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[摘要] 配电环节的智能化是构建坚强智能电网的重要环节之一。作为科研课题，作者对智能电网配电变压器保护进行了初步研究，本文通过对现有配电变压器保护存在问题的分析，提出了采用纵联差动保护、电弧光保护或温度变化量保护的智能电网配电变压器保护配置方案。
[关键词] 智能电网 配电变压器 继电保护
一、现有配电变压器继电保护存在的主要问题及其分析
（一）现有配电变压器继电保护的配置方案
根据GBJ62—1983《工业与民用电力装置的继电保护和安全自动装置设计规范》规定，配电变压器容量在400kVA以下时，采用熔断器保护；容量大于400kVA而小于1000kVA的配电变压器通常采用负荷开关加熔断器的组合电器作为保护；当容量等于或大于800kVA的油浸式配电变压器或容量等于或大于1000kVA的干式配电变压器均采用断路器加继电保护装置作为保护，继电保护通常采用电流速断及过电流保护、气体保护等。
（二）现有配电变压器继电保护运行中存在的主要问题及其分析
1．继电保护拒动导致越级跳闸的问题与分析
目前生产运行的配电变压器保护在保护区内发生故障时，时常出现继电保护拒动，导致上级线路越级跳闸，造成大面积停电。根据配电变压器继电保护的配置情况及原理，造成上述保护拒动的因素主要有以下几方面：
(1)采用熔断器作为继电保护的配电变压器
配电变压器采用熔断器作为保护时，其高压侧通常使用跌落式熔断器作为变压器的短路保护，低压侧使用熔断器作为过负荷保护。在选择跌落式熔断器的额定容量时，既要考虑其上限开断电流与安装地点的最大短路电流相匹配，还要重视其下限开断容量与安装地点的最小短路电流的关系；同时，熔丝的选择还必需考虑熔丝的熔断特性能否与上级保护的动作时间相配合。
在运行中通常出现部分配电变压器，由于配置熔断器的额定开断容量过大，或者在线路末段T接的配电变压器，选定熔断器后未经过短路容量校验，造成了被保护变压器三相短路，熔断器熔断时难以灭弧，最终引起变压器套管烧毁、爆炸，导致上级线路越级跳闸等现象。
(2)采用负荷开关加熔断器的组合电器作为继电保护的配电变压器
配电变压器的保护方式采用负荷开关加熔断器的组合电器时，其工作特点是：依赖熔断器熔断触发撞针动作于负荷开关。该种方式作为配电变压器的继电保护时,生产现场的工作人员一般不再进行具体的设计和对短路电流、继电保护整定计算,而是直接选用设备厂提供的成套设备。
显然，这种配置方案有一定局限性。对于短路故障电流的开断均以牺牲熔断器为代价，且动作电流、动作时间无法人为控制，选用的保护动作值与实际所需的动作值总有误差存在。对于轻微相间短路故障，动作时间较长，易扩大事故；而大容量配电变压器或者专线供电的用户，一旦出现母线短路或者熔断器保护(选用的保护动作值误差)不动作时,将导致上级出线的开关动作越级跳闸。
(3)采用断路器加继电保护装置作为继电保护的配电变压器
配电变压器采用断路器加继电保护装置作为主保护时，通常在变压器高压侧安装两相或三相式电流速断保护和过电流保护，低压侧装设三相式电流保护及中性点的零序电流保护。这种保护方式从保护原理上就存在有保护死区。即：变压器电流速断保护不能保护变压器全部二次绕组及变压器二次侧引出线的短路故障，且保护范围受系统运行方式的影响；而变压器部分二次绕组及变压器二次侧引出线的短路故障，只能由高压侧的定时限过电流保护经延时切除。定时限过电流保护的动作时限是从系统的末端向电源端逐级递增，每一级递增一个时限级差△t。随着电力系统的不断发展，对保护的快速性要求越来越高，配电网络是一个多级保护的末端，而上级后备保护动作时限限制在一定数值范围内，往往出现时限逐级配合后无法满足要求。
因此，采用断路器加继电保护装置作为保护的配电变压器，当低压绕组及引出线上发生故障时，就会出现因电流速断保护有死区，而定时限过电流保护动作时间与上一级保护动作时限配合不当，造成保护越级跳闸等问题。
2. 气体保护存在的问题与分析
