大型電力變壓器安全運(yùn)行與主動保護(hù)技術(shù)探索

鄭玉平，郝治國，薛眾鑫，郝 建，潘書燕，龔心怡

（1.南瑞集團(tuán)有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），江蘇省南京市 211106；2.智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省南京市 211106；3.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西省西安市 710049；4.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)），重慶市 400044）

0 引言

電力變壓器是電壓變換和電能傳遞的核心主設(shè)備，然而，變壓器因內(nèi)部故障而燒毀的事故時(shí)有發(fā)生，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，威脅電網(wǎng)安全。CIGRE 變壓器A2.33 工作組2013 年統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，油浸式變壓器發(fā)生內(nèi)部故障后，約10% 會發(fā)生爆裂起火事故［1］。

減小內(nèi)部電弧能量（功率×?xí)r間）是防止變壓器爆裂起火的關(guān)鍵［2］。審視現(xiàn)有變壓器保護(hù)策略，重瓦斯保護(hù)依據(jù)的是油枕連接管中的油流速，而驅(qū)動油流速達(dá)到整定值需要較大電弧功率且油流加速需要過程，從原理上提高保護(hù)靈敏性和動作速度的余地很?。?］；差動保護(hù)動作整定值需要躲過不平衡電流，對輕微匝間故障等低能量電弧故障的保護(hù)靈敏性不足，勵(lì)磁涌流與故障電流的辨識需要足夠長的時(shí)間窗，也限制了差動保護(hù)的快速性［4-6］。此外，對于高能電弧故障，即使保護(hù)動作的速度足夠快，受限于斷路器數(shù)十毫秒的全開斷時(shí)間［7］，在電弧被切除之前故障能量可能已經(jīng)積累到足以令油箱破裂的程度。為避免變壓器油箱破裂事故的發(fā)生，在著力提高繼電保護(hù)措施靈敏性和快速性的同時(shí)，考慮變壓器內(nèi)部故障發(fā)展過程［8-11］，在放電缺陷階段對其識別并切除、避免高能電弧故障發(fā)生更為有效。

為了實(shí)現(xiàn)對油箱內(nèi)故障的提前感知，國內(nèi)外已經(jīng)在變壓器狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域開展了大量的研究工作。目前，已經(jīng)有利用脈沖電流、特高頻、聲、氣體組分［12-15］等信息進(jìn)行局放監(jiān)測的方法，也有研究借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等數(shù)學(xué)方法進(jìn)行放電缺陷類型的辨識或放電階段的劃分［16-17］，但對熱缺陷和機(jī)械缺陷的監(jiān)測方法相對較少。現(xiàn)有狀態(tài)監(jiān)測足夠靈敏但置信度不足，需要進(jìn)一步分析核實(shí)才能確定停電檢修，且時(shí)間以天計(jì)，對于小時(shí)至秒級的從嚴(yán)重放電缺陷至電弧擊穿的快速發(fā)展過程的阻斷能力十分有限。因此，還需構(gòu)建一種新型的主動式變壓器保護(hù)方法來完善對快速發(fā)展的嚴(yán)重放電缺陷的防護(hù)，目前相關(guān)研究尚屬空白。

本文分析了現(xiàn)有變壓器內(nèi)部故障防護(hù)方法的概況，并總結(jié)筆者已發(fā)表的部分工作和最新取得的研究成果，提出針對故障演化的全過程梯次配置的三級防線來保障變壓器安全運(yùn)行：第一級防線為輕微缺陷的檢測和預(yù)警，本文簡要分析了對各類缺陷狀態(tài)監(jiān)測方法的現(xiàn)狀和局限性，并初步提出基于多點(diǎn)溫度的熱缺陷辨識方法；第二級防線為嚴(yán)重放電缺陷階段的新型變壓器主動保護(hù)，文中分析了放電缺陷演化過程中脈沖電流、聲信號、特高頻信號的變化特征，提出了變壓器主動保護(hù)方案和新型輕瓦斯保護(hù)方案，能夠在嚴(yán)重放電缺陷發(fā)展為電弧故障前動作跳閘；第三級防線針對電弧故障改進(jìn)了傳統(tǒng)變壓器保護(hù)的靈敏性和快速性，本文提出以基于主磁鏈估算的鐵芯飽和判別來進(jìn)行勵(lì)磁涌流和故障電流的辨識，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不經(jīng)勵(lì)磁涌流閉鎖的變壓器快速差動保護(hù)，并構(gòu)建基于漏磁特征的輕微匝間故障保護(hù)，以作為現(xiàn)有變壓器保護(hù)靈敏度不足的補(bǔ)充。本文所提出的大型電力變壓器安全運(yùn)行三級防線針對變壓器內(nèi)部缺陷發(fā)展至故障的不同階段依次作用、全程覆蓋，以防范油浸式變壓器爆燃事故的發(fā)生。

1 各類輕微缺陷的檢測及預(yù)警

從缺陷模式上來看，變壓器內(nèi)部缺陷可分為發(fā)熱類缺陷、放電類缺陷、機(jī)械類缺陷，發(fā)熱類和機(jī)械類缺陷最終都將發(fā)展為放電類故障［18-19］。

