基于BP-GM（1,1）模型的礦用變壓器故障診斷研究

孫巖巖

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司， 山西 呂梁 033000）

引言

變壓器是供電系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)備，是電壓轉(zhuǎn)變的樞紐，變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。變壓器一旦發(fā)生故障，會給整個供電系統(tǒng)帶來嚴(yán)重?fù)p失。同時，由于變壓器還有很多的保護(hù)裝置導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。在變壓器故障診斷過程中，根據(jù)變壓器油中溶解氣體的濃度變化情況來分析故障是種比較常用的判斷方法。通過監(jiān)測變壓器油中溶解氣體的濃度，再通過相關(guān)計(jì)算得到濃度比值，以此來全面迅速判斷變壓器的運(yùn)行狀態(tài)。灰色系統(tǒng)可以較好地預(yù)測變壓器存在的故障隱患，可對礦用變壓器故障進(jìn)行預(yù)測，降低故障發(fā)生概率，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 礦用變壓器油中溶解氣體與故障的關(guān)系分析

1.1 變壓器油中溶解氣體含量與故障分析

礦用變壓器在正常運(yùn)行狀態(tài)下，變壓器油中主要有氧氣（O2）和氮?dú)猓∟2）存在。然而，變壓器的密封狀況、真空度、脫氣程度等都會影響變壓器油中所含氧氣（O2）和氮?dú)猓∟2）的比例。另外，隨著變壓器運(yùn)行年限的增長，絕緣材料會有一定程度的老化，導(dǎo)致變壓器油中產(chǎn)生一定的故障特性氣體，特別是一氧化碳（CO）與二氧化碳（CO2）含量會增長較多。正常變壓器油中可燃性氣體總含量（體積分?jǐn)?shù)）控制在0.1%以下，一般存在潛在故障或者輕度故障時，可燃性氣體總含量（體積分?jǐn)?shù)）為0.1%～0.5%之間，當(dāng)可燃性氣體總含量≥0.5%時，表明變壓器發(fā)生故障。

從變壓器內(nèi)部故障性質(zhì)特征來看，主要分為熱性故障、電性故障、機(jī)械故障和內(nèi)部受潮四類。其中，機(jī)械故障通常是由于某些原因?qū)е戮o固件松動、線圈發(fā)生位移、引線發(fā)生損壞等，雖然是機(jī)械故障，但是最終會表現(xiàn)為熱性故障或者電性故障。內(nèi)部受潮也類似，受潮如果不能及時發(fā)現(xiàn)，最終也會表現(xiàn)為電性故障。所以，變壓器內(nèi)部故障主要表現(xiàn)為熱性故障和電性故障。

1）熱性故障是指在有效熱應(yīng)力的作用下變壓器內(nèi)部絕緣加速劣化，最終導(dǎo)致發(fā)生絕緣故障。造成熱性故障的原因主要有以下幾種：導(dǎo)線過電流、接線焊接不良、油道堵塞、散熱不良、鐵芯局部發(fā)生短路故障等。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生熱性故障時，如果是固體材料過熱，會生成大量一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）。如果是油液局部過熱，會有大量乙烯（C2H4）和甲烷（CH4）生成。如果油液局部嚴(yán)重過熱，會有大量乙炔（C2H2）生成。

2）電性故障是指在電應(yīng)力的作用下，變壓器內(nèi)部絕緣加速劣化，由于能量密度差異導(dǎo)致高能放電、電火花放電或者局部放電等故障的發(fā)生。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生電性故障時，會有大量氫氣（H2）和乙炔（C2H2）生成，還會產(chǎn)生少量乙烯（C2H4）和甲烷（CH4）。如果是高能量放電造成絕緣被電弧擊穿而發(fā)生故障，那么會急劇產(chǎn)生大量氣體，主要是氫氣（H2）和乙炔（C2H2），還會產(chǎn)生少量乙烯（C2H4）和甲烷（CH4）。這類故障一般很難預(yù)測，發(fā)生時會比較突然。導(dǎo)致火花放電故障的因素主要有三種。一是引線或者套管儲油柜電位未固定的套管導(dǎo)電管放電。二是引線局部接觸不良導(dǎo)致放電現(xiàn)象。三是分接開關(guān)撥叉電位懸浮而引起的放電等。這類故障的主要特征氣體是氫氣（H2）和乙炔（C2H2）。局部放電故障通常發(fā)生在氣隙和懸浮帶電體的空間內(nèi)。一般來講，總烴含量比較小，產(chǎn)生的特征氣體以氫氣（H2）為主。如果變壓器內(nèi)部進(jìn)水而受潮，這時候也可能導(dǎo)致局部放電，而且水分會發(fā)生電解反應(yīng)，這都會導(dǎo)致氫氣（H2）的產(chǎn)生[1-2]。

