電力變壓器故障特征提取及診斷方法研究

齊豐科技股份有限公司 苗 林 呂 圓 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司徐州供電公司 鄧劍鳴

1 引言

電力變壓器目前的應用狀況是較為廣泛的，結合當前電力變壓器的發(fā)展也能夠看出，其在現(xiàn)實應用過程中具備一定的積極意義。隨著超高壓、大容量電網(wǎng)格局的推進，對于電力格局的構建也提出了新的要求。電力變壓器是電力系統(tǒng)使用的中樞結構，也是造價最為復雜的設備之一。如果電力變壓器發(fā)生故障，那么將造成整個電力系統(tǒng)的故障癱瘓，直接帶來經(jīng)濟損失。針對電力變壓器的故障診斷方法，已在逐步出現(xiàn)。其中，DGA是較為成熟的在線檢測技術，針對DGA診斷方法，依靠人工智能輔助手段，對于電力變壓器診斷結構做出控制，實現(xiàn)其后續(xù)電力變壓器診斷效果的提升，這也是本命題研究的主要方向。

2 概念簡介

2.1 電力變壓器

電力變壓器，即進行電力系統(tǒng)交換的一種基本電力設備，以電磁感應為基礎，實現(xiàn)電壓電流的傳播控制。當前，電力變壓器的種類較多，不同電力變壓器在使用過程中也存在一定的差別點，按照繞組形式和相數(shù)形式，可以將其分為不同的變壓器類型。目前，電力變壓器的使用較為廣泛，而針對電力變壓器本身的應用狀況，對其做出分析，也能夠?qū)崿F(xiàn)后續(xù)電力變壓器結構的調(diào)整[1]。

2.2 故障提取

如圖1所示，電力變壓器按照故障性質(zhì)可以劃分為過熱故障、放電故障和機械故障。這也是電力變壓器在使用過程中最常遇到的一些故障內(nèi)容，所謂的熱故障是以熱應力作用所造成的絕緣材料裂化問題也是電力變壓器最容易出現(xiàn)的一類故障。對于電力變壓器的安全使用控制而言，會造成一定的影響。過熱故障則由開關接觸不良、鐵心接地或者絕緣短路、導線過熱等問題構成。在溫度過高的情況之下，容易造成電力變壓器的使用困難，放電故障主要是引發(fā)絕緣材料受損，或者本身絕緣性能變化的一類故障。按照能量密度的不同，分為局部放電、火花放電、電弧放電等。而電力變壓器機械故障則是由于各組件的機械元件出現(xiàn)相關的損害而引起的故障，處理好相應的電力變壓器故障，有助于調(diào)整電力變壓器自身的結構，實現(xiàn)其有效應用。

圖1 影響電力變壓器運行狀態(tài)的主要因素

2.3 信息融合

在故障提取的高精度算法融合過程中，結合樣本模型進行分析，能夠解決當前變壓器建設的基本問題。針對及故障算法控制，也針對其故障分類的高精度算法做出可靠分析，這是決策后續(xù)變壓器控制內(nèi)容的關鍵。目前，提出了多種智能故障診斷方法，如人工神經(jīng)、網(wǎng)絡極限學習方法，由于電力變壓器本身的工作狀態(tài)較為復雜，針對電力變壓器的控制狀況，也存在一定的差別。在變壓器的結構調(diào)整過程中，按照電力變壓器的實際運行狀態(tài)進行一定的分析融合，建立變壓器的特征提取方案，構建目標函數(shù)。而各類優(yōu)化算法的存在，則使得電力變壓器的結構控制內(nèi)容能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)化發(fā)展，現(xiàn)有的智能診斷方法，基于數(shù)據(jù)參數(shù)的控制，在信息融合建設過程中，對其智能建模進行一定的分析，也便于電力變壓器后續(xù)故障的處理以及控制，讓整體評價模型變得非常的可靠。

