電力變壓器故障智能化診斷技術(shù)綜述

臥龍電氣銀川變壓器有限公司 黃銀萍

在電力輸配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，是確保電力系統(tǒng)正常工作的前提，其中電力變壓器發(fā)揮著重要作用，電力變壓器良好的工作是避免發(fā)生重大電網(wǎng)事故的第一道重要防線，電站發(fā)生大面積事故，不僅會造成自毀，還會影響電氣設(shè)備，對人員造成嚴(yán)重傷害，變壓器故障智能化診斷在實(shí)際工作中具有重要的意義。

1 電力變壓器常見的故障類型原因

電力變壓器投入運(yùn)行后，會因多種原因造成一些異常情況，進(jìn)而影響變壓器的正常使用，甚至?xí)谶\(yùn)行中造成安全事故，主要有內(nèi)部原因和外部原因兩種，先來看一下變壓器主體的組成結(jié)構(gòu)，如圖1所示，變壓器主體結(jié)構(gòu)組成。根據(jù)變壓器的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)一步闡釋造成變壓器事故的常見類型。

圖1 變壓器主體結(jié)構(gòu)圖

1.1 引起磁路問題

第一，夾緊芯柱及軛疊片的主螺釘絕緣破損，導(dǎo)致疊片之間短路，從而產(chǎn)生較大的局部渦流；第二，變壓器夾件之間連接用的拉板結(jié)構(gòu)及其他連接的螺栓在電磁力作用下的振動，會引起鐵芯絕緣和疊片的絕緣的移位或者破損；第三，芯柱和軛疊片邊緣的毛刺，包括變壓器夾件或疊片輕微彎曲都會造成疊片短路；第四，磁路中硅鋼片會產(chǎn)生一定的諧波電壓或電流；第五，鐵芯疊片和包覆硅鋼片的絕緣性能劣化，造成金屬出現(xiàn)更多的損耗，從而導(dǎo)致變壓器的溫度升高，損壞鐵芯疊片。

1.2 繞組不良

變壓器的繞組受潮，主要是空氣中或油中的水分導(dǎo)致變壓器受潮繞組不良。當(dāng)負(fù)載發(fā)生的變化比較快速時，受電磁場影響，變壓器的繞組導(dǎo)線會發(fā)生膨脹和收縮現(xiàn)象，進(jìn)而影響變壓器的機(jī)械絕緣性能減弱和發(fā)生絕緣破壞。對于許多相連的繞組，其寬厚之比過大，各段繞組之間的油道太窄產(chǎn)生繞組側(cè)面的熱點(diǎn)，熱點(diǎn)導(dǎo)致金屬的絕緣方面的脆化，因此會出現(xiàn)匝間短路。變壓器繞組中的導(dǎo)線在焊接過程中焊接質(zhì)量把控不到位，導(dǎo)致變壓器投入使用過程中接觸導(dǎo)線電阻大，使得變壓器的繞組在局部產(chǎn)生絕緣碳化，主要是繞阻過熱原因?qū)е碌摹?/p>

變壓器繞組發(fā)生對地短路現(xiàn)象主要有三方面原因：一是當(dāng)過電壓和沖擊波（雷電）侵入到變壓器時，會發(fā)生沖擊阻抗變化，（主要是在線路中間與變壓器的過渡地方），此時，在變壓器線路繞組末端的導(dǎo)線極容易發(fā)生傳播電壓電流。在變壓器繞組中有高壓電壓，繞組絕緣被破壞；二是經(jīng)常開合，雷擊或電弧放電對地會造成功率損失，可能造成匝間短路；三是當(dāng)一個感應(yīng)繞組被切斷時。從線路上看，或電弧冷斷續(xù)（特別是半圈），鐵芯內(nèi)的磁通會衰減得很快，變壓器就會形成高壓。持續(xù)超負(fù)荷造成的高溫會使整個變壓器高溫，狹窄的油道會增大變壓器器身內(nèi)部的壓力，使絕緣變脆、導(dǎo)線短路。

1.3 絕緣缺陷的成因

第一，變壓器密封不嚴(yán)，或儲油柜的部分泄漏，導(dǎo)致水分進(jìn)入絕緣油。水分進(jìn)入絕緣油會導(dǎo)致絕緣油的絕緣性降低，使變壓器引線或繞組發(fā)生斷裂。

