礦用干式變壓器綜合檢修策略綜述

王剛，田慕琴中車沈陽(yáng)機(jī)車車輛有限公司資產(chǎn)管理部；太原理工大學(xué)

礦用干式變壓器綜合檢修策略綜述

王剛1，田慕琴2
1中車沈陽(yáng)機(jī)車車輛有限公司資產(chǎn)管理部；2太原理工大學(xué)

干式變壓器因其良好的運(yùn)行特性，在煤礦井下供電系統(tǒng)中占據(jù)著十分重要的地位。目前礦用干式變壓器運(yùn)行環(huán)境惡劣，工作現(xiàn)場(chǎng)存在諸多復(fù)雜和不確定性因素，一旦發(fā)生故障，將嚴(yán)重威脅到煤礦安全生產(chǎn)。為保證煤礦井下供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，亟需有效的綜合檢修策略及相關(guān)技術(shù)?；谝陨蠁栴}，本文分析了煤礦井下的常見故障，從礦用干式變壓器的絕緣故障診斷、運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估以及絕緣壽命評(píng)估等方面進(jìn)行了闡述，綜述了國(guó)內(nèi)外近年來(lái)在礦用干式變壓器絕緣診斷研究領(lǐng)域內(nèi)的最新進(jìn)展，并預(yù)測(cè)了礦用干式變壓器檢修策略未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

礦用干式變壓器；故障診斷；狀態(tài)評(píng)估；壽命評(píng)估

引言

近年來(lái)，煤炭需求量不斷增長(zhǎng)，煤炭事業(yè)日益發(fā)展，干式變壓器由于其防火、無(wú)油等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。礦用干式變壓器作為煤礦井下供電系統(tǒng)的動(dòng)力中心[7]，其安全與可靠運(yùn)行顯得尤為重要，一旦發(fā)生故障，將嚴(yán)重影響工作人員的人身安全與生產(chǎn)安全。然而，井下環(huán)境極其惡劣，工作現(xiàn)場(chǎng)存在著多種復(fù)雜和不確定因素，這些因素將加速設(shè)備的老化，相關(guān)的故障率也隨之上升，亟需有效的綜合檢修策略與相關(guān)技術(shù)[2]。

在一個(gè)合理有效的礦用干式變壓器檢修方案中，需要綜合考慮干式變壓器運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。在達(dá)到干式變壓器最低運(yùn)行可靠性要求的同時(shí)，最大限度地節(jié)省經(jīng)濟(jì)開支。其中，礦用干式變壓器運(yùn)行的可靠性內(nèi)容主要包括故障診斷（確定礦用干式變壓器的故障類型，制定相關(guān)檢修決策，防止變壓器在故障下運(yùn)行；預(yù)測(cè)變壓器可能發(fā)生的故障，制定與其對(duì)應(yīng)的預(yù)防措施，防止故障的進(jìn)一步發(fā)展）、狀態(tài)評(píng)估（對(duì)變壓器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，進(jìn)而得到檢修策略，保證變壓器運(yùn)行的可靠性）、絕緣壽命評(píng)估（對(duì)變壓器絕緣的剩余壽命進(jìn)行評(píng)估，以制定其退役策略）等內(nèi)容。礦用干式變壓器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性主要包括干式變壓器全壽命成本分析（分析計(jì)算干式變壓器全壽命期間的運(yùn)行成本）以及干式變壓器運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（評(píng)估干式變壓器發(fā)生故障時(shí)造成的損失[2]）。

然而，礦用干式變壓器本身是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)，要想建立一個(gè)基于實(shí)時(shí)狀態(tài)且兼顧經(jīng)濟(jì)性和可靠性的干式變壓器狀態(tài)檢修策略，首先則需要實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器的絕緣故障診斷、運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估、絕緣壽命評(píng)估等。目前有關(guān)煤礦井下特殊運(yùn)行環(huán)境中的礦用干式變壓器運(yùn)行狀態(tài)及壽命評(píng)估的研究仍處于初級(jí)階段，實(shí)現(xiàn)綜合考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性的礦用干式變壓器狀態(tài)檢修策略仍存在諸多問題。

