变压器后备零序保护的误动分析和对策

薛晓月

（南京市产品质量监督检验院（南京市质量发展与先进技术应用研究院），江苏 南京 211106）

随着电力系统规模的不断扩大和电力负荷的增加，对电网安全稳定运行的要求也日益提高。变压器零序保护对维护系统的稳定性和可靠性起着关键作用。然而，在实际运行中，由于电力系统结构复杂、运行环境多变等因素，变压器零序保护往往会面临误动的挑战，即在没有真实零序故障的情况下，保护装置误判为存在零序故障，引发不必要的保护动作。误动不仅会导致设备的不必要脱开，影响电力系统的正常运行，还可能对设备产生不良影响，降低保护系统的可靠性和灵敏性。

1 后备零序保护的基本原理

后备零序保护的基本原理是通过对变压器中的零序电流进行监测，以判断系统是否发生零序故障，从而及时采取保护措施，确保设备的安全运行。在正常运行状态下，变压器的零序电流通常极微弱，几乎可以忽略不计。然而，一旦系统发生零序故障，如接地故障或绝缘故障，零序电流会急剧增加。基于这一原理，后备零序保护系统通过感应和测量变压器中的零序电流，将其与预设的阈值进行比较。当监测到零序电流超过设定的阈值时，系统会判定存在零序故障，并迅速启动保护动作，例如切断故障相或发送信号触发其他保护装置。这及时的反应有助于减小故障对设备造成的损害，防止故障扩大，从而维护电力系统的正常运行。后备零序保护的原理简单而有效，通过监测零序电流的变化，提供了一种可靠的手段来识别系统中的零序故障，为电力系统的安全性和可靠性提供了有力的支持。

2 后备零序保护误动的常见原因

2.1 系统接地方式的变化

系统接地方式的变化对后备零序保护造成的误动影响显著。接地方式的改变直接影响系统中的零序电流分布，从而使得后备零序保护在正常运行状态下可能错误地判断为存在零序故障。举例而言，当系统由无源接地变为有源接地时，系统中的零序电流分布会发生显著变化。在无源接地系统中，零序电流主要受到系统中的负荷和电感影响，通常较小。然而，一旦系统改为有源接地，例如引入了感性或容性接地，零序电流的分布将发生明显改变，可能导致零序电流的增加。这样的变化可能被误认为零序故障，触发后备零序保护的动作，导致不必要的设备脱开和系统干扰。

2.2 系统运行模式的变化

系统运行模式的改变，如负荷的增减、设备的切换和运行状态的调整，可能导致系统中零序电流分布的变化，从而使后备零序保护系统在正常运行状态下错误地判定为存在零序故障。当系统负荷发生突然增加时，可能引起系统中零序电流的瞬时变化。这种变化可能被后备零序保护系统误判为零序故障，触发不必要的保护动作。同样，设备的开关操作、线路切换等行为也可能导致零序电流的瞬时波动，使后备零序保护产生误动。

2.3 变压器内部故障模式的复杂性

变压器作为电力系统中的核心设备，其内部故障模式的多样性给后备零序保护带来了复杂的挑战。变压器内部故障可以包括绝缘损伤、短路、接地故障等多种形式，其中一些故障可能导致零序电流的瞬时增大，从而引起后备零序保护的误动。举例而言，变压器的绝缘损伤可能导致部分放电，引起零序电流瞬时升高。类似地，变压器内部的短路或接地故障也可能引发零序电流的异常增大。这些瞬时的零序电流变化在后备零序保护系统中可能被误认为是系统中存在真实零序故障的信号，触发保护动作。由于变压器内部故障模式的多样性，保护系统需要具备高度灵敏的检测能力，以准确识别真实的零序故障并迅速做出反应。此外，考虑到变压器在运行过程中可能经历负荷波动、温度变化等影响，保护系统还需具备一定的抗干扰能力，以避免由这些因素引起的误动。

