鄭玉平，郝治國(guó)，薛眾鑫，郝 建，潘書(shū)燕，龔心怡

（1.南瑞集團(tuán)有限公司（國(guó)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(guó)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(guó)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(huì)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(dòng)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(guò)程，從原理上提高保護(hù)靈敏性和動(dòng)作速度的余地很?。?］；差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作整定值需要躲過(guò)不平衡電流，對(duì)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(shí)需要足夠長(zhǎng)的時(shí)間窗，也限制了差動(dòng)保護(hù)的快速性［4-6］。此外，對(duì)于高能電弧故障，即使保護(hù)動(dòng)作的速度足夠快，受限于斷路器數(shù)十毫秒的全開(kāi)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(guò)程［8-11］，在放電缺陷階段對(duì)其識(shí)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(duì)油箱內(nèi)故障的提前感知，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)在變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域開(kāi)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(cè)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(shí)或放電階段的劃分［16-17］，但對(duì)熱缺陷和機(jī)械缺陷的監(jiān)測(cè)方法相對(duì)較少?，F(xiàn)有狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(duì)于小時(shí)至秒級(jí)的從嚴(yán)重放電缺陷至電弧擊穿的快速發(fā)展過(guò)程的阻斷能力十分有限。因此，還需構(gòu)建一種新型的主動(dòng)式變壓器保護(hù)方法來(lái)完善對(duì)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(duì)故障演化的全過(guò)程梯次配置的三級(jí)防線來(lái)保障變壓器安全運(yùn)行：第一級(jí)防線為輕微缺陷的檢測(cè)和預(yù)警，本文簡(jiǎn)要分析了對(duì)各類缺陷狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(shí)方法；第二級(jí)防線為嚴(yán)重放電缺陷階段的新型變壓器主動(dòng)保護(hù)，文中分析了放電缺陷演化過(guò)程中脈沖電流、聲信號(hào)、特高頻信號(hào)的變化特征，提出了變壓器主動(dòng)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(dòng)作跳閘；第三級(jí)防線針對(duì)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(lái)進(jìn)行勵(lì)磁涌流和故障電流的辨識(shí)，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(dòng)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(jí)防線針對(duì)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(cè)及預(yù)警

從缺陷模式上來(lái)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(shí)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(cè)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(cè)手段最為成熟。IEC-60270 標(biāo)準(zhǔn)中描述了脈沖電流監(jiān)測(cè)法的測(cè)量回路和技術(shù)要點(diǎn)［20-21］。通過(guò)測(cè)量阻抗從耦合電容處或者通過(guò)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(chǎng)應(yīng)用時(shí)抗干擾能力不強(qiáng)。油色譜監(jiān)測(cè)方式則是對(duì)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(kāi)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(cè)法主要是對(duì)絕緣介質(zhì)中的正負(fù)電荷中和及隨之而來(lái)的陡電流脈沖引起的電磁波進(jìn)行檢測(cè)，靈敏度高，甚至可以通過(guò)多測(cè)點(diǎn)波形差異進(jìn)行放電源定位，但信號(hào)幅值與局放量之間的關(guān)系難以確定［24］。聲信號(hào)監(jiān)測(cè)是對(duì)放電產(chǎn)生的聲波進(jìn)行檢測(cè)，主要來(lái)源于氣泡壁振動(dòng)，聲信號(hào)更易受干擾但和電信號(hào)的干擾源不同，實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)和電信號(hào)聯(lián)合監(jiān)測(cè)，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(cè)技術(shù)成功對(duì)一臺(tái)750 kV 主變壓器放電類缺陷進(jìn)行了預(yù)警，還通過(guò)手動(dòng)改變聲傳感器布置，找出了聲信號(hào)幅值最大的位置，通過(guò)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(cè)技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，主要針對(duì)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(zhǎng)時(shí)間，工作人員憑借預(yù)案或經(jīng)驗(yàn)對(duì)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(zhǎng)，可能會(huì)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(duì)輕微缺陷進(jìn)行處理，從而使其有機(jī)會(huì)快速發(fā)展為電弧擊穿故障。