1 礦用干式變壓器常見故障分析

根據(jù)發(fā)生故障部位的不同，干式變壓器的故障可以分為繞組故障和鐵芯故障。

1.1 繞組故障

礦用干式變壓器發(fā)生故障的主要原因?yàn)闄C(jī)械強(qiáng)度和絕緣性能的降低，兩者主要是因過熱所致，因此在繞組處發(fā)生故障較多。造成繞組故障的原因主要有：1）因浸漆不良而導(dǎo)致繞組匝間絕緣存在氣隙，繞組匝間絕緣長(zhǎng)期受到局部放電的影響，進(jìn)而導(dǎo)致匝間短路；2）繞組在電動(dòng)力作用長(zhǎng)期工作，匝間絕緣發(fā)生磨損，加之在機(jī)械應(yīng)力下的振動(dòng)使繞組互相摩擦，使繞組絕緣磨損破壞；3）煤礦井下供電線路常常發(fā)生過負(fù)荷和短路，線圈在其額定電流的幾倍甚至幾十倍的作用下溫度迅速升高，絕緣老化，導(dǎo)致繞組短路；4）礦用干式變壓器繞組受損時(shí)仍然繼續(xù)運(yùn)行，絕緣缺陷使得場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻，引起局部放電，進(jìn)一步損壞繞組絕緣；5）繞組表面不可避免地存在毛刺，導(dǎo)致表面電場(chǎng)集中，引起電暈放電[4]。

1.2 鐵芯故障

鐵芯故障分為鐵芯多點(diǎn)接地和鐵芯硅鋼片短路故障。

鐵芯多點(diǎn)接地的原因主要包括以下幾種：1）鐵芯夾板穿心螺栓套管發(fā)生損壞而造成多點(diǎn)接地；2）金屬異物或金屬粉末的存在會(huì)形成“金屬橋”，導(dǎo)致多點(diǎn)接地；3）絕緣受潮也會(huì)導(dǎo)致鐵芯和夾板之間出現(xiàn)低電阻多點(diǎn)接地的現(xiàn)象[3]。鐵芯多點(diǎn)接地會(huì)導(dǎo)致鐵芯局部過熱，從而對(duì)線圈的絕緣造成破壞。

鐵芯硅鋼片短路：由于硅鋼片的絕緣漆因受潮或自然老化而使絕緣性能下降，進(jìn)而產(chǎn)生渦流損耗而導(dǎo)致鐵芯發(fā)熱，最終引起變壓器繞組發(fā)生絕緣擊穿短路而燒毀[3]。

2 運(yùn)行可靠性檢測(cè)與評(píng)估發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 絕緣故障診斷

在電力變壓器絕緣故障診斷方法的研究發(fā)展中，主要經(jīng)歷了傳統(tǒng)和智能兩個(gè)階段[8]。

傳統(tǒng)的故障診斷技術(shù)分為兩個(gè)階段。第一個(gè)階段是根據(jù)檢測(cè)隨故障出現(xiàn)的各物理及化學(xué)現(xiàn)象來(lái)對(duì)故障進(jìn)行判斷。包括利用聲、光、熱、振動(dòng)等手段，觀測(cè)其變化的規(guī)律和特征。第二個(gè)階段是根據(jù)故障所對(duì)應(yīng)的征兆來(lái)進(jìn)行故障診斷，這是目前最為成熟的方法。

隨著各種人工智能理論的提出與應(yīng)用，電力變壓器的故障診斷也逐漸進(jìn)入了智能化階段。相應(yīng)的研究?jī)?nèi)容和實(shí)現(xiàn)途徑發(fā)生了許多變化，以知識(shí)處理為核心的過程取代了以數(shù)據(jù)處理為核心的過程。通過人工智能技術(shù)，用微處理器經(jīng)過推理、決策、學(xué)習(xí)、抽象思維等方法完成變壓器的故障診斷。人工智能方法包括了小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等。目前智能診斷技術(shù)已經(jīng)成為變壓器故障診斷技術(shù)的發(fā)展方向[5]。

然而，國(guó)內(nèi)外對(duì)礦用干式變壓器故障診斷的相關(guān)研究還屈指可數(shù)，目前僅僅是用熱繼電器等儀器對(duì)變壓器進(jìn)行過熱保護(hù)，檢測(cè)參數(shù)較為單一，并不能精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)故障。美國(guó)、加拿大、日本等對(duì)礦用隔爆型干式變壓器局部放電的檢測(cè)多是采用手持式檢測(cè)儀離線測(cè)試，其在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)還不夠成熟[6]。對(duì)于基于多傳感器信息融合技術(shù)的移動(dòng)變電站中隔爆型干式變壓器的故障診斷系統(tǒng)更是少有研究。在我國(guó)，太原理工大學(xué)針對(duì)煤礦井下的特殊環(huán)境，設(shè)計(jì)了礦用干式變壓器故障診斷專家系統(tǒng)，利用故障樹建立了故障模型，解決了專家系統(tǒng)知識(shí)表達(dá)的問題。利用模糊理論構(gòu)造了隸屬函數(shù)，解決了專家系統(tǒng)知識(shí)獲取和推理的不確定性問題。初步建立起了干式變壓器故障診斷專家系統(tǒng)框架。為干式變壓器故障診斷提供了思路，為進(jìn)一步的研究奠定了基礎(chǔ)。

