损坏甚至事故发生，对电力系统的稳定运行和人员财产安全带来潜在威胁。因此，采用高效准确的继电保护技术，对变压器故障进行检测、定位和解决，成为保障电力系统安全稳定运行的关键环节。

1 继电保护技术在变压器故障检测中的应用

1.1 过电流保护

过电流保护作为电力系统中常见且关键的保护手段，在变压器系统中扮演着不可或缺的角色。其核心原理是基于电流大小的判别，当变压器内部发生故障时，例如短路，导致电流迅速升高时，过电流保护能够迅速检测到这种异常，并触发保护装置。在数学上，过电流保护的触发条件可以表达为：

I 故障＞I 额定×系数

其中，I 故障表示检测到的故障电流，I 额定为变压器的额定电流，系数则是保护装置的设定参数。若故障电流超过额定电流的一定倍数，保护装置便会快速作出响应，切断电路，有效防止故障进一步蔓延。值得强调的是，过电流保护不仅在内部故障时起作用，同时也对外部短路等异常情况具备响应能力，从而确保了电力系统的稳定运行。过电流保护的特点之一在于其迅速地响应速度，这源于其简单而有效的工作原理。此外，其触发条件可以根据不同变压器和电力系统的特点进行调整，确保其在不同工况下的可靠性。然而，尽管过电流保护具有显著优势，但在实际应用中仍需考虑到故障电流与负荷电流之间的区别，以及电流波形的非稳态特性[1]。这就要求在保护参数设定时，综合考虑不同情况下的复杂性和多变性。

1.2 差动保护

差动保护作为一种基于电流差值的高级继电保护技术，在变压器故障检测中扮演着关键角色。其核心原理是通过比较变压器输入端和输出端电流之间的差异，从而判断电流传输过程中是否存在异常。数学上，差动保护的基本表达式可以表示为：

I 差=I 输入－I 输出

其中，I 差为输入和输出电流的差值，I 输入和I 输出分别为变压器输入和输出端的电流。当I 差超过设定的阈值时，差动保护装置会进行保护动作，防止可能的故障进一步扩大。由于电流差值异常通常意味着电流在传输途中受到了异常的影响，差动保护能够迅速检测到这种变化并作出响应。其触发时间可以用以下表达式来表示：

t 触发=1/f 采样×n

其中，t 触发表示保护触发时间，f 采样为采样频率，n 为采样点数。该方程表明，采样频率越高，差动保护的触发时间越快，对故障的响应速度也更高。然而，差动保护在应用中需要考虑因变压器内部参数的差异而引起的误差，以及电流互感器的线性度等因素。因此，在设计差动保护系统时，需要充分考虑这些因素，确保保护装置的准确性和可靠性，差动保护器如图1所示。

图1 差动保护器

1.3 频率保护

频率保护作为一种专注于电力系统频率异常的继电保护技术，在变压器故障检测中发挥着重要作用。其关键任务是监测电力系统频率的变化，一旦变压器故障引发电力系统频率异常波动，频率保护能够敏感地察觉并采取适当的保护措施。在数学上，电力系统频率的变化率可以表示为：

频率保护在变压器故障检测中的优势在于其对系统稳定性的敏感性。变压器内部故障，如短路，可能导致电力系统的不稳定，进而引发频率异常。频率保护能够快速感知频率变化，为故障的早期检测提供重要线索，防止其进一步升级成更严重的问题。此外，频率保护还可以作为变压器设备异常的预警，提醒运维人员及时采取行动。在应用频率保护时，需要考虑系统负荷波动等非故障因素对频率的影响，以及频率保护参数的设置。为了准确判定频率异常，还需要考虑系统频率的基准值和波动范围等。在频率保护系统设计和参数调整时需要综合考虑这些因素。

2 继电保护技术在变压器故障定位中的应用

2.1 零序电流法

零序电流法是一种常用的变压器故障定位方法，通过对故障相序零序电流的测量和分析，判断故障的位置。在数学上，零序电流法可以表达为：

I0=Ia+Ib+Ic

其中，I0为故障相序零序电流，Ia、Ib 和Ic 分别为变压器各相电流。通过比较测得的零序电流和计算得到的额定零序电流，可以确定故障发生的位置。

2.2 感应电流法

感应电流法利用变压器故障时产生的感应电流来定位故障。当变压器发生故障时，故障电流会导致磁通的不对称，从而在相邻线圈中产生感应电流。感应电流法的数学表达式为：

2.3 电压法

电压法是一种基于测量故障点两侧电压变化的继电保护方法，用于定位变压器故障。该方法基于故障引起的电压波形变化，通过分析电压的不对称性，能够快速、有效地确定故障的位置。

在变压器故障定位中，电压法的基本原理是比较故障点两侧的电压幅值和相位角差异。当变压器发生故障时，故障点的电压波形可能会出现畸变，幅值和相位角可能会发生变化[2]。通过对比正常情况下的电压波形，可以判断故障的位置。电压法的表达式可以表示为：

