超高压、特高压变压器是大电网的核心设备，其稳定运行对于保障电力系统安全至关重要。国网华北分部研制出变压器故障主动防御装置。该装置可基于放电信号，在变压器绝缘击穿前主动跳闸，防止变压器因高能量放电爆燃，目前已实现工程化应用。
局部放电是引起电网设备故障的主要原因之一，严重时可能导致电网设备停运，甚至发生爆燃。“变压器防爆燃一直是我们设备管理工作中的重点，传统的在线监测和继电保护手段很难及时准确发现高能量放电。”国家电网有限公司华北分部副主任李庆海表示。
在国网设备部指导下，2022年，国网华北分部联合国网冀北、山西电力和南瑞继保等单位，组建了一支上百人的“产学研用”一体化项目攻关团队，此后历时3年完成变压器故障主动防御技术攻关，为变压器防爆燃提供了新手段。
预防变压器故障要在绝缘击穿前主动防御
变压器爆燃的诱因多种多样，与设计、材料、工艺、运维等方面因素导致的电、热、力效应综合影响有关。这些因素可能引发变压器内部短路、过载、过热等问题，最终导致绝缘击穿。“绝缘击穿后产生的大短路电流易引发变压器爆燃。因此，我们要在绝缘击穿前主动防御。”李庆海介绍。
以往，变压器放电研究更多聚焦小放电信号方面，重点研究放电信号特征、放电类型等，且放电信号只用来监测状态和预警，并未延伸至变压器保护层面。然而在工程实际中，小放电信号与背景干扰信号难以区分，导致准确识别、提取放电信号较难，易发生误报和漏报。
“我们摆脱以往变压器放电研究聚焦小放电信号的思维定式，在放电信号大、放电能量高时使变压器精准跳闸，实现变压器故障的主动防御和设备本体的有效保护。”团队骨干成员唐云鹏说，“同时，我们创新融合在线监测和继电保护技术，对放电的严重性、连续性、增长性、声电联动性等开展综合分析判断。”这不仅实现了对局部放电的精准预警，还可通过跳闸隔离故障，解决防误动、防拒动等技术难题。
根据放电信号预防变压器故障需破解三大难题
在变压器出现绝缘击穿前，油色谱和放电信号都会有所反应。采用油色谱在线监测很难及时发现并预防快速发展的变压器故障。根据放电信号能快速发现故障，但是在实际应用中存在三大难题：对变压器全过程放电发展规律认识不充分，放电信号准确采集及抗干扰难，放电信号识别故障的策略复杂。针对这三个难题，团队深入攻关，取得了突破性进展。
在探索变压器放电发展规律方面，以往研究往往基于实验室小模型试验，研究结果与真实变压器放电特征存在差异。团队在5台500千伏真型变压器、1台110千伏真型变压器上共开展了63次放电试验，包括沿面放电、匝间（饼间）放电、套管故障放电、出线装置放电等各类缺陷放电试验。“这些试验让我们逐步掌握了变压器放电发展规律和特性，揭示了变压器真实放电发展全过程演化机理。”团队技术负责人、冀北电科院高压所副所长郝震说。
在放电信号采集方面，团队创新研发了新型传感采集技术。他们发现套管电流互感器（CT）具备良好的高频电流传感特性，便研制了基于套管CT的高频局放传感器，并提出了内置和外置高频、超声、特高频局放传感器的一体化布局方案，大幅提升了放电信号采集的有效性和抗干扰能力。
在放电信号识别方面，团队根据变压器放电发展规律，发明了融合在线监测与继电保护技术的放电信号识别判断算法，构建了“三信号、三参数、七模块”主动防御策略体系。“主动防御策略体系能够准确识别放电发展特征，有效甄别局放单一干扰信号和组合干扰信号，实现准确预警故障和超前保护跳闸。”郝震说。
项目成果整体技术达到国际领先水平
有了前期的技术研究，2023年，变压器故障主动防御装置应运而生。“我们开展了一系列装置功能验证试验，装置正确动作和防拒动、防误动能力得到试验证明。”唐云鹏说。装置通过挂网运行评审后，逐步在国家电网公司范围内应用，目前已安装18套，覆盖500千伏、750千伏、1000千伏及±800千伏电压等级。在实际应用中，装置未出现过误报警、误跳闸等情况。
2024年1月，“大型变压器（电抗器）故障主动防御技术、成套装置及工程应用”通过中国电机工程学会鉴定。鉴定委员会认为“项目成果整体技术达到国际领先水平”。变压器故障主动防御技术入选国家能源局2023年全国电力可靠性管理工作七大突出成果，并纳入公司“智能运检产业链”和“变压器（高抗）防爆燃专项工作”中，获2024年度公司技术发明奖一等奖。
“为进一步优化完善变压器故障主动防御技术，我们将继续深化变压器放电发展规律研究，持续开展真型变压器放电试验，并配合公司总部稳步推进变压器主动防御装置在公司范围内的推广应用。”李庆海说。
