變壓器后備零序保護的誤動分析和對策

薛曉月

（南京市產品質量監督檢驗院（南京市質量發展與先進技術應用研究院），江蘇 南京 211106）

隨著電力系統規模的不斷擴大和電力負荷的增加，對電網安全穩定運行的要求也日益提高。變壓器零序保護對維護系統的穩定性和可靠性起著關鍵作用。然而，在實際運行中，由于電力系統結構復雜、運行環境多變等因素，變壓器零序保護往往會面臨誤動的挑戰，即在沒有真實零序故障的情況下，保護裝置誤判為存在零序故障，引發不必要的保護動作。誤動不僅會導致設備的不必要脫開，影響電力系統的正常運行，還可能對設備產生不良影響，降低保護系統的可靠性和靈敏性。

1 后備零序保護的基本原理

后備零序保護的基本原理是通過對變壓器中的零序電流進行監測，以判斷系統是否發生零序故障，從而及時采取保護措施，確保設備的安全運行。在正常運行狀態下，變壓器的零序電流通常極微弱，幾乎可以忽略不計。然而，一旦系統發生零序故障，如接地故障或絕緣故障，零序電流會急劇增加?；谶@一原理，后備零序保護系統通過感應和測量變壓器中的零序電流，將其與預設的閾值進行比較。當監測到零序電流超過設定的閾值時，系統會判定存在零序故障，并迅速啟動保護動作，例如切斷故障相或發送信號觸發其他保護裝置。這及時的反應有助于減小故障對設備造成的損害，防止故障擴大，從而維護電力系統的正常運行。后備零序保護的原理簡單而有效，通過監測零序電流的變化，提供了一種可靠的手段來識別系統中的零序故障，為電力系統的安全性和可靠性提供了有力的支持。

2 后備零序保護誤動的常見原因

2.1 系統接地方式的變化

系統接地方式的變化對后備零序保護造成的誤動影響顯著。接地方式的改變直接影響系統中的零序電流分布，從而使得后備零序保護在正常運行狀態下可能錯誤地判斷為存在零序故障。舉例而言，當系統由無源接地變為有源接地時，系統中的零序電流分布會發生顯著變化。在無源接地系統中，零序電流主要受到系統中的負荷和電感影響，通常較小。然而，一旦系統改為有源接地，例如引入了感性或容性接地，零序電流的分布將發生明顯改變，可能導致零序電流的增加。這樣的變化可能被誤認為零序故障，觸發后備零序保護的動作，導致不必要的設備脫開和系統干擾。

2.2 系統運行模式的變化

系統運行模式的改變，如負荷的增減、設備的切換和運行狀態的調整，可能導致系統中零序電流分布的變化，從而使后備零序保護系統在正常運行狀態下錯誤地判定為存在零序故障。當系統負荷發生突然增加時，可能引起系統中零序電流的瞬時變化。這種變化可能被后備零序保護系統誤判為零序故障，觸發不必要的保護動作。同樣，設備的開關操作、線路切換等行為也可能導致零序電流的瞬時波動，使后備零序保護產生誤動。

2.3 變壓器內部故障模式的復雜性

變壓器作為電力系統中的核心設備，其內部故障模式的多樣性給后備零序保護帶來了復雜的挑戰。變壓器內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致零序電流的瞬時增大，從而引起后備零序保護的誤動。舉例而言，變壓器的絕緣損傷可能導致部分放電，引起零序電流瞬時升高。類似地，變壓器內部的短路或接地故障也可能引發零序電流的異常增大。這些瞬時的零序電流變化在后備零序保護系統中可能被誤認為是系統中存在真實零序故障的信號，觸發保護動作。由于變壓器內部故障模式的多樣性，保護系統需要具備高度靈敏的檢測能力，以準確識別真實的零序故障并迅速做出反應。此外，考慮到變壓器在運行過程中可能經歷負荷波動、溫度變化等影響，保護系統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 后備零序保護誤動的仿真分析

