變壓器故障監(jiān)測與診斷技術(shù)研究現(xiàn)狀

＊黃海 呂志立 王玉 倪培永

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南通市通州區(qū)供電分公司 江蘇 226300 2.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇 226019）

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，東部地區(qū)對電能的需求急速增加。為了滿足東部地區(qū)增長的電力需求和國家綠色低碳發(fā)展的政策，通過遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)將西部地區(qū)豐富的電能輸送到東部地區(qū)是緩解當(dāng)前東部地區(qū)電能缺乏的主要措施。變壓器作為遠(yuǎn)距離輸電中重要的部件，它通過將電壓升高，從而減少電能在傳遞中的損失，一旦變壓器出現(xiàn)故障可能會對日常生產(chǎn)和生活產(chǎn)生巨大的影響，造成不可挽回的損失，因此采取有效的監(jiān)測或診斷技術(shù)能夠提前規(guī)避或解決變壓器可能產(chǎn)生的故障，從而增強(qiáng)電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

1.常見的變壓器故障

變壓器主要由鐵芯、繞組、油箱、分接開關(guān)、絕緣結(jié)構(gòu)和絕緣套筒等組成[1]。鐵芯作為磁力的通路，同時起到支撐繞組的作用，繞組作為電流的通路，一旦鐵芯多點(diǎn)接地，繞組絕緣損耗、漏磁，將導(dǎo)致局部電流在不斷循環(huán)中產(chǎn)熱從而產(chǎn)生故障。油箱作為變壓器的外殼，起儲存油進(jìn)行散熱和絕緣作用。當(dāng)油箱中的油液泄露或油質(zhì)降低時，冷卻系統(tǒng)將不能正常工作，使得變壓器內(nèi)部工作產(chǎn)生的熱量不能夠及時傳遞出去從而發(fā)生故障。分接開關(guān)作為調(diào)壓裝置，能夠改變線圈的分接頭，從而改變線圈的匝數(shù)比，調(diào)節(jié)電壓。當(dāng)長時間的調(diào)用分接開關(guān)將會導(dǎo)致觸頭磨損，觸頭間的接觸壓力減少，使得接觸電阻增大，觸頭發(fā)熱增加，從而引發(fā)故障。絕緣套筒能夠?qū)崿F(xiàn)引線與外殼的絕緣，起到固定引線的作用。當(dāng)變壓器長時間處在高電場下，內(nèi)部組件老化，絕緣性降低，變壓器缺油運(yùn)作時油箱內(nèi)的引線暴露在空氣中，或當(dāng)變壓器處在潮濕環(huán)境中，儲油柜上的吸濕器不能夠?qū)⒅車畾馔耆M，當(dāng)外部空氣進(jìn)入儲油柜后將會發(fā)生局部放電或電弧放電等。

由此可見，變壓器故障主要分為熱故障和電故障兩部分。熱故障集中體現(xiàn)為變壓器局部溫升過快導(dǎo)致的高溫過熱現(xiàn)象。針對熱故障產(chǎn)生的特征氣體能量大小不同，將熱故障的嚴(yán)重程度分為輕度、中等、嚴(yán)重和非常嚴(yán)重四個部分[2-3]。電故障主要體現(xiàn)為絕緣部分損壞而造成的放電現(xiàn)象。減少變壓器的故障可以從兩個方面入手，一是在變壓器工作前對變壓器進(jìn)行安全保護(hù)，部件改進(jìn)或故障排除，二是在變壓器運(yùn)行中通過軟硬件手段對變壓器進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對可能發(fā)生的故障進(jìn)行報警、診斷與分析。

