对提高变压器保护动作可靠性的探讨

1、绪言　　电力变压器是电网的重要组成元件之一，在电网的安全稳定运行中具有极其重要的作用。由于电网中变压器数量越来越多，其单体价值又非常高，一旦发生故障将造成严重后果，所以对变压器保护动作的可靠性有更高的要求。近年来，110KV变压器保护正确动作率一直徘徊在70％～80％之间（1999年66.99%, 2000年75.12%，2001年82.54%，2002年74.77%），远低于线路保护的正确动作率，因此迫切需要对变压器保护进一步发展与完善。 2、变压器故障的类型及应配置的保护变压器的运行故障主要有两类：（1）油箱内部故障－包括各相绕组之间的相间短路、单相绕组部分线匝之间的匝间短路、单相绕组或引出线通过外壳发生的单相接地故障、铁心烧损等；（2）油箱外部故障－包括引出线的相间短路、绝缘套管闪络或破碎引起的单相接地（通过外壳）短路等。变压器故障会导致不正常工作状态，主要表现在：外部短路或过负荷产生过电流、油箱漏油造成油面降低、中性点过电压、因外加电压过高或频率降低引起过励磁等。　　根据变压器的故障状态，应装设下述保护：（1）瓦斯保护－防止变压器油箱内各种短路故障和油面降低，其中重瓦斯跳闸、轻瓦斯发信号；（2）纵联差动保护和电流速断保护－防止变压器绕组和引出线多相短路、大接地电流系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路；（3）相间短路的后备保护，包括过电流保护、复合电压起动的过电流保护、负序过电流保护－防止变压器外部相间短路并作为瓦斯保护和差动保护的后备；（4）零序电流保护－防止大接地电流系统中变压器外部接地短路；（5）过负荷保护－防止变压器对称过负荷；（6）过励磁保护－防止变压器过励磁。 3、变压器的励磁涌流及变压器差动保护　　当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，因铁心饱和及存在剩磁会出现很大的励磁电流即励磁涌流，其特点是含有很大成分的非周期分量、含有大量的高次谐波分量且以二次谐波为主、波形之间有间断，其大小和衰减时间与外加电压、铁芯剩磁大小与方向、回路阻抗、变压器容量和铁芯性质有关。对于三相交流变压器，由于三相之间相差120，所以任何瞬间合闸至少有两相出现不同的励磁涌流，它对变压器差动保护的正确动作有不利影响，而在稳态运行及差动范围外发生故障时则影响不大。　　差动保护是用某种通信通道将电气设备两端的保护装置纵向联接起来，并将两端电气量比较来判断保护是否动作，其基础是基尔霍夫定律。根据该定律，保护范围内流入与流出的电流应该相等（变压器归算到同侧）。当保护范围内发生故障时，其流入与流出的电流不等，差动保护就根据这个不平衡电流动作。差动保护原理简单易于实现，有很高的动作选择性和灵敏度，以其优越的保护性能成为大容量、高电压变压器的主保护，缺点是在励磁涌流情况下容易误动。 　　从电路上看，变压器一次绕组和二次绕组并非是一个节点，变压器差动保护原理建立在稳态磁路平衡的基础上，是差动保护原理的一种拓展。在暂态过程中这种平衡关系将被打破，只有等到暂态过程衰减后，原先的平衡关系才能重新建立，因此需要检测这种暂态。变压器差动保护中的关键问题是如何处理励磁涌流导致的误动，目前常用的涌流闭锁方法有二次谐波制动、间断角闭锁、波形对称原理等。励磁涌流是一次系统在稳态和衰减直流分量叠加磁链的激励下，作用于非线性励磁特性的电流输出。衰减的直流分量在频域中是用傅立叶分析的一个连续的密度谱，而稳态交流分量在频域上是用傅立叶级数分析的一个离散幅值谱。在保护的数字信号处理中，将衰减的直流分量在时间上截断并进行了周期延拓，导致产生成了离散的幅度谱，混叠到了原来的幅度谱中，影响了二次谐波分量的大小，给二次谐波制动原理的差动保护带来了困难。 4、变压器差动保护不平衡电流产生的原因及消除方法　　从理论上讲，变压器在正常运行和区外故障时，应该有Ij=I1"- I2"=0。