Exploration of Safe Operation and Active Protection Technology for Large-capacity Power Transformers

ZHENG Yuping; HAO Zhiguo; XUE Zhongxin; HAO Jian; PAN Shuyan; GONG Xinyi

doi:10.7500/AEPS20220930011

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Exploration of Safe Operation and Active Protection Technology for Large-capacity Power Transformers

Basic Research | 更新时间：2025-06-16

- Exploration of Safe Operation and Active Protection Technology for Large-capacity Power Transformers
- Automation of Electric Power Systems Vol. 47, Issue 20, Pages: 1-12(2023)
- 作者机构：
  
  1.南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司),江苏省南京市 211106
  2.智能电网保护和运行控制国家重点实验室,江苏省南京市 211106
  3.西安交通大学电气工程学院,陕西省西安市 710049
  4.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学),重庆市 400044
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(U1866603);State Grid Corporation of China(5100-202340030A-1-1ZN)
- DOI：10.7500/AEPS20220930011
  CLC：
- Received：30 September 2022，
  
  Revised：2023-04-11，
  
  Published Online：31 July 2023，
  
  Published：25 October 2023
- 稿件说明：
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郑玉平,郝治国,薛众鑫等.大型电力变压器安全运行与主动保护技术探索[J].电力系统自动化,2023,47(20):1-12.

ZHENG Yuping,HAO Zhiguo,XUE Zhongxin,et al.Exploration of Safe Operation and Active Protection Technology for Large-capacity Power Transformers[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(20):1-12.
郑玉平,郝治国,薛众鑫等.大型电力变压器安全运行与主动保护技术探索[J].电力系统自动化,2023,47(20):1-12. DOI： 10.7500/AEPS20220930011.

ZHENG Yuping,HAO Zhiguo,XUE Zhongxin,et al.Exploration of Safe Operation and Active Protection Technology for Large-capacity Power Transformers[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(20):1-12. DOI： 10.7500/AEPS20220930011.

摘要

现有变压器内部故障防护方法仍有不足，大型电力变压器爆燃事故时有发生。针对变压器轻微缺陷发展为严重缺陷、最终发生电弧击穿的全过程，文中提出构建大型电力变压器安全运行三级防线：第一级为轻微缺陷的检测和预警，文中分析了各类缺陷检测方法的现状，并初步提出了基于多点温度的热缺陷辨识方法；第二级为严重放电缺陷阶段的主动保护，在发生贯穿性电弧故障之前动作跳闸，文中通过放电试验研究了严重放电缺陷的脉冲电流、特高频及声信号特征，提出了基于多参量的变压器主动保护方案和新型轻瓦斯保护方案；第三级针对电弧故障提升传统变压器保护技术的灵敏性和快速性，为此文中提出了估算变压器主磁链的铁芯饱和判别技术，构建了基于漏磁幅值及对称性差异的匝间故障高灵敏度保护方案。文中对变压器主动保护技术的探索和所提出的三级防线故障防护体系对于提升变压器安全运行水平具有重要意义。

Abstract

The existing protection methods for transformer internal faults are still imperfect

and explosion accidents of large-capacity power transformers occur from time to time. In view of the whole evolving process from minor defects to serious defects and finally arc breakdown in the transformer

the paper proposes to build three defensive lines for the safe operation of large-capacity power transformers. The first line is the detection and early warning of minor defects. The paper analyzes the current status of various defect detection methods and preliminarily proposes a thermal defect identification method based on multi-point temperature. The second line is the active protection in the stage of serious discharge defects

which trips before the occurrence of penetrating arc fault. The paper studies the characteristics of pulse current

ultra high frequency and acoustic signal of serious discharge defects through discharge tests

and proposes an active transformer protection scheme based on multiple parameters and a new Bucholz protection scheme. The third line is to improve the sensitivity and rapidity of traditional transformer protection technologies for arc faults. Therefore

the paper proposes core saturation discrimination technique for estimating the main magnetic flux of the transformer

and constructs an inter-turn fault protection scheme with high sensitivity based on the amplitude and symmetry difference in magnetic flux leakage. The exploration of active transformer protection technology and the proposed fault protection system of three defensive lines are of great significance for improving the safe operation level of transformers.

关键词

Keywords

references

Working Group A2. 33. Guide for transformer fire safety practices ［R］. Paris， France ： CIGRE ， 2013 .