為了深入研究后備零序保護誤動的機理，利用仿真模型進行了詳細的分析。在仿真中，引入不同的誤動原因，模擬系統接地方式的變化、系統運行模式的變化以及變壓器內部故障模式的復雜性，以觀察后備零序保護的動作情況并分析誤動的發生機理。首先，通過改變系統的接地方式，模擬由無源接地變為有源接地的情況。仿真結果顯示，這種接地方式的變化引起了系統中零序電流的瞬時變化，導致后備零序保護系統誤判為零序故障，觸發不必要的保護動作。這表明系統接地方式的改變對后備零序保護誤動有明顯的影響。其次，模擬系統運行模式的變化，例如負荷突變或設備切換引起的運行模式變化。仿真結果顯示，這種運行模式的變化同樣導致了零序電流的瞬時波動，激發了后備零序保護的誤動。系統運行模式的靈活性和變化性使得誤動問題更加顯著。最后，考慮變壓器內部故障模式的復雜性。通過模擬不同的變壓器內部故障，如絕緣損傷、短路等，觀察其對零序電流的影響。仿真結果表明，一些內部故障可能導致零序電流的瞬時增大，引起后備零序保護的誤動，增加了保護系統的復雜性。通過這些仿真分析，可以深刻理解后備零序保護誤動的機理，并認識到系統接地方式的變化、系統運行模式的變化以及變壓器內部故障模式的復雜性都是潛在的誤動原因。這為進一步改進后備零序保護系統提供了有力的理論基礎，以提高其抗干擾能力和準確性。

4 后備零序保護誤動的改進對策

4.1 引入智能算法優化保護參數

為解決后備零序保護誤動的問題，引入智能算法對保護參數進行優化調整是一種創新性的改進對策。智能算法能夠通過學習和適應性調整，提高保護系統的性能，特別是在面對系統接地方式變化、系統運行模式變化以及變壓器內部故障模式的復雜性等復雜情況下。智能算法可以通過監測系統運行狀態和歷史數據，實時分析零序電流的波形和變化趨勢?；谶@些數據，智能算法可以調整后備零序保護的參數，使其更好地適應不同的工作條件。例如，當系統接地方式發生變化時，算法可以自動調整零序電流的閾值，以適應新的接地條件，降低誤動的概率。引入智能算法還可以提高后備零序保護系統的自適應性。算法可以根據實際運行情況不斷優化參數，適應系統負荷波動、溫度變化等因素的影響。這種自適應性使得后備零序保護系統能夠更靈活地應對不同的工作環境，減小誤動的發生概率。另外，智能算法還可以利用大數據分析，識別系統運行模式的變化，并及時調整保護參數。通過對歷史數據的深度學習和模式識別，算法能夠更準確地判斷何時發生了真實的零序故障，避免在系統運行模式變化時誤判為故障導致的誤動。

4.2 改進零序電流測量技術

為有效解決后備零序保護誤動問題，通過引入先進的測量技術，系統可以提高對零序電流的精度和靈敏度，從而有效減小誤差，降低誤動的發生可能性。采用高精度的傳感器和測量裝置是改進零序電流測量技術的核心之一。這些高精度的傳感器能夠更準確地感知變壓器內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系統至關重要，因為系統需要可靠地偵測電網中可能存在的零序故障，同時避免誤動的發生。高靈敏度的測量裝置進一步加強了系統對零序電流變化的實時監測能力，為后備零序保護提供更為精準的數據判斷基礎。其次，引入數字化測量系統以更高的采樣率記錄零序電流的波形，保留更多的細節信息，為后續的數據分析提供更全面的基礎。相對于傳統的模擬測量系統，數字化處理有助于減小誤差，使后備零序保護系統更為準確地判別真實零序故障和誤動。數字化技術的應用使得系統能夠更靈活地適應電力系統的復雜工作條件。最后，采用先進的信號處理算法是改進零序電流測量技術不可或缺的一環。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，系統能夠識別真實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系統的魯棒性，使其更好地適應不同的工作條件，進一步降低了誤動的風險。

