配電變壓器故障分析與診斷

李紹堅(jiān)

(廣西電網(wǎng)公司南寧供電局，廣西 南寧 530029)

1 引言

在配電系統(tǒng)中，變壓器是最關(guān)鍵的設(shè)備之一，發(fā)揮著電能變換、分配和傳輸?shù)淖饔茫儔浩鞯恼＿\(yùn)行是配電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、可靠、高效運(yùn)行的前提，因此要采取有效措施防止變壓器故障發(fā)生。在實(shí)際運(yùn)行中，變壓器不可避免的會(huì)出現(xiàn)故障和事故，而且造成故障和事故的原因是多種多樣的。

目前隨著配電網(wǎng)不斷發(fā)展，配電變壓器面臨的情況更為復(fù)雜，出現(xiàn)的故障也更趨于復(fù)雜化、多樣化，因此要精準(zhǔn)的判斷故障類(lèi)型和故障部位就更加困難，檢修的難度也隨之加大。基于此，本文重點(diǎn)分析配電變壓器的短路故障、放電故障、絕緣故障等常見(jiàn)故障及基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變壓器故障人工智能診斷方法。

2 短路故障分析

配電變壓器的短路故障可分為兩類(lèi):外部短路和內(nèi)部短路。外部短路包括變壓器出口處的引線、套管等發(fā)生的相間或接地短路;內(nèi)部短路包括繞組匝間短路、繞組對(duì)地或相間短路。短路故障對(duì)變壓器的影響分為兩類(lèi):短路電流引起絕緣故障和短路電動(dòng)力引起的繞組變形故障。

2.1 短路電流引起的絕緣故障

配電變壓器發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流的可表達(dá)為:

式中:(n)為短路類(lèi)型的角標(biāo);為比例系數(shù)，m(n)不同的短路類(lèi)型比例系數(shù)不同;I(n)d1為該類(lèi)型短路時(shí)的正序電流。

正序電流I(n)d1的絕對(duì)值表達(dá)式為:

式中:E為故障前的相電壓;X1為正序阻抗;X(n)1為附加阻抗。

實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，配電變壓器發(fā)生單相短路故障的幾率最大，三相短路發(fā)生的幾率較小，但三相短路時(shí)的短路電流最大，其表達(dá)式為:

式中:I(3)d1為三相短路電流;IN為變壓器額定電流;U為額定電壓;Zi為變壓器短路阻抗;UN為變壓器短路阻抗電壓百分比。

因此，當(dāng)配電變壓器發(fā)生短路故障時(shí)，在高、低壓繞組上可能流過(guò)為額定電流數(shù)十倍的短路電流，會(huì)造成變壓器油或鐵芯發(fā)熱，造成絕緣故障。

2.2 短路電動(dòng)力引起的繞組變形故障

配電變壓器發(fā)生短路故障時(shí)，如果保護(hù)正確動(dòng)作，繞組變形不嚴(yán)重，如果保護(hù)拒動(dòng)，在短路電動(dòng)力的影響下，繞組變形就會(huì)很?chē)?yán)重，甚至造成繞組損壞。

圖1 變壓器繞組漏磁及受力示意圖

變壓器繞組漏磁及受力如圖1所示，變壓器存在一定的漏磁場(chǎng)，繞組在漏磁場(chǎng)作用下回產(chǎn)生電動(dòng)力，在短路時(shí)，電動(dòng)力作用更為嚴(yán)重。漏磁可分為橫向磁場(chǎng)和縱向磁場(chǎng)，使繞組收到張力P1和壓縮力P2。磁場(chǎng)B'在兩端部最大，中間部位最小，造成電動(dòng)力不平衡。

因此，當(dāng)變壓器發(fā)生短路故障時(shí)，電動(dòng)力會(huì)使繞組向中間擠壓或向外擴(kuò)張，影響匝間絕緣或造成相間絕緣損壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成繞組扭曲變形或斷裂。

3 放電故障分析

根據(jù)放電故障的嚴(yán)重程度，放電故障可分為局部放電、火花放電與高能量放電三種類(lèi)型。

3.1 局部放電

局部放電是指在電壓作用下，變壓器內(nèi)部絕緣的氣隙、空穴、導(dǎo)體邊緣等處發(fā)生的非貫穿性的放電。局部放電的初始階段是低能量的放電，情況比較復(fù)雜，發(fā)生局部放電時(shí)，一般可通過(guò)電測(cè)法、超聲測(cè)法、化學(xué)法進(jìn)行測(cè)量。