3 信息融合電力變壓器綜合診斷方法研究

3.1 綜合診斷方法框架

結合信息診斷方法應用，在sksnnoglpe等方法的應用過程中，電力變壓器的處理過程變得更加可靠，而針對電力變壓器的診斷方法應用也出現(xiàn)了一定的變化，融合當前有關電力變壓器模型的構建。如圖2所示，將結合其電力變壓器模型建設為核心，并通過對于電力變壓器故障診斷內(nèi)容做出控制研究。在綜合診斷應用過程中，電力變壓器的三相結構會得到重新的改善。

圖2 電力變壓器故障綜合診斷結構框圖

同時，其本身的研究內(nèi)容也會得到更多人的認識。對于在裝置應用過程中的變壓器結構控制來看，按照變壓器的一般特征，其中不同的變壓器結構特點會產(chǎn)生一定的變化。而當前對于變壓器模型的構建，也應該按照綜合框架內(nèi)容進行分析。其中，超負載運轉或者變壓器回流控制，都是其控制的關鍵。在實現(xiàn)變壓器運行狀態(tài)分析過程中，能夠了解到各設備狀態(tài)信息，在相互關系關聯(lián)模式之下，對故障引發(fā)狀態(tài)做出分析，得到反映變壓器的狀態(tài)參量以及設備運行狀況。制定新的設備評價運行方案，收集設備的運行時間、設備狀態(tài)以及歷史故障問題，加強分析，按照各電路引起的設備變化，對其統(tǒng)計規(guī)律做好認識。

圍繞參量特征對整體狀態(tài)的重要度做好評估，判斷故障內(nèi)容，其具體的評價方法也應該由構建差異化評價模型作出分析，在評價模型的總體建設過程中，按照不同指標狀況做出分析。對電力變壓器設備狀態(tài)的評價和系統(tǒng)設計方案，多數(shù)時候取決于其發(fā)展新階段，各類新方法內(nèi)容層出不窮，在評價體系內(nèi)的應用并不是太廣，為提高整體評價得分，也應該依靠分數(shù)大小，掌握合理狀態(tài)，進行正確指導[2]。

3.2 電力變壓器故障診斷子模型構建和有效性驗證

構建子模型。監(jiān)測控制系統(tǒng)采用DGA數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中可以獲取變壓器特征，信息值包括溶解氣體含量、氣體含量比值、產(chǎn)氣率。針對不同的氣體特點做出分析，在變壓器的結構模型控制過程中，也在子系統(tǒng)方面對其進行一定的評價，這時按照子系統(tǒng)本身的結構特點進行分析，選取特殊變量，對其做出控制。子模型主要是針對電力變壓器內(nèi)的超負荷運轉、變壓器滲油、變壓器使用異常等現(xiàn)象進行控制的。

一是變壓器超負荷運作。如果變壓器出現(xiàn)超負荷運作，即表明某些變壓器在用電需求過程中，發(fā)電廠和用電部門往往沒有保持原本的容量需求，對變壓器結構控制特點難以做出反應，引起變壓器的超負荷運轉現(xiàn)象，也使得跳閘短路和絕緣層暴露問題逐步出現(xiàn)。

二是變壓器進水受潮。變壓器進水受潮是指外部的管道鉆漏屋頂滲漏或者相關的水分沿配件侵入油箱，在絕緣油中存在水分，造成絕緣損害狀況。若變壓器的防爆管防爆膜破裂，也會引起水進入到變壓器中，導致變壓器的故障，也無法維持變壓器的正常運行狀態(tài)。

三是三相中缺一相或三相不平衡。三相中缺一相或者三相不平衡內(nèi)容的存在，導致某相長期過載、溫度過高，容易致使其短路或者斷路問題。當變壓器的調(diào)節(jié)開關不到位時，會導致三相調(diào)壓分接開關電阻不一致，出現(xiàn)電阻過熱現(xiàn)象也會導致高壓引線過細。加上變壓器運輸?shù)牟划敚矔鹣鄳恼系K。

四是變壓器漏油。指變壓器焊縫開裂或者密封件失效狀況。在運行過程中，由于劇烈振動的影響，外頻控制以及鐵芯的渦流增大，也會逐步導致變壓器溫度的升高，難以對于變壓器本身的結構特點進行調(diào)整[3]。

