變壓器后備零序保護(hù)的誤動分析和對策

薛曉月

（南京市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院（南京市質(zhì)量發(fā)展與先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用研究院），江蘇 南京 211106）

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和電力負(fù)荷的增加，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求也日益提高。變壓器零序保護(hù)對維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性起著關(guān)鍵作用。然而，在實(shí)際運(yùn)行中，由于電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行環(huán)境多變等因素，變壓器零序保護(hù)往往會面臨誤動的挑戰(zhàn)，即在沒有真實(shí)零序故障的情況下，保護(hù)裝置誤判為存在零序故障，引發(fā)不必要的保護(hù)動作。誤動不僅會導(dǎo)致設(shè)備的不必要脫開，影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還可能對設(shè)備產(chǎn)生不良影響，降低保護(hù)系統(tǒng)的可靠性和靈敏性。

1 后備零序保護(hù)的基本原理

后備零序保護(hù)的基本原理是通過對變壓器中的零序電流進(jìn)行監(jiān)測，以判斷系統(tǒng)是否發(fā)生零序故障，從而及時(shí)采取保護(hù)措施，確保設(shè)備的安全運(yùn)行。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，變壓器的零序電流通常極微弱，幾乎可以忽略不計(jì)。然而，一旦系統(tǒng)發(fā)生零序故障，如接地故障或絕緣故障，零序電流會急劇增加。基于這一原理，后備零序保護(hù)系統(tǒng)通過感應(yīng)和測量變壓器中的零序電流，將其與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較。當(dāng)監(jiān)測到零序電流超過設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)會判定存在零序故障，并迅速啟動保護(hù)動作，例如切斷故障相或發(fā)送信號觸發(fā)其他保護(hù)裝置。這及時(shí)的反應(yīng)有助于減小故障對設(shè)備造成的損害，防止故障擴(kuò)大，從而維護(hù)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。后備零序保護(hù)的原理簡單而有效，通過監(jiān)測零序電流的變化，提供了一種可靠的手段來識別系統(tǒng)中的零序故障，為電力系統(tǒng)的安全性和可靠性提供了有力的支持。

2 后備零序保護(hù)誤動的常見原因

2.1 系統(tǒng)接地方式的變化

系統(tǒng)接地方式的變化對后備零序保護(hù)造成的誤動影響顯著。接地方式的改變直接影響系統(tǒng)中的零序電流分布，從而使得后備零序保護(hù)在正常運(yùn)行狀態(tài)下可能錯誤地判斷為存在零序故障。舉例而言，當(dāng)系統(tǒng)由無源接地變?yōu)橛性唇拥貢r(shí)，系統(tǒng)中的零序電流分布會發(fā)生顯著變化。在無源接地系統(tǒng)中，零序電流主要受到系統(tǒng)中的負(fù)荷和電感影響，通常較小。然而，一旦系統(tǒng)改為有源接地，例如引入了感性或容性接地，零序電流的分布將發(fā)生明顯改變，可能導(dǎo)致零序電流的增加。這樣的變化可能被誤認(rèn)為零序故障，觸發(fā)后備零序保護(hù)的動作，導(dǎo)致不必要的設(shè)備脫開和系統(tǒng)干擾。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行模式的變化

系統(tǒng)運(yùn)行模式的改變，如負(fù)荷的增減、設(shè)備的切換和運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整，可能導(dǎo)致系統(tǒng)中零序電流分布的變化，從而使后備零序保護(hù)系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下錯誤地判定為存在零序故障。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生突然增加時(shí)，可能引起系統(tǒng)中零序電流的瞬時(shí)變化。這種變化可能被后備零序保護(hù)系統(tǒng)誤判為零序故障，觸發(fā)不必要的保護(hù)動作。同樣，設(shè)備的開關(guān)操作、線路切換等行為也可能導(dǎo)致零序電流的瞬時(shí)波動，使后備零序保護(hù)產(chǎn)生誤動。