第二，變壓器引線連接使用的絕緣材料質(zhì)量不合格，主要是絕緣材料的厚度小，在變壓器放電時，絕緣材料起不到保護(hù)作用，從而導(dǎo)致變壓器損壞。

第三，變壓器絕緣油中有顆粒懸浮雜質(zhì)摻入，雜質(zhì)不清理干凈會導(dǎo)致不同電位的引線之間形成“小橋”，發(fā)生電擊穿（暫時性）。

第四，電力變壓器在長時間超負(fù)荷運(yùn)行過程中，使得絕緣油發(fā)生老化。當(dāng)變壓器油溫過高時，會使變壓器產(chǎn)生潮氣和酸液導(dǎo)致變壓器損壞。

1.4 結(jié)構(gòu)件中的原因

一是變壓器投入使用運(yùn)行會發(fā)生絕緣收縮，變壓器的絕緣繞組應(yīng)采取相應(yīng)的措施防止繞組裝置緊壓的部分發(fā)生位移和短路情況，在此情況下及時調(diào)整變壓器的抗壓強(qiáng)度。

二是變壓器在運(yùn)輸過程中焊接不良、裝配不良、不斷起吊、墜落，造成變壓器油箱漏油。應(yīng)當(dāng)及時對油繼電器進(jìn)行檢查并注油，避免油繼電器發(fā)生不正常運(yùn)行。同時應(yīng)確保變壓器的壓力釋放閥正常使用，避免出現(xiàn)保護(hù)不當(dāng)造成變壓器的嚴(yán)重?fù)p壞。

三是油冷卻器及介質(zhì)故障原因。變壓器（油浸式）絕緣油受潮會發(fā)生氧化，從而會使電氣設(shè)備在絕緣方面的能力降低。油泥出現(xiàn)沉積堵塞導(dǎo)致散熱器在散熱性能方面降低。內(nèi)部油位太低導(dǎo)致絕緣油引起閃絡(luò)放電等。如果變壓器使用的冷卻介質(zhì)比較特殊，會因密封不嚴(yán)，漏氣、漏水等會導(dǎo)致變壓器內(nèi)部壓力下降，導(dǎo)致冷卻效果不好，絕緣性能下降，從而無法工作。四是在變壓器安裝運(yùn)行后期的維護(hù)、檢修不當(dāng)造成的故障。

2 電力變壓器故障機(jī)理

發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，由于內(nèi)部發(fā)熱、放電等故障，絕緣油在變壓器內(nèi)部發(fā)生分解，會釋放出比較多的氣體，稱為“故障氣體”。因此，溶解在油中的成分和含量可以作為判斷變壓器是否存在潛在過熱和放電故障的特征值。變壓器故障征兆的早期發(fā)現(xiàn)和處理對于變壓器的可靠運(yùn)行非常重要[1]。

3 電力變壓器故障智能化診斷技術(shù)

3.1 機(jī)械檢測與診斷

瓦斯氣體繼電器：該繼電器廣泛應(yīng)用于帶油保護(hù)的變壓器中，當(dāng)變壓器發(fā)生小故障時，由于變壓器油擊穿而產(chǎn)生的油儲存在繼電器上部的氣室中，迫使其油水平下降，浮子隨后下降到某個極限狀態(tài)。其上的磁鐵使干簧觸點(diǎn)閉合，接通信號電路并發(fā)出警報。如果由于油箱漏油導(dǎo)致變壓器內(nèi)油位下降，也會影響信號電路并發(fā)出報警。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障時，油箱內(nèi)壓力瞬間升高，造成油流沖擊，繼電器接點(diǎn)動作，此時接通跳閘回路。防爆裝置：防爆裝置是變壓器的一種壓力保護(hù)裝置，當(dāng)變壓器內(nèi)部有嚴(yán)重故障時，分解產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致內(nèi)部壓力升高，會導(dǎo)致油箱破裂。防爆裝置及時打開排出部分變壓器油，降低油箱內(nèi)壓力，從而保護(hù)油箱的密封。變壓器瓦斯繼電器保護(hù)電路，如圖2所示。

圖2 變壓器瓦斯繼電器保護(hù)電路

3.2 電子測試和診斷

差動繼電器：差動繼電器的工作原理是：安裝根據(jù)變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的變化而選擇的電流互感器，變壓器用于執(zhí)行差動電流保護(hù)動作。因此，如果變壓器運(yùn)行時差動繼電器動作，通常是線路短路等局部故障。過流繼電器：這是電氣設(shè)備或線路發(fā)生短路或過載時的保護(hù)措施。如果外部電源沒有出現(xiàn)相間短路或過載的情況，則需要判斷變壓器是否短路。檢查開關(guān)故障的其他方法包括檢查油位、檢查溫度度數(shù)是否異?；驒z查儀器是否發(fā)出異常聲音。