3.3 DS多決策融合診斷

3.3.1 單向狀態(tài)參量預測分析

按照單向狀態(tài)對其預測變量進行分析，是基于歷史數(shù)據(jù)作出總結的關鍵，將試驗趨勢進行分析，在對歷史變量作出調(diào)整過程中，按照各變量關系進行計算。在觀測過程中，要保持五個數(shù)據(jù)點內(nèi)容的總結，進行單項模型分析，為確保后續(xù)的計算精度，必須對一個計算點進行控制。在殘差預測過程中，按照均值和方差的數(shù)字定義得出其均值和方差，同理也可以得到實際測量值和后續(xù)的實驗數(shù)據(jù)值。

3.3.2 變壓器整體評價

采用區(qū)間變壓器壓強控制也是十分關鍵的，按照殘差控制方法，基于其可拓展評價方案，建立多評價指標。變壓器運行狀態(tài)評價中，在多源模型構建中設置相應模型量X，對其特征量則設置為P。按照P所確定的設備單項指標狀態(tài)的不同，對后續(xù)的模型指標權重也有所差異，按照多群眾模型進行資源單位的計算，對于引入的平衡函數(shù)長權值做出分析，這能夠?qū)崿F(xiàn)整體指標的評價。如統(tǒng)計變壓器的離散累積率，以及根據(jù)某變電站變壓器的歷史數(shù)據(jù)與本體故障技術，在故障數(shù)據(jù)累積過程中了解其概率分布特點。這時也可以按照可靠度和累積故障歸一化理論，強化分析。

3.3.3 相對劣化度加速劣化模型

相對劣化度加速劣化模型是基于穩(wěn)定使用進行分析的，在這時必須確定出必要的負載值，按照負載值特征進行后續(xù)的變壓器運行計算，對自然有循環(huán)狀態(tài)下的變壓器及強迫循環(huán)下的系統(tǒng)內(nèi)容加以分析。按照實際的溫度公式計算出實時電流以及負載溫度變化，實現(xiàn)整個溫度計算模型的構建。按照具體狀況加強分析，將頂層繞組熱點溫度和負載能力進行評價，這是實現(xiàn)企業(yè)狀態(tài)參數(shù)認識的關鍵點[4]。

3.3.4 環(huán)境溫度負載持續(xù)時間量化

以24h為周期，強化不同階段的控制管理也是非常關鍵的。針對不同階段化的周期運行目標，在不考慮其折損的狀況之下，圍繞周期性測定為基礎，為后續(xù)的電力變壓器運行做好強化控制。針對正常狀況下的變壓器使用狀態(tài)，對其在不同溫度環(huán)境下的具體使用點進行分析，不同荷載下的變壓器允許超額運算的持續(xù)時間，以及后續(xù)的時間可靠內(nèi)容都存在明顯的差別，在自然模式和加速裂化模式的綜合評估分析下，由于變壓器內(nèi)部的熱點溫度負載方式以及變壓器運行狀態(tài)變化參數(shù)有所不同。在持續(xù)時間以及后續(xù)的溫度變化方面，都可以按照加權計算獲得。

3.4 實例驗證

3.4.1 特高頻感知部件信號接收仿真特性

在單個變壓器內(nèi)部，通過天線仿真進行計算之后，能夠在特高頻區(qū)域之內(nèi)變壓器鐵芯或者高壓繞組區(qū)域之內(nèi)對其進行控制。根據(jù)局部放電特性，完成相應信號的感知。當這些設備處于變壓器內(nèi)部時，電壓器本身檢驗能力也會得以提升，對于局部放電的特高頻信號接收特性如何，還應該進一步做好仿真計算。如果對于220kV的單項，繞組變壓器做出整體模型的建立，還應該按照不同變壓器的鐵芯變化狀況，對于變壓器的箱體、鐵芯和高低壓繞阻特性進行分析。在不影響到特高信號傳播的情況之下，對整個模型作出簡化，這也具有一定的應用意義。