部分配电变压器的气体保护在运行中出现误动作而引起变压器跳闸。变压器气体保护的工作原理是：气体保护是反映变压器油箱内部各类故障的主保护，它通过气体继电器实现保护功能，将气体继电器安装在变压器油箱和油枕之间的连接管道上。目前我国电力系统广泛应用的气体继电器是开口杯挡板式，当变压器油箱内部发生轻微故障，产生少量的气体，迫使油箱内油面下降，气体继电器开口杯旋转，干簧触点闭合，发出“轻瓦斯”信号。变压器油箱内部发生严重故障时，产生大量的气体，由于这些气体的膨胀油箱内压力增大，气体夹杂着油流冲向油枕的上部，强烈的油流冲击气体继电器的挡板，使气体继电器的下触点接通，发出断路器跳闸脉冲。 根据上述变压器气体保护的原理可知：气体保护运行中出现误动作的主要因素是：非内部故障和其它原因产生较大的油流涌动，使重瓦斯接点闭合，发出误跳闸脉冲；同时运行发现由于气体继电器端子盒进水等原因，也曾造成二次回路短接并发出误跳闸脉冲。
二、智能电网配电变压器继电保护配置方案的研究
随着国民经济及电力技术的不断发展，配电变压器的容量将随之增大，采用断路器加保护装置的配电变压器保护形式应用会更加广泛，在采用智能断路器的同时，就配电变压器保护本身来讲，适宜采用以下几种保护方案。
（一）主保护采用纵联差动保护的配置方案研究
1.纵联差动保护原理
如图2所示，变压器纵联差动保护是按比较被保护变压器各侧电流的大小和相位的原理而构成。
当变压器正常运行或外部故障时：保护的动作电流为，制动电流为；此时由于动作电流最小，制动电流最大，保护不动作。
当变压器内部短路时：动作电流为；制动电流为；此时动作电流最大，制动电流最小，保护动作且灵敏。
显然，纵联差动保护的保护范围是被保护元件两侧TA二次侧之间；且保护不需要与相邻元件的保护在整定值上配合，可实现被保护范围内的速动，选择性与快速性能同时满足要求，因此它广泛用于高压输电线路，大容量发电机、变压器等电气设备的主保护。
2.变压器纵联差动保护的特殊问题
根据有关技术规程的规定，目前纵联差动保护只用于较大容量的变压器，这是因为纵联差动保护用于变压器保护时有以下特殊问题：变压器差动保护为了获得动作的选择性，其动作电流的整定值必须大于差动回路中出现的最大不平衡电流。由于变压器各侧电压等级、绕组接线方式、电流互感器型式和变比均不同，以及变压器的励磁涌流等原因，使变压器差动保护中的不平衡电流较大。而不平衡电流越大，保护的灵敏度也就越低。为减小变压器差动保护不平衡电流的产生，构成变压器保护时通常要附加多项措施，这样使保护的接线、保护的判据均变得复杂，保护运行管理、维护成本增高。因此，配电变压器通常不采用差动保护。
图1比率制动式变压器差动保护单相原理接线图
（a）变压器正常运行或外部故障时电流分布；
（b）变压器内部故障时电流分布.
3.智能电网配电变压器采用纵联差动保护的优势
智能电网的技术特点之一就是光电式互感器的应用和光纤通信的应用。光电式互感器较传统的互感器相比，具有不含铁芯、没有磁饱和、频带宽、动态测量范围大、测量准确度高、测量保护范围内完全线性、传输性能好、不存在开路和短路、体积小、重量轻等优点。特别是不存在TA饱和及断线问题，使原来的保护装置针对TA断线及饱和问题的检测原理和闭锁逻辑内容均可省略，同时也减少了现场针对TA断线及饱和的试验项目，使二次设备运行的成本大幅降低。光纤通道具有很好的抗电磁干扰能力和大容量传输数据的优点，为配电变压器采用纵联差动保护提供了极大地有利条件。
（二）主保护采用电弧光保护或温度变化量保护的配置方案研究
目前我国配电变压器反应油箱内部各类故障跳闸的非电量保护主要有气体保护，而气体保护在运行中由于受各种因素的影响存在有误动及固有动作时间偏长等问题。因此，对于智能电网的配电变压器保护应在对气体保护运行性能完善的基础上探索新的非电量保护。
电弧光保护是根据短路故障时出现电弧的原理而构成的。近年来，电弧光保护已用于开关柜内的保护。有关资料报道，电弧光保护系统的弧光单元和电流单元可以分散到不同的开关柜内，把检测到的弧光传送到主控单元，主控单元收集到这些必要的数据，根据实际情况输出跳闸信号到断路器。温度保护是根据短路故障时，电流增大使导体发热的原理而构成。近年来的温度保护在干式配电变压器保护中已有应用，但是反应温度变化率的变压器保护还未见应用。本课题提出的采用电弧光保护或温度变化量保护保护均是基于变压器气体保护原理的拓展。如果对变压器采用电弧光保护来反应油箱内的故障，或者用反应油箱内温度变化量的保护反应油箱内的故障，从理论上分析均是可行的，同时在提高保护动作速度方面也是有可能的。
参考文献：
[1] 朱声石著.高压电网继电保护原理与技术[M]. 北京：中国电力出版社.2005.4.