1.1 放電缺陷辨識方法

目前變壓器運(yùn)行已經(jīng)應(yīng)用了放電類缺陷監(jiān)測手段，主要是利用脈沖電流、特高頻、聲、油中溶解氣體信息，其中，利用脈沖電流信息以及油中溶解氣體信息的監(jiān)測手段最為成熟。IEC-60270 標(biāo)準(zhǔn)中描述了脈沖電流監(jiān)測法的測量回路和技術(shù)要點(diǎn)［20-21］。通過測量阻抗從耦合電容處或者通過羅氏線圈從變壓器接地點(diǎn)和中性點(diǎn)處獲取電流脈沖，進(jìn)而計(jì)算視在放電量等相關(guān)參數(shù)，方便進(jìn)行放電量標(biāo)定且靈敏度較高，但在現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)抗干擾能力不強(qiáng)。油色譜監(jiān)測方式則是對變壓器油中溶解的氫、烴類以及碳氧化合物的含量和比例進(jìn)行分析，以此為基礎(chǔ)開發(fā)的三比值法已應(yīng)用多年，在內(nèi)部故障診斷方面有諸多成功案例［22-23］。特高頻監(jiān)測法主要是對絕緣介質(zhì)中的正負(fù)電荷中和及隨之而來的陡電流脈沖引起的電磁波進(jìn)行檢測，靈敏度高，甚至可以通過多測點(diǎn)波形差異進(jìn)行放電源定位，但信號幅值與局放量之間的關(guān)系難以確定［24］。聲信號監(jiān)測是對放電產(chǎn)生的聲波進(jìn)行檢測，主要來源于氣泡壁振動，聲信號更易受干擾但和電信號的干擾源不同，實(shí)際應(yīng)用時(shí)會和電信號聯(lián)合監(jiān)測，利用同源性排除干擾［25］。已有研究綜合利用上述4 類信息的局放監(jiān)測技術(shù)成功對一臺750 kV 主變壓器放電類缺陷進(jìn)行了預(yù)警，還通過手動改變聲傳感器布置，找出了聲信號幅值最大的位置，通過電-聲定位確定了缺陷的大致范圍［26］。該案例反映了狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，主要針對較為輕微的局部放電，變壓器處于“重癥監(jiān)護(hù)”但仍能運(yùn)行較長時(shí)間，工作人員憑借預(yù)案或經(jīng)驗(yàn)對局放波形和油色譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后制定停電檢修計(jì)劃，所需時(shí)間較長，可能會因干擾、人員疏忽或是診斷時(shí)間窗不足等因素未能及時(shí)對輕微缺陷進(jìn)行處理，從而使其有機(jī)會快速發(fā)展為電弧擊穿故障。

1.2 熱缺陷辨識方法

電力變壓器的發(fā)熱類缺陷主要是由接觸不良、鐵芯多點(diǎn)接地、繞組局部短路、局部油道形變等引起，通過基于油色譜的三比值法能夠?qū)Σ糠职l(fā)熱類缺陷進(jìn)行預(yù)警，但需要數(shù)月甚至更久的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，且難以對局部過熱點(diǎn)進(jìn)行有效定位［27-28］。此外，已有標(biāo)準(zhǔn)和方法對變壓器頂層油溫進(jìn)行計(jì)算及監(jiān)測［29-30］，同樣對局部過熱點(diǎn)的定位能力不足。隨著傳感技術(shù)的進(jìn)步，通過監(jiān)測變壓器油箱內(nèi)部多測點(diǎn)的溫度變化有望實(shí)現(xiàn)對熱類缺陷更有效地辨識和定位［31］。已有學(xué)者通過仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證的方式證明了光纖溫度傳感器在變壓器內(nèi)部測溫的有效性，但尚未對如何將其應(yīng)用在熱缺陷的辨識進(jìn)行更深入的研究［32］。

針對現(xiàn)有熱缺陷辨識方法的不足，本文通過真型變壓器溫度分布試驗(yàn)及有限元仿真來分析變壓器內(nèi)部溫度分布規(guī)律，討論了量化和定位能力更強(qiáng)的熱缺陷辨識方案的可行性，并充分利用了光纖傳感器的優(yōu)勢（溫度測點(diǎn)數(shù)量多、覆蓋廣且模型尺度大）。圖1 是一臺SSZ11-25000/110 電力變壓器繞組熱缺陷模擬試驗(yàn)中實(shí)際測溫點(diǎn)和過熱缺陷點(diǎn)的示意圖。該變壓器繞組按Z 字形油路分4 個(gè)區(qū)共12 層，共布置13 個(gè)光纖溫度傳感器測溫點(diǎn)、12 個(gè)熱缺陷點(diǎn)，繞組餅數(shù)編號自下而上為1～42。構(gòu)建變壓器電磁-熱-流多場耦合分析模型，可獲得不同位置熱缺陷在不同過熱嚴(yán)重程度時(shí)，對應(yīng)的過熱缺陷嚴(yán)重程度與對應(yīng)測溫點(diǎn)溫度值的函數(shù)關(guān)系。經(jīng)真型變壓器熱缺陷模擬試驗(yàn)驗(yàn)證仿真模型及溫度映射關(guān)系有效性后，可通過此方法獲得豐富的熱缺陷與多點(diǎn)溫度的對應(yīng)關(guān)系。

圖1 測溫點(diǎn)及缺陷點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of temperature measuring points and defect points

