浅析变压器非电量保护的应用以及功能

前言：

       变压器作为电力系统的关键组件，其稳定、安全运行对整个电力系统至关重要。为有效检测变压器的异常及故障状态，工程师们研发了诸多保护装置，变压器非电量保护装置便是其中重要的一类。

下面将对变压器非电量保护进行详细阐述：

一、非电量保护的定义与特点

       定义：非电量保护主要反映变压器正常状态与异常状态之间非电气参数的变化，通过监测诸如瓦斯气体、压力、温度等非电气量的变化来判断变压器是否存在故障。

特点：非电量保护具有灵敏度高、动作迅速、接线简单等优点，能够对变压器油箱内的早期故障和油面降低等问题做出快速反应。例如气体继电器，能在变压器内部故障产生少量气体时就发出轻瓦斯信号，提醒运维人员关注；当故障严重，产生大量气体使油流冲动挡板时，重瓦斯动作，迅速切断变压器电源，避免故障扩大。

二、常见非电量保护装置及原理

瓦斯继电器

       原理：瓦斯继电器安装在变压器油箱与油枕的连接管道上。当变压器内部发生故障，如匝间短路、铁芯故障等，故障点的电弧会使变压器油分解产生瓦斯气体。少量气体积聚在瓦斯继电器上部，使油面下降，开口杯随之下降，触发轻瓦斯动作，发出信号；若故障严重，产生大量气体，油流冲动挡板，使挡板旋转到一定角度触发干弹簧片，重瓦斯动作，跳开变压器各侧断路器。

       改进方向：传统瓦斯继电器重瓦斯报警需挡板旋转到一定角度，时间相对滞后。有研究提出基于瓦斯继电器挡板旋转初始角加速度的保护方法，通过建立挡板动力学模型，解析推导不同冲击能量下挡板初始角加速度特性，并研制能检测挡板转角的瓦斯继电器及试验台进行试验。结果表明，依据该初始角加速度可预判故障能量和严重程度，提高故障报警灵敏度。

压力保护装置

       防爆管：当变压器内部发生严重故障，油温急剧升高，油迅速分解产生大量气体，使油箱内压力剧增。防爆管上的玻璃膜或酚醛纸板膜在压力作用下破裂，释放压力，防止油箱爆炸，但这种方式会使变压器油与空气接触，可能导致油质劣化。

压力释放阀：压力释放阀安装在变压器油箱顶部或侧壁，正常时阀口关闭。当油箱内压力超过设定值，阀盖被顶起，释放压力。它能自动复位，避免空气大量进入变压器，且动作压力可调整，适应不同变压器需求。

       压力突变继电器：监测变压器内部压力变化速率，当压力变化速率超过设定值，判断变压器内部可能发生故障，迅速动作发出信号或跳闸。其动作原理基于变压器内部故障时压力瞬间突变的特性，可快速检测到故障。

温度保护装置

       油温保护：变压器运行时，绕组和铁芯产生热量使油温升高。通过在变压器油箱内安装温度传感器，实时监测油温。当油温超过设定的正常运行上限值，发出报警信号；若油温继续升高，达到危险值，跳开变压器断路器。不同类型变压器油温设定值不同，如油浸式自然循环风冷变压器，正常运行油温上限一般设定为 85℃，报警值可能设为 80℃，跳闸值设为 95℃左右。

       绕组温度保护：由于绕组温度对变压器安全运行影响大，通过在绕组中埋设测温元件（如热电偶、热敏电阻等）直接测量绕组温度。当绕组温度超过允许值，采取相应保护动作。绕组温度保护更能准确反映变压器内部发热情况，对保护变压器绕组绝缘至关重要。

三、非电量保护面临的问题与挑战

       误动问题：非电量保护装置存在误动情况，如气体继电器误动。原因包括安装调试不当，如气体继电器倾斜度不符合要求，导致内部部件误动作；运行环境影响，如变压器附近有强烈振动，使气体继电器内部部件松动移位；二次回路故障，如接线松动、绝缘损坏等，可能导致误发信号或误跳闸。

参       数积累与分析难题：变压器外部故障时，非电气参数（如油压）会发生变化，油压在外部短路时会急剧上升且波动剧烈，二次谐波分量占比大，可能导致压力释放阀误动作。但目前对变压器故障时非电气参数变化的相关试验研究较少，缺乏深入分析，不利于准确判断故障类型和提高保护装置性能。

       数据采集与处理挑战：非电量保护数据采集需兼顾效率与准确性。传统采集方式难以满足要求，如不同类型非电量数据采集优先级不同，传统方法不能有效区分。同时，采集数据的特征提取和智能分析也有待加强，以实现对变压器故障的准确智能感知。

四、应对策略与发展趋势

       针对误动问题的策略：加强安装调试管理，严格按标准规范安装气体继电器等装置，确保安装位置、倾斜度等参数正确；优化运行环境，采取减振措施减少振动对非电量保护装置的影响；定期检查维护二次回路，确保接线牢固、绝缘良好。

       参数积累与分析策略：设计专门的变压器非电气参数测量系统，对变压器外部短路等故障时的非电气参数变化进行测量和数据分析。通过大量试验，深入了解不同故障下非电气参数的变化规律，为改进压力释放阀等保护装置及各非电量保护组件的协调配合提供依据，同时有助于建立新的快速可靠的变压器继电保护原理。

       数据采集与处理发展趋势：采用新的智能传感方法，如利用四象限图法区分非电量保护数据采集优先级，对不同数据采用不同采集策略；提取采集到的非电量保护数据样本特征，建立智能感知模型，实现对变压器非电量保护的智能感知，如准确感知气体健康状况和变压器故障率，提高保护系统的智能化水平。

       新技术融合趋势：随着数字化技术发展，将数字技术与非电量保护原理结合，如提出基于变压器内部压力特性的数字非电量保护原理。通过理论模型和仿真方法研究电气故障与变压器油箱内非电气压力变化关系，依据内部故障、外部故障和正常运行时压力特性差异，建立新型保护原理。经数值测试验证，该保护能可靠切除变压器内部故障，包括单匝故障等微弱故障