[2] 高翔，数字化变电站技术[M].北京：中国电力出版社.2008.
[3] 谢开著. 面向未来的智能电网[J]. 北京：中国电力.2008..4.
[关键词] 智能电网 配电变压器 继电保护
一、现有配电变压器继电保护存在的主要问题及其分析
（一）现有配电变压器继电保护的配置方案
根据GBJ62—1983《工业与民用电力装置的继电保护和安全自动装置设计规范》规定，配电变压器容量在400kVA以下时，采用熔断器保护；容量大于400kVA而小于1000kVA的配电变压器通常采用负荷开关加熔断器的组合电器作为保护；当容量等于或大于800kVA的油浸式配电变压器或容量等于或大于1000kVA的干式配电变压器均采用断路器加继电保护装置作为保护，继电保护通常采用电流速断及过电流保护、气体保护等。
（二）现有配电变压器继电保护运行中存在的主要问题及其分析
1．继电保护拒动导致越级跳闸的问题与分析
目前生产运行的配电变压器保护在保护区内发生故障时，时常出现继电保护拒动，导致上级线路越级跳闸，造成大面积停电。根据配电变压器继电保护的配置情况及原理，造成上述保护拒动的因素主要有以下几方面：
(1)采用熔断器作为继电保护的配电变压器
配电变压器采用熔断器作为保护时，其高压侧通常使用跌落式熔断器作为变压器的短路保护，低压侧使用熔断器作为过负荷保护。在选择跌落式熔断器的额定容量时，既要考虑其上限开断电流与安装地点的最大短路电流相匹配，还要重视其下限开断容量与安装地点的最小短路电流的关系；同时，熔丝的选择还必需考虑熔丝的熔断特性能否与上级保护的动作时间相配合。
在运行中通常出现部分配电变压器，由于配置熔断器的额定开断容量过大，或者在线路末段T接的配电变压器，选定熔断器后未经过短路容量校验，造成了被保护变压器三相短路，熔断器熔断时难以灭弧，最终引起变压器套管烧毁、爆炸，导致上级线路越级跳闸等现象。
(2)采用负荷开关加熔断器的组合电器作为继电保护的配电变压器
配电变压器的保护方式采用负荷开关加熔断器的组合电器时，其工作特点是：依赖熔断器熔断触发撞针动作于负荷开关。该种方式作为配电变压器的继电保护时,生产现场的工作人员一般不再进行具体的设计和对短路电流、继电保护整定计算,而是直接选用设备厂提供的成套设备。
显然，这种配置方案有一定局限性。对于短路故障电流的开断均以牺牲熔断器为代价，且动作电流、动作时间无法人为控制，选用的保护动作值与实际所需的动作值总有误差存在。对于轻微相间短路故障，动作时间较长，易扩大事故；而大容量配电变压器或者专线供电的用户，一旦出现母线短路或者熔断器保护(选用的保护动作值误差)不动作时,将导致上级出线的开关动作越级跳闸。
(3)采用断路器加继电保护装置作为继电保护的配电变压器
配电变压器采用断路器加继电保护装置作为主保护时，通常在变压器高压侧安装两相或三相式电流速断保护和过电流保护，低压侧装设三相式电流保护及中性点的零序电流保护。这种保护方式从保护原理上就存在有保护死区。即：变压器电流速断保护不能保护变压器全部二次绕组及变压器二次侧引出线的短路故障，且保护范围受系统运行方式的影响；而变压器部分二次绕组及变压器二次侧引出线的短路故障，只能由高压侧的定时限过电流保护经延时切除。定时限过电流保护的动作时限是从系统的末端向电源端逐级递增，每一级递增一个时限级差△t。随着电力系统的不断发展，对保护的快速性要求越来越高，配电网络是一个多级保护的末端，而上级后备保护动作时限限制在一定数值范围内，往往出现时限逐级配合后无法满足要求。
因此，采用断路器加继电保护装置作为保护的配电变压器，当低压绕组及引出线上发生故障时，就会出现因电流速断保护有死区，而定时限过电流保护动作时间与上一级保护动作时限配合不当，造成保护越级跳闸等问题。
2. 气体保护存在的问题与分析
部分配电变压器的气体保护在运行中出现误动作而引起变压器跳闸。变压器气体保护的工作原理是：气体保护是反映变压器油箱内部各类故障的主保护，它通过气体继电器实现保护功能，将气体继电器安装在变压器油箱和油枕之间的连接管道上。目前我国电力系统广泛应用的气体继电器是开口杯挡板式，当变压器油箱内部发生轻微故障，产生少量的气体，迫使油箱内油面下降，气体继电器开口杯旋转，干簧触点闭合，发出“轻瓦斯”信号。变压器油箱内部发生严重故障时，产生大量的气体，由于这些气体的膨胀油箱内压力增大，气体夹杂着油流冲向油枕的上部，强烈的油流冲击气体继电器的挡板，使气体继电器的下触点接通，发出断路器跳闸脉冲。 根据上述变压器气体保护的原理可知：气体保护运行中出现误动作的主要因素是：非内部故障和其它原因产生较大的油流涌动，使重瓦斯接点闭合，发出误跳闸脉冲；同时运行发现由于气体继电器端子盒进水等原因，也曾造成二次回路短接并发出误跳闸脉冲。