1.2 熱缺陷辨識(shí)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(guò)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(duì)局部過(guò)熱點(diǎn)進(jìn)行有效定位［27-28］。此外，已有標(biāo)準(zhǔn)和方法對(duì)變壓器頂層油溫進(jìn)行計(jì)算及監(jiān)測(cè)［29-30］，同樣對(duì)局部過(guò)熱點(diǎn)的定位能力不足。隨著傳感技術(shù)的進(jìn)步，通過(guò)監(jiān)測(cè)變壓器油箱內(nèi)部多測(cè)點(diǎn)的溫度變化有望實(shí)現(xiàn)對(duì)熱類缺陷更有效地辨識(shí)和定位［31］。已有學(xué)者通過(guò)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(cè)溫的有效性，但尚未對(duì)如何將其應(yīng)用在熱缺陷的辨識(shí)進(jìn)行更深入的研究［32］。

針對(duì)現(xiàn)有熱缺陷辨識(shí)方法的不足，本文通過(guò)真型變壓器溫度分布試驗(yàn)及有限元仿真來(lái)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(shí)方案的可行性，并充分利用了光纖傳感器的優(yōu)勢(shì)（溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)量多、覆蓋廣且模型尺度大）。圖1 是一臺(tái)SSZ11-25000/110 電力變壓器繞組熱缺陷模擬試驗(yàn)中實(shí)際測(cè)溫點(diǎn)和過(guò)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(cè)溫點(diǎn)、12 個(gè)熱缺陷點(diǎn)，繞組餅數(shù)編號(hào)自下而上為1～42。構(gòu)建變壓器電磁-熱-流多場(chǎng)耦合分析模型，可獲得不同位置熱缺陷在不同過(guò)熱嚴(yán)重程度時(shí)，對(duì)應(yīng)的過(guò)熱缺陷嚴(yán)重程度與對(duì)應(yīng)測(cè)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(guò)此方法獲得豐富的熱缺陷與多點(diǎn)溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖1 測(cè)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(guò)熱時(shí)，不同測(cè)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(guò)熱時(shí)，對(duì)不同測(cè)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(cè)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(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度，構(gòu)建運(yùn)行工況下各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度矩陣TM。

式中：tM，i為第i個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度。

根據(jù)多物理場(chǎng)耦合分析方法仿真獲得對(duì)應(yīng)負(fù)載、流速條件下各測(cè)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(cè)溫點(diǎn)的仿真溫度。

將相同運(yùn)行工況下各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)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(cè)點(diǎn)在熱缺陷不同過(guò)熱程度時(shí)的溫差閾值矩陣ΔTL。若溫差矩陣對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的溫差值小于熱缺陷溫差閾值矩陣對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的溫差值，則表明該測(cè)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(duì)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(guò)熱溫度與相鄰測(cè)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(guò)熱缺陷時(shí)，過(guò)熱點(diǎn)過(guò)熱溫度To與相鄰測(cè)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(jí)缺陷應(yīng)對(duì)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(shí)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(dòng)力往往超過(guò)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(jiàn)附錄A 圖A1。缺陷點(diǎn)多見(jiàn)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(guò)常規(guī)電氣量及時(shí)監(jiān)測(cè)，但可憑借外部的振動(dòng)信號(hào)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(dòng)模型，分析了短路沖擊下繞組多頻振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理和變形繞組固有振動(dòng)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(guò)程中，各階段的聲學(xué)振動(dòng)信號(hào)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(dòng)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(hào)特征的變化規(guī)律，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器繞組變形嚴(yán)重程度和缺陷發(fā)展階段的辨識(shí)。

此外，繞組變形后，變壓器內(nèi)部漏磁分布會(huì)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(chǎng)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(guò)對(duì)比不同位置的磁場(chǎng)變化可以區(qū)分形變位置；繞組發(fā)生對(duì)稱壓縮形變時(shí)，磁場(chǎng)分布的變化規(guī)律也是對(duì)稱的，對(duì)比磁場(chǎng)分布的對(duì)稱性變化可以區(qū)分端部壓縮變形和對(duì)稱壓縮變形［37-38］。

2 針對(duì)嚴(yán)重放電缺陷的主動(dòng)保護(hù)

當(dāng)各類輕微缺陷由于監(jiān)測(cè)盲區(qū)等因素未能被狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法辨識(shí)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(dòng)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(duì)設(shè)備進(jìn)行及時(shí)切除，能夠減小對(duì)設(shè)備的損害，消除起火爆燃的風(fēng)險(xiǎn)。有研究提出過(guò)高壓設(shè)備主動(dòng)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(guò)試驗(yàn)分析的方法對(duì)其可行性展開(kāi)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(duì)嚴(yán)重放電缺陷進(jìn)行主動(dòng)保護(hù)的基礎(chǔ)，當(dāng)前對(duì)缺陷發(fā)展特征的研究主要是基于單一參量［41］，對(duì)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(duì)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(jiàn)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(tái)接線見(jiàn)附錄B 圖B2；試驗(yàn)過(guò)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(guò)程中存在長(zhǎng)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(guò)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(jiàn)附錄A 圖A2 和圖A3。