2.2 運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估

礦用干式變壓器運(yùn)行狀態(tài)是否正常是保障變壓器本身及煤礦井下其他設(shè)備安全運(yùn)行必要條件。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦用干式變壓器的工作狀態(tài)，一則能夠有效地反映變壓器的絕緣健康狀態(tài)，二則能夠降低因停電而帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。

變壓器的運(yùn)行狀態(tài)與許多影響因素有關(guān)，如是否存在故障、負(fù)荷大小、周圍運(yùn)行環(huán)境等。這些因素的變化都會(huì)引起變壓器的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變。只采用單一的特征量來(lái)評(píng)估變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)使得評(píng)估結(jié)果與真實(shí)的運(yùn)行狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)。因此，只有融合多種影響因素才能使變壓器運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估結(jié)果更為準(zhǔn)確。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于電力變壓器運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估的相關(guān)研究已取得了部分成果，同時(shí)也存在著一些缺陷與不足。比如，V.Sokolov等研究人員提出了變壓器領(lǐng)域的狀態(tài)評(píng)估的體系，但并沒有提供明確的狀態(tài)指標(biāo)及相應(yīng)的評(píng)估方法[9]。ABB公司根據(jù)負(fù)載能力、絕緣劣化、電氣性能等可能影響變壓器運(yùn)行狀態(tài)的因素來(lái)評(píng)估變壓器的性能，該方法目前已投入使用多年[10]。日本和波蘭的專家學(xué)者致力于對(duì)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行等級(jí)劃分，以實(shí)現(xiàn)變壓器的狀態(tài)評(píng)估。在我國(guó)，創(chuàng)造性地將未確知數(shù)學(xué)理論與變壓器的評(píng)估相結(jié)合，建立了評(píng)估指標(biāo)體系，同時(shí)提高了評(píng)估結(jié)果的可靠性[11]。臺(tái)灣的Hongtzer Yang等研究人員應(yīng)用FLVQ網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)果比BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及模糊評(píng)估的結(jié)果有著明顯的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在著參數(shù)分析不足的劣勢(shì)[12]。

目前，以上方法多適用于油浸式電力變壓器，而有關(guān)礦用干式變壓器運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估方面的研究則少有報(bào)道。由于礦用干式變壓器在其運(yùn)行環(huán)境、絕緣材料及絕緣結(jié)構(gòu)上同油浸式電力變壓器存在著本質(zhì)上的區(qū)別，上述針對(duì)油浸式變壓器設(shè)計(jì)的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估方法并不能套用在礦用干式變壓器的狀態(tài)評(píng)估中。太原理工大學(xué)的在監(jiān)測(cè)礦用干式變壓器基本運(yùn)行狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上，融合了影響其運(yùn)行狀態(tài)的可靠性參數(shù)、運(yùn)行環(huán)境參數(shù)以及預(yù)防性試驗(yàn)參數(shù)等，采用層次分析法對(duì)各評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分配，對(duì)礦用干式變壓器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了整體評(píng)估，但整體系統(tǒng)還有待完善。

2.3 絕緣壽命評(píng)估

隨著干式變壓器工作時(shí)間的增加，其運(yùn)行狀態(tài)會(huì)也會(huì)不斷地惡化。變壓器的絕緣壽命評(píng)估即從一些相關(guān)的因素出發(fā)，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行整體上的評(píng)估，從而預(yù)測(cè)出變壓器絕緣系統(tǒng)的剩余壽命，并制定出有效的策略來(lái)延長(zhǎng)其壽命，以獲取更高的效益。

近年來(lái)，各國(guó)專家學(xué)者在電氣設(shè)備的壽命評(píng)估研究方面展開了大量的研究，并取得了一定的成果，可在礦用干式變壓器剩余壽命評(píng)估中用以借鑒。目前的絕緣壽命評(píng)估模型主要有三類，分別為：

（1）基于聚合度的壽命評(píng)估模型

在變壓器絕緣的壽命研究中，聚合度的是反映絕緣材料機(jī)械強(qiáng)度最為有效的化學(xué)特征參量。通過纖維素的聚合度來(lái)對(duì)變壓器匝間絕緣的絕緣紙的老化狀態(tài)進(jìn)行判斷是最為有效方法之一，即采用粘度法對(duì)絕緣紙的聚合度進(jìn)行測(cè)量與計(jì)算，以對(duì)絕緣材料的老化狀態(tài)進(jìn)行判斷。

（2）基于熱點(diǎn)溫度的絕緣壽命損失模型

變壓器的熱點(diǎn)溫度對(duì)其絕緣壽命有著顯著的影響，溫度過高就會(huì)使絕緣材料的老化加速，甚至?xí)鸾^緣擊穿，最終使得變壓器利用率降低，運(yùn)行年限縮短。《干式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》表明，干式變壓器絕緣壽命損失的主要原因?yàn)闊狳c(diǎn)溫度對(duì)其絕緣的熱老化作，并采用L%來(lái)標(biāo)定這種壽命損失。