當(dāng)變壓器油存在氣泡或者絕緣材料中有空穴，由于氣體承受的電場(chǎng)較高，加之氣體介電常數(shù)較小，在氣隙中更容易產(chǎn)生放電;另外，變壓器油中有雜質(zhì)或者制造工藝不良，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度較高時(shí)就會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象。

3.2 火花放電

在電能量密度大于10－6的數(shù)量級(jí)時(shí)，會(huì)發(fā)生火花放電故障，火花放電一般是由懸浮電位與油中雜質(zhì)引起的?；鸹ǚ烹姴粫?huì)直接擊穿絕緣，但是會(huì)導(dǎo)致油色譜異?；蜉p瓦斯動(dòng)作。

變壓器中，由于工藝或運(yùn)輸問(wèn)題，導(dǎo)致金屬部件接觸不良，引起阻抗不均衡，在兩電極間會(huì)產(chǎn)生分壓，金屬部件的對(duì)地電位稱(chēng)為懸浮電位。具有懸浮電位的部件附近的電場(chǎng)較強(qiáng)，容易燒毀固體介質(zhì)，也會(huì)使變壓器油氣化，導(dǎo)致油色譜分析超標(biāo)。另外，變壓器套管接觸不良，也會(huì)形成懸浮電位引起火花放電。

變壓器油中的雜質(zhì)包括水分或纖維質(zhì)，雜質(zhì)會(huì)引起火花放電。

3.3 電弧放電

變壓器電弧放電的能量比較高，通常會(huì)引起繞組匝間絕緣擊穿，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致引線斷裂或?qū)Φ亻W絡(luò)等故障。

由于電弧放電的能量密度較大，會(huì)產(chǎn)生大量氣體，一般以電子崩的形式?jīng)_擊變壓器內(nèi)部的電介質(zhì)，導(dǎo)致絕緣擊穿，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使金屬材料變形或燒毀，造成設(shè)備損壞或發(fā)生爆炸事故。

4 絕緣故障分析

配電變壓器的絕緣故障可分為兩類(lèi):固體紙絕緣故障與液體油絕緣故障。

4.1 固體紙絕緣故障

變壓器的壽命主要取決于絕緣材料的壽命，固體紙絕緣是油浸式變壓器絕緣的主要部分之一，其主要成分是纖維素，包括絕緣紙、絕緣板、絕緣墊等。隨著變壓器的運(yùn)行，絕緣紙會(huì)老化，隨之產(chǎn)生老化產(chǎn)物，這些老化產(chǎn)物是有害的，會(huì)導(dǎo)致絕緣紙的擊穿電壓與電阻率降低、介質(zhì)損耗增大。絕緣紙的老化是不可逆轉(zhuǎn)的，起電氣和機(jī)械強(qiáng)度的老化降低是不能恢復(fù)的。變壓器絕緣紙纖維材料的劣化主要包括三個(gè)方面:纖維脆裂、纖維材料絕緣強(qiáng)度下降和纖維材料本身的收縮。

4.2 液體油絕緣故障

配電變壓器的油可以提高變壓器的熱傳遞和散熱效果，提高導(dǎo)線的有效電流密度，通過(guò)油的自身循環(huán)進(jìn)行散熱，運(yùn)行中的變壓器油應(yīng)具有優(yōu)良的絕緣性能和導(dǎo)熱性能，油變質(zhì)、進(jìn)水受潮會(huì)影響變壓器油的絕緣性能和導(dǎo)熱性能。

5 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變壓器故障診斷

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有并行分布處理、自適應(yīng)、聯(lián)想、記憶及聚類(lèi)和容錯(cuò)性等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于變壓器內(nèi)部故障發(fā)生及發(fā)展多過(guò)程、多故障的多模式系統(tǒng)診斷。