2.3 變壓器內(nèi)部故障模式的復(fù)雜性

變壓器作為電力系統(tǒng)中的核心設(shè)備，其內(nèi)部故障模式的多樣性給后備零序保護(hù)帶來了復(fù)雜的挑戰(zhàn)。變壓器內(nèi)部故障可以包括絕緣損傷、短路、接地故障等多種形式，其中一些故障可能導(dǎo)致零序電流的瞬時(shí)增大，從而引起后備零序保護(hù)的誤動。舉例而言，變壓器的絕緣損傷可能導(dǎo)致部分放電，引起零序電流瞬時(shí)升高。類似地，變壓器內(nèi)部的短路或接地故障也可能引發(fā)零序電流的異常增大。這些瞬時(shí)的零序電流變化在后備零序保護(hù)系統(tǒng)中可能被誤認(rèn)為是系統(tǒng)中存在真實(shí)零序故障的信號，觸發(fā)保護(hù)動作。由于變壓器內(nèi)部故障模式的多樣性，保護(hù)系統(tǒng)需要具備高度靈敏的檢測能力，以準(zhǔn)確識別真實(shí)的零序故障并迅速做出反應(yīng)。此外，考慮到變壓器在運(yùn)行過程中可能經(jīng)歷負(fù)荷波動、溫度變化等影響，保護(hù)系統(tǒng)還需具備一定的抗干擾能力，以避免由這些因素引起的誤動。

3 后備零序保護(hù)誤動的仿真分析

為了深入研究后備零序保護(hù)誤動的機(jī)理，利用仿真模型進(jìn)行了詳細(xì)的分析。在仿真中，引入不同的誤動原因，模擬系統(tǒng)接地方式的變化、系統(tǒng)運(yùn)行模式的變化以及變壓器內(nèi)部故障模式的復(fù)雜性，以觀察后備零序保護(hù)的動作情況并分析誤動的發(fā)生機(jī)理。首先，通過改變系統(tǒng)的接地方式，模擬由無源接地變?yōu)橛性唇拥氐那闆r。仿真結(jié)果顯示，這種接地方式的變化引起了系統(tǒng)中零序電流的瞬時(shí)變化，導(dǎo)致后備零序保護(hù)系統(tǒng)誤判為零序故障，觸發(fā)不必要的保護(hù)動作。這表明系統(tǒng)接地方式的改變對后備零序保護(hù)誤動有明顯的影響。其次，模擬系統(tǒng)運(yùn)行模式的變化，例如負(fù)荷突變或設(shè)備切換引起的運(yùn)行模式變化。仿真結(jié)果顯示，這種運(yùn)行模式的變化同樣導(dǎo)致了零序電流的瞬時(shí)波動，激發(fā)了后備零序保護(hù)的誤動。系統(tǒng)運(yùn)行模式的靈活性和變化性使得誤動問題更加顯著。最后，考慮變壓器內(nèi)部故障模式的復(fù)雜性。通過模擬不同的變壓器內(nèi)部故障，如絕緣損傷、短路等，觀察其對零序電流的影響。仿真結(jié)果表明，一些內(nèi)部故障可能導(dǎo)致零序電流的瞬時(shí)增大，引起后備零序保護(hù)的誤動，增加了保護(hù)系統(tǒng)的復(fù)雜性。通過這些仿真分析，可以深刻理解后備零序保護(hù)誤動的機(jī)理，并認(rèn)識到系統(tǒng)接地方式的變化、系統(tǒng)運(yùn)行模式的變化以及變壓器內(nèi)部故障模式的復(fù)雜性都是潛在的誤動原因。這為進(jìn)一步改進(jìn)后備零序保護(hù)系統(tǒng)提供了有力的理論基礎(chǔ)，以提高其抗干擾能力和準(zhǔn)確性。

4 后備零序保護(hù)誤動的改進(jìn)對策

4.1 引入智能算法優(yōu)化保護(hù)參數(shù)

為解決后備零序保護(hù)誤動的問題，引入智能算法對保護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整是一種創(chuàng)新性的改進(jìn)對策。智能算法能夠通過學(xué)習(xí)和適應(yīng)性調(diào)整，提高保護(hù)系統(tǒng)的性能，特別是在面對系統(tǒng)接地方式變化、系統(tǒng)運(yùn)行模式變化以及變壓器內(nèi)部故障模式的復(fù)雜性等復(fù)雜情況下。智能算法可以通過監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)分析零序電流的波形和變化趨勢。基于這些數(shù)據(jù)，智能算法可以調(diào)整后備零序保護(hù)的參數(shù)，使其更好地適應(yīng)不同的工作條件。例如，當(dāng)系統(tǒng)接地方式發(fā)生變化時(shí)，算法可以自動調(diào)整零序電流的閾值，以適應(yīng)新的接地條件，降低誤動的概率。引入智能算法還可以提高后備零序保護(hù)系統(tǒng)的自適應(yīng)性。算法可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況不斷優(yōu)化參數(shù)，適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷波動、溫度變化等因素的影響。這種自適應(yīng)性使得后備零序保護(hù)系統(tǒng)能夠更靈活地應(yīng)對不同的工作環(huán)境，減小誤動的發(fā)生概率。另外，智能算法還可以利用大數(shù)據(jù)分析，識別系統(tǒng)運(yùn)行模式的變化，并及時(shí)調(diào)整保護(hù)參數(shù)。通過對歷史數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)和模式識別，算法能夠更準(zhǔn)確地判斷何時(shí)發(fā)生了真實(shí)的零序故障，避免在系統(tǒng)運(yùn)行模式變化時(shí)誤判為故障導(dǎo)致的誤動。