3.3 使用儀器檢查診斷

保護(hù)繼電器工作時或從外部看是否有異常，噴油量的高低，噪聲的大小和位置，保護(hù)繼電器的動作，任務(wù)的拖延工作和當(dāng)前的狀態(tài)必須在使用前進(jìn)行測試。同時，通過對變壓器的電氣試驗(yàn)、絕緣油試驗(yàn)等進(jìn)行分析，找出故障的部位和程度，都必須用專用設(shè)備進(jìn)行檢測和測試[2]。

3.4 智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷

由于電力變壓器故障檢測的復(fù)雜性和許多非線性問題，開發(fā)故障模型非常困難。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過創(chuàng)建大量神經(jīng)元來智能地識別路徑，這表明它具有自適應(yīng)和自組織特性，還具有良好的泛化能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在錯誤檢測方面有很大的應(yīng)用。在實(shí)際檢測應(yīng)用中，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建電力變壓器故障檢測模型通常有兩種方式：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和混合測試模型。對于錯誤檢測，神經(jīng)訓(xùn)練可以更有效地工作并增加檢測模型的學(xué)習(xí)時間[3]。

3.5 采用智能計算方法進(jìn)行故障診斷

遺傳算法、粒子群算法等智能算法廣泛應(yīng)用于變壓器故障檢測中，在智能檢測中發(fā)揮著重要作用?；诶碚摰募夹g(shù)計算具有良好的強(qiáng)度，在并行工作中非常有用，并且可以在故障分析中獲得高性能。通過優(yōu)化智能算法，提高收斂速度，提高變壓器故障診斷精度。人工智能算法因其在通用優(yōu)化和自學(xué)習(xí)方面的明顯應(yīng)用優(yōu)勢而得到迅速發(fā)展。

3.6 變壓器在線監(jiān)測技術(shù)

在線監(jiān)測的目的是通過記錄和分析變壓器信號的特征來識別變壓器狀態(tài)，檢查變壓器的初始故障，并監(jiān)測故障狀態(tài)的演變。例如，局部放電（PD）監(jiān)測系統(tǒng)。當(dāng)變壓器在極端條件下運(yùn)行時，內(nèi)部或外部可能會發(fā)生局部放電。局部放電程度的變化和增加表明變壓器的某些部位發(fā)生了變化，如變壓器內(nèi)部疊片絕緣干燥不完全而留下氣泡，或者絕緣材料受潮、老化。油浸變壓器吸水后，電極上會出現(xiàn)壓力點(diǎn)，產(chǎn)生氣泡等。局部放電測試可以證明變壓器絕緣的有效性或隱藏長期運(yùn)行中絕緣老化的危險。

4 變壓器故障智能診斷識別應(yīng)用

設(shè)備情況：選用大型電站的變壓器作為研究設(shè)備。變壓器工作一天后，檢查設(shè)備變化情況，抽取變壓器油樣，變壓器工作正常，無異常。投入使用后，變壓器出現(xiàn)故障。通過對故障的檢查分析，發(fā)現(xiàn)B相油中含油量異常，然后對變壓器中部和底部進(jìn)行檢查和試驗(yàn)。

故障分析：通過采集多種故障變量，并根據(jù)特征類型進(jìn)行分類，選取該變量的6個不同變量，分為50組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用變壓器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征信息的提取，采樣結(jié)果的分類顯示變壓器的工作狀態(tài)，即可完成變壓器故障判斷，同時，可以通過誤差反向傳播法（BP）網(wǎng)絡(luò)、PNN網(wǎng)絡(luò)、自組織等多種方法實(shí)現(xiàn)故障檢測，BP 網(wǎng)絡(luò)模型的有效全局視覺業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的成功率不斷提高，優(yōu)化步驟減少，網(wǎng)絡(luò)處理時間縮短。因此，自主開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)模型提高了基于變壓器分類的識別精度[4]。

分析表明，對變壓器故障的識別主要是分析和檢查總烴含量是否高于標(biāo)準(zhǔn)值，如果變壓器故障趨勢較大，則根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)提供預(yù)警信息，及時提醒管理及維護(hù)人員進(jìn)行處理。變壓器故障的發(fā)生受溫度和環(huán)境的影響很大，根據(jù)IEEE 相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，在大型變壓器的日常運(yùn)行中，發(fā)生故障的概率為1%～2%。因此，變壓器故障智能診斷系統(tǒng)在變壓器運(yùn)行維護(hù)方面的重要作用。

5 結(jié)語

本文對電力變壓器的故障缺陷原因進(jìn)行了分析，并提出了排除故障診斷的方法，變壓器故障智能診斷將作為了解我國能源轉(zhuǎn)換的可靠性、提高能源產(chǎn)品控制水平的有力措施，是未來智能電力變壓器研究和發(fā)展的方向。