HAMEL A ， DASTOUS J B ， FOATA M . Estimating overpressures in pole-type distribution transformers， part Ⅰ： tank withstand evaluation ［J］. IEEE Power Engineering Review ， 2002 ， 22 （ 8 ）： 70 .

裴启刚，马宏彬，王俊涛 . 一起有载重瓦斯保护动作所引发的思考［J］. 电子制作， 2014 （ 20 ）： 207 .

PEI Qigang ， MA Hongbin ， WANG Juntao . Thoughts on a gas protection action with load ［J］. Practical Electronics ， 2014 （ 20 ）： 207 .

翁汉琍，贾永波，李振兴，等 . 二维空间重构电流特征轨迹的变压器差动保护判据［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 9 ）： 144 - 150 .

WENG Hanli ， JIA Yongbo ， LI Zhenxing ， et al . Transformer differential protection criterion based on reconstructed trajectory of current characteristics in two-dimensional space ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 9 ）： 144 - 150 .

宁铎，尤磊，李英春，等 . 变压器差动保护动作特性的仿真研究［J］. 电力系统保护与控制， 2017 ， 45 （ 4 ）： 99 - 106 .

NING Duo ， YOU Lei ， LI Yingchun ， et al . Simulation research on the operating characteristic of transformer differential protection ［J］. Power System Protection and Control ， 2017 ， 45 （ 4 ）： 99 - 106 .

兰生，张小钒 . 基于多判据的变压器差动保护方法［J］. 电力系统保护与控制， 2015 ， 43 （ 23 ）： 125 - 131 .

LAN Sheng ， ZHANG Xiaofan . A transformer differential protection method based on multi-criterion ［J］. Power System Protection and Control ， 2015 ， 43 （ 23 ）： 125 - 131 .

郭学凤，沙云鹏，左琪，等 . 高压交流断路器T100s（b）和T100a试验的标准分析［J］. 电工电气， 2018 （ 11 ）： 63 - 67 .

GUO Xuefeng ， SHA Yunpeng ， ZUO Qi ， et al . Standard analysis of T100s（b） and T100a tests for high voltage AC circuit breakers ［J］. Electrotechnics Electric ， 2018 （ 11 ）： 63 - 67 .

张育杰，李典阳，冯健，等 . 基于多模型选择性融合的变压器在线故障诊断［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 13 ）： 95 - 101 .

ZHANG Yujie ， LI Dianyang ， FENG Jian ， et al . On-line fault diagnosis for transformer based on selective fusion of multiple models ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 13 ）： 95 - 101 .

魏意恒，杨丽君，徐治仁，等 . “快速发展型”放电故障及其对油纸绝缘的损伤特性［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （ 4 ）： 1020 - 1030 .

WEI Yiheng ， YANG Lijun ， XU Zhiren ， et al . The rapid-development-type discharge failure and its damage characteristics to oil-paper insulation ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ 4 ）： 1020 - 1030 .

范文杰，张志斌，夏昌杰，等 . 多手段测量下的油纸绝缘针板电极局部放电的演化规律分析［J］. 高电压技术， 2022 ， 48 （ 3 ）： 914 - 927 .

FAN Wenjie ， ZHANG Zhibin ， XIA Changjie ， et al . Evolution law of partial discharge of oil-paper insulated needle-plate electrode based on multi-method measurement ［J］. High Voltage Engineering ， 2022 ， 48 （ 3 ）： 914 - 927 .

程养春，李成榕，岳华山，等 . 变压器油纸绝缘针板放电缺陷发展过程［J］. 高电压技术， 2011 ， 37 （ 6 ）： 1362 - 1370 .

CHENG Yangchun ， LI Chengrong ， YUE Huashan ， et al . Developing processes of partial discharge defects of needle-plate structure on oil-paper insulation of transformer ［J］. High Voltage Engineering ， 2011 ， 37 （ 6 ）： 1362 - 1370 .

李军浩，韩旭涛，刘泽辉，等 . 电气设备局部放电检测技术述评［J］. 高电压技术， 2015 ， 41 （ 8 ）： 2583 - 2601 .

LI Junhao ， HAN Xutao ， LIU Zehui ， et al . Review on partial discharge measurement technology of electrical equipment ［J］. High Voltage Engineering ， 2015 ， 41 （ 8 ）： 2583 - 2601 .

姚陈果，周电波，陈攀，等 . 采用超高频法监测变电站设备局放水平及其早期预警［J］. 高电压技术， 2011 ， 37 （ 7 ）： 1670 - 1676 .