2.變壓器故障源頭預(yù)防

(1)日常維護(hù)及檢修

目前變壓器使用狀態(tài)檢修模式。與傳統(tǒng)檢修模式相比，狀態(tài)檢修模式屬于主動性的檢修方法，它能夠在設(shè)備運(yùn)行的時候進(jìn)行檢測，從而不影響用戶正常用電，減少損失，同樣它也能夠在一定程度上對變壓器可能發(fā)生的故障進(jìn)行早期的預(yù)防，起規(guī)避風(fēng)險的作用[4]。針對繞組可能會發(fā)生的匝間短路，分接開關(guān)磨損等問題，采用繞組直流電阻檢測技術(shù)能夠檢測出線路可能出現(xiàn)的問題[5]。通過采用繞組直流電阻檢測技術(shù)，能夠檢測出繞組絕緣和電流回路的連接狀況，同樣，該技術(shù)也是變壓器各繞組直流電阻平衡度和調(diào)壓開關(guān)檔位的重要檢測手段。變壓器在內(nèi)部出現(xiàn)故障或運(yùn)行條件惡劣時會因局部場強(qiáng)過高而產(chǎn)生局部放電（PD）。PD水平及其增長速率的明顯變化能夠指示變壓器內(nèi)部正在發(fā)生的變化，通過局部放電異常檢測可以有效簡化維護(hù)程序。

(2)安全保護(hù)

針對變壓器內(nèi)部因匝間短路，油溫異常升高，油位下降，繞組溫度過高導(dǎo)致的電力系統(tǒng)故障引發(fā)的大規(guī)模停電問題，可以使用繼電保護(hù)技術(shù)對電力系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，將故障或異常檢測出來并發(fā)出報警信號，如果故障沒有得到處理，它能夠?qū)⒐收细綦x或者切除。繼電保護(hù)措施一般分為瓦斯保護(hù)，差動保護(hù)和后備保護(hù)[6]。瓦斯保護(hù)主要作用在油箱內(nèi)部，它可以迅速的反應(yīng)出油箱內(nèi)出現(xiàn)的故障，并將電路切斷，能夠?qū)嵊拖鋬?nèi)絕緣材料或變壓器油氣體膨脹爆炸類事故起到一定的預(yù)防和控制作用。差動保護(hù)主要作用在變壓器高、中、低壓側(cè)功率不平衡問題中，起到平衡電流差，保證電力變壓器穩(wěn)定運(yùn)行作用。后備保護(hù)作用在電路中某一回路出現(xiàn)短路狀況，將上級回路斷開，避開故障線路。防爆管的玻璃膜在變壓器運(yùn)行中由于振動容易破裂，將防爆管上加裝壓力釋放閥可有效降低防爆管破裂風(fēng)險。低壓側(cè)套管滲油保護(hù)可以在安裝膠珠的各密封面加密封膠，或?qū)⒋少|(zhì)壓帽替換為銅質(zhì)壓帽以增加壓緊力。

(3)變壓器內(nèi)油質(zhì)改進(jìn)

變壓器的故障主要是由于變壓器油的油質(zhì)下降，造成油粘度上升，介電性能下降，氧化性上升而導(dǎo)致的絕緣性降低引起的。目前減少此類故障的方法是在油中添加添加劑或者使用納米介電流體。變壓器油的選用從礦物油到天然酯。實(shí)驗證明，高含量的飽和脂肪酸構(gòu)成的天然酯與傳統(tǒng)礦物油相比不易氧化和生成過氧化物，同時其具有高的擊穿強(qiáng)度和遠(yuǎn)超礦物油的熱極限。

文獻(xiàn)[7]中通過分別選用猴面包樹油和蒙貢果油組成的天然酯，在其中添加不同比例的煤油，分別研究了溫度對粘度、加速加熱對介電性能的影響，并與傳統(tǒng)礦物油相對比。最終發(fā)現(xiàn)溫度能夠降低油的粘度，增加擊穿電壓，改善熱對流，溫度越高，介電性能越強(qiáng)，并且煤油比例保持在100mL以下將會具有更好的防銹和潤滑，同樣也驗證了天然酯是礦物油的合適環(huán)境替代品。文獻(xiàn)[8]中指出，向油中添加納米顆?？梢愿纳屏黧w的介電行為，增加擊穿電壓、交流脈沖和其它熱性能。納米顆粒濃度越低，粘性越低，納米顆粒體積增加，熱導(dǎo)率增加。

3.變壓器故障過程管控

在變壓器運(yùn)行期間，通過檢測技術(shù)對變壓器進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測收集數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過故障診斷分析技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷是否產(chǎn)生故障以及故障的類型。

