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The News电力变压器保护系统
[ 发布时间：2018-08-30 16:47:00 信息来源：全德电气股份 ]
摘要：针对电力变压器在使用过程中经常出现的故障原因进行全面分析，同时利用检测技术，对电力变压器故障进行全方位的检测。结合实例论述电力变压器保护系统的设计方案，为电网安全运行做好基础保障工作。
关键词：电容故障；保护系统设计；开机自检；故障停机
在电力变压器内部故障中，根据故障形成的原因可以分为机械故障、热故障、电故障3 种类型。为了对以上故障进行检测和解决，通常选用油中溶解、模糊逻辑等方法。随着技术的发展，虽然出现了如人工神经网络的诊断方法，但是在大环境中，仍旧以油中溶解气体分析方法作为主要的故障评估指标。
1 电力变压器故障状态评估
1.1 变压器油色谱指标
目前，大多数大型电力变压器都采用油浸纸绝缘的结构设计，通过绝缘油的使用，保证电力变压器内部实现散热和绝缘。随着运行，固体绝缘材料在电力变压器中发生老化分解，并会缓慢释放出特征气体如一氧化碳、二氧化碳等。这些气体在运动过程中形成气泡，最终溶解到绝缘油中。例如在本文进行研究的某变电站跳闸事故当中，35 kV 的0 号站出现了断路器分闸现象，同时瓦斯继电器内存有气体。工作人员对变电器进行了油色谱指标检测，检测中发现，各项气体数值均有大幅度提升，其中氢气由16 μL/L 升至531.93 μL/L，一氧化碳由236 μL/L 升至357.77 μL/L，二氧化碳的涨幅最大，从1676 μL/L 升至4002.03 μL/L。通过上述数据的统计，可以清楚地发现，电力变压器存在较为严重的故障。
1.2 电气试验指标
电气试验分为绝缘电阻试验、直流电阻试验以及空载试验等几个部分。针对0 号站电力变压器出现的故障，对其进行直流电阻试验测试，测试条件油温设定32 ℃，运行档设置为3 挡，低压相间不平衡率为0.64%，小于4% ；高压线间不平衡率为0.36%，小于2%，以上数据符合《输变电设备状态检修试验规程》的要求。在空载试验中，未采取一般三相法进行实验，而选用了具有故障针对性的分相实验。
从空载试验的数据分析, 低压侧加压时，a 相电流上升速度很快，比b、c 相明显偏大，判断低压绕组a 相存在短路现象，导致一定电压下空载电流明显变化。
2 电力变压器的保护系统设计
2.1 电容器保护
为了实现利用电容器方法对电力变压器进行保护，首先应对电容器所使用的CPU 板进行设计。在CPU 板的设计中，可选用A/D 转换的方式，采用多个CPU、通信接口芯片以及存储器集成在CPU 板上，通过高精度、高运算效率，实现了RS232 以及CAN 总线2 种通信方式并存，可供用户自由选择切换。在电量调理板中，既要保证电量输入又要保证直流电源的安全性，因此采用了交流输入量的电量调理设备和直流电源设备进行安装，并保证二者相互隔离。此外，作为输入输出的继电器部分，开关量的输入输出板作为主要元件具备抗干扰和隔离性能高的特性，保证输入输出接点的连通，并驱动直流控制电源。
在实际应用过程中，变电站需要采用集中式的分层分布，再由电容器系统实现全面监控，从而在故障预发生时对油中溶解情况以及注意值标准进行对比分析，为电力工作者决策提供帮助。
2.2 故障监视系统
故障监视系统是通过机位设置方式实现故障数据的采集。在实际应用过程中，下机位程序须对工作中的电力变压器进行三相电压、电流、液压状态以及温度的统计，并将相关的统计数据结果发送到上机位，上机位对发送过来的数据利用频谱分析等方法进行运算，进而判断电力变压器是否处于正常运行。上机位作为主要的应用终端，在设计过程中需要着重注意界面的编写，例如在界面中要能够通过数值和图表的方式对变压器初级与次级电流、变压器温度、电压现状等情况进行反馈和统计，并利用下机位的数据信息实现对下机位蜂鸣报警系统的控制，在第一时间发现电力变压器故障。
2.3 微机保护系统软件开发