YAO Chenguo ， ZHOU Dianbo ， CHEN Pan ， et al . UHF-based monitoring for equipment PD within the substation and early warning ［J］. High Voltage Engineering ， 2011 ， 37 （ 7 ）： 1670 - 1676 .

曹成，张剑峰，程涣超，等 . 变压器局部放电超声定位技术改进研究［J］. 变压器， 2021 ， 58 （ 3 ）： 76 - 79 .

CAO Cheng ， ZHANG Jianfeng ， CHENG Huanchao ， et al . Improvement of ultrasonic location technology for PD in transformer ［J］. Transformer ， 2021 ， 58 （ 3 ）： 76 - 79 .

荣智海，齐波，张鹏，等 . 基于核主成分分析的油色谱在线监测装置异常状态快速辨识［J］. 高电压技术， 2019 ， 45 （ 10 ）： 3308 - 3316 .

RONG Zhihai ， QI Bo ， ZHANG Peng ， et al . Fast identification of abnormal state based on kernel principal component analysis for oil chromatography analysis on-line monitoring device ［J］. High Voltage Engineering ， 2019 ， 45 （ 10 ）： 3308 - 3316 .

李斯盟，李清泉，刘洪顺，等 . 基于雷达谱图的交直流复合电压下油纸针板模型局放阶段识别［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 19 ）： 5897 - 5908 .

LI Simeng ， LI Qingquan ， LIU Hongshun ， et al . A recognition method for PD development stage in oil-pressboard insulation with needle-plate model at AC-DC mixed voltage based on radar maps ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 19 ）： 5897 - 5908 .

马鑫，尚毅梓，胡昊，等 . 基于数据特征增强和残差收缩网络的变压器故障识别方法［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 3 ）： 175 - 183 .

MA Xin ， SHANG Yizi ， HU Hao ， et al . Identification method of transformer fault based on data feature enhancement and residual shrinkage network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 3 ）： 175 - 183 .

杨剑锋 . 变压器内绝缘典型缺陷局部放电特性及产气规律研究［D］. 重庆：重庆大学， 2011 .

YANG Jianfeng . Study on partial discharge characteristics and gas production law of typical defects in transformer internal insulation ［D］. Chongqing ： Chongqing University ， 2011 .

凌云 . 变压器油纸绝缘气隙放电发展特征信息提取及过程划分研究［D］. 重庆：重庆大学， 2013 .

LING Yun . Study on information extraction and process division of air gap discharge development in transformer oil-paper insulation ［D］. Chongqing ： Chongqing University ， 2013 .

High voltage test techniques-partial discharge measurements ： IEC 60270—2000 ［S］. 2000 .

国家质量监督检验检疫总局 . 局部放电测量： GB/T 7354—2003 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2004 .

General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China . Partial discharge measurements ： GB/T 7354—2003 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2004 .

于哲，张月，迟秀华，等 . 变压器油色谱分析及故障诊断的应用［J］. 冶金动力， 2022 ， 41 （ 6 ）： 11 - 12 .

YU Zhe ， ZHANG Yue ， CHI Xiuhua ， et al . Application of chromatographic analysis and fault diagnosis of transformer oil ［J］. Metallurgical Power ， 2022 ， 41 （ 6 ）： 11 - 12 .

鲁丽萍，刘娟，邹丹平，等 . 基于混沌特征的电力变压器油色谱监测装置有效性评估［J］. 变压器， 2022 ， 59 （ 6 ）： 36 - 41 .

LU Liping ， LIU Juan ， ZOU Danping ， et al . Effectiveness evaluation of oil chromatographic monitoring device for power transformer based on chaotic characteristics ［J］. Transformer ， 2022 ， 59 （ 6 ）： 36 - 41 .

刘旭东，郑文良，李辉，等 . 电力变压器局部放电UHF监测技术研究［J］. 沈阳理工大学学报， 2021 ， 40 （ 6 ）： 27 - 30 .

LIU Xudong ， ZHENG Wenliang ， LI Hui ， et al . Research on UHF monitoring technology of partial discharge in power transformer ［J］. Journal of Shenyang Ligong University ， 2021 ， 40 （ 6 ）： 27 - 30 .

张国治，鲁昌悦，周红，等 . 电力设备局部放电超声、特高频一体化传感技术［J］. 高电压技术， 2022 ， 48 （ 12 ）： 5090 - 5101 .