(1)檢測技術(shù)

①電故障檢測技術(shù)

針對變壓器可能發(fā)生的局部放電，可以從電流、油中溶解氣體含量、電離產(chǎn)生的波長及聲波方面進(jìn)行判斷。脈沖電流檢測技術(shù)利用電流互感器收集脈沖電流，并使用數(shù)字處理設(shè)備對脈沖電流進(jìn)行處理，超頻寬帶法通過使用計算機(jī)對變壓器放電的電荷進(jìn)行輸入和輸出差值的計算，超高頻檢測技術(shù)通過減少干擾因素并利用超高頻傳感器識別300～3000MHz范圍內(nèi)的電流信號來判別是否產(chǎn)生了局部放電，從而找出放電位置。油色譜分析技術(shù)通過利用變壓絕緣油在受到局部放電時會因自生老化問題而發(fā)生分解或破壞產(chǎn)生新的物質(zhì)溶解在油質(zhì)中的這一特性，通過檢測油質(zhì)中不同氣體的含量來檢測變壓器是否局部放電。光測技術(shù)與超聲波檢測技術(shù)分別利用放電產(chǎn)生的電離氣體與周圍環(huán)境氣體不同的波長來進(jìn)行檢測與放電會產(chǎn)生聲波的特性來進(jìn)行檢測[9-12]。聲波檢測技術(shù)提取變壓器在正常工況、鐵芯松動和線圈松動等情況下的聲紋信號進(jìn)行檢測。振動檢測技術(shù)通過對變壓器振動信號的監(jiān)測和分析，達(dá)到監(jiān)測變壓器狀態(tài)的目的。磁場檢測技術(shù)測量變壓器磁場磁密分布，根據(jù)磁密度各向衰減情況進(jìn)行檢測。

②熱故障檢測技術(shù)

在變壓器正常運(yùn)行的情況下，變壓器內(nèi)部溫度會升高，通過利用紅外熱成像原理監(jiān)測的紅外監(jiān)測技術(shù)能夠識別變壓器發(fā)出的紅外線能量，并通過紅外熱成像儀顯示紅外線光譜能夠直觀的觀察變壓器內(nèi)部溫度分布[13]。因絕緣問題而引起的熱故障可以通過絕緣檢測技術(shù)進(jìn)行檢測，該技術(shù)通過向變壓器中注入50Hz的交流信號，監(jiān)測供電系統(tǒng)對地絕緣狀況，如果絕緣電阻阻值低于50kΩ，監(jiān)測器就會報警[14]。繞組溫度指示監(jiān)測技術(shù)用于監(jiān)測變壓器繞組的溫度，利用嵌入式光纖直接測量繞組的實(shí)時溫度。紅外光譜技術(shù)通過光譜分析確定冷卻油中逃逸的氣體類型和含量，具有檢測速度快、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)。

(2)故障診斷技術(shù)

目前主要通過兩種思路對數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷與判別，一種是建立數(shù)據(jù)庫或模型，當(dāng)收集到的信號與已收錄的數(shù)據(jù)或模型相符，則判定為故障。另一種是采取新算法或針對已有算法進(jìn)行優(yōu)化，提高故障的預(yù)測精度。

①數(shù)據(jù)庫與模型分析技術(shù)

以交互性數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，通過對比數(shù)據(jù)庫中信息對變壓器進(jìn)行診斷的專家系統(tǒng)診斷技術(shù)能夠?qū)收现胁淮_定的信息進(jìn)行快速的推理分析，以達(dá)到快速、準(zhǔn)確判別故障的目的。專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫通過將變壓器故障診斷實(shí)踐中積累的診斷經(jīng)驗，數(shù)據(jù)信息整合，使檢測者能夠根據(jù)變壓器故障特征、測量數(shù)據(jù)迅速在系統(tǒng)中尋找到最佳解決方案[15]。

針對目前變壓器故障產(chǎn)生原因復(fù)雜程度提升，提出了一種模糊推理診斷技術(shù)[16]。該技術(shù)通過采用模糊推理數(shù)學(xué)模型，將搜集到的變壓器故障數(shù)據(jù)信息與故障征兆相結(jié)合，并基于模糊覆蓋及理論建立診斷模型，從而得到故障合集、征兆合集和兩者之間關(guān)系的合集，為變壓器的故障診斷和后處理提供輔助作用。