3 后备零序保护误动的仿真分析

为了深入研究后备零序保护误动的机理，利用仿真模型进行了详细的分析。在仿真中，引入不同的误动原因，模拟系统接地方式的变化、系统运行模式的变化以及变压器内部故障模式的复杂性，以观察后备零序保护的动作情况并分析误动的发生机理。首先，通过改变系统的接地方式，模拟由无源接地变为有源接地的情况。仿真结果显示，这种接地方式的变化引起了系统中零序电流的瞬时变化，导致后备零序保护系统误判为零序故障，触发不必要的保护动作。这表明系统接地方式的改变对后备零序保护误动有明显的影响。其次，模拟系统运行模式的变化，例如负荷突变或设备切换引起的运行模式变化。仿真结果显示，这种运行模式的变化同样导致了零序电流的瞬时波动，激发了后备零序保护的误动。系统运行模式的灵活性和变化性使得误动问题更加显著。最后，考虑变压器内部故障模式的复杂性。通过模拟不同的变压器内部故障，如绝缘损伤、短路等，观察其对零序电流的影响。仿真结果表明，一些内部故障可能导致零序电流的瞬时增大，引起后备零序保护的误动，增加了保护系统的复杂性。通过这些仿真分析，可以深刻理解后备零序保护误动的机理，并认识到系统接地方式的变化、系统运行模式的变化以及变压器内部故障模式的复杂性都是潜在的误动原因。这为进一步改进后备零序保护系统提供了有力的理论基础，以提高其抗干扰能力和准确性。

4 后备零序保护误动的改进对策

4.1 引入智能算法优化保护参数

为解决后备零序保护误动的问题，引入智能算法对保护参数进行优化调整是一种创新性的改进对策。智能算法能够通过学习和适应性调整，提高保护系统的性能，特别是在面对系统接地方式变化、系统运行模式变化以及变压器内部故障模式的复杂性等复杂情况下。智能算法可以通过监测系统运行状态和历史数据，实时分析零序电流的波形和变化趋势。基于这些数据，智能算法可以调整后备零序保护的参数，使其更好地适应不同的工作条件。例如，当系统接地方式发生变化时，算法可以自动调整零序电流的阈值，以适应新的接地条件，降低误动的概率。引入智能算法还可以提高后备零序保护系统的自适应性。算法可以根据实际运行情况不断优化参数，适应系统负荷波动、温度变化等因素的影响。这种自适应性使得后备零序保护系统能够更灵活地应对不同的工作环境，减小误动的发生概率。另外，智能算法还可以利用大数据分析，识别系统运行模式的变化，并及时调整保护参数。通过对历史数据的深度学习和模式识别，算法能够更准确地判断何时发生了真实的零序故障，避免在系统运行模式变化时误判为故障导致的误动。

4.2 改进零序电流测量技术

为有效解决后备零序保护误动问题，通过引入先进的测量技术，系统可以提高对零序电流的精度和灵敏度，从而有效减小误差，降低误动的发生可能性。采用高精度的传感器和测量装置是改进零序电流测量技术的核心之一。这些高精度的传感器能够更准确地感知变压器内部微弱的零序电流信号，降低了测量误差的可能性。这对于后备零序保护系统至关重要，因为系统需要可靠地侦测电网中可能存在的零序故障，同时避免误动的发生。高灵敏度的测量装置进一步加强了系统对零序电流变化的实时监测能力，为后备零序保护提供更为精准的数据判断基础。其次，引入数字化测量系统以更高的采样率记录零序电流的波形，保留更多的细节信息，为后续的数据分析提供更全面的基础。相对于传统的模拟测量系统，数字化处理有助于减小误差，使后备零序保护系统更为准确地判别真实零序故障和误动。数字化技术的应用使得系统能够更灵活地适应电力系统的复杂工作条件。最后，采用先进的信号处理算法是改进零序电流测量技术不可或缺的一环。这包括高级的滤波、波形分析和模式识别算法，能够从零序电流的波形中提取更多的特征信息。通过智能化的信号处理，系统能够识别真实的零序故障并有效地排除误动的可能性。这种高级的算法提高了后备零序保护系统的鲁棒性，使其更好地适应不同的工作条件，进一步降低了误动的风险。