圖2 為針板油紙放電缺陷發(fā)展過(guò)程中不同時(shí)刻測(cè)得的多參量信號(hào)，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(hào)和特高頻信號(hào)有很高的同步性，隨著放電缺陷的演化發(fā)展，兩信號(hào)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(guò)電壓過(guò)零點(diǎn)，脈沖電流信號(hào)的幅值明顯增大，特高頻信號(hào)的幅值輕微上升，聲信號(hào)的主頻向可聽(tīng)聲頻段下移。圖3 為柱板沿面放電缺陷發(fā)展過(guò)程中不同時(shí)刻測(cè)得的多參量信號(hào)，可見(jiàn)多參量的變化趨勢(shì)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(hào)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(hào)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(hào)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(dòng)等原因而產(chǎn)生的金屬尖端放電和沿圍屏等長(zhǎng)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(cè)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(jiàn)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(guò)程中可見(jiàn)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(shù)枝狀放電痕跡。試驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)拍照片見(jiàn)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(cè)得的多參量信號(hào)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(shì)與模型試驗(yàn)基本一致，脈沖電流信號(hào)和特高頻信號(hào)同步性較高，且隨著放電缺陷的演化發(fā)展，兩信號(hào)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(guò)電壓過(guò)零點(diǎn)，脈沖電流信號(hào)的幅值明顯增大但特高頻信號(hào)幅值變化較小，聲信號(hào)較低頻段尤其是可聽(tīng)聲頻段的能量占比明顯上升。兩種缺陷發(fā)展過(guò)程中脈沖電流信號(hào)和特高頻信號(hào)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(huì)對(duì)多參量信號(hào)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(shuō)明了多參量傳感器布置及測(cè)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(jí)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(hào)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(hào)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(dòng)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(dòng)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(hào)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(jiàn)圖6。圖中：?jiǎn)未卧囼?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(duì)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(guò)程初期，綠色點(diǎn)為放電演化過(guò)程中期，紅色點(diǎn)為放電演化過(guò)程末期。分類結(jié)果表明，多參量特征的大小以及變化趨勢(shì)和放電發(fā)展階段有明確的關(guān)聯(lián)關(guān)系，放電過(guò)程末期的特征量的均值相較于放電過(guò)程初期均有3 倍以上的明顯變化，詳見(jiàn)附錄B 表B1。通過(guò)對(duì)多參量特征絕對(duì)值以及變化率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可辨識(shí)嚴(yán)重放電，并在電弧擊穿之前采取主動(dòng)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(shì)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(dòng)保護(hù)也有足夠的條件滿足繼電保護(hù)的“四性”要求。主動(dòng)保護(hù)的目的是在電弧故障發(fā)生之前主動(dòng)切除設(shè)備，從原理設(shè)計(jì)上來(lái)說(shuō)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了保護(hù)防線的前移，不存在快速性的問(wèn)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(dòng)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(hào)見(jiàn)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(hào)的同源性，即多參量信號(hào)是否同時(shí)出現(xiàn)、是否同時(shí)滿足動(dòng)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(duì)比見(jiàn)附錄B 圖B5。由于特高頻傳感器為內(nèi)置式，可對(duì)油箱外電磁信號(hào)起屏蔽作用，超聲傳感器為貼片式布置于箱壁處，對(duì)于沿空氣路徑傳播的聲信號(hào)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(hào)同源性的互補(bǔ)、互校的保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)和動(dòng)作判據(jù)并合理整定啟動(dòng)及動(dòng)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(dòng)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(hào)雖有類似的發(fā)展趨勢(shì)，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(dòng)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(guò)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(duì)于現(xiàn)有的電氣量保護(hù)其對(duì)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(dòng)，一般作用于告警，需要運(yùn)維人員取氣分析來(lái)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(dòng)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(jiàn)附錄B 圖B6。液位高度經(jīng)過(guò)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(jiǎn)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(zhǎng)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(dòng)取氣裝置，原理見(jiàn)附錄B 圖B7，使其具有自動(dòng)排氣注油、自動(dòng)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(shì)在于只須將自動(dòng)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(jiàn)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(duì)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(guò)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(cè)或主動(dòng)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(jí)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(dòng)保護(hù)技術(shù)

