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The News電力變壓器保護系統
[ 發布時間：2018-08-30 16:47:00 信息來源：全德電氣股份 ]
摘要：針對電力變壓器在使用過程中經常出現的故障原因進行全面分析，同時利用檢測技術，對電力變壓器故障進行全方位的檢測。結合實例論述電力變壓器保護系統的設計方案，為電網安全運行做好基礎保障工作。
關鍵詞：電容故障；保護系統設計；開機自檢；故障停機
在電力變壓器內部故障中，根據故障形成的原因可以分為機械故障、熱故障、電故障3 種類型。為了對以上故障進行檢測和解決，通常選用油中溶解、模糊邏輯等方法。隨著技術的發展，雖然出現了如人工神經網絡的診斷方法，但是在大環境中，仍舊以油中溶解氣體分析方法作為主要的故障評估指標。
1 電力變壓器故障狀態評估
1.1 變壓器油色譜指標
目前，大多數大型電力變壓器都采用油浸紙絕緣的結構設計，通過絕緣油的使用，保證電力變壓器內部實現散熱和絕緣。隨著運行，固體絕緣材料在電力變壓器中發生老化分解，并會緩慢釋放出特征氣體如一氧化碳、二氧化碳等。這些氣體在運動過程中形成氣泡，最終溶解到絕緣油中。例如在本文進行研究的某變電站跳閘事故當中，35 kV 的0 號站出現了斷路器分閘現象，同時瓦斯繼電器內存有氣體。工作人員對變電器進行了油色譜指標檢測，檢測中發現，各項氣體數值均有大幅度提升，其中氫氣由16 μL/L 升至531.93 μL/L，一氧化碳由236 μL/L 升至357.77 μL/L，二氧化碳的漲幅最大，從1676 μL/L 升至4002.03 μL/L。通過上述數據的統計，可以清楚地發現，電力變壓器存在較為嚴重的故障。
1.2 電氣試驗指標
電氣試驗分為絕緣電阻試驗、直流電阻試驗以及空載試驗等幾個部分。針對0 號站電力變壓器出現的故障，對其進行直流電阻試驗測試，測試條件油溫設定32 ℃，運行檔設置為3 擋，低壓相間不平衡率為0.64%，小于4% ；高壓線間不平衡率為0.36%，小于2%，以上數據符合《輸變電設備狀態檢修試驗規程》的要求。在空載試驗中，未采取一般三相法進行實驗，而選用了具有故障針對性的分相實驗。
從空載試驗的數據分析, 低壓側加壓時，a 相電流上升速度很快，比b、c 相明顯偏大，判斷低壓繞組a 相存在短路現象，導致一定電壓下空載電流明顯變化。
2 電力變壓器的保護系統設計
2.1 電容器保護
為了實現利用電容器方法對電力變壓器進行保護，首先應對電容器所使用的CPU 板進行設計。在CPU 板的設計中，可選用A/D 轉換的方式，采用多個CPU、通信接口芯片以及存儲器集成在CPU 板上，通過高精度、高運算效率，實現了RS232 以及CAN 總線2 種通信方式并存，可供用戶自由選擇切換。在電量調理板中，既要保證電量輸入又要保證直流電源的安全性，因此采用了交流輸入量的電量調理設備和直流電源設備進行安裝，并保證二者相互隔離。此外，作為輸入輸出的繼電器部分，開關量的輸入輸出板作為主要元件具備抗干擾和隔離性能高的特性，保證輸入輸出接點的連通，并驅動直流控制電源。
在實際應用過程中，變電站需要采用集中式的分層分布，再由電容器系統實現全面監控，從而在故障預發生時對油中溶解情況以及注意值標準進行對比分析，為電力工作者決策提供幫助。
2.2 故障監視系統
故障監視系統是通過機位設置方式實現故障數據的采集。在實際應用過程中，下機位程序須對工作中的電力變壓器進行三相電壓、電流、液壓狀態以及溫度的統計，并將相關的統計數據結果發送到上機位，上機位對發送過來的數據利用頻譜分析等方法進行運算，進而判斷電力變壓器是否處于正常運行。上機位作為主要的應用終端，在設計過程中需要著重注意界面的編寫，例如在界面中要能夠通過數值和圖表的方式對變壓器初級與次級電流、變壓器溫度、電壓現狀等情況進行反饋和統計，并利用下機位的數據信息實現對下機位蜂鳴報警系統的控制，在第一時間發現電力變壓器故障。
2.3 微機保護系統軟件開發