4.2 改進(jìn)零序電流測量技術(shù)

為有效解決后備零序保護(hù)誤動問題，通過引入先進(jìn)的測量技術(shù)，系統(tǒng)可以提高對零序電流的精度和靈敏度，從而有效減小誤差，降低誤動的發(fā)生可能性。采用高精度的傳感器和測量裝置是改進(jìn)零序電流測量技術(shù)的核心之一。這些高精度的傳感器能夠更準(zhǔn)確地感知變壓器內(nèi)部微弱的零序電流信號，降低了測量誤差的可能性。這對于后備零序保護(hù)系統(tǒng)至關(guān)重要，因?yàn)橄到y(tǒng)需要可靠地偵測電網(wǎng)中可能存在的零序故障，同時(shí)避免誤動的發(fā)生。高靈敏度的測量裝置進(jìn)一步加強(qiáng)了系統(tǒng)對零序電流變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測能力，為后備零序保護(hù)提供更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)判斷基礎(chǔ)。其次，引入數(shù)字化測量系統(tǒng)以更高的采樣率記錄零序電流的波形，保留更多的細(xì)節(jié)信息，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供更全面的基礎(chǔ)。相對于傳統(tǒng)的模擬測量系統(tǒng)，數(shù)字化處理有助于減小誤差，使后備零序保護(hù)系統(tǒng)更為準(zhǔn)確地判別真實(shí)零序故障和誤動。數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用使得系統(tǒng)能夠更靈活地適應(yīng)電力系統(tǒng)的復(fù)雜工作條件。最后，采用先進(jìn)的信號處理算法是改進(jìn)零序電流測量技術(shù)不可或缺的一環(huán)。這包括高級的濾波、波形分析和模式識別算法，能夠從零序電流的波形中提取更多的特征信息。通過智能化的信號處理，系統(tǒng)能夠識別真實(shí)的零序故障并有效地排除誤動的可能性。這種高級的算法提高了后備零序保護(hù)系統(tǒng)的魯棒性，使其更好地適應(yīng)不同的工作條件，進(jìn)一步降低了誤動的風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 加強(qiáng)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測

為有效降低后備零序保護(hù)誤動的概率，加強(qiáng)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測通過引入先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，可以更及時(shí)地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行模式的變化，提高后備零序保護(hù)系統(tǒng)的自適應(yīng)性和準(zhǔn)確性。一種實(shí)施策略是引入智能監(jiān)測系統(tǒng)，利用高級傳感器和先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析算法。這些傳感器可以監(jiān)測電流、電壓、溫度等多個關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)時(shí)采集大量的數(shù)據(jù)。通過先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析算法，系統(tǒng)可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和綜合分析，識別潛在的運(yùn)行狀態(tài)變化。舉例而言，如果系統(tǒng)運(yùn)行模式發(fā)生變化，如負(fù)荷突變或設(shè)備切換，智能監(jiān)測系統(tǒng)可以迅速捕捉這些變化，為后備零序保護(hù)系統(tǒng)提供及時(shí)而準(zhǔn)確的信息。另一種策略是結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程通信。通過在電力系統(tǒng)中部署各類傳感器、裝置和通信設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的全面監(jiān)測。這些設(shè)備可以實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)到中央監(jiān)控中心，使運(yùn)維人員能夠隨時(shí)隨地監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行情況。在系統(tǒng)運(yùn)行模式變化時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)出警報(bào)或提供信息，幫助運(yùn)維人員更快速地做出反應(yīng)。