差動(dòng)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(shí)一直是制約變壓器差動(dòng)保護(hù)快速動(dòng)作的難題。工程中應(yīng)用的勵(lì)磁涌流識(shí)別原理主要有二次諧波制動(dòng)、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(shí)別原理也至少需要20 ms［48］，影響了差動(dòng)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(guò)判斷變壓器的主磁鏈?zhǔn)欠褚痂F芯飽和來(lái)進(jìn)行勵(lì)磁涌流與故障電流的辨識(shí)，進(jìn)而構(gòu)建不經(jīng)勵(lì)磁涌流特征閉鎖的差動(dòng)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(huì)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(dòng)保護(hù)無(wú)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(dòng)保護(hù)在諧波含量低于15%以后才動(dòng)作，在此期間故障電流陡增而沒(méi)有被及時(shí)切除。通過(guò)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(méi)有飽和（飽和閾值為1.15），產(chǎn)生差動(dòng)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(dòng)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(dòng)保護(hù)快49 ms。可見(jiàn)，鐵芯飽和判別技術(shù)能夠提升差動(dòng)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(dòng)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(duì)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(guò)理論推導(dǎo)，得出了三維變壓器模型中不同位置漏磁場(chǎng)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(chǎng)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(duì)漏磁分布進(jìn)行分析，見(jiàn)附錄B 圖B8。變壓器正常運(yùn)行時(shí)軸向漏磁呈對(duì)稱分布，各相漏磁幅值相同，見(jiàn)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(duì)稱性破壞，詳見(jiàn)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(duì)稱分布，空載合閘時(shí)漏磁時(shí)域波形存在間斷角，詳見(jiàn)附錄B 圖B11 和圖B12。

不同運(yùn)行工況下漏磁場(chǎng)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(zhǎng)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(duì)稱，且僅有故障相漏磁分布發(fā)生變化?？煽紤]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(shí)與定位，并在勵(lì)磁涌流與外部短路工況下可靠不動(dòng)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(jí)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(guò)熱會(huì)引起絕緣加速老化失效，機(jī)械類缺陷會(huì)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(huì)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(huì)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(huì)逐漸發(fā)展演化為嚴(yán)重放電缺陷，放電通道延長(zhǎng)，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(zhǎng)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(duì)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(guò)程提出構(gòu)建三級(jí)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(jí)防線為輕微缺陷的檢測(cè)和預(yù)警，第二級(jí)防線為嚴(yán)重放電缺陷時(shí)的主動(dòng)式保護(hù)，第三級(jí)防線針對(duì)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(jí)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(duì)缺陷或故障的處置方式上有明顯的區(qū)別。三級(jí)防線的配置在時(shí)序上針對(duì)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(guò)程依次遞進(jìn)，如圖11 所示。

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

狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法對(duì)缺陷進(jìn)行辨識(shí)所需的數(shù)據(jù)窗時(shí)間很長(zhǎng)，往往需要數(shù)月內(nèi)的前后數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，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(duì)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(duì)各類缺陷的全覆蓋以及缺陷辨識(shí)的靈敏性。主動(dòng)保護(hù)對(duì)放電表征參量多維特征的絕對(duì)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(cè)相同的參量，主動(dòng)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(dòng)作跳閘，可防范狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法來(lái)不及辨識(shí)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(dòng)。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(shí)失敗或是因人員疏忽而漏判。主動(dòng)式保護(hù)為了保證可靠性需要將閾值整定得足夠高，對(duì)于某些放電不劇烈缺陷的保護(hù)存在死區(qū)，對(duì)發(fā)展過(guò)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(dòng)作，對(duì)于變壓器本體是最后一級(jí)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(kāi)裂事故的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)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(guò)程，提出將現(xiàn)有狀態(tài)監(jiān)測(cè)、被動(dòng)式保護(hù)和新的主動(dòng)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(duì)變壓器內(nèi)部故障的三級(jí)防御體系。

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

針對(duì)第二級(jí)防線，本文通過(guò)模型試驗(yàn)分析了放電缺陷快速演化為電弧故障的過(guò)程中脈沖電流、聲信號(hào)、特高頻信號(hào)的變化特征，并提出了基于多參量的變壓器主動(dòng)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(dòng)作跳閘。

針對(duì)第三級(jí)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(shí)別，縮短了差動(dòng)保護(hù)動(dòng)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(shí)，顯著提升了對(duì)輕微匝間電弧故障的保護(hù)靈敏度。

本文研究對(duì)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(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院伍志榮等專家?guī)椭?，特此感謝！

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