4.3 加強對系統運行狀態的監測

為有效降低后備零序保護誤動的概率，加強對系統運行狀態的監測通過引入先進的監測技術，實時監控電力系統的運行狀況，可以更及時地發現系統運行模式的變化，提高后備零序保護系統的自適應性和準確性。一種實施策略是引入智能監測系統，利用高級傳感器和先進的數據分析算法。這些傳感器可以監測電流、電壓、溫度等多個關鍵參數，實時采集大量的數據。通過先進的數據分析算法，系統可以對這些數據進行實時處理和綜合分析，識別潛在的運行狀態變化。舉例而言，如果系統運行模式發生變化，如負荷突變或設備切換，智能監測系統可以迅速捕捉這些變化，為后備零序保護系統提供及時而準確的信息。另一種策略是結合物聯網技術，建立系統的實時監控和遠程通信。通過在電力系統中部署各類傳感器、裝置和通信設備，可以實現對系統運行狀態的全面監測。這些設備可以實時傳輸數據到中央監控中心，使運維人員能夠隨時隨地監測系統的運行情況。在系統運行模式變化時，遠程監控系統可以及時發出警報或提供信息，幫助運維人員更快速地做出反應。

4.4 優化變壓器內部故障診斷算法

為降低后備零序保護的誤動風險，優化變壓器內部故障診斷算法是一項重要的實施策略。通過引入先進的算法，可以提高對變壓器內部故障的準確判別能力，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構和工作原理的深刻理解，建立數學模型來模擬各種內部故障對零序電流的影響。通過與實際測量數據進行對比，可以準確判別出不同類型的內部故障。例如，絕緣損傷可能導致局部放電，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部故障。引入機器學習算法是提高故障診斷準確性的一種創新方法。機器學習算法能夠通過對大量歷史數據的學習，自動發現變壓器內部故障的模式，并根據實時監測數據進行實時的診斷。例如，采用卷積神經網絡對零序電流波形進行特征提取和分類，可以實現對不同故障模式的準確識別，提高系統的故障診斷能力。另外，結合紅外熱像技術也是一項有潛力的策略。通過監測變壓器表面溫度的變化，可以發現一些潛在的內部故障，如局部過熱。將紅外熱像數據與零序電流數據結合起來，可以提供更全面的信息，輔助故障診斷算法更準確地判斷內部故障類型。

4.5 定期系統維護和校準

通過定期的系統維護，可以有效防止設備老化和損壞，確保傳感器、測量裝置和保護裝置的正常運行。一項常見的維護任務是對傳感器進行檢查和校準。例如，使用溫度傳感器時，隨著時間的推移，可能會因環境條件的變化導致溫度測量的不準確性。通過定期的校準，可以調整傳感器的測量值，保證其準確性和可靠性。另一方面，定期系統維護也包括對測量裝置和保護裝置的檢查。例如，數字化測量系統可能需要定期檢查其采樣率和數據處理算法，以確保對零序電流波形的準確記錄和分析。同時，保護裝置可能包括復雜的電路和軟件，需要定期檢查其運行狀態，防止由于部件老化或程序錯誤導致誤動的風險。舉例而言，假設系統中使用了電流變送器來采集零序電流信息。這些變送器在長時間運行后可能受到環境條件的影響而逐漸失去準確性。通過定期的維護和校準程序，技術人員可以檢查變送器的輸出是否仍然符合預期范圍，并進行必要的調整。如果發現任何偏差或異常，可以及時更換或修復設備，防止誤動的發生。

5 結束語

總之，后備零序保護在電力系統中的應用對于確保變壓器的安全運行至關重要。然而，誤動問題的存在給保護系統帶來了挑戰，尤其是在面對系統接地方式的變化、系統運行模式的變化以及變壓器內部故障模式的復雜性等復雜情境下。通過仿真分析，深入了解了誤動的機理，認識到這些因素可能導致保護系統的錯誤判斷。為應對這一問題，引入智能算法、改進零序電流測量技術、加強系統監測以及優化故障診斷算法等策略是有效的對策。這些創新性的方法不僅提高了后備零序保護系統的準確性和自適應性，也為電力系統的穩定運行提供了更可靠的保障。通過不斷優化和創新，能夠更好地應對電力系統面臨的復雜挑戰，確保其安全、可靠、高效運行。