4.4 優(yōu)化變壓器內(nèi)部故障診斷算法

為降低后備零序保護(hù)的誤動風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化變壓器內(nèi)部故障診斷算法是一項(xiàng)重要的實(shí)施策略。通過引入先進(jìn)的算法，可以提高對變壓器內(nèi)部故障的準(zhǔn)確判別能力，降低誤動的可能性。采用基于模型的故障診斷算法是利用對變壓器結(jié)構(gòu)和工作原理的深刻理解，建立數(shù)學(xué)模型來模擬各種內(nèi)部故障對零序電流的影響。通過與實(shí)際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可以準(zhǔn)確判別出不同類型的內(nèi)部故障。例如，絕緣損傷可能導(dǎo)致局部放電，短路可能引起電流異常，基于這些特征的模型可以辨別出內(nèi)部故障。引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法是提高故障診斷準(zhǔn)確性的一種創(chuàng)新方法。機(jī)器學(xué)習(xí)算法能夠通過對大量歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，自動發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部故障的模式，并根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的診斷。例如，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對零序電流波形進(jìn)行特征提取和分類，可以實(shí)現(xiàn)對不同故障模式的準(zhǔn)確識別，提高系統(tǒng)的故障診斷能力。另外，結(jié)合紅外熱像技術(shù)也是一項(xiàng)有潛力的策略。通過監(jiān)測變壓器表面溫度的變化，可以發(fā)現(xiàn)一些潛在的內(nèi)部故障，如局部過熱。將紅外熱像數(shù)據(jù)與零序電流數(shù)據(jù)結(jié)合起來，可以提供更全面的信息，輔助故障診斷算法更準(zhǔn)確地判斷內(nèi)部故障類型。

4.5 定期系統(tǒng)維護(hù)和校準(zhǔn)

通過定期的系統(tǒng)維護(hù)，可以有效防止設(shè)備老化和損壞，確保傳感器、測量裝置和保護(hù)裝置的正常運(yùn)行。一項(xiàng)常見的維護(hù)任務(wù)是對傳感器進(jìn)行檢查和校準(zhǔn)。例如，使用溫度傳感器時(shí)，隨著時(shí)間的推移，可能會因環(huán)境條件的變化導(dǎo)致溫度測量的不準(zhǔn)確性。通過定期的校準(zhǔn)，可以調(diào)整傳感器的測量值，保證其準(zhǔn)確性和可靠性。另一方面，定期系統(tǒng)維護(hù)也包括對測量裝置和保護(hù)裝置的檢查。例如，數(shù)字化測量系統(tǒng)可能需要定期檢查其采樣率和數(shù)據(jù)處理算法，以確保對零序電流波形的準(zhǔn)確記錄和分析。同時(shí)，保護(hù)裝置可能包括復(fù)雜的電路和軟件，需要定期檢查其運(yùn)行狀態(tài)，防止由于部件老化或程序錯誤導(dǎo)致誤動的風(fēng)險(xiǎn)。舉例而言，假設(shè)系統(tǒng)中使用了電流變送器來采集零序電流信息。這些變送器在長時(shí)間運(yùn)行后可能受到環(huán)境條件的影響而逐漸失去準(zhǔn)確性。通過定期的維護(hù)和校準(zhǔn)程序，技術(shù)人員可以檢查變送器的輸出是否仍然符合預(yù)期范圍，并進(jìn)行必要的調(diào)整。如果發(fā)現(xiàn)任何偏差或異常，可以及時(shí)更換或修復(fù)設(shè)備，防止誤動的發(fā)生。

5 結(jié)束語

總之，后備零序保護(hù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用對于確保變壓器的安全運(yùn)行至關(guān)重要。然而，誤動問題的存在給保護(hù)系統(tǒng)帶來了挑戰(zhàn)，尤其是在面對系統(tǒng)接地方式的變化、系統(tǒng)運(yùn)行模式的變化以及變壓器內(nèi)部故障模式的復(fù)雜性等復(fù)雜情境下。通過仿真分析，深入了解了誤動的機(jī)理，認(rèn)識到這些因素可能導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)的錯誤判斷。為應(yīng)對這一問題，引入智能算法、改進(jìn)零序電流測量技術(shù)、加強(qiáng)系統(tǒng)監(jiān)測以及優(yōu)化故障診斷算法等策略是有效的對策。這些創(chuàng)新性的方法不僅提高了后備零序保護(hù)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和自適應(yīng)性，也為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了更可靠的保障。通過不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，能夠更好地應(yīng)對電力系統(tǒng)面臨的復(fù)雜挑戰(zhàn)，確保其安全、可靠、高效運(yùn)行。