隨著我國輸電系統規模不斷擴大，一次設備數量逐漸增多，發生故障的概率也逐漸提高，這對故障處理速度、故障定位的準確度提出了更高的要求。作為電力系統中的重要設備，變壓器結構復雜，其故障定位較其他設備更加困難。
有文獻主要分析線路保護選相或小電流選線，對變壓器保護有一定參考價值，但并不能直接應用于涉及多側故障和星角變換的變壓器保護。有文獻從在線監測或離線測試等角度出發，研究了變壓器的本體故障定位，但使用的并非保護常用的電壓和電流量。有文獻重點研究了變壓器差動保護的變換計算，介紹了差動補償方法及差異，未涉及故障選相。有文獻針對特定故障進行分析計算和經驗總結，并未形成基于數據化體系的故障定位算法。
本文從工程實際情況出發，通過對變壓器保護啟動或動作后的情況進行分層分類，創新性地提出一種變壓器故障定位架構和策略，并經仿真分析來證明該策略的準確性。
1 變壓器故障定位整體架構
1.1 故障定位難點
變壓器的一次接線和主設備結構存在多種類型，故障類型多樣，測點的種類和數量較多，相應的保護配置也較為復雜。變壓器故障定位影響因素見表1。
表1 變壓器故障定位影響因素
變壓器故障分析有以下特點：
1）由于變壓器是跨電壓等級設備，各側可能為電源，也可能為負荷，很難通過某一側的信息精準定位并判斷故障類型。
2）系統的接地點通常由變壓器提供，接地故障的電氣量特征由變壓器自身接地情況和系統的接地運行方式共同決定。
3）變壓器通常存在星角變換，對于縱差保護，單相故障可能在多相同時引起差流，單純依靠差流相別進行選相可能與實際不符。以兩圈變壓器為例，差流計算公式為：
式（1）-（3）
4）變壓器一次接線形式有多種，故障形式（不同側別、不同相別、內部匝間故障等）多樣，導致模擬量采集和保護配置種類均較其他保護復雜。
從上述分析可以看出，變壓器故障類型的展示維度很多，需要對輸入和輸出分別進行歸納總結。同時，由于信息獲取維度多，且判據需要盡量固化定值以適應多變的應用場景，因此需要對信息進行優先級整理，保證當部分信息獲取不到，或者不同判據的預判結果有差異時，仍然可以得到唯一的定位結論。
1.2 輸入信息分類
進行故障定位首先需要獲取各類信息。信息大致可以分為兩類，一類是必需信息，另一類是可選信息。
必需信息是故障分析的必要條件，這類信息缺失很可能導致故障定位無法進行，或者定位準確率大大降低。必需信息包括變壓器容量、各側電壓等級、各側CT電流比、變壓器轉角形式和系統一次接線、相關的模擬量數據。此外，還需相應的保護動作行為信息。當缺少保護動作行為信息時，可考慮結合保護算法和定值對動作行為進行模擬。
可選信息有助于在故障定位時排除不必要的干擾，簡化相應步驟，提升定位的速度和準確性。可選信息包括變壓器當前的接地方式和系統的接地方式、各側電源和負荷的類型、保護裝置的定值、其他保護動作情況、開關動作情況等。
1.3 輸出結果分層展示
故障定位結果的輸出展示存在不同維度的不同組合，不僅要準確輸出故障性質，還要與相應算法對應，在可行性和可讀性之間取得最優平衡。基于此目標，把輸出結果分為三個層次，分別是故障性質、故障側別和故障相別。通過各級分層遞進實現，先判別第一層，在其基礎上判別下一層。
故障性質用于描述故障的大類，包括區內故障、區外故障（含負荷擾動）、空充及各類異常。有些特殊情況如低壓單相接地，無法區分區內外，則同時提示區內/區外。
故障側別是定位故障發生在變壓器哪一側，如高壓側、中壓側、低壓1側、低壓2側等。如果受限于判據無法精準判斷故障側別，可在排除部分結果后給出多個側別。對于第一層判斷為空充的，給出空充的側別；對于第一層判斷為異常的，側別結果為“空”。
