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(tǒng)的不斷發(fā)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(wěn)定運(yùn)行對整個電力系統(tǒng)的可靠性越發(fā)重要。然而，變壓器故障作為電力系統(tǒng)運(yùn)行中的常見問題之一，可能導(dǎo)致電力中斷、設(shè)備損壞甚至事故發(fā)生，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和人員財產(chǎn)安全帶來潛在威脅。因此，采用高效準(zhǔn)確的繼電保護(hù)技術(shù)，對變壓器故障進(jìn)行檢測、定位和解決，成為保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 繼電保護(hù)技術(shù)在變壓器故障檢測中的應(yīng)用

1.1 過電流保護(hù)

過電流保護(hù)作為電力系統(tǒng)中常見且關(guān)鍵的保護(hù)手段，在變壓器系統(tǒng)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(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時，例如短路，導(dǎo)致電流迅速升高時，過電流保護(hù)能夠迅速檢測到這種異常，并觸發(fā)保護(hù)裝置。在數(shù)學(xué)上，過電流保護(hù)的觸發(fā)條件可以表達(dá)為：

I 故障＞I 額定×系數(shù)

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(shù)則是保護(hù)裝置的設(shè)定參數(shù)。若故障電流超過額定電流的一定倍數(shù)，保護(hù)裝置便會快速作出響應(yīng)，切斷電路，有效防止故障進(jìn)一步蔓延。值得強(qiáng)調(diào)的是，過電流保護(hù)不僅在內(nèi)部故障時起作用，同時也對外部短路等異常情況具備響應(yīng)能力，從而確保了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。過電流保護(hù)的特點(diǎn)之一在于其迅速地響應(yīng)速度，這源于其簡單而有效的工作原理。此外，其觸發(fā)條件可以根據(jù)不同變壓器和電力系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，確保其在不同工況下的可靠性。然而，盡管過電流保護(hù)具有顯著優(yōu)勢，但在實(shí)際應(yīng)用中仍需考慮到故障電流與負(fù)荷電流之間的區(qū)別，以及電流波形的非穩(wěn)態(tài)特性[1]。這就要求在保護(hù)參數(shù)設(shè)定時，綜合考慮不同情況下的復(fù)雜性和多變性。

1.2 差動保護(hù)

差動保護(hù)作為一種基于電流差值的高級繼電保護(hù)技術(shù)，在變壓器故障檢測中扮演著關(guān)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(shù)學(xué)上，差動保護(hù)的基本表達(dá)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(dāng)I 差超過設(shè)定的閾值時，差動保護(hù)裝置會進(jìn)行保護(hù)動作，防止可能的故障進(jìn)一步擴(kuò)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(hù)能夠迅速檢測到這種變化并作出響應(yīng)。其觸發(fā)時間可以用以下表達(dá)式來表示：

t 觸發(fā)=1/f 采樣×n

其中，t 觸發(fā)表示保護(hù)觸發(fā)時間，f 采樣為采樣頻率，n 為采樣點(diǎn)數(shù)。該方程表明，采樣頻率越高，差動保護(hù)的觸發(fā)時間越快，對故障的響應(yīng)速度也更高。然而，差動保護(hù)在應(yīng)用中需要考慮因變壓器內(nèi)部參數(shù)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(shè)計差動保護(hù)系統(tǒng)時，需要充分考慮這些因素，確保保護(hù)裝置的準(zhǔn)確性和可靠性，差動保護(hù)器如圖1所示。

圖1 差動保護(hù)器

1.3 頻率保護(hù)

頻率保護(hù)作為一種專注于電力系統(tǒng)頻率異常的繼電保護(hù)技術(shù)，在變壓器故障檢測中發(fā)揮著重要作用。其關(guān)鍵任務(wù)是監(jiān)測電力系統(tǒng)頻率的變化，一旦變壓器故障引發(fā)電力系統(tǒng)頻率異常波動，頻率保護(hù)能夠敏感地察覺并采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。在數(shù)學(xué)上，電力系統(tǒng)頻率的變化率可以表示為：