本文仿真獲得了每個(gè)繞組分層區(qū)域內(nèi)不同位置出現(xiàn)低溫、中溫、高溫過熱時(shí)，不同測溫點(diǎn)溫度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)不同位置出現(xiàn)相同過熱時(shí)，對不同測溫點(diǎn)溫度的影響程度存在明顯差異，處于熱缺陷上方局部區(qū)域測溫點(diǎn)的溫度變化最顯著，這一現(xiàn)象為構(gòu)建熱缺陷分區(qū)分層定位方法提供了可行性。根據(jù)變壓器正常運(yùn)行工況下各測點(diǎn)的實(shí)測溫度，構(gòu)建運(yùn)行工況下各個(gè)測溫點(diǎn)的實(shí)測溫度矩陣TM。

式中：tM，i為第i個(gè)測溫點(diǎn)的實(shí)測溫度。

根據(jù)多物理場耦合分析方法仿真獲得對應(yīng)負(fù)載、流速條件下各測溫點(diǎn)的仿真溫度值，構(gòu)建仿真溫度矩陣TN。

式中：tN，i為第i個(gè)測溫點(diǎn)的仿真溫度。

將相同運(yùn)行工況下各測點(diǎn)實(shí)測溫度與仿真溫度進(jìn)行差值計(jì)算，獲得溫差矩陣ΔT。

根據(jù)試驗(yàn)及仿真分析可預(yù)先構(gòu)建各測點(diǎn)在熱缺陷不同過熱程度時(shí)的溫差閾值矩陣ΔTL。若溫差矩陣對應(yīng)點(diǎn)位的溫差值小于熱缺陷溫差閾值矩陣對應(yīng)點(diǎn)位的溫差值，則表明該測溫點(diǎn)相鄰分層區(qū)域不存在熱缺陷，否則存在熱缺陷，比對溫差矩陣數(shù)值可實(shí)現(xiàn)熱缺陷的定位。

該SSZ11-25000/110 電力變壓器繞組不同分層區(qū)域熱缺陷點(diǎn)的過熱溫度與相鄰測溫點(diǎn)溫度值存在顯著正相關(guān)關(guān)系，表1 為不同負(fù)載率β和油流速Vo工況下，層11 線餅產(chǎn)生過熱缺陷時(shí)，過熱點(diǎn)過熱溫度To與相鄰測溫點(diǎn)12 溫度值tM，12之間的映射關(guān)系，單位為K，擬合優(yōu)度為0.99。根據(jù)此映射關(guān)系表達(dá)式可實(shí)現(xiàn)熱缺陷嚴(yán)重程度的量化，為制定科學(xué)有效的分級缺陷應(yīng)對策略提供參考。

表1 SSZ11-25000/110 電力變壓器繞組熱缺陷量化模型Table 1 Quantitative model of thermal defects for SSZ11-25000/110 power transformer winding

1.3 繞組變形缺陷辨識方法

繞組變形是最主要的機(jī)械類缺陷，繞組變形程度是反映變壓器結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵指標(biāo)之一。變壓器承受短路電流沖擊時(shí)，電動力往往超過100 kN，多次短路電流沖擊下，首先發(fā)生絕緣材料的收縮、墊塊脫落，引起繞組壓緊力和支撐剛度降低，然后產(chǎn)生繞組變形，引起繞組主縱絕緣距離變化、導(dǎo)線外包裹的絕緣紙破裂，最后發(fā)生放電，引發(fā)絕緣擊穿，見附錄A 圖A1。缺陷點(diǎn)多見于導(dǎo)線換位區(qū)域、安匝不平衡區(qū)域、電磁力周向分布不均勻區(qū)域［33］。

繞組變形缺陷難以通過常規(guī)電氣量及時(shí)監(jiān)測，但可憑借外部的振動信號進(jìn)行診斷，本文項(xiàng)目組成員已進(jìn)行了相關(guān)研究并取得了階段性成果。文獻(xiàn)［34］建立了機(jī)械電磁耦合的變壓器繞組非線性振動模型，分析了短路沖擊下繞組多頻振動的產(chǎn)生機(jī)理和變形繞組固有振動特性變化規(guī)律。仿真分析結(jié)論及110 kV 和0.4 kV 變壓器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，在繞組變形缺陷發(fā)展過程中，各階段的聲學(xué)振動信號特征表現(xiàn)為：在初期外部短路時(shí)，主頻能量比減小，信息熵及半頻能量占比增大，繞組松動程度逐漸累積；隨著短路次數(shù)的增多，主頻能量比增大，但信息熵及半頻能量占比減小，繞組變形逐漸累積［35-36］。利用上述信號特征的變化規(guī)律，可以實(shí)現(xiàn)對變壓器繞組變形嚴(yán)重程度和缺陷發(fā)展階段的辨識。

此外，繞組變形后，變壓器內(nèi)部漏磁分布會出現(xiàn)畸變，繞組發(fā)生上端部軸向壓縮形變時(shí)，上端部的磁場變化遠(yuǎn)大于下端部，發(fā)生下端部形變時(shí)則與之相反，通過對比不同位置的磁場變化可以區(qū)分形變位置；繞組發(fā)生對稱壓縮形變時(shí)，磁場分布的變化規(guī)律也是對稱的，對比磁場分布的對稱性變化可以區(qū)分端部壓縮變形和對稱壓縮變形［37-38］。

2 針對嚴(yán)重放電缺陷的主動保護(hù)