相別判別即判別故障相，以及是否為接地故障。按ABCN結構展示，其中ABC表示故障相別，N表示接地故障。對于第一層判斷為空充和異常的，相別顯示為“空”。
在上述判別過程中，還可根據特殊情況給出提示。如判斷為區內故障后，當可進一步判別是引線故障還是變壓器內部故障時，給出提示；對于異常，可給出異常種類（系統異常或回路異常等）。變壓器故障定位過程如圖1所示。
圖1 變壓器故障定位過程
2 故障性質判別
故障性質判別主要是根據收集到的信息判別是否為區內/外故障，在此之前要先區分所輸入的信息是否會觸發故障定位，如裝置的一個電壓互感器斷線告警時，裝置本身未故障，此時不宜觸發故障定位邏輯。基于此，設定啟動故障定位的觸發條件為保護啟動、保護動作、零序電壓告警。若有以上三類信息，則取故障后的一段時間作為收集信息的時間窗，待信息收集完畢后進行判別；若無以上三類信息，則不進行故障定位判別。
保護的動作類型較多，包括主保護動作、后備保護動作、非電量動作、過勵磁動作、CT斷線導致的動作；保護的啟動可能有空充啟動和區外故障啟動等，因此需要進行細化區分。本文采用順序判別的執行方式，即當任一條滿足后即停止判別，否則繼續。這種方式既方便程序編寫，又可做到不重不漏。制定順序的原則為特征越清晰，越優先處理，比如非電量動作，基本可以確定為本體區內故障。故障性質判別優先級見表2。
表2 故障性質判別優先級
3 故障側判別
變壓器是跨間隔設備，其故障定位還需要識別故障發生的電壓等級，即故障側判別。單純判別故障側存在一定困難，本文主要依據第一層的故障性質判別結果，分類給出不同故障性質下的故障側判別方法。
3.1 空充側判別
當故障性質為空充時，直接選擇有流側作為故障定位的故障側別。
3.2 區內/區外故障側判別
根據第2節的分析，此類情況為低壓側零壓告警，通常故障側存在較大的零序電壓，可以將零壓告警側作為故障側別。
3.3 區外故障側判別
故障性質定位為區外故障的，大致可分為兩類：一類是其他保護動作的情況，包括其他保護切除故障、其他保護動作但未能完全切除故障（開關失靈等情況）；另一類是其他保護未動作的情況，主要包括負荷波動、其他保護特殊原因拒動、故障區域無主保護（如變低母線故障）導致的情況。
對于其他保護動作的情況，若定位系統可以獲取其他保護的動作信息，則可方便地定位故障側別和相別；若無法獲取相關信息，則需通過自身信息進行判別，判別順序仍然遵循特征越清晰越優先的原則，先判特殊動作元件，再判出口元件，接著判零序電流，最后根據自身電壓電流量進行方向判別。
1）特殊動作元件判別
若動作元件為零序過電壓、間隙過電流、失靈聯跳，則直接取對應動作元件的側別。原因是此三類動作元件比較特殊，零序過電壓和間隙過電流反映系統不接地時發生單相接地故障或間隙擊穿的情況，失靈聯跳動作的前提是本側有失靈保護動作，均有比較明確的側別特征，可以直接使用。
2）出口判別
對于其他元件動作的情況，可先判別保護出口元件側別，當出現先跳某一側開關時，則認為故障發生在該側。需要注意的是，此時判別的是出口元件而非動作元件，由于變壓器保護比較特殊，元件動作后不一定先跳本側開關，如高壓側過電流動作可能先跳開中壓側母聯，此時通常是高壓側過電流的方向指向中壓側，因此可認為故障發生在中壓側而非高壓側。此判據的理論基礎是現有保護配合相對完善，正常情況下保護不會越級跳閘。
3）零序電流判別