根據(jù)其鐵芯繞組套管模型的檢驗方法，在不同端面進行同一給電源的設置，按照網(wǎng)格劃分和其他模型建立特點，除了激勵源之外，在鐵芯高壓繞組高壓套管上設置相應的端口計算變壓器內(nèi)的天線參數(shù)。對于天線的收發(fā)信以及各電信號進行分析，按照鐵芯高壓繞組、高壓繞組末端的端口，做好仿真計算。與單個模型仿真計算相比的話，鐵芯高壓繞組天線參數(shù)在低頻段的變化強，而低壓繞組位于高壓繞組內(nèi)部進行傳播，其傳播內(nèi)容變得更為復雜，激勵源大多設置在高壓套管40cm的地方。在高壓套管內(nèi)部會得到幾個不同部件，對于特高信號的接收特性、頻率波長進行仿真，可以得出局部放電的直接目的。

3.4.2 變壓器局部放電高頻自感知

為檢驗變壓器鐵芯高壓繞組的內(nèi)部高頻率電線變化特點，可以模擬特高頻電磁波信號，在仿真模型中建立220kV變壓器缺陷放電模型中，對于模型做出局部放電檢驗，按照局部放電特性對于放置于變壓器內(nèi)的變壓器、高壓套管、電壓檢驗到局部放電的特點，為檢驗其變壓器內(nèi)部構件的高頻信號，且在接地線或者高壓套管為引出地線時需要使用信號裝置對其進行檢驗。按照引線上的電壓，對特高頻信號進行分析，與感知信號一致，當其頻率電壓導線沒有安裝波紋管時，在高頻率電壓作用下會產(chǎn)生較大的電暈放電。在自感知構建接地過程中，這時可以采用線圈檢驗這些電源的變化行為，多數(shù)時候，在鐵芯周圍就能夠感受到其電壓的變化值。這時可以按照器件的特高和檢驗點進行分析，了解到高品檢驗端的抗干擾能力發(fā)展特點。以此防止電源干擾，當工作頻率電壓逐步上升之時，局部電流的波形圖變化也是較為劇烈的。所選構建在變壓器內(nèi)部的放電過程中，受到了大面積電壓的影響。局部放電高頻率自行感知是基本可行的[5]。

3.4.3 仿真分析

以電子箱故障為依據(jù)，在變壓器的調(diào)整控制過程中，傳感器針對不同路的信號，對其進行融合，判斷故障產(chǎn)生原因?；谄溲芯康膶嵶C分析內(nèi)容能夠看出，在各證據(jù)體系的融合情況之下，其速度函數(shù)值明顯提高。DS對于三個數(shù)據(jù)進行融合分析之后，進度函數(shù)狀態(tài)明顯調(diào)整，而最大速度函數(shù)和第二季度函數(shù)的差值也在逐步擴大，這逐步驗證了最終的結果。而關于整個變壓器操作的可控性內(nèi)容來看，在各整體框架的準確率以及測量方差值方面，該診斷方法的應用優(yōu)于一般性的診斷手段，誤差也明顯降低?；贒S多決策融合的電力模型控制，能夠提高整個診斷過程的有效性、確切性。在DS模型建設過程中，能夠針對算法構建模式對其進行一定的支撐。幫助模型電路的原理控制，在變壓器故障問題提取的情況之下，方便下一步的操作，也拒絕絕緣老化和油氣干擾所造成的各項影響。

4 總結

在與電力變壓器故障診斷識別作為其主要依據(jù)的情況之下，按照智能診斷控制以及故障分析為其基礎，建立可靠的電力變壓器診斷方法。綜合電力變壓器的負荷動態(tài)識別，了解一種或多種故障的基本特征，在后續(xù)認識電力變壓器復合結構的情況之下，實現(xiàn)電力變壓器不同工作狀況的劃分，結合信息技術引用，將逐步提高電力變壓器的使用效果，還可以為后續(xù)的維修環(huán)節(jié)提供直接依據(jù)，避免不必要的設備停運問題。在我國電建設備系統(tǒng)評價以及開發(fā)過程中，按照新的方法提高設備檢驗效率，減少各類花費內(nèi)容。按照出廠設備狀況，采用層次分析法、概括分析法、建立新模型內(nèi)容，為運維發(fā)展提供重要依據(jù)。