融合多元數(shù)據(jù)的變壓器故障嚴(yán)重度分析模型

陳 淼，萬(wàn) 元，唐 偉，潘平衡，曹 旺，李橙橙

（湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

油浸式變壓器是電力系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行的可靠性關(guān)乎到電力系統(tǒng)供電的可靠性，當(dāng)變壓器發(fā)生故障時(shí)，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其故障定位、內(nèi)部故障嚴(yán)重程度判別專家知識(shí)庫(kù)難度很大，即是否需要立即停電檢修或還具備帶病運(yùn)行條件，這給變壓器設(shè)備管理者帶來(lái)較大的困惑，亦給變壓器后續(xù)的運(yùn)行、檢修策略的制定帶來(lái)較大的難題，因此有必要研究其故障定性、故障嚴(yán)重程度的分析與判斷方法，從而有利于制定合理、有效、針對(duì)性強(qiáng)的運(yùn)行或檢修策略[1，2]。

為了監(jiān)視變壓器的運(yùn)行狀況，大多數(shù)變壓器配置有變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，鐵心、夾件電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，各系統(tǒng)數(shù)據(jù)均能對(duì)變壓器內(nèi)部故障進(jìn)行判斷，如當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)油中各類氣體的三比值可判斷變壓器內(nèi)部的性質(zhì)，如低溫過(guò)熱、高溫過(guò)熱、局部放電、電弧、短路等故障，并通過(guò)CO 和CO2的含量可判別故障是否涉及到固體絕緣，同時(shí)單位時(shí)間的增氣量能對(duì)故障的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行判斷，但仍然無(wú)法對(duì)故障的嚴(yán)重程度、是否具備帶病運(yùn)行的條件等進(jìn)行精確判斷[3，4]。

鑒于此，本文提出了融合多元數(shù)據(jù)的油浸式變壓器內(nèi)部故障嚴(yán)重程度分析模型，通過(guò)融合計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中變壓器電壓、電流、有功、油溫等的工況數(shù)據(jù)，油中溶解氣體濃度數(shù)據(jù)，鐵心、夾件電流數(shù)據(jù)，結(jié)合構(gòu)建的專家知識(shí)庫(kù)，采用簡(jiǎn)單推理方式，實(shí)現(xiàn)了變壓器內(nèi)部故障的嚴(yán)重程度的準(zhǔn)確診斷，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)故障變壓器的數(shù)據(jù)分析，該模型具有較高的準(zhǔn)確性。

1 變壓器內(nèi)部故障判別機(jī)理

變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但歸納起來(lái)，可由電路與磁路組成。變壓器電路主要承載系統(tǒng)電流，包括高低壓繞組（或高中低壓繞組），無(wú)載調(diào)壓開關(guān)，引出線等，主磁路主要承載系統(tǒng)主磁通，主要包括鐵心及固定鐵心的夾件。漏磁通回路主要承載系統(tǒng)漏磁通，主要包括繞組、紙絕緣，油及油箱壁等。

根據(jù)薛華[3]的研究，變壓器的高、低壓側(cè)的電壓由（1）、（2）計(jì)算[2]。

式（1）、（2）中，N1與N2分別表示低壓側(cè)與高壓側(cè)線圈匝數(shù)，f為交流電基波頻率，取50 Hz，EL和EH分別表示低壓側(cè)、高壓側(cè)電壓，φm為變壓器勵(lì)磁磁通（即主磁通），當(dāng)變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，高、低壓側(cè)的負(fù)載電流產(chǎn)生的磁通互相抵消，變壓器鐵心中磁通不變，因此變壓器高、低壓側(cè)的電壓基本不變。