微机系统中软件是保护系统的核心成分，在系统中起到了数据收集、数字滤波以及判别电力动作等作用，系统保护软件主要是由系统的主程序和中断程序以及故障处理程序组成。主程序是系统初始化的过程，通过对系统各个部分的开关、机器功能的初始化，保证各个部分稳定进入工作，给予每个电力开关出口固定所需的电力，从根本上保证继电器不会因为电网压力过大而有所动作。除了系统初始化之外，软件的主程序还承担对系统硬件的检查作用，通过软件的自行检查后，如果通过检查即可以进入主循环，一旦发现有故障就会发出警报给管理人员。然后是后备保护程序，后备保护程序主要是对电力电压进行判断，侦测线路中是否存在过流现象，顾名思义，后备保护程序通过进行判断功能，对过流保护的相关设备是否动作进行判别，进一步保证线路运行的稳定。除了后备保护程序和主程序外，还有根据差速和二次谐波制动建立的差动保护程序以及采样脉冲和转换中断程序，分别从不同的方面对线路中的电压进行实时监控，并且第一时间发现问题解决问题，保证电力变压器能够稳定运行，进而保证电力系统的稳定。
3 电力变压器保护系统的应用
3.1 管理员登录
变电站的管理人员首先需要通过管理员用户名和密码登录到系统中。登录界面中会显示出变压器的初级和次级电压、变压器运行状态、运行温度等相关数据。管理员可以利用系统预设的柔性控制对某一生产系统进行开始或停止操作，从而判断安全制动装置是否正常运行。同时，在界面当中，管理员须针对系统显示的电流、电压、温度等内容进行检查，并将对称度数据输入到系统中，由系统对数据进行对比判断，并在监控硬件中生成表格并进行打印，可以作为历史运行状态的重要依据。
3.2 故障诊断界面操作
利用VB 开发的变压器故障监测和故障诊断界面应该拥有简洁、实用的特征，管理员在进入到故障监测界面之后，要能够看到界面中所显示的主菜单画面，画面具备特征气体法、电容器保护、综合诊断、退出等操作按钮。在管理员对电力变压器故障进行诊断时，系统界面要能够跳转到输入框中，提示训练样本、样本数目、经验公式等内容的输入，并为故障预案的设置和处理提供可靠依据。实际操作过程中，管理员利用该系统对出现运行故障的变压器进行停止操作，同时发出蜂鸣警示，备用变压器启动。在对故障进行处理后，界面上显示的温度、电流、三相对称度等数据回归正常。有此可见在具体应用当中，该系统能够精确完成故障的诊断和为管理员决策提供数据支持。
3.3 状态监控界面操作
状态监控界面具备对变压器正常运行状态进行监控的功能，其中故障诊断、决策和退出按钮需要激活，管理员可以根据画面中出现的提示进行检测参数的设定，并由系统生成新样本数据，管理员进行按钮点击，从而使新样本数据加入到网络训练样本集当中。此外，管理员还可以通过网络训练的样本集调取来查阅历史记录，对变压器运行的历史阶段进行检验。在系统中，系统内部可以利用时间顺序进行变压器运行状态的概括，并针对部分异常情况作出分析和判断，这样可以保证在管理和保护的过程中更加清晰明朗，一目了然。
3.4 基于混合级联结构的电力变压器管理
混合级联结构的电力变压器管理主要通过开关器件在同一多平电路中进行不同功率等级的设定，使其电压的频率和开关频率存在一定的关系，并在拓扑电路中成为混合调制。利用PWM 调制进行了混合级联结构的应用阶梯波调，并兼顾了电力变压器的输出级逆变电路开关器件和开关频率的工作电压，在所选用的15 电平级联中突出了可行性和优越性，同时将总谐波失真、低次谐波分量、开关频率性能进行了充分的比较，结果表明在选用混合级联结构的电力变压器管理过程中，系统更加简洁明朗，复杂性得到了大幅度的降低，从而提高了整个系统的可靠性。在使用过程中，混合级联结构的电力变压器管理能够将输出谐波进行量化考量，并生成十分直观的图表，图表中，对纯电阻负载、输出电压、谐波分析等内容都作出了合理的分析和规划，能够帮助管理员在进行电力变压器管理的过程中对电感性负载进行充分判断。
4 结束语