V 差=V 故障点－V 正常点

其中，V 差为故障点电压与正常点电压的差值，V 故障点和V 正常点分别为故障点和正常点的电压。

具体应用时，需要经过一系列步骤以确保准确性。首先，通过电压传感器或电压互感器获取故障点和正常点的电压数据。其次，将测得的故障点电压与正常点电压进行比较。这个正常点电压可以是其他相同条件下的测量值，也可以是通过计算得出的预期值。最后，分析故障点电压与正常点电压之间的差异，考察是否出现电压波形的不对称变化，如幅值减小或相位角偏移等。基于电压差异的特点，可以判断故障的位置。举例来说，如果内部短路故障导致故障点电压幅值下降，测量结果将明显低于正常点电压。通过电压差异分析，可以精确地定位故障点。然而，在具体应用时，需考虑电压测量的精度、负荷变化、可能的干扰因素等，以保障定位结果的准确性。因此，可将电压法可与其他定位方法相结合，以获取更为可靠的故障位置信息，从而为变压器故障定位提供有力支持。

3 继电保护技术在变压器故障解决中的应用

3.1 过负荷保护

在变压器故障解决中，过负荷保护是不可或缺的关键环节。当变压器运行负荷超出其额定值时，过高的电流会引发变压器内部温度升高，从而可能导致绝缘老化、电气设备的损坏甚至故障。为了有效应对这一问题，继电保护技术在变压器过负荷情景中具有重要作用。其核心在于监测变压器电流，并在检测到电流超过预定阈值时迅速触发保护动作，以切断电路，从而避免变压器因过负荷运行而带来的潜在风险。在具体应用过程中，需要逐步确保保护的可靠性。首先，利用电流传感器或电流互感器实时监测变压器电流。其次，设定合适的额定电流阈值，以明确超负荷状态。最后，一旦监测到实际电流超过额定阈值，继电保护装置会立即触发保护动作，可能涉及电路切断、故障报警等。此外，为防止短暂电流波动误触发保护，还需设置适当的保护时间延迟。过负荷保护可简化为 ：

I 实际＞I 额定

其中I 实际为实际电流，I 额定为额定电流阈值。通过电流监测及时识别超负荷状态，保障设备的安全运行。逐步的保护设置、动作策略和时间延迟机制能够确保保护系统的准确性和可靠性，从而为变压器故障解决提供强有力的支持。

3.2 短路保护

短路故障可能导致电流迅速增大，威胁变压器及周边设备的安全运行。继电保护装置能够通过检测故障电流的急剧变化，迅速作出保护动作，切断电路，从而阻止故障蔓延。在短路保护的具体应用中，需要根据故障类型和位置，设置适当的保护参数，确保保护装置的准确性和可靠性。

3.3 过温保护

过温保护是针对变压器内部温度异常升高的情况。当变压器内部出现故障时，如局部短路，会引起局部温度升高，如图2所示。过温保护继电器可以通过温度传感器监测变压器的温度，一旦温度超过安全阈值，便会触发保护装置，停止变压器运行，防止故障进一步发展。在过温保护的实际应用中，需要合理设置温度阈值和保护延时，以确保保护的及时性和可靠性。

图2 变压器油温高

3.4 冷却系统故障保护

在变压器故障解决中，冷却系统故障保护扮演着不可或缺的关键角色。冷却系统的正常运行对于维持变压器内部温度在安全范围内至关重要。然而，一旦冷却系统出现故障，可能会导致变压器内部温度升高，进而引发更为严重的问题，如电气设备老化、绝缘失效等[3]。继电保护技术在这一情境下具有显著作用，通过持续监测冷却系统的运行状态，一旦探测到冷却系统出现异常，即刻触发保护装置，迅速停止变压器运行，以避免因过热而引发的潜在故障。在冷却系统故障保护的实际应用中，合理设置保护参数至关重要。这包括根据冷却系统的设计和特性，设定适当的最低冷却液流量阈值或最高冷却温度阈值。保护装置将根据这些设定参数，在检测到冷却系统故障时，实施相应的保护策略，可能涉及电路切断、警报通知等[4]。这一过程需要持续地根据实际运行情况对保护参数进行调整，以确保冷却系统故障保护的高度敏感性和可靠性。继电保护技术的参数设置将根据不同冷却系统的特点而异，但核心在于根据监测到的状态和特性，制订保护规则，确保其在冷却系统故障发生时能够快速、精确地采取保护措施。

综上所述，本论文通过深入研究和分析，充分展示了继电保护技术在变压器故障解决中的重要性和广泛应用。我们相信随着技术的不断发展和完善，未来继电保护技术将在电力系统中发挥更大的作用，保障电力设备的安全稳定运行，为电力行业的发展贡献力量。