當(dāng)變壓器繞組中通有高的負(fù)載電流時(shí)，該電流在其周圍產(chǎn)生磁通，因此，對(duì)于油浸式變壓器，其磁通包括主磁通和漏磁通，其中主磁通主要是指激磁電壓在鐵心中產(chǎn)生的磁通，主磁通同時(shí)交鏈一次繞組與二次繞組，由（1）可知，該磁通的大小與電壓密切相關(guān)，漏磁通主要是指繞組周圍由負(fù)載電流產(chǎn)生的磁通，漏磁通只交鏈一次繞組或二次繞組，顯然該磁通的大小與負(fù)載電流的大小成線性關(guān)系。在數(shù)量上，由于主磁通主要通過(guò)鐵心等導(dǎo)磁元件，磁阻小，占總磁通99%以上，漏磁通主要通過(guò)油、紙等磁阻比較大的元件，占總磁通1%以下。由此可得出如下結(jié)論：

（1）變壓器內(nèi)部若磁路出現(xiàn)故障，由于其連接電力系統(tǒng)的電壓一般比較穩(wěn)定，運(yùn)行電壓不變，其主磁通不變，變壓器空載運(yùn)行與負(fù)載運(yùn)行時(shí)，故障的演變過(guò)程一般不變，故障與變壓器負(fù)荷關(guān)聯(lián)性不大；

（2）變壓器內(nèi)部若電路出現(xiàn)故障，變壓器繞組電流的大小與故障演變過(guò)程密切相關(guān)，故障與變壓器負(fù)荷直接相關(guān)，一般電流越大，故障演變?cè)娇欤踊厔?shì)越快，部分故障與電流的平方成正比；

（3）變壓器內(nèi)部若出現(xiàn)漏磁故障，由于漏磁通與繞組電流的大小成線性關(guān)系，故障與變壓器負(fù)荷直接相關(guān)，一般電流越大，故障演變?cè)娇?，劣化趨?shì)越快，相當(dāng)于直接電路故障，由于漏磁通一般比較小，其故障嚴(yán)重程度較低，即使電流較大，故障亦發(fā)展較為緩慢。

因此，可有效集成變壓器多元監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括負(fù)荷、電流、電壓、變壓器油中溶解氣體數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)變壓器內(nèi)部故障嚴(yán)重程度的分析。

2 變壓器故障嚴(yán)重度判別專家知識(shí)庫(kù)

由文獻(xiàn)可知，對(duì)于油浸式變壓器，若鐵心疊片絕緣受損、電渦流過(guò)大、局部短路等故障時(shí)，一般會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象，對(duì)于該類故障，除非出現(xiàn)大面積的渦流，一般嚴(yán)重程度不高，不需要立即停運(yùn)，可監(jiān)視運(yùn)行，并分析變壓器的日產(chǎn)氣速度；若高、低壓繞組發(fā)生短路、斷股、電弧放電等故障時(shí)，其危害程序一般較大，嚴(yán)重時(shí)，繞組迅速燒毀或產(chǎn)生巨大的電動(dòng)力使繞組嚴(yán)重變形，同時(shí)，產(chǎn)生的巨大能量導(dǎo)致變壓器絕緣油快速分解，可能在很短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致變壓器重瓦斯動(dòng)作甚至爆炸，需立即停運(yùn)，若發(fā)生漏磁導(dǎo)致局部過(guò)熱，無(wú)載開關(guān)接觸不好等故障時(shí)，其故障發(fā)生一般比較緩慢，短時(shí)間內(nèi)應(yīng)監(jiān)視運(yùn)行。當(dāng)鐵心夾件出現(xiàn)多點(diǎn)接地時(shí)，在交變的主磁通作用下，在鐵心接地點(diǎn)之間，或夾件接地點(diǎn)之間，或鐵心與夾件不同的接地點(diǎn)之間形成環(huán)流，導(dǎo)致鐵心夾件局部過(guò)熱。本文將變壓器故障的嚴(yán)重度劃分為較低、一般、嚴(yán)重3 個(gè)等級(jí)，構(gòu)建了變壓器故障嚴(yán)重度判別專家知識(shí)庫(kù)，具體見表1 所示。