ZHANG Guozhi ， LU Changyue ， ZHOU Hong ， et al . Ultrasonic and UHF integrated sensing technology for partial discharge of power equipment ［J］. High Voltage Engineering ， 2022 ， 48 （ 12 ）： 5090 - 5101 .

周秀，吴旭涛，罗艳，等 . 基于局放重症监测技术在750 kV主变缺陷检测中的应用［J］. 变压器， 2021 ， 58 （ 2 ）： 62 - 65 .

ZHOU Xiu ， WU Xutao ， LUO Yan ， et al . Application of PD severe monitoring technology in suspended discharge defect of 750 kV main transformer ［J］. Transformer ， 2021 ， 58 （ 2 ）： 62 - 65 .

单银忠，王胜龙，谢竟成，等 . 一起500 kV主变压器油色谱异常的分析及处理［J］. 变压器， 2021 ， 58 （ 7 ）： 79 - 82 .

SHAN Yinzhong ， WANG Shenglong ， XIE Jingcheng ， et al . Analysis and treatment of abnormal chromatographic data of oil in 500 kV main transformer ［J］. Transformer ， 2021 ， 58 （ 7 ）： 79 - 82 .

杨春，孟丽坤，徐佩，等 . 一起500 kV变压器局部过热故障分析［J］. 变压器， 2021 ， 58 （ 2 ）： 82 - 84 .

YANG Chun ， MENG Likun ， XU Pei ， et al . Analysis of local overheating in a 500 kV transformer ［J］. Transformer ， 2021 ， 58 （ 2 ）： 82 - 84 .

Transformers Committee of IEEE Power & Energy Society . IEEE guide for loading mineral-oil-immersed transformers and step-voltage regulators： IEEE Std. C57. 91—2011 ［S］. 2012 .

国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会 . 电力变压器第7部分：油浸式电力变压器负载导则： GB/T 1094.7—2008 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2009 .

General Administration of Quality Supervision ， Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China ， Standardization Administration of the People’s Republic of China . Power transformers Part 7： loading guide for oil-immersed power transformers ： GB/T 1094.7—2008 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2009 .

LIU C ， HAO J ， ZHANG X L ， et al . Influence of oil baffle structure on winding temperature distribution of transformer under different cooling modes ［C］// 2021 International Conference on Electrical Materials and Power Equipment （ICEMPE）， April 11-15 ， 2021 ， Chongqing， China ： 1 - 4 .

孙振 . 基于光纤法的变压器绕组热点温度检测及应用［D］. 大连：大连理工大学， 2020 .

SUN Zhen . Monitoring and application of hot spot of transformer winding based on fiber optic ［D］. Dalian ： Dalian University of Technology ， 2020 .

汲胜昌，张凡，师愉航，等 . 基于振动信号的电力变压器机械状态诊断方法研究综述［J］. 高电压技术， 2020 ， 46 （ 1 ）： 257 - 272 .

JI Shengchang ， ZHANG Fan ， SHI Yuhang ， et al . Review on vibration-based mechanical condition monitoring in power transformers ［J］. High Voltage Engineering ， 2020 ， 46 （ 1 ）： 257 - 272 .

ZHANG F ， JI S C ， MA H ， et al . Operational modal analysis of transformer windings ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2020 ， 35 （ 3 ）： 1285 - 1298 .

SHI Y H ， JI S C ， ZHAN C ， et al . Diagnosis on winding failure through impulsive sound of power transformer ［C］// 2018 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference （IPMHVC）， June 3-7 ， 2018 ， Jackson， USA ： 105 - 110 .

SHI Y H ， JI S C ， ZHANG F ， et al . Multi-frequency acoustic signal under short-circuit transient and its application on the condition monitoring of transformer winding ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2019 ， 34 （ 4 ）： 1666 - 1673 .

邓祥力，谢海远，熊小伏，等 . 基于支持向量机和有限元分析的变压器绕组变形分类方法［J］. 中国电机工程学报， 2015 ， 35 （ 22 ）： 5778 - 5786 .

DENG Xiangli ， XIE Haiyuan ， XIONG Xiaofu ， et al . Classification method of transformer winding deformation based on SVM and finite element analysis ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2015 ， 35 （ 22 ）： 5778 - 5786 .

邓祥力，熊小伏，高亮，等 . 基于参数辨识的变压器绕组变形在线监测方法［J］. 中国电机工程学报， 2014 ， 34 （ 28 ）： 4950 - 4958 .

DENG Xiangli ， XIONG Xiaofu ， GAO Liang ， et al . Method of on-line monitoring of transformer winding deformation based on parameter identification ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2014 ， 34 （ 28 ）： 4950 - 4958 .