然而，由于变压器在结构和运行上的特点，实际运行中很多因素使Ij= Ibp≠0，（Ibp为不平衡电流），即当保护范围内无故障时也存在不平衡电流，这些不平衡电流有可能引起保护误动。对不平衡电流产生的原因及消除方法分析如下。　　稳态情况下不平衡电流产生的原因有：　　（1）因各侧绕组的接线方式不同造成电流相位不同而产生不平衡电流　　我国规定的五种变压器标准联结组中，35kV Y/D-11双绕组变压器常被使用。这种联结方式的变压器两侧电流相差300，要使差动保护不误动就要设法调整CT二次回路的接线和变比以进行相位校正，使电源侧和负荷侧的CT二次电流相差1800且大小相等，这样就能消除Y/D-11变压器接线对差动保护的影响。其它方式依此类推。　　（2）因CT计算变比与实际变比不同而产生不平衡电流　　由于各侧的CT变比都是标准的，如：600/5、800/5、1000/5、1200/5等，变压器的变比也是一定的，很难完全满足 或 的要求，即Ij≠0，产生Ibp，此时差动回路就有不平衡电流流过使保护可能误动。通常利用差动继电器的平衡线圈进行磁补偿来消除或减小这个差值，即用平衡线圈弥补实际变比与理想值之差，使两臂电流差接近零，从而消除或尽量减小不平衡电流。　　（3）因各侧CT型号不同而存在变换误差产生不平衡电流　　因各侧CT型号不同，其结构形式、饱和特性、励磁电流（归算到同侧）、传变特性等也就不同。因此正常运行情况下差动回路中产生在两臂的不平衡电流较大：Ibp.CT =Ktx?Ker?Id.max/ nl1（其中Ktx =1），会影响保护正确动作。在外部故障因某一侧CT饱和而产生大量的不平衡电流时，也有可能影响变压器差动保护的正确动作。所以应采用CT同型系数为1的互感器以满足10％误差曲线的要求，并在整定计算中予以考虑。　　（4）因带负荷调整分接头而产生不平衡电流　　带负荷调整分接头是电网中采用有载调压变压器来调整电压的方法。改变分接头就是改变变压器的变比nB，破坏了nl2/ nl1= nB的关系，对于已调整好的差动保护将产生较大的不平衡电流（CT二次侧不允许开路，即nl2, nl1不能改变），Ibp. ΔU=±ΔU? Id.max/ nl1 。由于有载调压是带负荷连续调节，而差动保护不能带电调整，所以在整定计算时必须考虑这个因素。　　由以上分析可知,稳态情况下不平衡电流Ibp由以上几部分组成： Ibp= Ibp.T+ Ibp.CT +Ibp. ΔU。　　暂态情况下不平衡电流产生原因及消除措施有：　　（1）非周期分量的影响：此时不平衡电流要比稳态大，且含有很大的非周期分量，持续时间比较长(几十周波)，其最大值出现在短路后几个周波，Ibp.CT=Kfzq?Ker?Ktx?Id.max/ nl1 。需采用快速饱和中间变流器来抑制非周期分量。 　　（2）由ILy产生的不平衡电流：当变压器电压突然增加(如空载合闸、区外短路切除后)，引起IL升高产生励磁涌流，数值可达(6-8) Ie，其特点是有很大的直流分量(80%基波)、有很大的谐波分量、尤以二次谐波为主(20%基波)、且波形间出现间断(削去负波后)。需采用具有速饱和铁芯的差动继电器，以及应用二次谐波制动、间断角原理、或波形对称原理的差动保护。 5、提高微机变压器保护动作可靠性的其它措施　　变压器差动保护是变压器的主保护，要求有很高的可靠性，而变压器结构复杂，独具特点，所以必须严格按规程要求认真分析各个细节，了解变压器差动保护的特点，采用相应措施，杜绝事故发生，保证保护可靠动作。除装置本身的因素外，其安装接线整定校验维护等环节都与正确动作有关。为进一步提高变压器保护动作的可靠性，除如前一部分所述要尽量消除或降低稳态暂态不平衡电流外，还要采取其它措施，　　主要包括： 　　（1）采用先进的多CPU容错技术进行保护的设计开发以保证装置本身工作的可靠性，可大大降低由于硬件问题引起误动的概率。