當(dāng)各類輕微缺陷由于監(jiān)測盲區(qū)等因素未能被狀態(tài)監(jiān)測方法辨識而進(jìn)一步惡化為嚴(yán)重的電火花放電時(shí)，只需很短的時(shí)間即可轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀舸┕收?，難以再制定計(jì)劃停電檢修。利用嚴(yán)重放電的表征參量構(gòu)建主動式保護(hù)方法，在發(fā)生造成不可逆損傷的嚴(yán)重放電但還未電弧擊穿時(shí)對設(shè)備進(jìn)行及時(shí)切除，能夠減小對設(shè)備的損害，消除起火爆燃的風(fēng)險(xiǎn)。有研究提出過高壓設(shè)備主動控制和保護(hù)的思路［39-40］，但并未就具體方案進(jìn)行深入研究，本文通過試驗(yàn)分析的方法對其可行性展開探索。

2.1 放電缺陷發(fā)展演化規(guī)律與特征

明確的放電表征參量的變化特征是針對嚴(yán)重放電缺陷進(jìn)行主動保護(hù)的基礎(chǔ)，當(dāng)前對缺陷發(fā)展特征的研究主要是基于單一參量［41］，對多參量變化特征綜合分析也多是基于典型放電缺陷模型［42-43］，本文選擇同時(shí)進(jìn)行模型試驗(yàn)和真型試驗(yàn)，將多個(gè)參量同步分析，并將模型試驗(yàn)和真型實(shí)驗(yàn)的參量變化規(guī)律進(jìn)行對照，保證所得放電缺陷發(fā)展時(shí)的多參量特征的工程實(shí)用性。

2.1.1 大尺度縮比模型放電缺陷試驗(yàn)

本文依據(jù)某10 kV 變壓器尺寸設(shè)計(jì)了縮比試驗(yàn)油箱，在油箱內(nèi)布置了柱板沿面、針板油紙大尺度放電缺陷模型，見附錄B 圖B1；布置了高速相機(jī)和特高頻、脈沖電流、聲傳感器，試驗(yàn)平臺接線見附錄B 圖B2；試驗(yàn)過程采用恒壓法，外施電壓峰值為35 kV。

針板油紙放電由局部放電發(fā)展至持續(xù)電弧的過程中存在長時(shí)間的火花放電階段，沿面放電缺陷發(fā)展至持續(xù)電弧的過程存在滑閃放電階段，在火花放電/滑閃放電的同時(shí)產(chǎn)氣特征顯著，產(chǎn)氣量隨時(shí)間不斷上升，油、紙絕緣性能不可逆轉(zhuǎn)地持續(xù)劣化直至發(fā)生電弧擊穿。試驗(yàn)中不同缺陷演化時(shí)期的圖像見附錄A 圖A2 和圖A3。

圖2 為針板油紙放電缺陷發(fā)展過程中不同時(shí)刻測得的多參量信號，其中幅值相位圖的采樣時(shí)間窗為2 s。圖2 表明，脈沖電流信號和特高頻信號有很高的同步性，隨著放電缺陷的演化發(fā)展，兩信號的脈沖次數(shù)明顯增大，脈沖相位分布變寬，正負(fù)半波初始放電相位減小甚至越過電壓過零點(diǎn)，脈沖電流信號的幅值明顯增大，特高頻信號的幅值輕微上升，聲信號的主頻向可聽聲頻段下移。圖3 為柱板沿面放電缺陷發(fā)展過程中不同時(shí)刻測得的多參量信號，可見多參量的變化趨勢與針板油紙缺陷基本一致，但缺陷結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致多參量信號的幅值有明顯的差異。

圖2 針板油紙放電試驗(yàn)不同時(shí)刻的多參量信號Fig.2 Multiple parameter signals of needle-plate oil-paper discharge experiment at different moments

圖3 柱板沿面放電試驗(yàn)不同時(shí)刻的多參量信號Fig.3 Multiple parameter signals of column-plate surface discharge experiment at different moments

2.1.2 真型變壓器放電缺陷試驗(yàn)

本文還在SSZ11-25000/110 電力變壓器上設(shè)置了均壓球尖刺放電缺陷和潮濕紙板沿面放電缺陷，模擬變壓器中由于裝配不當(dāng)或振動等原因而產(chǎn)生的金屬尖端放電和沿圍屏等長紙板發(fā)展的沿面放電，以驗(yàn)證在真實(shí)變壓器中多參量傳感器的測量效果和模型試驗(yàn)結(jié)論的適用性。傳感器安裝和缺陷布置方法見附錄B 圖B3，放電缺陷布置在B 相高壓繞組出線處，試驗(yàn)變壓器低壓側(cè)接交流電源、中壓側(cè)及高壓側(cè)空載。

均壓球尖刺放電試驗(yàn)的放電位置集中在針尖處，試驗(yàn)過程中可見產(chǎn)氣和紙板上的白斑，試驗(yàn)結(jié)束后（140 min）紙板上留下炭黑色凹陷痕跡，纖維結(jié)構(gòu)受到永久性損害。潮濕紙板沿面放電試驗(yàn)的放電通道是沿紙板表面方向發(fā)展的，有較多產(chǎn)氣，試驗(yàn)結(jié)束后（38 min）紙板表面留下炭黑色樹枝狀放電痕跡。試驗(yàn)過程中的實(shí)拍照片見附錄A 圖A4 和圖A5。