刘有为 . 基于智能高压设备的主动保护与控制技术［J］. 电网技术， 2012 ， 36 （ 12 ）： 71 - 75 .

LIU Youwei . Active protection and control technique based on smart high voltage equipment ［J］. Power System Technology ， 2012 ， 36 （ 12 ）： 71 - 75 .

熊小伏 . 电气设备主动保护与控制概念及功能架构［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 2 ）： 1 - 10 .

XIONG Xiaofu . Conception and architecture of pro-active protection and control for power equipments ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 2 ）： 1 - 10 .

李刚，汪可，张书琦，等 . 变压器油纸绝缘沿面放电缺陷发展特征及阶段识别方法［J］. 电网技术， 2018 ， 42 （ 10 ）： 3451 - 3458 .

LI Gang ， WANG Ke ， ZHANG Shuqi ， et al . Evolution characteristics and stage recognition method of surface discharge defects of oil-paper insulation in transformer ［J］. Power System Technology ， 2018 ， 42 （ 10 ）： 3451 - 3458 .

刘阳，董明，邢亚东，等 . 油纸绝缘沿面放电多物理信号发展规律及阶段特征［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 4 ）： 1611 - 1622 .

LIU Yang ， DONG Ming ， XING Yadong ， et al . Development law and stage characteristics of multi-physical signals of surface discharge in oil-paper insulation ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 4 ）： 1611 - 1622 .

范文杰，张志斌，夏昌杰，等 . 多手段测量下的油纸绝缘针板电极局部放电的演化规律分析［J］. 高电压技术， 2022 ， 48 （ 3 ）： 914 - 927 .

李贞，张明珠，倪传坤，等 . 变压器励磁涌流的自适应二次谐波分相制动方案［J］. 电力系统自动化， 2013 ， 37 （ 6 ）： 121 - 124 .

LI Zhen ， ZHANG Mingzhu ， NI Chuankun ， et al . An adaptive secondary harmonic split-phase restrained scheme for magnetizing inrush current in transformers ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2013 ， 37 （ 6 ）： 121 - 124 .

李贵存，刘万顺，滕林，等 . 基于波形相关性分析的变压器励磁涌流识别新算法［J］. 电力系统自动化， 2001 ， 25 （ 17 ）： 25 - 28 .

LI Guicun ， LIU Wanshun ， TENG Lin ， et al . A new algorithm of discrimination between inrush current and fault current of transformer based on self-correlation analysis ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2001 ， 25 （ 17 ）： 25 - 28 .

郑玉平，刘小宝，张哲，等 . 基于谐波闭锁涌流的样本电流分析［J］. 电力系统自动化， 2011 ， 35 （ 18 ）： 87 - 91 .

ZHENG Yuping ， LIU Xiaobao ， ZHANG Zhe ， et al . Analysis of sample current based on harmonic restraint inrush current ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2011 ， 35 （ 18 ）： 87 - 91 .

潘书燕，郑玉平，吴崇昊，等 . 变压器新型励磁涌流识别元件［J］. 电力系统自动化， 2011 ， 35 （ 19 ）： 63 - 67 .

PAN Shuyan ， ZHENG Yuping ， WU Chonghao ， et al . A new identification component for inrush current of power transformer ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2011 ， 35 （ 19 ）： 63 - 67 .

卢雪峰，王增平，徐岩，等 . 基于波形间断角原理识别变压器励磁涌流的新方法［J］. 继电器， 2007 ， 35 （增刊1 ）： 1 - 4 .

LU Xuefeng ， WANG Zengping ， XU Yan ， et al . A new method to identify inrush current based on the principle of dead angle ［J］. Relay ， 2007 ， 35 （ Supplement 1 ）： 1 - 4 .

郑玉平，何大瑞，潘书燕 . 变压器铁芯饱和统一模型建立及其判别方法［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 24 ）： 118 - 124 .

ZHENG Yuping ， HE Darui ， PAN Shuyan . Unified model development and identification method of transformer core saturation ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 24 ）： 118 - 124 .

郑玉平，龚心怡，潘书燕，等 . 变压器匝间短路故障工况下的漏磁特性分析［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 15 ）： 121 - 127 .

ZHENG Yuping ， GONG Xinyi ， PAN Shuyan ， et al . Analysis of leakage characteristics of transformer under turn-to-turn short circuit fault condition ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 15 ）： 121 - 127 .

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