若無法獲取開關動作信息、保護僅啟動未動作，或者動作時同時跳開各側開關，則可進一步根據零序電流進行判別。如果裝置僅一側有零序電流，則認為故障在該側，這是因為區外故障對于變壓器為穿越特性，非故障側不可能自行產生較大零序電流。
4）方向判別
最后，如果各側均有零序電流或者各側均無零序電流，則通過方向元件進行判別。當各側均有零序電流時，使用零序電流方向；當各側均無零序電流時，使用相電流進行方向判別。
對于多側電源的系統，方向判別比較準確，但變壓器通常存在負荷側，而負荷側的方向與故障無明顯關系。針對此類情況，本文提出一種按側置數、匯總判別的方法。變壓器各側均設置一個判別位，其數字范圍為0, 1, 2，默認全為1。進行方向判別前，先看本側電流的大小，當本側電流小于變壓器額定電流時不進行判別，當本側電流大于變壓器額定電流時才判別。當判別方向指向本側區外時，本側判別位置2；當判別方向指向對側（變壓器區內）時，本側判別位清0；當本側無電流時，本側判別位清0。數值設置完成后，將數值最大的側作為故障側。以較為簡單的兩圈變壓器典型故障為例，考慮不同電源、負荷及故障位置的組合，得到判別結果見表3。
表3 不同電源和負荷情況下的判別結果
由表3可見，多數情況下，該判別方式有效，但若無大穿越電流流過變壓器，則依照上述方法可能出現多側數據為1的結果，從而無法選出側別，還需要增加其他判據。
5）電壓跌落判別
對于無大電流穿越變壓器的情況，其原因通常為兩種，一種是電源側故障，另一種是強系統遠端輕微故障。這兩種情況下的故障電流都不大，可以使用電壓進行輔助判別，根據電壓的跌落程度區分是哪一種情況。
當任一側相電壓Up或相間電壓Upp低于門檻（取70%額定電壓）時，可以認為是電源側故障。對于提前設置好電源側的，可以選電源側；對于未設置的，可以選擇高壓側，因為除特殊情況外，通常高電壓等級的電網都存在電源，電廠升壓變也不例外。
當Up和Upp均較大，超過門檻時，可認為是強系統遠端輕微故障，此時可選擇相電壓變化量DUp和相間電壓的變化量DUpp最大的一側為故障側。
3.4 區內故障側判別
當故障發生在變壓器內部時，一般縱差保護會動作，但縱差保護通常計算整體差流，并不包含側別信息，因此需要通過其他信息進行故障側判別。參考區外故障的定位方式，優先選擇一些特征明顯的差動保護，其次是零序電流，最后是電流電壓信息判別。
1）特殊動作元件判別
部分自耦變壓器配置有小區差，當小區差動作時，可以認為是低壓側故障。此外，自耦變壓器分側差動保護動作時，雖然不能確定是高壓側還是中壓側故障，但是可以排除低壓側。部分兩圈/三圈變壓器可以使用中性點零序電流和本側開關/套管電流計算差流，該差動保護稱為零差或限制性接地（restricted earth fault, REF）保護。該差動保護按側配置，當其動作時，可以認為故障發生在其所在側。
2）電壓元件判別
發生區內金屬性故障時，通常有一側相電壓或相間電壓較低，接近于0，而其他電源側受主變壓器漏抗的影響，電壓不會太低，使用電壓特征可以更好地判斷故障位置。當僅一側Up或Upp較小（門檻可取10%額定電壓）時，可選該側為故障側。
如果多側電壓都低，很有可能是電源側發生故障，導致負荷側電壓也降低。此時，可選電源側為故障側，電源側無法確定時選高電壓側。
3）電流元件判別
當所有側電壓均高時，可能為比較少見的輕微匝間故障或高阻故障。此時，進一步定位故障較困難，可以通過電流進行輔助判別。
對于多側電源的情況，變壓器區內故障通常會有多側電流較大，受變壓器漏抗的影響，故障側的標幺化電流更大。因此，當有多側電流大于額定值或確認為多側電源時，可以選擇電流最大的一側作為故障側。