通过对电力变压器展开了一系列的研究和讨论，创新推出了多种原理和方式方法，加强电力变压器系统性能，并且通过实际测试中均未出现错误。电力变压器对于电力系统的重要性无需多言，将二次谐波的引用也从根本上提高了变压器的功能和稳定，但是对电力变压器仍然需要进一步研究，从而找到更适合变压器的保护系统。
关键词：电容故障；保护系统设计；开机自检；故障停机
在电力变压器内部故障中，根据故障形成的原因可以分为机械故障、热故障、电故障3 种类型。为了对以上故障进行检测和解决，通常选用油中溶解、模糊逻辑等方法。随着技术的发展，虽然出现了如人工神经网络的诊断方法，但是在大环境中，仍旧以油中溶解气体分析方法作为主要的故障评估指标。
1 电力变压器故障状态评估
1.1 变压器油色谱指标
目前，大多数大型电力变压器都采用油浸纸绝缘的结构设计，通过绝缘油的使用，保证电力变压器内部实现散热和绝缘。随着运行，固体绝缘材料在电力变压器中发生老化分解，并会缓慢释放出特征气体如一氧化碳、二氧化碳等。这些气体在运动过程中形成气泡，最终溶解到绝缘油中。例如在本文进行研究的某变电站跳闸事故当中，35 kV 的0 号站出现了断路器分闸现象，同时瓦斯继电器内存有气体。工作人员对变电器进行了油色谱指标检测，检测中发现，各项气体数值均有大幅度提升，其中氢气由16 μL/L 升至531.93 μL/L，一氧化碳由236 μL/L 升至357.77 μL/L，二氧化碳的涨幅最大，从1676 μL/L 升至4002.03 μL/L。通过上述数据的统计，可以清楚地发现，电力变压器存在较为严重的故障。
1.2 电气试验指标
电气试验分为绝缘电阻试验、直流电阻试验以及空载试验等几个部分。针对0 号站电力变压器出现的故障，对其进行直流电阻试验测试，测试条件油温设定32 ℃，运行档设置为3 挡，低压相间不平衡率为0.64%，小于4% ；高压线间不平衡率为0.36%，小于2%，以上数据符合《输变电设备状态检修试验规程》的要求。在空载试验中，未采取一般三相法进行实验，而选用了具有故障针对性的分相实验。
从空载试验的数据分析, 低压侧加压时，a 相电流上升速度很快，比b、c 相明显偏大，判断低压绕组a 相存在短路现象，导致一定电压下空载电流明显变化。
2 电力变压器的保护系统设计
2.1 电容器保护
为了实现利用电容器方法对电力变压器进行保护，首先应对电容器所使用的CPU 板进行设计。在CPU 板的设计中，可选用A/D 转换的方式，采用多个CPU、通信接口芯片以及存储器集成在CPU 板上，通过高精度、高运算效率，实现了RS232 以及CAN 总线2 种通信方式并存，可供用户自由选择切换。在电量调理板中，既要保证电量输入又要保证直流电源的安全性，因此采用了交流输入量的电量调理设备和直流电源设备进行安装，并保证二者相互隔离。此外，作为输入输出的继电器部分，开关量的输入输出板作为主要元件具备抗干扰和隔离性能高的特性，保证输入输出接点的连通，并驱动直流控制电源。
在实际应用过程中，变电站需要采用集中式的分层分布，再由电容器系统实现全面监控，从而在故障预发生时对油中溶解情况以及注意值标准进行对比分析，为电力工作者决策提供帮助。
2.2 故障监视系统
故障监视系统是通过机位设置方式实现故障数据的采集。在实际应用过程中，下机位程序须对工作中的电力变压器进行三相电压、电流、液压状态以及温度的统计，并将相关的统计数据结果发送到上机位，上机位对发送过来的数据利用频谱分析等方法进行运算，进而判断电力变压器是否处于正常运行。上机位作为主要的应用终端，在设计过程中需要着重注意界面的编写，例如在界面中要能够通过数值和图表的方式对变压器初级与次级电流、变压器温度、电压现状等情况进行反馈和统计，并利用下机位的数据信息实现对下机位蜂鸣报警系统的控制，在第一时间发现电力变压器故障。
2.3 微机保护系统软件开发