微機系統中軟件是保護系統的核心成分，在系統中起到了數據收集、數字濾波以及判別電力動作等作用，系統保護軟件主要是由系統的主程序和中斷程序以及故障處理程序組成。主程序是系統初始化的過程，通過對系統各個部分的開關、機器功能的初始化，保證各個部分穩定進入工作，給予每個電力開關出口固定所需的電力，從根本上保證繼電器不會因為電網壓力過大而有所動作。除了系統初始化之外，軟件的主程序還承擔對系統硬件的檢查作用，通過軟件的自行檢查后，如果通過檢查即可以進入主循環，一旦發現有故障就會發出警報給管理人員。然后是后備保護程序，后備保護程序主要是對電力電壓進行判斷，偵測線路中是否存在過流現象，顧名思義，后備保護程序通過進行判斷功能，對過流保護的相關設備是否動作進行判別，進一步保證線路運行的穩定。除了后備保護程序和主程序外，還有根據差速和二次諧波制動建立的差動保護程序以及采樣脈沖和轉換中斷程序，分別從不同的方面對線路中的電壓進行實時監控，并且第一時間發現問題解決問題，保證電力變壓器能夠穩定運行，進而保證電力系統的穩定。
3 電力變壓器保護系統的應用
3.1 管理員登錄
變電站的管理人員首先需要通過管理員用戶名和密碼登錄到系統中。登錄界面中會顯示出變壓器的初級和次級電壓、變壓器運行狀態、運行溫度等相關數據。管理員可以利用系統預設的柔性控制對某一生產系統進行開始或停止操作，從而判斷安全制動裝置是否正常運行。同時，在界面當中，管理員須針對系統顯示的電流、電壓、溫度等內容進行檢查，并將對稱度數據輸入到系統中，由系統對數據進行對比判斷，并在監控硬件中生成表格并進行打印，可以作為歷史運行狀態的重要依據。
3.2 故障診斷界面操作
利用VB 開發的變壓器故障監測和故障診斷界面應該擁有簡潔、實用的特征，管理員在進入到故障監測界面之后，要能夠看到界面中所顯示的主菜單畫面，畫面具備特征氣體法、電容器保護、綜合診斷、退出等操作按鈕。在管理員對電力變壓器故障進行診斷時，系統界面要能夠跳轉到輸入框中，提示訓練樣本、樣本數目、經驗公式等內容的輸入，并為故障預案的設置和處理提供可靠依據。實際操作過程中，管理員利用該系統對出現運行故障的變壓器進行停止操作，同時發出蜂鳴警示，備用變壓器啟動。在對故障進行處理后，界面上顯示的溫度、電流、三相對稱度等數據回歸正常。有此可見在具體應用當中，該系統能夠精確完成故障的診斷和為管理員決策提供數據支持。
3.3 狀態監控界面操作
狀態監控界面具備對變壓器正常運行狀態進行監控的功能，其中故障診斷、決策和退出按鈕需要激活，管理員可以根據畫面中出現的提示進行檢測參數的設定，并由系統生成新樣本數據，管理員進行按鈕點擊，從而使新樣本數據加入到網絡訓練樣本集當中。此外，管理員還可以通過網絡訓練的樣本集調取來查閱歷史記錄，對變壓器運行的歷史階段進行檢驗。在系統中，系統內部可以利用時間順序進行變壓器運行狀態的概括，并針對部分異常情況作出分析和判斷，這樣可以保證在管理和保護的過程中更加清晰明朗，一目了然。
3.4 基于混合級聯結構的電力變壓器管理
混合級聯結構的電力變壓器管理主要通過開關器件在同一多平電路中進行不同功率等級的設定，使其電壓的頻率和開關頻率存在一定的關系，并在拓撲電路中成為混合調制。利用PWM 調制進行了混合級聯結構的應用階梯波調，并兼顧了電力變壓器的輸出級逆變電路開關器件和開關頻率的工作電壓，在所選用的15 電平級聯中突出了可行性和優越性，同時將總諧波失真、低次諧波分量、開關頻率性能進行了充分的比較，結果表明在選用混合級聯結構的電力變壓器管理過程中，系統更加簡潔明朗，復雜性得到了大幅度的降低，從而提高了整個系統的可靠性。在使用過程中，混合級聯結構的電力變壓器管理能夠將輸出諧波進行量化考量，并生成十分直觀的圖表，圖表中，對純電阻負載、輸出電壓、諧波分析等內容都作出了合理的分析和規劃，能夠幫助管理員在進行電力變壓器管理的過程中對電感性負載進行充分判斷。
4 結束語