頻率保護(hù)在變壓器故障檢測中的優(yōu)勢在于其對系統(tǒng)穩(wěn)定性的敏感性。變壓器內(nèi)部故障，如短路，可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定，進(jìn)而引發(fā)頻率異常。頻率保護(hù)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(jìn)一步升級成更嚴(yán)重的問題。此外，頻率保護(hù)還可以作為變壓器設(shè)備異常的預(yù)警，提醒運(yùn)維人員及時采取行動。在應(yīng)用頻率保護(hù)時，需要考慮系統(tǒng)負(fù)荷波動等非故障因素對頻率的影響，以及頻率保護(hù)參數(shù)的設(shè)置。為了準(zhǔn)確判定頻率異常，還需要考慮系統(tǒng)頻率的基準(zhǔn)值和波動范圍等。在頻率保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計和參數(shù)調(diào)整時需要綜合考慮這些因素。

2 繼電保護(hù)技術(shù)在變壓器故障定位中的應(yīng)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(shù)學(xué)上，零序電流法可以表達(dá)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(fā)生的位置。

2.2 感應(yīng)電流法

感應(yīng)電流法利用變壓器故障時產(chǎn)生的感應(yīng)電流來定位故障。當(dāng)變壓器發(fā)生故障時，故障電流會導(dǎo)致磁通的不對稱，從而在相鄰線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流法的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

2.3 電壓法

電壓法是一種基于測量故障點(diǎn)兩側(cè)電壓變化的繼電保護(hù)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(diǎn)兩側(cè)的電壓幅值和相位角差異。當(dāng)變壓器發(fā)生故障時，故障點(diǎn)的電壓波形可能會出現(xiàn)畸變，幅值和相位角可能會發(fā)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(dá)式可以表示為：

V 差=V 故障點(diǎn)－V 正常點(diǎn)

其中，V 差為故障點(diǎn)電壓與正常點(diǎn)電壓的差值，V 故障點(diǎn)和V 正常點(diǎn)分別為故障點(diǎn)和正常點(diǎn)的電壓。

具體應(yīng)用時，需要經(jīng)過一系列步驟以確保準(zhǔn)確性。首先，通過電壓傳感器或電壓互感器獲取故障點(diǎn)和正常點(diǎn)的電壓數(shù)據(jù)。其次，將測得的故障點(diǎn)電壓與正常點(diǎn)電壓進(jìn)行比較。這個正常點(diǎn)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(yù)期值。最后，分析故障點(diǎn)電壓與正常點(diǎn)電壓之間的差異，考察是否出現(xiàn)電壓波形的不對稱變化，如幅值減小或相位角偏移等?；陔妷翰町惖奶攸c(diǎn)，可以判斷故障的位置。舉例來說，如果內(nèi)部短路故障導(dǎo)致故障點(diǎn)電壓幅值下降，測量結(jié)果將明顯低于正常點(diǎn)電壓。通過電壓差異分析，可以精確地定位故障點(diǎn)。然而，在具體應(yīng)用時，需考慮電壓測量的精度、負(fù)荷變化、可能的干擾因素等，以保障定位結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，可將電壓法可與其他定位方法相結(jié)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(hù)技術(shù)在變壓器故障解決中的應(yīng)用

3.1 過負(fù)荷保護(hù)

在變壓器故障解決中，過負(fù)荷保護(hù)是不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)變壓器運(yùn)行負(fù)荷超出其額定值時，過高的電流會引發(fā)變壓器內(nèi)部溫度升高，從而可能導(dǎo)致絕緣老化、電氣設(shè)備的損壞甚至故障。為了有效應(yīng)對這一問題，繼電保護(hù)技術(shù)在變壓器過負(fù)荷情景中具有重要作用。其核心在于監(jiān)測變壓器電流，并在檢測到電流超過預(yù)定閾值時迅速觸發(fā)保護(hù)動作，以切斷電路，從而避免變壓器因過負(fù)荷運(yùn)行而帶來的潛在風(fēng)險。在具體應(yīng)用過程中，需要逐步確保保護(hù)的可靠性。首先，利用電流傳感器或電流互感器實(shí)時監(jiān)測變壓器電流。其次，設(shè)定合適的額定電流閾值，以明確超負(fù)荷狀態(tài)。最后，一旦監(jiān)測到實(shí)際電流超過額定閾值，繼電保護(hù)裝置會立即觸發(fā)保護(hù)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(fā)保護(hù)，還需設(shè)置適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)時間延遲。過負(fù)荷保護(hù)可簡化為 ：

