探索电源系统的电力变压器保护：故障类型和差异保护

　　变压器保护系统
　　外部故障出现在网络中的某个地方（过电压，短路，过载，大气排放等）可能会给变压器带来麻烦（该网络的一部分）。例如，网络中的短电路可能会导致变压器螺旋杆和绕组的大量加热。铜损耗（RXI 2）随电流的平方而增加并作为热量消散。
　　也可以在变压器内部出现故障，例如绕组短路，交叉的短路，相之间的短路或的故障，变压器箱中的故障或变压器衬套上的突破。当涉及到故障位置时，变压器保护系统可以分为外部和内部保护。
　　保护系统的主要工作是尽快将变压器与能源供应区分开，以防止意外后果和重大的变压器损害。保护系统旨在能够发出电气系统中是否发生了不规则性的信号，这可能导致变压器故障。
　　在预设继电器阻塞时间（操作时间延迟）之后，保护系统向断路器发送信号，该信号在故障影响之前从系统中删除了变压器。
　　基于操作标准的变压器保护系统

　　您可以根据下表1中列出的操作标准看到不同的变压器保护系统。

表1。

操作标准	保护系统	故障位置（内部/外部）
当前差异标准	差异保护	内部/外部保护
高电流标准	过电流保护	外部保护
气体评估标准	布赫霍尔兹接力	内部保护
高温标准	热超负荷保护	内部保护
零序列当前标准	地面故障保护	外部保护
线阻抗标准	距离保护	外部保护

　　故障条件下的变压器保护类型

　　不同的保护系统可以检测变压器中不同的故障条件。

表2

变压器条件有故障	保护系统
变压器过载或过热	热超负荷保护
网络中的外部短路	过电流和远程保护
变压器内部短路	差分，过电流和布赫霍尔兹继电器
变压器内部单相短路或接地故障	单相过电流，地面故障和坦克底垫保护

　　表2显示了可以通过哪些相应保护系统检测到哪些故障。
　　什么是差分保护（ΔI）？
　　差异保护（ΔI）是一种可靠且安全的保护方法，也是重要，常用的变压器保护。它用于以高于8 MVA的标称功率保护变压器。通常在较低的标称功率高达4 MVA的变压器的情况下使用它。
　　差异保护涵盖了变压器内部几乎所有短路，例如相位，转弯之间以及相位和地面之间的短电路。如果变压器中性直接接地，则此保护还涵盖了通过所有绕组的绝缘突破。如果变压器中性是隔离的，则差分保护仅涵盖两个阶段之间的故障，但不涵盖单相故障。

　　差分保护操作原理基于比较图2所示的输出和输入变压器电流。

　　图2。差异保护方案的图
　　在正常网络条件下，变压器以标称电流运行。选择当前的变压器（上图中的CT）以相应的转弯比选择，以使CT次级侧面的电流相等。
　　在这种情况下，由于CTS的二级电流具有相等的振幅和相位位移值，因此没有流过差分保护的电流（ΔI= 0）。此时，差异保护将无法运行。在错误条件下，变压器电流值将远高于标称电流，这将导致ΔI> 0。在这种情况下，保护将运行并从服务中取消变压器。
　　利用差异保护系统的挑战
　　从理论上讲，这种保护系统似乎很简单。但是，实际上，保护操作标准根本不是那么简单。
　　下面列出了差异保护面临的挑战：
　　主要和次要变压器电流通常不同。应当选择电流变压器，以使正常条件下的差分电流为ΔI= 0。
　　不同的变压器矢量组在初级和次级方面具有不同的电流相位位移。
　　两个变压器侧的CTS在膝关节和饱和曲线方面的饱和特性大致相同。
　　TAP更换器操作（变压器电压调节）可能会导致ΔI电流通过防护电路，因为变压器的转弯比变化。
　　当变压器首先通电时，它仅在一个变压器侧导致电流，从而扰乱了差分保护平衡。
　　CT饱和度和直流电流成分现象会导致电流差异。
　　电压变压器侧的电气系统中的外部接地故障会导致零后方的电流组件，从而可以操作ΔI。
　　模拟和数字差分保护
　　如今，可以在电气系统中找到模拟和数字差分保护。模拟系统使用老式的机械解决方案，而新的数字技术通过使用软件解决了这些问题。
　　新电气系统是根据数字保护系统设计的。数字系统使用互连变压器，高阈值ΔI值，窒息（电感器）和电容器。软件流程解决了有关差异保护的所有要求。互连变压器的目的是过滤零序列电流组件，这是由于网络中的外部地面故障而出现的。这些变压器应在YD矢量组中连接。
　　如何选择阈值差分保护电流
　　设置相应的阈值差分保护电流非常棘手。它应该足够低，以检测出故障的电流并在短时间内将变压器撤离服务。但是，另一方面，它应该足够高，以避免在某些常规变压器条件下进行错误的操作，例如次通电（较高电流），无负载电流（DC电流组件），等等。
　　如果剩余的通量在变压器首次通电时存在于变压器芯中，则刷新电流值几乎可以达到短路电流值。因此，有必要预测变压器首先通电时的保护操作延迟。启动变压器电流包含明显的第二谐波和直流电流组件。缓慢降低直流分子及其高值会使CTS饱和并导致不正确的电流测量值。由于上述操作阈值，通常将ΔI设置为标称电流值的20-40％（20％无点击键换器的变压器和Tap Changer的30-40％）。
　　ΔI应足够低以覆盖内部短路故障。差异保护应尽快运行（实际上，约25-40毫秒），以减少断层能量，从而破坏变压器。当差分保护解决方案检测到保护时，它将发送断路器操作的信号，并触发警报。
　　实际上，在将变压器再次使用之前，必须对变压器进行详细测试和分析的故障原因。
　　  由Zen 38 [ CC BY-SA 3.0 ]提供新的数字ΔI解决方案通过使用软件执行直流电流组件过滤。该软件将信号传达给保护系统，该系统将使用电子电路阻止直流电流组件保护操作。
　　该软件通常使用算法进行电流波分析。这些算法的主要要求是谐波检测（对于检测磁化电流很重要），直流电流组件和第五个谐波检测。所有这些对于划分瞬态干扰和条件有故障都很重要。
　　根据计算出的谐波幅度，定义了阻止信号（继电器逻辑）。保护系统制造商提供了一系列阻止阈值，但是客户（即电气工程师）应根据受保护变压器的经验和特征设置相应的阈值。