多CPU同时处理一组数据且信息共享，能及时检测、纠正因硬件故障可能引起的误动和拒动，一个CPU有故障其它正常的CPU仍可工作。 　　（2）优化硬件电路的设计，输入输出电路采取隔离、滤波、削峰、过压过流保护等措施，提高抗干扰能力，降低功耗。根据统计，保护装置本身最易出故障的部分是接口电路和电源，所以这部分要采取特别设计。 　　（3）采用先进的数字滤波和软件容错技术以保证不为瞬时错误数据干扰而引起误动或拒动。　　（4）条件具备时配置双套保护。双套保护有两种配置方案，一种是完全双重化，即两套保护设置独立的信号通道，使用独立的直流电源和CT二次回路，但主保护和后备保护可共用一个保护CT，其缺点是停柜维修困难、模拟量数字量信号和跳闸接点过多、工程布线难。另一种是部分双重化，即将关系到设备安全的重要保护双重化，其缺点是后备保护配置复杂、容易造成误动。 　　（5）注意差动保护二次电流回路的接地方式。差动保护二次电流回路接地时，各侧CT的二次电流回路必须通过一点接于地网，因为变电站的接地网之间并非绝对等电位，在不同点之间有一定的电位差。当发生短路故障时，有较大的电流流入地网，各点之间的电位差较大。如果差动保护二次电流回路接在地网的不同点，它们之间的电位差产生的电流将流入保护装置，会影响差动保护装置动作的准确性甚至使之误动。所以各侧CT的二次电流回路应并联后接到保护装置的差动电流回路中，所有电流回路在并联的公共点接地。　　（6）在CT接入系统容量变化或新装保护投入运行时，不可忽略根据差动保护区内短路故障时穿越变压器的最大短路电流和实测的差动回路二次负荷，校核保护用CT的10%误差曲线是否满足要求，确保CT在10%误差范围内。否则在故障时差动保护可能拒动、误动。　　（7）注意合理整定各定值。实际运行中时有因定值不合理发生保护误动的现象。需要注意的是，有的运行部门通过提高启动电流来提高差动保护的可靠性，但这却降低了内部轻微故障的灵敏度。实际上，差动保护的启动电流、拐点电流、斜率对灵敏度都有相互的制约关系。　　（8）采用新的保护原理。如标积制动原理有很高的灵敏度，但它对相位特性特别敏感，容易误动，如果采取特殊的抗CT饱和措施，即可消除这个缺点，从而提高保护动作的可靠性。　　基于电压/电流相似性的差动保护可通过在特定时间段内比较变压器电源端电压和差动电流波形的相似性来区分变压器内部故障和励磁涌流，能在很短时间内动作（20ms）且不受CT饱和影响。虚拟三次谐波的差动保护是用一个虚拟的波形代替第2.5周期，该波形与第1.5周期幅值相同符号相反。由于波形对称，频谱中只有基波和奇次谐波分量，且三次谐波含量比其它谐波都大，这样就可明显提高差动保护的速度。基于人工智能的差动保护是借助模糊逻辑算法计算磁通差动电流微分曲线、谐波约束条件以及比率差动特性曲线，然后对计算结果进行分析判别励磁涌流何内部故障，这种保护速度快，能在3/4周期内作出反应，可适用于各种类型的变压器。　　基于能谱分析的差动保护使用特殊设计的互感器捕捉暂态电流中的高频分量，进而求出原/副边的差动电流和平均电流，再抽取相应的能谱作为动作和约束条件，能谱的数值差别用于区分内部故障和外部故障。基于小波变换的差动保护应用小波分析提取涌流和故障电流的特征，具有很高的辨析度。结合神经网络对变换结果进行诊断分析将进一步提高保护的准确性和可靠性。 6、微机变压器保护设计开发实例　　根据以上考虑而设计开发基于高性能CPU的微机变压器成套保护，经过静模、动模试验及实际现场运行证明，能够有效提高变压器保护的可靠性，其配置及主要功能如下。　　