當前序判據仍然無法定位時，可以同時置各側均故障標志。如果故障發生在本體，由于要進行變壓器解體檢查，電氣量故障定位結果更多的是作為參考。
4 故障相判別
確認故障側后，進一步根據故障性質進行故障相別定位。
4.1 區外故障相判別
首先判斷是否發生了接地故障。當任一側有零序電流時，可以認為發生了接地故障，并把故障相中的N置位。零序電流判別方法有多種，包括保護裝置的零序保護啟動、任一側零序電流一次值大于門檻值（按習慣可取300A）或有較大的零序電壓（可以取70%額定相電壓）。
區外故障通常有后備保護啟動或動作，可直接使用后備保護的啟動或動作相別。
若現場僅保護啟動，零序動作或無保護信息，此時需要通過故障側的電壓和電流量進一步判別。由于故障相電流通常較大，電壓有一定跌落，可考慮以下兩種選相方法。
方法1：計算各相電壓的DUp。選DUp/DUmin＞k的相別為故障相（k可取3），其中DUmin為三相電壓變化量的最小值，當三相都小于k時判別為三相故障。
方法2：通過各相電流的比例進行選相。Ip/Imin＞k的為故障相（Ip為相電流，k可取1.2），其中Imin為三相電流的最小值，當三相都小于k時判別為三相故障。
實際使用時，因為電壓包含更清晰的故障特征，所以優先選擇電壓作為判據，也可以通過兩種算法加權得出結果。
4.2 區內故障相判別
區內選相同樣首先判別是否發生了接地故障。判別方法與區外故障類似，還可結合零序差動保護進行判別，零序差動保護動作也為接地故障。
發生區內故障后通常差動保護動作，但不同差動保護對相別選擇的指示性并不相同。按從清晰到模糊排列，依次為分相差動、分側差動、小區差、REF零差、縱差。按此優先級順序選相：分相和分側差動的動作相別可以直接指示故障相；小區差雖然有轉角，但是仍是基于基爾霍夫定律的分相差動，可以根據折算至低壓出線的差流得到相別；REF零差稍復雜，但其動作一般為接地故障情況，可以優先選擇故障側電壓低于門檻值的相作為故障相，門檻值可取30%額定電壓；縱差保護有轉角和消零，相別選擇較為復雜，下面單獨進行討論。
由于星角變換和多側電源的影響，多數區內金屬性故障通常僅一側電壓跌落比較嚴重，因此當僅一側的Up或Upp低于定值（可取10%額定電壓）時，選該相作為故障相。
如果電壓跌落不明顯，進一步通過差流進行判別。由于變壓器可能存在分接頭調整，正常運行時也可能有差流，因此選擇差流變化量進行判別。根據第3節的故障側判別結果，以及故障側的聯結方式進行不同處理。差流計算統一向故障側轉角。
對于故障側為Y側的情況，由于差流計算時會消零，所以典型單相故障時的故障相差流為非故障相差流的兩倍且相位相反。相間故障時故障相差流通常比非故障相差流大很多，因此可以用二者幅值進行判別。選DId/DIdmin>k的相作為故障相（其中，DId為差流變化量，DIdmin為三相差流變化量的最小值，k可取1.2），如果三相都不滿足，則選三相。
對于故障側為D側的情況，Y側電流均采用兩相相減的方式向D側轉，而D側故障時其故障差流可以指示故障相別，因此選擇向D側轉角后滿足動作條件的相別作為故障相。
5 仿真驗證
為驗證本文所提方法的有效性，使用實時數字仿真（real time digital simulation, RTDS）系統搭建模型，通過不同系統架構和不同故障類型的仿真進行分析，仿真平臺接入實際保護設備以提供保護動作結果作為分析的輸入量。部分仿真分析如下。
5.1 多側電源仿真
變壓器模型為500kV/220kV/35kV自耦變，容量為800MV?A，高、中壓側均有電源。
