基于百分比的水平匝间故障检测算法研究

张秦琴，赵力思，魏 猛，付 程，刘亚军

（国网重庆市电力公司铜梁供电分公司，重庆 402560）

在电力系统中，变压器对保证电力系统稳定运行有重要意义[1]。然而，由于长期运行和环境因素等原因，变压器可能面临匝间故障（TTF）的风险[2]。因此，变压器匝间故障检测成为电力系统维护和监测中至关重要的任务。近年来，针对变压器匝间故障检测问题，研究者们提出了许多不同的算法和方法。传统方法包括振动分析、红外热成像、气体分析等；基于机器学习的方法[3]包括支持向量机、决策树、随机森林、神经网络等；基于信号处理的方法[4]主要是通过对变压器的电流、电压等信号进行采集和分析，提取不同频率范围内的特征参数，如谐波、噪声等，以判断是否存在匝间故障。文章旨在研究一种TTF检测算法，针对变压器中1%匝间故障的起始进行有效探测，利用增量电流的正负分量进行检测，并引入工作电流和抑制电流，通过施加实际匝间故障于2 kVA 三相变压器并对测试信号进行测量。同时，将所提出的算法与目前最先进的现场TTF 检测方法EPVA 进行性能比较，实现对TTF 的早期、精确和快速检测。

1 基于百分比的故障相关电流增量法

变压器正常运行时，差流中的负序分量接近于0，但在TTF 发生后，差流中的负序分量突然增大，这种突变能够作为一种灵敏的TTF 检测判据。

以下首先讨论故障相关电流增量法（FRIC），然后对其进行改进，使其更加安全、可靠。

1.1 FRIC法

通过对变压器匝比、矢量组以及零序分量进行补偿，可以根据变压器的原边电流和副边电流得到变压器的差流，如式（1）所示。

由于匝间故障的发生，变压器电流的负分量和正分量的差量被称为FRIC。为了评估FRIC，需要评估变压器电流与其最近的非故障稳态值之间的差异：

利用FRI 识别低水平TTF 的3个条件如下所示：

式中，ε和μ为趋近于0的常数阈值，δ为趋近于1的常数。

1.2 基于百分比的FRIC方法

以下介绍新的基于FRIC 参数的操作和抑制信号。工作电流IOP和抑制电流IRES定义如下：

基于式（7），式（4）可以改写为：

式（5）改写如下：

基于原副边电流定义新的条件如下：

其中 是一个常数阈值。将式（9）和式（10）相乘：

式中，m1为常数参数。若IOP大于指定阈值，且IOP和IRES的比值大于m1，则触发TTF起始。

通过采用双斜率特性，所提出的基于百分比的FRIC 在重外部故障情况下的安全性将得到提高，能够保护从两侧馈电的变压器以及多绕组变压器。

2 实验装置

文章使 用1 台2 kVA 定制变压器（三 相，400/400 V，三桥臂堆叠铁芯），以评估匝间故障下所提方法的性能。

3 匝间故障下所提方法与其他TTF检测算法的比较

以下给定只涉及绕组的1%的TTF 已发生在变压器不同的运行场景下：①正常运行状态（N）；②空载工况（NL）；③外部单线对地故障（LG）；④外部线路对线路外部故障（LL）。针对不同的绕组连接方式与EPVA 和NSPD 方法进行了比较。所提算法在所有测试中都在小于25 ms 时检测到了1%的TTF 起始。

3.1 案例1：低水平1%TTF

本案例中，低电平1%TTF 已发生于Y-Y 变压器，其提供了相当于额定容量85%的纯阻性负载。在t=91 ms 时，TTF 在变压器副边绕组上触发。虽然短路匝中的故障电流约为额定电流的6倍，但相关的一次电流仅小幅增加，二次电流的增量变化可忽略不计。图1给出了所提方法的工作和抑制电流信号的瞬时值。由于故障的发生，所有记录的电流都增大，所有检测方法均适用。

图1 Y-Y变压器上1%TTF起始电流检测结果

3.2 案例2：1%TTF，且存在外部故障

图2给出了所提方法的操作信号和抑制信号的瞬时值。t=86 ms 时，变压器二次侧已触发外部单相接地故障。外部故障导致副边绕组故障相电流急剧增大，原边绕组对应的两相电流也有所增加。

图2 1% TTF在D-Yn变压器外线对地故障时工作电流和抑制电流的瞬时值

外部故障后，t=155 ms 时，变压器原边绕组上已触发1%TTF。由于外部故障对变压器电流产生了显著影响，TTF 启动引起的电流增量变化不明显，短路匝中的故障电流约为额定电流的6倍。

从图2可以看出，由于外部故障的产生，所提方法的抑制电流大幅增加，能够增强其对可能的误差的处理稳定性。

更新稳态电流后，抑制电流和运行电流恢复到其小值。因此，即使在存在外部故障的情况下，所提方法也可以很容易地检测到TTF 的发生。表1给出了这些方法在所有可能的外部故障下的跳闸时间。

表1 不同算法在不同变压器运行工况下的跳闸时间

4 阈值确定

为确定所提方法以及EPVA 算法的最佳阈值，在Yn-Yn 变压器上进行了多次实验测试。同样给定1%的TTF 已发生在变压器不同的运行场景下。

图3 给出了每次试验中变压器的稳态工作点。TTF 启动前的稳态运行点由虚线圆圈表示，启动后的稳态运行点由实线圆圈表示。基于百分数的特征曲线(如图3中实线和虚线所示)应区分虚线圆(无故障条件)和实线圆(有故障条件)。如果选取的特征曲线接近实线圆，则会影响方法的可靠性。

图3 Yn-Yn变压器在TTF发生前（虚线圆圈）和发生后（实线圆圈）不同工况下的稳态工作点

从图3（a）和（b）可以看出，EPVA 方法的安全可信阈值设定较为复杂。这是由于在TTF 发生之前，其稳态运行点取决于变压器的运行工况，文章所提方法的阈值选取简单直观，且具有安全可靠的保护继电器性能。

5 结束语

变压器保护及时检测TTF 的早期发生对于系统的稳定运行至关重要。文章提出了一种基于百分比的FRIC 方法来检测变压器中1%匝间故障的起始。通过将实际匝间故障施加到2 kVA 三相变压器上，对测试信号进行测量。结果表明，所提方法能够在小于25 ms 的时间内检测到TTF 发生，即使存在外部故障也能实现精确检测，能够精确快速地实现TTF 的精确检测。