（3）基于可靠性的壽命評(píng)估模型

變壓器的運(yùn)行可靠性隨其絕緣性能的下降而下降，當(dāng)變壓器的可靠性下降到50%時(shí)，即達(dá)到其壽命終點(diǎn)。由于目前的檢測(cè)技術(shù)手段還不夠成熟，許多絕緣參量尚未實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，致使該方法仍不能得到廣泛的應(yīng)用。

在礦用干式變壓器的絕緣壽命評(píng)估方面，太原理工大學(xué)以監(jiān)測(cè)干式變壓器的基本運(yùn)行狀態(tài)信息為基礎(chǔ)，構(gòu)建了礦用干式變壓器綜合健康指數(shù)與故障概率之間的關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的診斷。

3 發(fā)展趨勢(shì)與展望

目前，雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)礦用隔爆型干式變壓器的絕緣故障診斷、運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估與絕緣壽命評(píng)估的研究已經(jīng)有了一定的進(jìn)展，但是由于煤礦井下的特殊環(huán)境，工作現(xiàn)場(chǎng)會(huì)遇到諸多復(fù)雜與不確定的因素，仍需進(jìn)行更全面的探索與研究。

（1）礦用隔爆型干式變壓器故障診斷系統(tǒng)的最終目的是要實(shí)現(xiàn)故障的精確診斷。但是，由于專家?guī)炷壳敖⒌倪€不夠豐滿，及故障信息庫(kù)還需要繼續(xù)建立，添加內(nèi)容，如果能更好的添加維修信息，將會(huì)達(dá)到更好的診斷效果。因此，故障診斷部分的精確實(shí)現(xiàn)需要更深層次的研究。

（2）故障診斷中運(yùn)用的專家系統(tǒng)是在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向，提高和完善專家系統(tǒng)，才能使系統(tǒng)具有更高的實(shí)用價(jià)值。

（3）研究礦用干式變壓器絕緣中同時(shí)存在多類缺陷情況下局部放電的分離方法，可將診斷系統(tǒng)用于煤礦現(xiàn)場(chǎng)。

（4）實(shí)現(xiàn)基于局部放電特征參量的干式變壓器絕緣局部缺陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，需要大量的不同類型、不同階段的絕緣缺陷處的局部放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以提高診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，需要充實(shí)不同缺陷類型、不同放電階段的絕緣缺陷處的局部放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以提高模型診斷的準(zhǔn)確率。

[1]王瑞堂,楊旭彬,李克智,撖勤峰,張續(xù)賢.井下干式變壓器常見故障及處理[J].機(jī)械管理開發(fā),2012,No.12905：107+109.

[2]張鐿議.基于運(yùn)行狀態(tài)和壽命評(píng)估的電力變壓器全壽命周期檢修決策研究[D].重慶大學(xué),2014.

[3]張麗虹.配電變壓器故障原因及對(duì)策探究[J].科技視界,2015, No.12805：309-310.

[4]梁國(guó)文.配電變壓器故障原因及對(duì)策[J].農(nóng)村電氣化,2007, No.23702：28-30.

[5]張雨.設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷理論和實(shí)踐[M].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，2000.

[6]Pierre Gravis.Measuring moisture content in transformers[J]. Transmission&DistributionWorld，2001，53（5）：28-30.

[7]劉思沛，聶文龍，崔景岳等.煤礦供電[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1991.

[8]李常禧.電氣設(shè)備診斷技術(shù)概論[M].北京：水利電力出版社，1994.

[9]V.Sokolov,Z.Berler,V.Rashkes.Effective methods of assessment of insulation system conditions in power transformers：a view based on practical experience[C].Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing&Coil Winding Conference,Cincinnati, Oct.1999：659-667.

[10]黃華，傅晨釗.大型電力變壓器狀態(tài)分析綜述[J].華東電力，2004,32（3）：24-26.

[11]廖瑞金，黃飛龍，楊麗君，等.多信息量融合的電力變壓器狀態(tài)評(píng)估模型[J].高電壓技術(shù),2010,36（6）：1455-1460.

[12]Hong-Tzer Yang,Chiung-Chou Liao,and Jeng-Hong Chou. Fuzzy Learning Vector Quantization Networks for Power Transformer Condition Assessment[J].IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation,2001,8（1）：143-149.

王剛（1965-），男，遼寧遼陽(yáng)人，高級(jí)工程師，工學(xué)學(xué)士，從事設(shè)備電氣管理工作，包括企業(yè)供電運(yùn)行技術(shù)及管理，設(shè)備電氣電控大修；

田慕琴。