（1） 保护配置：变压器本体保护装置具有十路非电量重动和动作指示，提供有两路断路器操作回路或两路电压并列操作；变压器主保护具有能满足四侧电流输入的差动速断保护和二次谐波制动比率差动保护，同时具有CT断线闭锁、冷控失电延时跳闸、十路非电量动作记录、一路断路器操作回路、故障录波等；后备保护装置具有复压闭锁方向过流I/II/III段保护、零压过流I/II/III段保护、间隙放电零序过流保护、零序过压保护、过负荷保护，以及闭锁有载调压、启停风扇控制、可编程接点输出、虚拟遥信上传、多时限相电流及零序保护、操作回路、故障录波等，可作为各侧的后备保护；　　（2） 主保护　　主保护要求各侧CT都按Y形接线，且各侧CT极性均指向变压器。不需通过外部接线进行角度变换，装置内部能自动进行相位校正，并通过计算出的修正系数使各侧电流达到平衡。如为两圈变，把中压侧容量整定为零即可。　　1）差动电流速断保护：采用三相差动电流中任一相大于差动电流速断定值时瞬时动作出口的策略，不受任何闭锁条件约束，快速切除变压器区内发生的严重故障。根据微机保护的特点，该保护判据采用可变数据窗的两种算法实现。一种用于保护启动后初始阶段的快速判断，加快出口动作速度；另一种计算更准确，可以在启动一个周波后随时瞬动出口。定值按躲过励磁涌流、最严重外部故障时不平衡电流、CT饱和等整定。　　2）比率差动保护： 比率差动采用三段动作曲线，能够有效避开正常运行时的不平衡电流、外部短路时的误差及励磁涌流。可选择二次谐波交叉制动方案，即一相涌流发生时同时闭锁三相差动电流；也可选择按相制动方案，即一相涌流发生时只闭锁本相差动元件。 　　3）CT饱和时的特殊处理：比率差动保护设有CT饱和特殊处理区。对于发生在被保护变压器区外故障引起的CT饱和，可以通过高值的初始制动电流检测出来，此电流会将工作点短暂地移至特殊处理区内。反之，当变压器区内故障时其工作点会立即进入动作区，不会进入特殊处理区。因此，根据故障发生的最初半个周期内测量值引发的工作点是否在特殊处理区内判断CT是否饱和，一旦检查出外部故障引起CT饱和，则自动闭锁比率差动保护直到整定时间到再解除。在外部故障引起CT饱和闭锁比率差动保护期间，如果此后故障改变或变压器区内发生故障，则工作点会稳定地连续两个周期工作在动作区内，闭锁立即解除，并可靠地检查出被保护变压器的故障而迅速动作。　　4）CT断线报警：装置判别为CT断线时延时发出预告信号，还可选择是否闭锁比率差动保护，CT断线消失后延时返回。瞬时CT断线判据仅在比率差动启动后投入且动作后不报警，CT断线闭锁比率差动保护仅在负荷电流大于比率差动启动电流时投入，负荷电流较小时仅有延时报警而不闭锁差动保护。装置还能有效区分匝间短路等不对称故障与实际的CT断线。　　（3）非电量保护　　十路非电量保护可对输入的非电量接点进行SOE记录和保护报文记录并上传，主要包括本体重瓦斯、调变重瓦斯、压力释放、冷控失电、本体轻瓦斯、调变轻瓦斯、油温过高等，经压板直接出口跳闸或发信报警。对于冷控失电，可选择是否经本装置延时出口跳闸，最长延时可达300分钟。还可选择是否经油温过高非电量闭锁，投入时只有在外部非电量油温过高输入接点闭合时才开放冷控失电跳闸功能。　　（4） 后备保护　　后备保护按最大方式设计，各侧通用，配置了复合电压闭锁方向过流I/II/III段保护、零序过流I/II/III段保护、间隙放电零序过流保护、零序过压保护、过负荷保护、过电压保护、闭锁有载调压、启停风冷、PT断线报警、CT不平衡报警、TWJ异常报警、操作回路断线报警等，多时限功能各自独立出口，还具有测控功能。配置完备，应用灵活方便。三段式定时限过流保护可分别投退，并可选择相应的过流保护是否经复合电压闭锁，任一相电流满足判据即可跳闸。对于三圈变或设双后备保护的双圈变，其复合电压可取各侧电压形成"或"的关系。三段零序过流保护作为中性点接地主变的接地保护，可选择各段保护是否经过零序电压闭锁。　　（5）采样周期及算法　　装置的采样速率为每周波128点，采用全周付氏差分滤波算法，保证了精确的数据计算和故障全过程的准确记录，所有独立功能单元的数据运算都能并行实时计算跟踪。　　（6） 启动元件　　启动元件由两类算法构成：一是突变量启动元件，能快速启动捕捉故障起始点，对突发性短路故障启动迅速；二是有效值启动元件，能可靠准确启动。