二、智能电网配电变压器继电保护配置方案的研究
随着国民经济及电力技术的不断发展，配电变压器的容量将随之增大，采用断路器加保护装置的配电变压器保护形式应用会更加广泛，在采用智能断路器的同时，就配电变压器保护本身来讲，适宜采用以下几种保护方案。
（一）主保护采用纵联差动保护的配置方案研究
1.纵联差动保护原理
如图2所示，变压器纵联差动保护是按比较被保护变压器各侧电流的大小和相位的原理而构成。
当变压器正常运行或外部故障时：保护的动作电流为，制动电流为；此时由于动作电流最小，制动电流最大，保护不动作。
当变压器内部短路时：动作电流为；制动电流为；此时动作电流最大，制动电流最小，保护动作且灵敏。
显然，纵联差动保护的保护范围是被保护元件两侧TA二次侧之间；且保护不需要与相邻元件的保护在整定值上配合，可实现被保护范围内的速动，选择性与快速性能同时满足要求，因此它广泛用于高压输电线路，大容量发电机、变压器等电气设备的主保护。
2.变压器纵联差动保护的特殊问题
根据有关技术规程的规定，目前纵联差动保护只用于较大容量的变压器，这是因为纵联差动保护用于变压器保护时有以下特殊问题：变压器差动保护为了获得动作的选择性，其动作电流的整定值必须大于差动回路中出现的最大不平衡电流。由于变压器各侧电压等级、绕组接线方式、电流互感器型式和变比均不同，以及变压器的励磁涌流等原因，使变压器差动保护中的不平衡电流较大。而不平衡电流越大，保护的灵敏度也就越低。为减小变压器差动保护不平衡电流的产生，构成变压器保护时通常要附加多项措施，这样使保护的接线、保护的判据均变得复杂，保护运行管理、维护成本增高。因此，配电变压器通常不采用差动保护。
图1比率制动式变压器差动保护单相原理接线图
（a）变压器正常运行或外部故障时电流分布；
（b）变压器内部故障时电流分布.
3.智能电网配电变压器采用纵联差动保护的优势
智能电网的技术特点之一就是光电式互感器的应用和光纤通信的应用。光电式互感器较传统的互感器相比，具有不含铁芯、没有磁饱和、频带宽、动态测量范围大、测量准确度高、测量保护范围内完全线性、传输性能好、不存在开路和短路、体积小、重量轻等优点。特别是不存在TA饱和及断线问题，使原来的保护装置针对TA断线及饱和问题的检测原理和闭锁逻辑内容均可省略，同时也减少了现场针对TA断线及饱和的试验项目，使二次设备运行的成本大幅降低。光纤通道具有很好的抗电磁干扰能力和大容量传输数据的优点，为配电变压器采用纵联差动保护提供了极大地有利条件。
（二）主保护采用电弧光保护或温度变化量保护的配置方案研究
目前我国配电变压器反应油箱内部各类故障跳闸的非电量保护主要有气体保护，而气体保护在运行中由于受各种因素的影响存在有误动及固有动作时间偏长等问题。因此，对于智能电网的配电变压器保护应在对气体保护运行性能完善的基础上探索新的非电量保护。
电弧光保护是根据短路故障时出现电弧的原理而构成的。近年来，电弧光保护已用于开关柜内的保护。有关资料报道，电弧光保护系统的弧光单元和电流单元可以分散到不同的开关柜内，把检测到的弧光传送到主控单元，主控单元收集到这些必要的数据，根据实际情况输出跳闸信号到断路器。温度保护是根据短路故障时，电流增大使导体发热的原理而构成。近年来的温度保护在干式配电变压器保护中已有应用，但是反应温度变化率的变压器保护还未见应用。本课题提出的采用电弧光保护或温度变化量保护保护均是基于变压器气体保护原理的拓展。如果对变压器采用电弧光保护来反应油箱内的故障，或者用反应油箱内温度变化量的保护反应油箱内的故障，从理论上分析均是可行的，同时在提高保护动作速度方面也是有可能的。
参考文献：
[1] 朱声石著.高压电网继电保护原理与技术[M]. 北京：中国电力出版社.2005.4.
[2] 高翔，数字化变电站技术[M].北京：中国电力出版社.2008.
[3] 谢开著. 面向未来的智能电网[J]. 北京：中国电力.2008..4.