圖4 和圖5 分別為均壓球尖刺放電試驗(yàn)和潮濕紙板沿面放電試驗(yàn)在不同時(shí)刻測得的多參量信號情況，其中幅值相位圖的采樣時(shí)間窗為1 s。圖中的多參量變化趨勢與模型試驗(yàn)基本一致，脈沖電流信號和特高頻信號同步性較高，且隨著放電缺陷的演化發(fā)展，兩信號的脈沖次數(shù)增大，脈沖相位分布變寬，正負(fù)半波初始放電相位下降甚至越過電壓過零點(diǎn)，脈沖電流信號的幅值明顯增大但特高頻信號幅值變化較小，聲信號較低頻段尤其是可聽聲頻段的能量占比明顯上升。兩種缺陷發(fā)展過程中脈沖電流信號和特高頻信號的幅值相位圖在形狀和幅值上的差異同樣表明缺陷結(jié)構(gòu)的不同會對多參量信號的幅值和相位分布造成很大的影響。真型放電缺陷試驗(yàn)的結(jié)果說明了多參量傳感器布置及測量的有效性，也驗(yàn)證了典型放電模型試驗(yàn)的結(jié)論在結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、尺度更大且電壓等級更高的真型變壓器上的可遷移性。

圖4 均壓球尖刺放電試驗(yàn)不同時(shí)刻的多參量信號Fig.4 Multiple parameter signals of smoothing bushing collar spike discharge experiment at different moments

圖5 潮濕紙板放電試驗(yàn)不同時(shí)刻的多參量信號Fig.5 Multiple parameter signals of wet paper discharge experiment at different moments

2.2 嚴(yán)重放電缺陷階段的多參量融合主動保護(hù)

利用分類算法可獲得不同缺陷發(fā)展階段與多參量特征之間的定量關(guān)系，進(jìn)而為主動保護(hù)方案構(gòu)建及定值整定提供參考。10 次針板模型放電試驗(yàn)中，脈沖電流脈沖重復(fù)度、脈沖平均幅值、脈沖幅值總和、特高頻脈沖重復(fù)度、脈沖幅值總和、聲信號5～10 kHz 及20～30 kHz 頻段能量占比、最高頻率分量8 個(gè)參量特征隨時(shí)間的變化見圖6。圖中：單次試驗(yàn)不同時(shí)間的采樣點(diǎn)用黑色折線相連，橫縱坐標(biāo)均進(jìn)行了歸一化，以8 個(gè)特征參量為基礎(chǔ)，形成每個(gè)采樣點(diǎn)對應(yīng)的8 維特征向量，以所有采樣點(diǎn)為樣本進(jìn)行模糊C均值聚類分析，可得到圖中各點(diǎn)不同顏色代表的分類結(jié)果。其中，藍(lán)色點(diǎn)為放電演化過程初期，綠色點(diǎn)為放電演化過程中期，紅色點(diǎn)為放電演化過程末期。分類結(jié)果表明，多參量特征的大小以及變化趨勢和放電發(fā)展階段有明確的關(guān)聯(lián)關(guān)系，放電過程末期的特征量的均值相較于放電過程初期均有3 倍以上的明顯變化，詳見附錄B 表B1。通過對多參量特征絕對值以及變化率進(jìn)行監(jiān)測，可辨識嚴(yán)重放電，并在電弧擊穿之前采取主動保護(hù)措施，減少油箱爆燃事故的發(fā)生。

圖6 參量特征變化趨勢及聚類分析結(jié)果Fig.6 Changing trend of parameter characteristics and clustering analysis results

基于多參量的主動保護(hù)也有足夠的條件滿足繼電保護(hù)的“四性”要求。主動保護(hù)的目的是在電弧故障發(fā)生之前主動切除設(shè)備，從原理設(shè)計(jì)上來說已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了保護(hù)防線的前移，不存在快速性的問題。而利用超聲波定位或脈沖電流定位等定位方法，可以確保保護(hù)只動作于油箱內(nèi)部的放電。110 kV 變壓器油箱內(nèi)部放電時(shí)，位于變壓器5 個(gè)面中心的超聲傳感器的時(shí)域波形信號見附錄B 圖B4，利用超聲波明顯的到達(dá)時(shí)差可進(jìn)行球面波定位，足以確定聲源是在箱內(nèi)還是箱外，從而滿足保護(hù)的選擇性要求。利用多參量信號的同源性，即多參量信號是否同時(shí)出現(xiàn)、是否同時(shí)滿足動作閾值，可以排除空間傳導(dǎo)或地電位耦合等途徑的電磁干擾。油箱內(nèi)尖刺放電和油箱外電暈放電時(shí)多參量特征時(shí)域波形對比見附錄B 圖B5。由于特高頻傳感器為內(nèi)置式，可對油箱外電磁信號起屏蔽作用，超聲傳感器為貼片式布置于箱壁處，對于沿空氣路徑傳播的聲信號并不敏感。因此，在外部存在干擾源時(shí)，不同參量的幅值和是否同步出現(xiàn)情況都是有較大差異的。構(gòu)建基于信號同源性的互補(bǔ)、互校的保護(hù)啟動判據(jù)和動作判據(jù)并合理整定啟動及動作的多特征閾值，可以滿足保護(hù)的可靠性和靈敏性要求。綜合以上分析，提出圖7 所示的主動保護(hù)初步方案。如2.1 節(jié)所述，不同缺陷在發(fā)展演化時(shí)，多參量信號雖有類似的發(fā)展趨勢，但幅值有較大差異，實(shí)際變壓器內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且缺陷形式和位置均不固定，如何參照預(yù)期保護(hù)范圍進(jìn)行保護(hù)定值整定，仍需要更深入的研究。