表1 變壓器故障嚴(yán)重度判別專家知識(shí)庫(kù)

顯然，表1 可以作為變壓器故障嚴(yán)重度判別的依據(jù)。

3 融合多元數(shù)據(jù)的變壓器故障嚴(yán)重度判別

3.1 多元數(shù)據(jù)的集成

主要集成三類數(shù)據(jù)：一是變壓器電壓、負(fù)荷等背景工況數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)主要從計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中獲取，為實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，本文按照公式（3）定義變壓器日負(fù)荷率kw（無(wú)量綱參數(shù)），即折算成滿負(fù)荷下的運(yùn)行時(shí)間比。

式中，N表示每日有功數(shù)據(jù)采樣的總點(diǎn)數(shù)，Pw表示變壓器的額定負(fù)荷，Pi表示第i 個(gè)時(shí)刻，變壓器的有功負(fù)荷，從（3）可知，當(dāng)kw為0 時(shí)，表明變壓器全天處于空載運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)kw為1 時(shí)，表明變壓器全天帶額定負(fù)荷運(yùn)行。

二是變壓器油中溶解氣體濃度數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)主要從專門的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中獲取，主要獲取變壓器油中溶解氫氣、甲烷、乙炔等七類氣體濃度參數(shù)。一般而言，變壓器油中溶解氣體參數(shù)的采樣周期遠(yuǎn)低于變壓器電壓、負(fù)荷等背景工況數(shù)據(jù)，為了保證時(shí)間的同步，且保證分析的一致性，這里選取一個(gè)基準(zhǔn)，即（3）中在i=0 及i=N時(shí)刻，分別獲取變壓器油中溶解各類氣體的濃度，計(jì)算氣體的日產(chǎn)氣速度，其中乙炔ΔVC2H2、氫氣ΔVH2、總烴ΔVT的日產(chǎn)氣速度計(jì)算方法可參考DL/T 722-2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》。

三是變壓器鐵心、夾件接地電流數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)主要從專門的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中獲取，該數(shù)據(jù)取1 d 的平均值。

3.2 變壓器故障嚴(yán)重度判別模型

該方法構(gòu)建如下：

（1）以7 d 為分析周期，計(jì)算變壓器日負(fù)荷率kw，計(jì)算變壓器總烴日產(chǎn)氣速度ΔVT，形成相量 [kw，ΔVT]；

（2）繪制變壓器總烴日產(chǎn)氣速度與負(fù)荷的關(guān)聯(lián)曲線，其中橫坐標(biāo)為kw，縱坐標(biāo)為ΔVT；

（3）判斷變壓器總烴是否存在間隙性增大，增大的趨勢(shì)為階梯型?；蛘吲袛嗫偀N是較為平穩(wěn)的持續(xù)增大；

（4）嘗試按一次曲線與二次曲線的方式關(guān)聯(lián)曲線進(jìn)行擬合，計(jì)算一次曲線擬合的[k，d]值（其中k為一次曲線斜率，d為截距）與擬合偏差R1值，計(jì)算二次曲線擬合的[a，b，c]值與擬合偏差R2值；

（5）若R1遠(yuǎn)大于R2，且一次曲線擬合中斜率k很小，擬合曲線幾乎與橫坐標(biāo)平行，則判斷變壓器內(nèi)部故障為主磁路故障，同時(shí)分析鐵心、夾件接地電流數(shù)據(jù)，若不超過(guò)閾值，則判斷故障嚴(yán)重程度為低，若超過(guò)閾值，則判斷故障程度為一般，需加密觀測(cè)；若變壓器總烴數(shù)據(jù)為間隙性階梯型增大，判別為鐵心尖端放電；