微机系统中软件是保护系统的核心成分，在系统中起到了数据收集、数字滤波以及判别电力动作等作用，系统保护软件主要是由系统的主程序和中断程序以及故障处理程序组成。主程序是系统初始化的过程，通过对系统各个部分的开关、机器功能的初始化，保证各个部分稳定进入工作，给予每个电力开关出口固定所需的电力，从根本上保证继电器不会因为电网压力过大而有所动作。除了系统初始化之外，软件的主程序还承担对系统硬件的检查作用，通过软件的自行检查后，如果通过检查即可以进入主循环，一旦发现有故障就会发出警报给管理人员。然后是后备保护程序，后备保护程序主要是对电力电压进行判断，侦测线路中是否存在过流现象，顾名思义，后备保护程序通过进行判断功能，对过流保护的相关设备是否动作进行判别，进一步保证线路运行的稳定。除了后备保护程序和主程序外，还有根据差速和二次谐波制动建立的差动保护程序以及采样脉冲和转换中断程序，分别从不同的方面对线路中的电压进行实时监控，并且第一时间发现问题解决问题，保证电力变压器能够稳定运行，进而保证电力系统的稳定。
3 电力变压器保护系统的应用
3.1 管理员登录
变电站的管理人员首先需要通过管理员用户名和密码登录到系统中。登录界面中会显示出变压器的初级和次级电压、变压器运行状态、运行温度等相关数据。管理员可以利用系统预设的柔性控制对某一生产系统进行开始或停止操作，从而判断安全制动装置是否正常运行。同时，在界面当中，管理员须针对系统显示的电流、电压、温度等内容进行检查，并将对称度数据输入到系统中，由系统对数据进行对比判断，并在监控硬件中生成表格并进行打印，可以作为历史运行状态的重要依据。
3.2 故障诊断界面操作
利用VB 开发的变压器故障监测和故障诊断界面应该拥有简洁、实用的特征，管理员在进入到故障监测界面之后，要能够看到界面中所显示的主菜单画面，画面具备特征气体法、电容器保护、综合诊断、退出等操作按钮。在管理员对电力变压器故障进行诊断时，系统界面要能够跳转到输入框中，提示训练样本、样本数目、经验公式等内容的输入，并为故障预案的设置和处理提供可靠依据。实际操作过程中，管理员利用该系统对出现运行故障的变压器进行停止操作，同时发出蜂鸣警示，备用变压器启动。在对故障进行处理后，界面上显示的温度、电流、三相对称度等数据回归正常。有此可见在具体应用当中，该系统能够精确完成故障的诊断和为管理员决策提供数据支持。
3.3 状态监控界面操作
状态监控界面具备对变压器正常运行状态进行监控的功能，其中故障诊断、决策和退出按钮需要激活，管理员可以根据画面中出现的提示进行检测参数的设定，并由系统生成新样本数据，管理员进行按钮点击，从而使新样本数据加入到网络训练样本集当中。此外，管理员还可以通过网络训练的样本集调取来查阅历史记录，对变压器运行的历史阶段进行检验。在系统中，系统内部可以利用时间顺序进行变压器运行状态的概括，并针对部分异常情况作出分析和判断，这样可以保证在管理和保护的过程中更加清晰明朗，一目了然。
3.4 基于混合级联结构的电力变压器管理
混合级联结构的电力变压器管理主要通过开关器件在同一多平电路中进行不同功率等级的设定，使其电压的频率和开关频率存在一定的关系，并在拓扑电路中成为混合调制。利用PWM 调制进行了混合级联结构的应用阶梯波调，并兼顾了电力变压器的输出级逆变电路开关器件和开关频率的工作电压，在所选用的15 电平级联中突出了可行性和优越性，同时将总谐波失真、低次谐波分量、开关频率性能进行了充分的比较，结果表明在选用混合级联结构的电力变压器管理过程中，系统更加简洁明朗，复杂性得到了大幅度的降低，从而提高了整个系统的可靠性。在使用过程中，混合级联结构的电力变压器管理能够将输出谐波进行量化考量，并生成十分直观的图表，图表中，对纯电阻负载、输出电压、谐波分析等内容都作出了合理的分析和规划，能够帮助管理员在进行电力变压器管理的过程中对电感性负载进行充分判断。
4 结束语
通过对电力变压器展开了一系列的研究和讨论，创新推出了多种原理和方式方法，加强电力变压器系统性能，并且通过实际测试中均未出现错误。电力变压器对于电力系统的重要性无需多言，将二次谐波的引用也从根本上提高了变压器的功能和稳定，但是对电力变压器仍然需要进一步研究，从而找到更适合变压器的保护系统。