圖7 基于多參量特征的主動保護(hù)方案Fig.7 Active protection scheme based on multiple parameter characteristics

2.3 基于產(chǎn)氣特征的輕瓦斯保護(hù)

當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)放電類缺陷時(shí)，變壓器油在局部放電的電、熱效應(yīng)作用下裂解，產(chǎn)生氫氣、碳氧化合物及烴類氣體。裂解產(chǎn)物部分溶于變壓器油中，另一部分未溶解的游離氣體通過油枕連接管逐漸匯集至瓦斯繼電器集氣盒中，集氣盒中的游離氣體體積和組分含量反映了變壓器油箱內(nèi)部放電類缺陷的嚴(yán)重程度?，F(xiàn)有的輕瓦斯保護(hù)僅反映氣體體積，雖然相對于現(xiàn)有的電氣量保護(hù)其對緩慢發(fā)展的故障是比較靈敏的，但是受變壓器內(nèi)部進(jìn)入空氣等因素影響易發(fā)生誤動，一般作用于告警，需要運(yùn)維人員取氣分析來確定變壓器內(nèi)部是否有缺陷，耗費(fèi)時(shí)間和人力，且有一定危險(xiǎn)性。為提升輕瓦斯保護(hù)效果，也作為基于放電產(chǎn)氣特征的主動式保護(hù)，本文提出基于放電類缺陷產(chǎn)氣特征的新型輕瓦斯保護(hù)，并給出兩種實(shí)現(xiàn)方案。

一種方案是將傳統(tǒng)瓦斯繼電器改進(jìn)為數(shù)字式，將液位傳感器和氣體濃度傳感器安裝于瓦斯繼電器集氣盒內(nèi)，可以輸出液位以及氣體中氫氣等成分的濃度信息，見附錄B 圖B6。液位高度經(jīng)過換算后能夠得出集氣盒內(nèi)的氣體體積，基于氣體體積、含量及兩者的變化速率等特征可實(shí)現(xiàn)圖8 所示的輕瓦斯保護(hù)方案。此種方案仍處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段，裝置結(jié)構(gòu)簡單，僅需要在集氣盒內(nèi)安裝傳感器，能夠獲得實(shí)時(shí)、全面且精準(zhǔn)的游離氣體特征，有效提高輕瓦斯保護(hù)的可靠性，但工程應(yīng)用時(shí)現(xiàn)有運(yùn)行的瓦斯繼電器不方便改造，且將傳感器置于變壓器器身周圍，其長期工作的穩(wěn)定性還有待驗(yàn)證。另一種方案是為取氣盒加裝自動取氣裝置，原理見附錄B 圖B7，使其具有自動排氣注油、自動取氣、分析氣體組分、診斷故障并上送報(bào)告等功能。此種方案優(yōu)勢在于只須將自動取氣裝置與在運(yùn)的瓦斯繼電器排氣口進(jìn)行連接，便于工程應(yīng)用，但靈敏度較第一種方案低，在現(xiàn)有輕瓦斯繼電器告警后進(jìn)行分析和判斷。本文已完成了此種方案的樣機(jī)試制，樣機(jī)照片見附錄A 圖A6。

圖8 基于氣體多參量特征的保護(hù)方案Fig.8 Protection scheme based on multiple parametercharacteristics of gas

3 針對電弧故障的傳統(tǒng)保護(hù)的性能提升

變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和潛在的放電缺陷類型復(fù)雜多樣，發(fā)展過程或是表征參量并不明顯的放電缺陷可能處于狀態(tài)監(jiān)測或主動保護(hù)的盲區(qū)，如進(jìn)一步演化為電弧故障，需要傳統(tǒng)的變壓器保護(hù)作為最后一級防線，最大限度地避免電弧故障發(fā)生后事故擴(kuò)大，影響系統(tǒng)安全運(yùn)行。

3.1 不經(jīng)勵(lì)磁涌流閉鎖的差動保護(hù)技術(shù)

差動保護(hù)是變壓器最重要的電氣量主保護(hù)，但勵(lì)磁涌流與故障電流的辨識一直是制約變壓器差動保護(hù)快速動作的難題。工程中應(yīng)用的勵(lì)磁涌流識別原理主要有二次諧波制動、間斷角、波形相關(guān)性等方法［44-47］，但受到變壓器電磁暫態(tài)、星/三角轉(zhuǎn)換、電流互感器傳變特性等因素的影響，即使最快的間斷角識別原理也至少需要20 ms［48］，影響了差動保護(hù)的快速性。為此，可以從變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生機(jī)理-鐵芯飽和入手，通過判斷變壓器的主磁鏈?zhǔn)欠褚痂F芯飽和來進(jìn)行勵(lì)磁涌流與故障電流的辨識，進(jìn)而構(gòu)建不經(jīng)勵(lì)磁涌流特征閉鎖的差動保護(hù)，進(jìn)一步提升保護(hù)的快速性。