1.2 采用“三比值法”進(jìn)行的故障分析

變壓器油中所含溶解氣體的組成和數(shù)量有著很大的差別。因此，可以用不同氣體的比值進(jìn)行故障類型的判斷。變壓器故障類型通常采用“三比值法”進(jìn)行，即使用 a=φ（C2H2）/φ（C2H4）、b=φ（CH4）/φ（H2）、c=φ（C2H2）/φ（C2H6）來進(jìn)行預(yù)測，a，b，c 分別代表特征氣體的對比值。同時規(guī)定了編碼規(guī)則，如表1所示。

表1“三比值法”編碼規(guī)則

根據(jù)這個編碼的不同組合，查詢手冊，就可以進(jìn)行變壓器常見故障的判斷。如比較常見的010就代表存在局部放電，001代表絕緣過熱等。

2 灰色理論預(yù)測模型分析方法

灰色系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)就是通過灰色理論把抽象的因素賦予定量的意義，通過數(shù)據(jù)處理，對數(shù)據(jù)的變化趨勢進(jìn)行預(yù)測。灰色系統(tǒng)就是從變化規(guī)律不明顯的數(shù)據(jù)中找出規(guī)律，對發(fā)展變化進(jìn)行預(yù)測。本文選擇灰色系統(tǒng)GM（1，1）模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。通過灰色系統(tǒng)理論的GM（1，1）模型進(jìn)行計(jì)算，原理為首先通過對原始序列X（一般為離散序列）進(jìn)行一次累加生成新的數(shù)列X），然后通過最小二乘原理求解待辨識參數(shù)Q和u，最終得到預(yù)測模型的響應(yīng)方程，見公式（1）：

式中：X1為灰導(dǎo)數(shù)；u為內(nèi)生控制灰數(shù)；a為發(fā)展系數(shù)。對于BP-GM（1，1）所建立的預(yù)測模型需要進(jìn)行精度檢驗(yàn)，一般采用后驗(yàn)差來檢驗(yàn)。原理為殘差為和的絕對關(guān)聯(lián)度。原始序列 X及殘差序列的εk的方差分別為S1和S2，則后驗(yàn)差比值見公式（2）：

式中：C為后驗(yàn)差比值；S1、S2為原始數(shù)據(jù)。比值C越小模型的精度越高。當(dāng)C＜0.35時，模型精度為一級；當(dāng)C＞0.65時，模型精度為不合格。

3 礦用變壓器故障預(yù)測

以斜溝礦變電所1號變壓器為采樣對象，提取分析變壓器油中溶解氣體的含量，時間間隔為2個月，每月抽取兩次，數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)CM（1，1）原理對下一次數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測運(yùn)算過程可由MATLAB程序直接進(jìn)行。經(jīng)計(jì)算，后驗(yàn)差均小于0.65，模型精度合格。以下為變壓器部分溶解氣體利用灰色理論法所得的預(yù)測模型：

表2 1號主變壓器變壓油中所含氣體實(shí)測與預(yù)測數(shù)據(jù)mol/kg

根據(jù)表2預(yù)測數(shù)據(jù)，結(jié)合三比值法進(jìn)行故障預(yù)測，可得編碼為020，查表可知，故障性質(zhì)可能為低溫過熱。將預(yù)測結(jié)果反饋給相關(guān)技術(shù)人員，進(jìn)行檢修發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部夾件引線螺絲有松動，部分零件存在過熱和輕微燒傷情況。如果沒有及時發(fā)現(xiàn)，會出現(xiàn)過熱故障。因此，預(yù)測結(jié)果與實(shí)際檢測基本一致。從預(yù)測結(jié)果與實(shí)際檢測結(jié)果可知，通過灰色系統(tǒng)預(yù)測變壓器油中氣體含量，在利用三比值法進(jìn)行推算來判斷故障類型，這一技術(shù)具有一定的理論依據(jù)可靠性。但是，由于灰色系統(tǒng)本身精度存在一定誤差，特別是預(yù)測范圍越大，離散越嚴(yán)重。因此，只能進(jìn)行短期的預(yù)測。在灰色理論中，還有很多基于CM（1，1）的改進(jìn)公式，可以做進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

通過分析變壓器油中溶解氣體與故障類型的關(guān)系，提出了通過灰色系統(tǒng)BP-GM（1，1）理論構(gòu)建預(yù)測模型的方法。經(jīng)過計(jì)算，得到的模型精度符合要求。經(jīng)實(shí)踐證明，模型預(yù)測的結(jié)果與實(shí)際檢測基本一致。該預(yù)測方法在實(shí)踐中取得良好效果，有效降低故障發(fā)生概率，保障礦井供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。