I 實(shí)際＞I 額定

其中I 實(shí)際為實(shí)際電流，I 額定為額定電流閾值。通過電流監(jiān)測及時識別超負(fù)荷狀態(tài)，保障設(shè)備的安全運(yùn)行。逐步的保護(hù)設(shè)置、動作策略和時間延遲機(jī)制能夠確保保護(hù)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，從而為變壓器故障解決提供強(qiáng)有力的支持。

3.2 短路保護(hù)

短路故障可能導(dǎo)致電流迅速增大，威脅變壓器及周邊設(shè)備的安全運(yùn)行。繼電保護(hù)裝置能夠通過檢測故障電流的急劇變化，迅速作出保護(hù)動作，切斷電路，從而阻止故障蔓延。在短路保護(hù)的具體應(yīng)用中，需要根據(jù)故障類型和位置，設(shè)置適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)參數(shù)，確保保護(hù)裝置的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.3 過溫保護(hù)

過溫保護(hù)是針對變壓器內(nèi)部溫度異常升高的情況。當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)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(hù)繼電器可以通過溫度傳感器監(jiān)測變壓器的溫度，一旦溫度超過安全閾值，便會觸發(fā)保護(hù)裝置，停止變壓器運(yùn)行，防止故障進(jìn)一步發(fā)展。在過溫保護(hù)的實(shí)際應(yīng)用中，需要合理設(shè)置溫度閾值和保護(hù)延時，以確保保護(hù)的及時性和可靠性。

圖2 變壓器油溫高

3.4 冷卻系統(tǒng)故障保護(hù)

在變壓器故障解決中，冷卻系統(tǒng)故障保護(hù)扮演著不可或缺的關(guān)鍵角色。冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)行對于維持變壓器內(nèi)部溫度在安全范圍內(nèi)至關(guān)重要。然而，一旦冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可能會導(dǎo)致變壓器內(nèi)部溫度升高，進(jìn)而引發(fā)更為嚴(yán)重的問題，如電氣設(shè)備老化、絕緣失效等[3]。繼電保護(hù)技術(shù)在這一情境下具有顯著作用，通過持續(xù)監(jiān)測冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，一旦探測到冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)異常，即刻觸發(fā)保護(hù)裝置，迅速停止變壓器運(yùn)行，以避免因過熱而引發(fā)的潛在故障。在冷卻系統(tǒng)故障保護(hù)的實(shí)際應(yīng)用中，合理設(shè)置保護(hù)參數(shù)至關(guān)重要。這包括根據(jù)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和特性，設(shè)定適當(dāng)?shù)淖畹屠鋮s液流量閾值或最高冷卻溫度閾值。保護(hù)裝置將根據(jù)這些設(shè)定參數(shù)，在檢測到冷卻系統(tǒng)故障時，實(shí)施相應(yīng)的保護(hù)策略，可能涉及電路切斷、警報通知等[4]。這一過程需要持續(xù)地根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況對保護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以確保冷卻系統(tǒng)故障保護(hù)的高度敏感性和可靠性。繼電保護(hù)技術(shù)的參數(shù)設(shè)置將根據(jù)不同冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)而異，但核心在于根據(jù)監(jiān)測到的狀態(tài)和特性，制訂保護(hù)規(guī)則，確保其在冷卻系統(tǒng)故障發(fā)生時能夠快速、精確地采取保護(hù)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(hù)技術(shù)在變壓器故障解決中的重要性和廣泛應(yīng)用。我們相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，未來繼電保護(hù)技術(shù)將在電力系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用，保障電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為電力行業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。