為此，本文項(xiàng)目組首先建立變壓器空載合閘、區(qū)內(nèi)故障、區(qū)外故障切除等不同運(yùn)行工況下變壓器鐵芯磁鏈的通用數(shù)學(xué)表達(dá)式，定量推導(dǎo)出磁鏈最大值與電壓突變時(shí)刻、突變前后電壓相角差及突變后電壓幅值的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并提出了利用電壓半波積分值和電壓變化量半波積分值等效計(jì)算磁鏈的方法，可在電壓變化半個(gè)工頻周期時(shí)間（10 ms）獲得此次變化磁鏈可能達(dá)到的最大值。據(jù)此，當(dāng)變壓器鐵芯最大磁鏈值小于鐵芯飽和閾值時(shí)，變壓器一定不會產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。此時(shí)，電壓突變工況下的差流一定是內(nèi)部故障造成，差動保護(hù)無須經(jīng)勵(lì)磁涌流閉鎖，相關(guān)研究已發(fā)表于文獻(xiàn)［49］。

圖9 為一起換流變壓器電網(wǎng)側(cè)B 相發(fā)生匝間故障致使變壓器燒損事故的故障錄波圖。差動保護(hù)在諧波含量低于15%以后才動作，在此期間故障電流陡增而沒有被及時(shí)切除。通過故障波形基于電壓量積分實(shí)時(shí)估算磁鏈可以判斷出鐵芯并沒有飽和（飽和閾值為1.15），產(chǎn)生差動電流的原因是內(nèi)部故障而非勵(lì)磁涌流，不經(jīng)涌流閉鎖的差動保護(hù)從故障發(fā)生到發(fā)出跳閘令約需10 ms，比諧波閉鎖的差動保護(hù)快49 ms?？梢姡F芯飽和判別技術(shù)能夠提升差動保護(hù)的快速性，從而限制內(nèi)部電弧故障能量。

圖9 某換流變壓器事故故障錄波圖Fig.9 Fault oscillogram of a converter transformer accident

3.2 基于漏磁特征的變壓器匝間故障保護(hù)技術(shù)

輕微匝間短路時(shí)短路匝內(nèi)電流大、破壞性強(qiáng)，但差動保護(hù)感受到的電氣量變化微弱，難以靈敏切除故障，而基于漏磁幅值和對稱性的輕微匝間故障保護(hù)技術(shù)可作為現(xiàn)有變壓器保護(hù)靈敏性不足的補(bǔ)充。本文項(xiàng)目組通過理論推導(dǎo)，得出了三維變壓器模型中不同位置漏磁場分布的計(jì)算方法，著重分析了在正常運(yùn)行、勵(lì)磁涌流、外部故障及匝間故障的工況下，不同軸向路徑上漏磁場的變化規(guī)律［50］。本文建立了基于SSZ11-25000/110 三相三柱變壓器的有限元仿真模型進(jìn)行進(jìn)一步分析和驗(yàn)證，每相選擇4 條路徑對漏磁分布進(jìn)行分析，見附錄B 圖B8。變壓器正常運(yùn)行時(shí)軸向漏磁呈對稱分布，各相漏磁幅值相同，見附錄B 圖B9。匝間故障時(shí)故障相漏磁幅值上升，出現(xiàn)畸變波峰，軸向漏磁對稱性破壞，詳見附錄B 圖B10。外部接地短路或空載合閘時(shí)軸向漏磁仍呈對稱分布，空載合閘時(shí)漏磁時(shí)域波形存在間斷角，詳見附錄B 圖B11 和圖B12。

不同運(yùn)行工況下漏磁場具有以下特征：正常運(yùn)行時(shí)，三相漏磁幅值相等，漏磁分布軸向?qū)ΨQ；勵(lì)磁涌流工況時(shí)，三相漏磁增大且幅值不等，漏磁時(shí)域波形存在間斷角，漏磁分布軸向?qū)ΨQ；外部單相接地短路時(shí)，三相漏磁大幅增長且幅值不等，漏磁分布軸向?qū)ΨQ；不同繞組匝間短路時(shí)，除中部位置匝間短路外，軸向漏磁分布不再對稱，且僅有故障相漏磁分布發(fā)生變化。可考慮根據(jù)三相漏磁值與軸向?qū)ΨQ性，構(gòu)建如圖10 所示的匝間故障保護(hù)方案，實(shí)現(xiàn)不同繞組1%比例匝間短路的靈敏辨識與定位，并在勵(lì)磁涌流與外部短路工況下可靠不動作。

圖10 變壓器匝間故障保護(hù)方案Fig.10 Transformer inter-turn fault protection scheme

4 大型電力變壓器安全運(yùn)行三級防線

變壓器內(nèi)部缺陷可分為發(fā)熱類缺陷、放電類缺陷、機(jī)械類缺陷，局部過熱會引起絕緣加速老化失效，機(jī)械類缺陷會引起局部絕緣距離改變或是導(dǎo)體包覆的絕緣紙破損，所以最終都會發(fā)展為放電缺陷。變壓器內(nèi)放電缺陷較輕微時(shí)，油紙結(jié)構(gòu)的絕緣性能尚好，僅會發(fā)生放電量和重復(fù)度均較小的局部放電，然而隨著局部放電造成絕緣紙板內(nèi)纖維結(jié)構(gòu)不可恢復(fù)的破壞、產(chǎn)生的雜質(zhì)使變壓器油的絕緣性能不斷降低，輕微放電缺陷會逐漸發(fā)展演化為嚴(yán)重放電缺陷，放電通道延長，放電量和重復(fù)度成倍突增且顯著產(chǎn)氣。輕微缺陷發(fā)展為嚴(yán)重缺陷所需的時(shí)間可能長達(dá)數(shù)年，也可能像本文第2 章試驗(yàn)結(jié)果一樣，僅需不足一天的時(shí)間。本文針對變壓器內(nèi)部缺陷發(fā)展為嚴(yán)重缺陷并最終導(dǎo)致電弧擊穿的全過程提出構(gòu)建三級防線，以提升大型電力變壓器的安全運(yùn)行水平，防止油箱炸裂事故的發(fā)生。第一級防線為輕微缺陷的檢測和預(yù)警，第二級防線為嚴(yán)重放電缺陷時(shí)的主動式保護(hù)，第三級防線針對電弧故障提升傳統(tǒng)變壓器保護(hù)的性能，靈敏、快速切除故障。