高壓側區內A相接地故障波形如圖2所示。保護縱差、分相差和分側差動作，分相差和分側差動作相別為A。依照本文判據，僅高壓側電壓滿足判別條件，中壓側A相仍有一定幅值的電壓，因此可以正確判斷故障位于高壓側。同時，保護動作相別、電壓判據、差流判據均可正確選出故障相為A相。
圖2 高壓側區內A相接地故障波形
低壓側區內AB相間故障波形如圖3所示。保護縱差和小區差動作，小區差動作相別為AB。依照本文判據，通過小區差動作可以正確選擇故障側和相別。此外，僅低壓側AB相間電壓UAB滿足判別門檻，通過電壓也可以做出正確選擇。
圖3 低壓側區內AB相間故障波形
高壓側匝間故障波形如圖4所示。保護縱差和分相差動作，分相差動作相別為A相。波形中各側電壓變化不大，僅高壓側電流有增大趨勢。依照本文判據，可選擇故障側別為高壓側。同時，根據保護動作相別和縱差差流特征可以判別故障相為A相。
圖4 高壓側匝間故障波形
5.2 單側電源仿真
變壓器模型為500kV/35kV兩圈站用變壓器，容量為120MV?A，僅高壓側有電源，低壓側為負荷。
高壓側區外A相接地故障波形如圖5所示。區外故障，保護僅啟動。由波形可見，高壓側電壓接近0，由于僅高壓側有電源，高壓側電流呈現零序電流特征。根據第3節可選擇故障側為高壓側，同時A相電壓跌落最大，可正確選擇故障相為A相。
圖5 高壓側區外A相接地故障波形
低壓側區外AB相間故障波形如圖6所示。區外故障，保護僅啟動。由波形可見，高、低壓電流反向。結合第3節判據，可判斷故障發生在低壓側，同時可根據電壓判別故障相為AB相。
圖6 低壓側區外AB相間故障波形
6 結論
為提升變壓器故障定位的自動化程度，本文對眾多數據信息進行分層分類，給出一系列變壓器故障定位判據，并根據各判據與故障特征的關聯程度設置優先級，避免結果互斥。
理論分析和仿真實驗結果表明，本文所提方法可實現對現場絕大多數典型故障的正確定位。同時，本文所提出的判別架構具有較好的擴展性，可以根據不同應用場景搭建專用邏輯，還可以針對實際使用的系統和設備調整參數，增刪完善邏輯。
此外，本文方法不依賴高級智能算法，簡潔高效，實用性強，最終判據和邏輯可用于裝置內部選相，也可用于錄波離線分析，還可用于主子站智能運維等高級診斷。
本文所提判別思路還存在以下不足：
1）判別依賴保護裝置的正確動作，若保護裝置異常則會出現錯誤判別。
2）判別尚未引入特殊測點，如變壓器的套管CT，引入套管CT可與開關CT構成引線差動保護，增強側別和相別判別的準確度，同時進一步確認故障位于引線上還是變壓器內部，有助于現場事故快速定位處理。
3）部分判別門檻的設置基于理想工況，對于極特殊工況，如區內故障差動保護靈敏度不足而由后備保護動作的情況，故障性質的判別不準確。對于非金屬性故障，遠端故障判別準確度可能不足。在新能源等弱電源場景下的應用受限。對于多重故障或復雜轉換性故障，定位可能不準確，需要進行人工核對。
4）需要額外設置電源負荷類型、變壓器及系統的接地方式等參數，缺少參數時判別性能可能有所下降。
5）如果想脫離保護裝置使用錄波器波形進行獨立判別，需要成套保護算法及相應的保護定值。
6）對于內部故障，還可以結合局部放電和色譜等信息更準確地定位故障并確定故障類型。
綜上所述，本文提出了變壓器故障定位的系統性架構及相應推薦判據，可以提升現場故障定位的準確度。同時，針對特殊場景和現場的故障波形，相應判據還可持續優化。
本工作成果發表在2025年第1期《電氣技術》，論文標題為“基于分層遞進架構的實用型變壓器保護故障定位方法”。本課題得到國家電網有限公司科技項目的支持。