4.3 加强对系统运行状态的监测

为有效降低后备零序保护误动的概率，加强对系统运行状态的监测通过引入先进的监测技术，实时监控电力系统的运行状况，可以更及时地发现系统运行模式的变化，提高后备零序保护系统的自适应性和准确性。一种实施策略是引入智能监测系统，利用高级传感器和先进的数据分析算法。这些传感器可以监测电流、电压、温度等多个关键参数，实时采集大量的数据。通过先进的数据分析算法，系统可以对这些数据进行实时处理和综合分析，识别潜在的运行状态变化。举例而言，如果系统运行模式发生变化，如负荷突变或设备切换，智能监测系统可以迅速捕捉这些变化，为后备零序保护系统提供及时而准确的信息。另一种策略是结合物联网技术，建立系统的实时监控和远程通信。通过在电力系统中部署各类传感器、装置和通信设备，可以实现对系统运行状态的全面监测。这些设备可以实时传输数据到中央监控中心，使运维人员能够随时随地监测系统的运行情况。在系统运行模式变化时，远程监控系统可以及时发出警报或提供信息，帮助运维人员更快速地做出反应。

4.4 优化变压器内部故障诊断算法

为降低后备零序保护的误动风险，优化变压器内部故障诊断算法是一项重要的实施策略。通过引入先进的算法，可以提高对变压器内部故障的准确判别能力，降低误动的可能性。采用基于模型的故障诊断算法是利用对变压器结构和工作原理的深刻理解，建立数学模型来模拟各种内部故障对零序电流的影响。通过与实际测量数据进行对比，可以准确判别出不同类型的内部故障。例如，绝缘损伤可能导致局部放电，短路可能引起电流异常，基于这些特征的模型可以辨别出内部故障。引入机器学习算法是提高故障诊断准确性的一种创新方法。机器学习算法能够通过对大量历史数据的学习，自动发现变压器内部故障的模式，并根据实时监测数据进行实时的诊断。例如，采用卷积神经网络对零序电流波形进行特征提取和分类，可以实现对不同故障模式的准确识别，提高系统的故障诊断能力。另外，结合红外热像技术也是一项有潜力的策略。通过监测变压器表面温度的变化，可以发现一些潜在的内部故障，如局部过热。将红外热像数据与零序电流数据结合起来，可以提供更全面的信息，辅助故障诊断算法更准确地判断内部故障类型。

4.5 定期系统维护和校准

通过定期的系统维护，可以有效防止设备老化和损坏，确保传感器、测量装置和保护装置的正常运行。一项常见的维护任务是对传感器进行检查和校准。例如，使用温度传感器时，随着时间的推移，可能会因环境条件的变化导致温度测量的不准确性。通过定期的校准，可以调整传感器的测量值，保证其准确性和可靠性。另一方面，定期系统维护也包括对测量装置和保护装置的检查。例如，数字化测量系统可能需要定期检查其采样率和数据处理算法，以确保对零序电流波形的准确记录和分析。同时，保护装置可能包括复杂的电路和软件，需要定期检查其运行状态，防止由于部件老化或程序错误导致误动的风险。举例而言，假设系统中使用了电流变送器来采集零序电流信息。这些变送器在长时间运行后可能受到环境条件的影响而逐渐失去准确性。通过定期的维护和校准程序，技术人员可以检查变送器的输出是否仍然符合预期范围，并进行必要的调整。如果发现任何偏差或异常，可以及时更换或修复设备，防止误动的发生。

5 结束语

总之，后备零序保护在电力系统中的应用对于确保变压器的安全运行至关重要。然而，误动问题的存在给保护系统带来了挑战，尤其是在面对系统接地方式的变化、系统运行模式的变化以及变压器内部故障模式的复杂性等复杂情境下。通过仿真分析，深入了解了误动的机理，认识到这些因素可能导致保护系统的错误判断。为应对这一问题，引入智能算法、改进零序电流测量技术、加强系统监测以及优化故障诊断算法等策略是有效的对策。这些创新性的方法不仅提高了后备零序保护系统的准确性和自适应性，也为电力系统的稳定运行提供了更可靠的保障。通过不断优化和创新，能够更好地应对电力系统面临的复杂挑战，确保其安全、可靠、高效运行。