由于配電變壓器的故障特征氣體和變壓器故障類(lèi)型之間的關(guān)系是一種非線性映射，所以二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系無(wú)法用精確的數(shù)學(xué)模型給予描述。由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的非線性映射能力和自學(xué)習(xí)能力，因此將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于變壓器故障診斷中，可以很容易實(shí)現(xiàn)二者之間的映射關(guān)系，無(wú)需建立任何數(shù)學(xué)模型。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程主要包括輸入信號(hào)的正向傳播和誤差信號(hào)的反向傳播兩個(gè)過(guò)程，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又稱(chēng)為誤差回傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它屬于前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由輸入層、隱含層、輸出層組成，層與層之間通過(guò)權(quán)值相連。

如圖2所示，設(shè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有三層，輸入層神經(jīng)為i，隱含層為j，輸出神經(jīng)元為k，輸入層有M個(gè)節(jié)電，隱含層為N個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸出層有L個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸入層節(jié)點(diǎn)的輸出為ai(i=1，2，…，M)，隱含層節(jié)點(diǎn)輸出為 aj(j=1，2，…，N)，輸出層的節(jié)點(diǎn)輸出為 yk(k=1，2，…，L)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的期望輸出向量為yp，實(shí)際輸出向量為ym。

圖2 三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

(1)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)的輸入輸出關(guān)系令ai=xi，隱含層第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入為:

式中:wij為輸入層至隱含層的連接權(quán)值;θj為隱含層第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的閥值。

則隱含層第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出和輸出層第k個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入為:

式中:wik為隱含層至輸出層的連接權(quán)值;θk為隱含層第k個(gè)節(jié)點(diǎn)的閥值。

輸出層第k個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出為:

(2)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的調(diào)整策略樣本輸入輸出的誤差函數(shù)為:

式中:P為樣本模式對(duì)數(shù);L為網(wǎng)絡(luò)輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)。

系統(tǒng)的誤差函數(shù)為:

計(jì)算輸出層節(jié)點(diǎn)時(shí)，aPk=yk，E在每個(gè)循環(huán)按梯度下降，權(quán)系數(shù)修正公式為:

式中:η為搜索步長(zhǎng)，0＜η＜1。

輸出層的誤差返傳信號(hào)為:

則:

計(jì)算隱含層節(jié)點(diǎn)時(shí)，aPk=aj，E在每個(gè)循環(huán)按梯度下降，權(quán)系數(shù)修正公式為:

式中:η為搜索步長(zhǎng)，0＜η＜1。

隱含層的誤差返傳信號(hào)為:

則:

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程通過(guò)正向計(jì)算輸出、反向傳播誤差的多次迭代過(guò)程，系統(tǒng)誤差將隨著迭代次數(shù)的增加而減小，最終收斂到一組穩(wěn)定的權(quán)值和閉值。

其權(quán)值的修正式為:

式中:η為學(xué)習(xí)速率。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的步驟為:

(1)輸入層和輸出層單元的確定;

(2)輸入輸出數(shù)據(jù)的獲取及數(shù)據(jù)預(yù)處理;

(3)選擇激活函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)的隱層數(shù)、隱層神經(jīng)元數(shù)和訓(xùn)練方法;

(4)設(shè)定網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的停止條件;

(5)訓(xùn)練已創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò);

(6)網(wǎng)絡(luò)的檢驗(yàn)，若網(wǎng)絡(luò)的泛化能力達(dá)到要求，則得到最佳網(wǎng)絡(luò)。

目前BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已成功地廣泛應(yīng)用于模式識(shí)別和系統(tǒng)辨識(shí)等領(lǐng)域，其是一種大規(guī)模的分布式并行處理系統(tǒng)，具有自組織性和自學(xué)習(xí)性，聯(lián)想記憶和模式匹配等功能，并有良好的模式分類(lèi)能力，能夠很好地解決傳統(tǒng)方法不能解決的具有高度非線性，耦合性，多變量性系統(tǒng)的建模問(wèn)題并具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用效果優(yōu)于傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法，能夠很好的解決配電變壓器的故障診斷問(wèn)題。

6 總結(jié)

配電變壓器是配電系統(tǒng)中最重要的電氣設(shè)備之一，也是導(dǎo)致配電系統(tǒng)事故最多的電氣設(shè)備之一，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響系統(tǒng)的安全性水平。及時(shí)發(fā)現(xiàn)、診斷、處理變壓器的潛伏性故障，可以確保變壓器的安全運(yùn)行，提高供電可靠性。因此，研究變壓器故障診斷技術(shù)，提高變壓器的運(yùn)行維護(hù)水平，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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