二者互为补充，保证了快速和可靠启动。不同保护采用不同的启动元件，启动方式采用相对的"宽进严出"策略。启动元件动作后开放装置跳闸出口回路，使正常情况下保护装置的元件损坏不会引起误出口，大大提高了可靠性。　　（7） 自检　　装置具有完善的自检功能，检测出异常时产生告警并生成告警报告，液晶面板显示并上传。根据告警的严重程度分为装置故障和异常告警两类。装置故障类：如定值出错、RAM故障、程序ROM故障、开出常通故障、AD变换超时故障等，装置故障告警时保护功能退出并闭锁保护出口；异常告警类：如采样异常、CT断线、PT断线、复合电压出口等，装置异常告警时保护功能不退出，但应尽快分析检查解决问题。另外，装置具有电源监视电路及接点输出，硬件看门狗电路，通过通信网络监视装置的工作情况。　　以上措施大大提高了装置的可靠性、免维护性和连续工作时间。　　（8） 人机接口　　装置具有人性化的丰富的人机接口功能，主要包括：装置面板上的大屏幕液晶显示器，提供文字图形信息；装置面板上的小键盘输入，提供输入交互功能；装置通过面板上的维护口与笔记本电脑通信，由维护软件实现强大的维护分析功能；装置的网络通信口提供后台或远程的强大维护分析功能。　　（9） 故障分析　　为满足故障分析要求，装置具有较强的故障录波能力。保护动作时，每次按照触发事件录波，每次记录事件前五个周波和事件后二十个周波，每次最多可以录100周波的采样数据。装置可记录八次故障录波数据，并配合丰富的事件报告，记录事件发生时的详细信息。能生成可上传的10份保护动作报告和10份告警报告。另外，还可将分散录波的插件安装在特定的装置内部，组成独立的录波网，大大加强了装置的故障分析能力。 　　（10）软硬件平台和结构装置的硬件平台采用先进的工业级芯片和器件，主CPU为ARM7 32位单片机，芯片、器件采用表面贴装技术，多层印制板设计；采用14位A/D转换芯片，提高了数据采集分辨率和测量精度；具有足够的输入输出接口；采用开关电源。结构为插件式整面板密闭嵌入式结构，机箱高5U、宽1/3 19"、深232.5mm，内部插件方式，美观实用，满足集中组屏或就地安装要求。软件基于嵌入式实时操作系统和高级编程语言。装置的电气隔离和电磁屏蔽设计符合国际标准、国家标准和行业标准，电磁兼容性能指标满足IEC61000-4中规定的最严酷等级（Ⅳ级）要求。　　（11） 通信接口及协议　　装置的通信接口丰富，具有4个RS-232、2个RS-485、2个LonWorks、2个以太网接口，支持103、104、MODBUS、DNP、TCP/IP等常用协议。　　新一代微机变压器保护装置在整体性能上有新的提高和发展。在对于变压器轻微故障的灵敏性、CT饱和、通信功能、故障分析、电磁兼容、配置应用等方面有了显著改善，试验和实际运行都表明装置在灵敏度和可靠性方面均达到了较高水平。 7、结束语　　提高变压器保护的可靠性对电网的安全稳定运行有极其重要的作用，结合当前的先进技术、综合采用技术和管理手段能够大大提高变压器保护的可靠性。目前，差动保护主要有比率制动原理、间断角原理、标积制动原理，随着智能理论的发展，正在探讨基于人工神经网络原理的差动保护、基于小波原理的差动保护等。这些新原理、新方法的出现，将大大提高了主设备保护的灵敏度和鉴别各种故障的能力。但目前仍不成熟，有的还停留在实验阶段，无法迅速推广和应用。微机保护的迅速成熟和应用普及体现了强大的优越性。微机保护因具有强大的记忆和处理能力，能将保护、测控、录波等多种功能集成，并可通过网络接口将保护数据、录波数据、保护事件、设备状态等上传，实时显示保护动作情况和参数变化，根据实际情况随时投退某一功能或修改定值，这为分析保护的动作情况和改进保护性能提供了良好的手段，对提高保护的可靠性具有重要作用。可以预见，随着新技术、新原理的不断发展和应用，变压器保护的功能将越来越完善，可靠性将显著提高。