由生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)演變成的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通過以搭建模型的形式對變壓器故障進(jìn)行識別，與其它技術(shù)相比具有極佳的自適應(yīng)性，且?guī)в兄悄芑刂频奶攸c(diǎn)。以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)建立的自組織競爭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通過訓(xùn)練將已有故障類型儲存并進(jìn)行分類，在分析故障時能夠迅速識別，并且對于未儲存的故障其可以自動學(xué)習(xí)歸類，具有很高的數(shù)據(jù)處理能力[17]。

文獻(xiàn)[18]中基于物聯(lián)網(wǎng)建立一個綜合服務(wù)系統(tǒng)，并通過可拓理論建立故障診斷模型，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)通信信息的感知和交換，完成智能信息的傳輸、測量和控制，為變壓器故障處理提供更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)和措施。

②算法分析技術(shù)

算法在變壓器故障診斷中起著非常重要的作用，不同的算法對故障處理的精確度不同，為了減少誤差提高準(zhǔn)確度，對算法進(jìn)行優(yōu)化或采用新算法是非常必要的。

文獻(xiàn)[19]中針對傳統(tǒng)蜂群算法尋找最優(yōu)解花費(fèi)時間過長和蜜源搜索過程中易陷入局部極值的缺陷，提出一種新的蜂窩算法，即通過增大步長減少尋優(yōu)時間，減少步長使蜜源坐標(biāo)逼近最優(yōu)解。通過此算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與傳統(tǒng)BP網(wǎng)絡(luò)模型相比，誤差率大大降低。由傳統(tǒng)遺傳算法經(jīng)過多次迭代優(yōu)化形成的粒子群算法在算法流程上更簡潔，參數(shù)設(shè)置更簡單，不需考慮算法之間的重復(fù)與變異，并且可以實(shí)現(xiàn)全局信息的搜索和共享，非常適用于以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的信息處理，基于粒子群算法優(yōu)化的向量機(jī)在變壓器繞組變形故障方面已經(jīng)取得了很好的應(yīng)用[20]。

在變壓器發(fā)生不同故障時，油箱內(nèi)的氣體成分會不同，根據(jù)這一特性通過三比值法將變壓器中主要存在的五種氣體（CH4、C2H4、C2H6、C2H2、H2）依次兩兩對比，將形成的三組對比值（C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6）轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的編碼序列與故障編碼序列對照，從而識別出故障類型[21-22]。

文獻(xiàn)[23]提出一種基于比值法和改進(jìn)的飛蛾火焰優(yōu)化算法優(yōu)化的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷模型，并通過實(shí)驗對比四組改進(jìn)的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，發(fā)現(xiàn)提出的飛蛾火焰優(yōu)化算法具有更高的精確度，并且能夠有效提高全局最優(yōu)解的搜素性能，對于噪聲數(shù)據(jù)的干擾具有很好的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[24]引進(jìn)了一種基于集合和無監(jiān)督模糊聚類算法組合的數(shù)據(jù)優(yōu)化方法，該方法旨在解決傳統(tǒng)方法中存在的數(shù)據(jù)不平衡、異常值和邊界比率的難題。文獻(xiàn)[25]提出一種基于一次和二次電壓與電流之比，輔以電流方向和波形標(biāo)準(zhǔn)的通用算法，主要是為了避免在變壓器通電期間，電流互感器飽和的情況下，傳統(tǒng)差動保護(hù)因內(nèi)部故障和外部故障通電而造成的錯誤操作。

4.結(jié)論

變壓器的故障會對電力系統(tǒng)造成危害，隨著計算機(jī)領(lǐng)域、數(shù)字信息化和物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，新的故障檢測與診斷技術(shù)可以結(jié)合當(dāng)前科技實(shí)現(xiàn)更加高效、智能和專業(yè)化。將多種檢測算法整合，對于提高當(dāng)前故障檢測的準(zhǔn)確性具有很大的意義。