三級防線所應(yīng)用的參量互有重疊，但是在時(shí)間窗選取、特征選取、定值整定以及對缺陷或故障的處置方式上有明顯的區(qū)別。三級防線的配置在時(shí)序上針對輕微缺陷發(fā)展為嚴(yán)重缺陷直至最后電弧擊穿的演化過程依次遞進(jìn)，如圖11 所示。

圖11 三級防線配合時(shí)序圖Fig.11 Coordination sequence diagram of three lines of defense

狀態(tài)監(jiān)測方法對缺陷進(jìn)行辨識所需的數(shù)據(jù)窗時(shí)間很長，往往需要數(shù)月內(nèi)的前后數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，所利用的數(shù)據(jù)特征多為統(tǒng)計(jì)性特征，如局部放電相位分布譜圖的對稱性、偏度等，后續(xù)措施為制定合理的停電計(jì)劃進(jìn)行檢修，注重對各類缺陷的全覆蓋以及缺陷辨識的靈敏性。主動保護(hù)對放電表征參量多維特征的絕對值及其變化率進(jìn)行分析，由于嚴(yán)重放電缺陷發(fā)展的快速性，即使基于與狀態(tài)監(jiān)測相同的參量，主動保護(hù)所應(yīng)用的數(shù)據(jù)窗和特征類型也有很大不同，當(dāng)確定內(nèi)部出現(xiàn)不可逆的嚴(yán)重放電缺陷時(shí)動作跳閘，可防范狀態(tài)監(jiān)測方法來不及辨識或停電的缺陷發(fā)展，保護(hù)判據(jù)、各閾值整定須足夠可靠且有完善的抗干擾邏輯等以保證不誤動。

狀態(tài)監(jiān)測方法靈敏度高但易受各種干擾影響，且依賴于運(yùn)維人員進(jìn)行決策和處置，難免出現(xiàn)辨識失敗或是因人員疏忽而漏判。主動式保護(hù)為了保證可靠性需要將閾值整定得足夠高，對于某些放電不劇烈缺陷的保護(hù)存在死區(qū)，對發(fā)展過程不明顯的故障的保護(hù)作用有局限性，如油中雜質(zhì)橋接致使突發(fā)電弧擊穿。傳統(tǒng)保護(hù)在電弧故障產(chǎn)生之后動作，對于變壓器本體是最后一級防御措施，優(yōu)化現(xiàn)有保護(hù)技術(shù)提升快速性及靈敏性，減小電弧持續(xù)時(shí)間或是阻止低能量電弧向更高能量電弧轉(zhuǎn)化，可降低油箱開裂事故的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語

本文針對變壓器內(nèi)部缺陷發(fā)展為嚴(yán)重缺陷最終導(dǎo)致電弧擊穿的全過程，提出將現(xiàn)有狀態(tài)監(jiān)測、被動式保護(hù)和新的主動保護(hù)思路聯(lián)合在一起，梯次配置、互相補(bǔ)充，形成整體的針對變壓器內(nèi)部故障的三級防御體系。

針對第一級防線，本文分析了現(xiàn)有狀態(tài)監(jiān)測手段的現(xiàn)狀，并針對熱缺陷辨識方法的不足，初步提出了基于多測點(diǎn)溫度的熱缺陷辨識方法，提升對熱缺陷的辨識及定位效果。

針對第二級防線，本文通過模型試驗(yàn)分析了放電缺陷快速演化為電弧故障的過程中脈沖電流、聲信號、特高頻信號的變化特征，并提出了基于多參量的變壓器主動保護(hù)方案和新型輕瓦斯保護(hù)方案，在發(fā)生貫穿性高能量電弧擊穿故障前動作跳閘。

針對第三級防線，本文提出基于主磁鏈估算的鐵芯飽和判別方法，實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁涌流的快速識別，縮短了差動保護(hù)動作時(shí)間；提出基于漏磁特征的輕微匝間故障保護(hù)方法，可實(shí)現(xiàn)1%比例匝間短路的靈敏辨識，顯著提升了對輕微匝間電弧故障的保護(hù)靈敏度。

本文研究對提高大型電力變壓器內(nèi)部故障的防護(hù)水平做出了重要探索，但仍需要進(jìn)一步推進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究和工程應(yīng)用。

本文研究得到重慶大學(xué)熊小伏、周湶、王建，華北電力大學(xué)李成榕、齊波，西安交通大學(xué)汲勝昌、李斯盟，國網(wǎng)電力科學(xué)研究院伍志榮等專家?guī)椭卮烁兄x！

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。