通過對電力變壓器展開了一系列的研究和討論，創新推出了多種原理和方式方法，加強電力變壓器系統性能，并且通過實際測試中均未出現錯誤。電力變壓器對于電力系統的重要性無需多言，將二次諧波的引用也從根本上提高了變壓器的功能和穩定，但是對電力變壓器仍然需要進一步研究，從而找到更適合變壓器的保護系統。
關鍵詞：電容故障；保護系統設計；開機自檢；故障停機
在電力變壓器內部故障中，根據故障形成的原因可以分為機械故障、熱故障、電故障3 種類型。為了對以上故障進行檢測和解決，通常選用油中溶解、模糊邏輯等方法。隨著技術的發展，雖然出現了如人工神經網絡的診斷方法，但是在大環境中，仍舊以油中溶解氣體分析方法作為主要的故障評估指標。
1 電力變壓器故障狀態評估
1.1 變壓器油色譜指標
目前，大多數大型電力變壓器都采用油浸紙絕緣的結構設計，通過絕緣油的使用，保證電力變壓器內部實現散熱和絕緣。隨著運行，固體絕緣材料在電力變壓器中發生老化分解，并會緩慢釋放出特征氣體如一氧化碳、二氧化碳等。這些氣體在運動過程中形成氣泡，最終溶解到絕緣油中。例如在本文進行研究的某變電站跳閘事故當中，35 kV 的0 號站出現了斷路器分閘現象，同時瓦斯繼電器內存有氣體。工作人員對變電器進行了油色譜指標檢測，檢測中發現，各項氣體數值均有大幅度提升，其中氫氣由16 μL/L 升至531.93 μL/L，一氧化碳由236 μL/L 升至357.77 μL/L，二氧化碳的漲幅最大，從1676 μL/L 升至4002.03 μL/L。通過上述數據的統計，可以清楚地發現，電力變壓器存在較為嚴重的故障。
1.2 電氣試驗指標
電氣試驗分為絕緣電阻試驗、直流電阻試驗以及空載試驗等幾個部分。針對0 號站電力變壓器出現的故障，對其進行直流電阻試驗測試，測試條件油溫設定32 ℃，運行檔設置為3 擋，低壓相間不平衡率為0.64%，小于4% ；高壓線間不平衡率為0.36%，小于2%，以上數據符合《輸變電設備狀態檢修試驗規程》的要求。在空載試驗中，未采取一般三相法進行實驗，而選用了具有故障針對性的分相實驗。
從空載試驗的數據分析, 低壓側加壓時，a 相電流上升速度很快，比b、c 相明顯偏大，判斷低壓繞組a 相存在短路現象，導致一定電壓下空載電流明顯變化。
2 電力變壓器的保護系統設計
2.1 電容器保護
為了實現利用電容器方法對電力變壓器進行保護，首先應對電容器所使用的CPU 板進行設計。在CPU 板的設計中，可選用A/D 轉換的方式，采用多個CPU、通信接口芯片以及存儲器集成在CPU 板上，通過高精度、高運算效率，實現了RS232 以及CAN 總線2 種通信方式并存，可供用戶自由選擇切換。在電量調理板中，既要保證電量輸入又要保證直流電源的安全性，因此采用了交流輸入量的電量調理設備和直流電源設備進行安裝，并保證二者相互隔離。此外，作為輸入輸出的繼電器部分，開關量的輸入輸出板作為主要元件具備抗干擾和隔離性能高的特性，保證輸入輸出接點的連通，并驅動直流控制電源。
在實際應用過程中，變電站需要采用集中式的分層分布，再由電容器系統實現全面監控，從而在故障預發生時對油中溶解情況以及注意值標準進行對比分析，為電力工作者決策提供幫助。
2.2 故障監視系統
故障監視系統是通過機位設置方式實現故障數據的采集。在實際應用過程中，下機位程序須對工作中的電力變壓器進行三相電壓、電流、液壓狀態以及溫度的統計，并將相關的統計數據結果發送到上機位，上機位對發送過來的數據利用頻譜分析等方法進行運算，進而判斷電力變壓器是否處于正常運行。上機位作為主要的應用終端，在設計過程中需要著重注意界面的編寫，例如在界面中要能夠通過數值和圖表的方式對變壓器初級與次級電流、變壓器溫度、電壓現狀等情況進行反饋和統計，并利用下機位的數據信息實現對下機位蜂鳴報警系統的控制，在第一時間發現電力變壓器故障。
2.3 微機保護系統軟件開發