（6）若R1遠(yuǎn)大于R2，且一次曲線擬合中斜率比較小，小于某特定閾值，則判斷變壓器內(nèi)部故障為漏磁故障或嚴(yán)重程度為低；一次曲線擬合中斜率處于兩個(gè)特定閾值之間，且總烴平穩(wěn)增加，判別為無(wú)載調(diào)壓開關(guān)接觸不好或者是繞組有焊點(diǎn)發(fā)熱，嚴(yán)重程度為一般，應(yīng)加密運(yùn)行；

（7）若R1遠(yuǎn)大于R2，且一次曲線擬合中斜率較大，或R1遠(yuǎn)小于R2，則判斷變壓器內(nèi)部故障為電路故障，同時(shí)結(jié)合乙炔的日產(chǎn)氣速度判斷變壓器是否需要立即停運(yùn)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

某水電廠主變壓器于2020年02月發(fā)現(xiàn)總烴超標(biāo)，該變壓器低壓側(cè)為13.8 kV，高壓側(cè)為220 kV，額定容量200 MW，總烴超標(biāo)后（總烴為162 ppm，但未出現(xiàn)乙炔），分析總烴數(shù)據(jù)，其平穩(wěn)增加，并未出現(xiàn)突變數(shù)據(jù)，由于不具備檢修條件，經(jīng)排油內(nèi)檢后未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，經(jīng)討論后投入試運(yùn)行，并降負(fù)荷且加強(qiáng)監(jiān)視運(yùn)行，同時(shí)啟動(dòng)變壓器內(nèi)部故障關(guān)聯(lián)分析方法進(jìn)行分析，該變壓器投入試運(yùn)行后，2020 年03 月05 日～03 月11 日的變壓器日負(fù)荷率，總烴日產(chǎn)氣速度見表2 所示。

表2 某水電廠主變壓器總烴日產(chǎn)氣速度表

在二維坐標(biāo)上繪制曲線見圖1 所示。

圖1 某水電廠主變壓器總烴日產(chǎn)氣速度與日符合率關(guān)聯(lián)圖

由圖1 可知，變壓器總烴日產(chǎn)氣速度與變壓器日負(fù)荷率無(wú)關(guān)，在變壓器空載運(yùn)行時(shí)，變壓器總烴日產(chǎn)氣速度依然存在，且其值與變壓器帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)相差很小，兩者擬合曲線與橫坐標(biāo)基本平行，本文提出的融合多元數(shù)據(jù)的變壓器故障嚴(yán)重度分析模型的結(jié)論為變壓器主磁路故障，故障嚴(yán)重度較低，可監(jiān)視運(yùn)行。經(jīng)討論，該故障尚不會(huì)造成重大事故，不必立即停運(yùn)檢修，亦不必限負(fù)荷運(yùn)行。2020 年10 月，將變壓器吊罩檢修，發(fā)現(xiàn)上端厄夾件1 緊固螺栓松動(dòng)，鐵心振動(dòng)加大，導(dǎo)致鐵心間絕緣磨損，產(chǎn)生渦流發(fā)熱，經(jīng)補(bǔ)絕緣，并緊固夾件螺栓后，變壓器投運(yùn)，投運(yùn)后運(yùn)行各項(xiàng)參數(shù)正常。從上述典型案例可知，本文提出的方法是有效的。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)變壓器磁回路故障、電回路故障的機(jī)理進(jìn)行研究，提出并應(yīng)用了融合多元數(shù)據(jù)的變壓器故障嚴(yán)重度分析模型，可得出以下結(jié)論：

（1）變壓器不同的故障類型，不同位置故障，不同嚴(yán)重程度的故障，其日產(chǎn)氣速度與其運(yùn)行工況存在一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

（2）有機(jī)融合變壓器的背景工況數(shù)據(jù)，油中溶解氣體數(shù)據(jù)，鐵心夾件電流數(shù)據(jù)，構(gòu)建集成分析模型，能更為準(zhǔn)確地對(duì)變壓器的故障嚴(yán)重度進(jìn)行確認(rèn)，可有效地指導(dǎo)變壓器運(yùn)行與檢修。