微機系統中軟件是保護系統的核心成分，在系統中起到了數據收集、數字濾波以及判別電力動作等作用，系統保護軟件主要是由系統的主程序和中斷程序以及故障處理程序組成。主程序是系統初始化的過程，通過對系統各個部分的開關、機器功能的初始化，保證各個部分穩定進入工作，給予每個電力開關出口固定所需的電力，從根本上保證繼電器不會因為電網壓力過大而有所動作。除了系統初始化之外，軟件的主程序還承擔對系統硬件的檢查作用，通過軟件的自行檢查后，如果通過檢查即可以進入主循環，一旦發現有故障就會發出警報給管理人員。然后是后備保護程序，后備保護程序主要是對電力電壓進行判斷，偵測線路中是否存在過流現象，顧名思義，后備保護程序通過進行判斷功能，對過流保護的相關設備是否動作進行判別，進一步保證線路運行的穩定。除了后備保護程序和主程序外，還有根據差速和二次諧波制動建立的差動保護程序以及采樣脈沖和轉換中斷程序，分別從不同的方面對線路中的電壓進行實時監控，并且第一時間發現問題解決問題，保證電力變壓器能夠穩定運行，進而保證電力系統的穩定。
3 電力變壓器保護系統的應用
3.1 管理員登錄
變電站的管理人員首先需要通過管理員用戶名和密碼登錄到系統中。登錄界面中會顯示出變壓器的初級和次級電壓、變壓器運行狀態、運行溫度等相關數據。管理員可以利用系統預設的柔性控制對某一生產系統進行開始或停止操作，從而判斷安全制動裝置是否正常運行。同時，在界面當中，管理員須針對系統顯示的電流、電壓、溫度等內容進行檢查，并將對稱度數據輸入到系統中，由系統對數據進行對比判斷，并在監控硬件中生成表格并進行打印，可以作為歷史運行狀態的重要依據。
3.2 故障診斷界面操作
利用VB 開發的變壓器故障監測和故障診斷界面應該擁有簡潔、實用的特征，管理員在進入到故障監測界面之后，要能夠看到界面中所顯示的主菜單畫面，畫面具備特征氣體法、電容器保護、綜合診斷、退出等操作按鈕。在管理員對電力變壓器故障進行診斷時，系統界面要能夠跳轉到輸入框中，提示訓練樣本、樣本數目、經驗公式等內容的輸入，并為故障預案的設置和處理提供可靠依據。實際操作過程中，管理員利用該系統對出現運行故障的變壓器進行停止操作，同時發出蜂鳴警示，備用變壓器啟動。在對故障進行處理后，界面上顯示的溫度、電流、三相對稱度等數據回歸正常。有此可見在具體應用當中，該系統能夠精確完成故障的診斷和為管理員決策提供數據支持。
3.3 狀態監控界面操作
狀態監控界面具備對變壓器正常運行狀態進行監控的功能，其中故障診斷、決策和退出按鈕需要激活，管理員可以根據畫面中出現的提示進行檢測參數的設定，并由系統生成新樣本數據，管理員進行按鈕點擊，從而使新樣本數據加入到網絡訓練樣本集當中。此外，管理員還可以通過網絡訓練的樣本集調取來查閱歷史記錄，對變壓器運行的歷史階段進行檢驗。在系統中，系統內部可以利用時間順序進行變壓器運行狀態的概括，并針對部分異常情況作出分析和判斷，這樣可以保證在管理和保護的過程中更加清晰明朗，一目了然。
3.4 基于混合級聯結構的電力變壓器管理
混合級聯結構的電力變壓器管理主要通過開關器件在同一多平電路中進行不同功率等級的設定，使其電壓的頻率和開關頻率存在一定的關系，并在拓撲電路中成為混合調制。利用PWM 調制進行了混合級聯結構的應用階梯波調，并兼顧了電力變壓器的輸出級逆變電路開關器件和開關頻率的工作電壓，在所選用的15 電平級聯中突出了可行性和優越性，同時將總諧波失真、低次諧波分量、開關頻率性能進行了充分的比較，結果表明在選用混合級聯結構的電力變壓器管理過程中，系統更加簡潔明朗，復雜性得到了大幅度的降低，從而提高了整個系統的可靠性。在使用過程中，混合級聯結構的電力變壓器管理能夠將輸出諧波進行量化考量，并生成十分直觀的圖表，圖表中，對純電阻負載、輸出電壓、諧波分析等內容都作出了合理的分析和規劃，能夠幫助管理員在進行電力變壓器管理的過程中對電感性負載進行充分判斷。
4 結束語
通過對電力變壓器展開了一系列的研究和討論，創新推出了多種原理和方式方法，加強電力變壓器系統性能，并且通過實際測試中均未出現錯誤。電力變壓器對于電力系統的重要性無需多言，將二次諧波的引用也從根本上提高了變壓器的功能和穩定，但是對電力變壓器仍然需要進一步研究，從而找到更適合變壓器的保護系統。