基于大衛(wèi)五角法的變壓器自動故障識別方法及應用

汪 鑫，安 楊

(1.國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610031)

0 前言

變壓器是最重要的電力設備之一，其運行狀態(tài)關系著電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定。近年來隨著電網(wǎng)發(fā)展，變壓器的檢測監(jiān)測手段不斷豐富，其中最常用的一種方法是油中溶解氣體分析(DGA)，即對變壓器內(nèi)部放電和過熱產(chǎn)生的氣體進行分析。DGA的原理是提取溶解在絕緣油中的主要氣體來揭示變壓器內(nèi)部故障，主要氣體包括氫氣(H2)、甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)、乙烯(C2H4)、乙烷(C2H6)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)，氧(O2)和氮氣(N2)。DGA已是一種經(jīng)濟性較高的變壓器在線監(jiān)測和定期檢測的方法〔1〕。

目前已有多種針對DGA檢測數(shù)據(jù)的分析方法〔2-7〕。IEEE、IEC、CIGRE及相關電力標準均對數(shù)據(jù)的分析方法做了規(guī)定，如多寧堡比值法(Dornenburg ratio method)、羅杰斯比值法(Rogers ratio method)、IEC60599編碼法、大衛(wèi)三角法(Duval Triangle method)等。這些方法的基本原理是利用氣體比例組合作為特征值來分析變壓器故障類型。歸納總結為六類故障：局部放電(PD)、低能放電(D1)、高能放電(D2)、低溫過熱(T1，<300 ℃)、中溫過熱(T2，300 ℃～700 ℃)和高溫過熱(T3，>700 ℃)。為掌握變壓器內(nèi)部故障信息，從而精準制定檢修策略，Michel Duval于2008年提出大衛(wèi)三角四和大衛(wèi)三角五圖示法，用于分析提取更加詳細的變壓器故障信息和圖譜特征。文獻〔8〕提供了大衛(wèi)三角法的自動識別和軟件實現(xiàn)。2014年Michel Duval提出了大衛(wèi)五角法(Duval Pentagon method)，該方法涉及五種氣體的比例特征值，能夠更深入的分析DGA數(shù)據(jù)代表的故障類型。且該方法可單獨用于對變壓器過熱故障進行分析，前提是故障氣體含量濃度和增長速率超過閾值標準。

本文提出了一種基于大衛(wèi)五角法的變壓器自動故障類型識別方法及步驟。第一部分簡要闡述了大衛(wèi)五角法的原理，第二部分介紹變壓器自動故障類型識別的詳細方法，并細化考慮大衛(wèi)五角故障類型判斷的邊界條件。該方法是大衛(wèi)五角法由理論到實踐應用的轉(zhuǎn)化，可延伸為商業(yè)化的故障診斷軟件。最后，應用該方法，分析了某換流變的實際故障案例，驗證了方法的有效性，并對比分析了該方法與三比值方法的差異性。

1 大衛(wèi)五角法的原理

大衛(wèi)五角法是通過計算五種氣體濃度(H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2)的百分比作為五角形的五個邊，構成大衛(wèi)五角圖譜。各百分比的計算公式如式1所示。

(1)

大衛(wèi)五角能夠識別前文提到的六種故障類型(PD、D1、D2、T1、T2、T3)，其分布如圖1所示。此外，大衛(wèi)五角可用于分析各種過熱故障，其分布如圖2所示。S為200 ℃以下伴隨氣體產(chǎn)生的熱故障，0為250 ℃以下且無碳化的過熱，C為伴隨紙板碳化的過熱，T3-H為油中的高溫熱故障。

圖1 六種故障類型分布圖

圖2 過熱故障類型分布

2 基于大衛(wèi)五角法的自動故障識別方法

基于大衛(wèi)五角法原理，本節(jié)將詳細描述基于該方法的變壓器自動故障識別方法和步驟。圖3描述了該方法的詳細流程。該方法主要可分為三個步驟，以下將詳細描述每個步驟的實現(xiàn)方法。

圖3 變壓器自動故障識別方法流程圖

2.1 步驟一：檢測閾值條件

DGA分析的第一步是對油中異常氣體進行閾值分析與判斷，氣體濃度過高或產(chǎn)氣速率增加表明變壓器內(nèi)部存在異常，因此檢測閾值判斷標準很重要。根據(jù)文獻〔9〕和〔10〕，表1總結了閾值判斷標準。

表1 氣體濃度和氣體速率的閾值條件

表中總烴產(chǎn)氣速率raterTCG和C2H2產(chǎn)氣速率rateaC2H2分別按式(2)、式(3)進行計算：

(2)

(3)

式中：CTCG,tn、CC2H2,tn分別為第n次總烴含量和C2H2含量，CTCG,tn-1、CC2H2,tn-1分別為第n-1次總烴含量和C2H2含量，單次采樣時間間隔應在30天以上，m為油的質(zhì)量，ρ為油的密度。若測試油樣不滿足表1的閾值條件，則判斷為合格，相反就可以使用大衛(wèi)五角法進行分析判斷。

2.2 步驟二：轉(zhuǎn)換坐標系

第二步是將測試結果轉(zhuǎn)換為圖1和圖2中所示的五角形坐標系。首先，將式(1)中的五種氣體比例通過式(4)和(5)進行計算，換算到平面直角坐標系中。

(4)

(5)

五個參數(shù)構成五個邊的坐標，五角形中坐標是通過式(6)進行計算。

(6)

大衛(wèi)五角法是利用坐標位置來判斷故障類型或子類型，因此需在平面直角坐標系中繪制五角形區(qū)域。根據(jù)文獻〔1〕中大衛(wèi)五角的定義，表2給出了10種故障類型及子類型的10個故障區(qū)。

表2 故障類型和子類型的坐標邊界

2.3 步驟三：自動識別故障類型及子類型

通過前兩個步驟實現(xiàn)了大衛(wèi)五角的基本圖譜，下一步是根據(jù)DGA數(shù)據(jù)，用DGA軟件自動識別來看故障具體類型。原理是計算出點的坐標具體是位于五角形的哪個區(qū)域。將對應故障區(qū)多邊形的頂點數(shù)計為n，也意味著多邊形由n條邊，點的坐標取為(pi+1x,piy)，即對應到坐標軸為從點開始沿水平方向與多邊形的邊緣相交位置。在軟件識別中，引入?yún)?shù)k，其表達式為(7)。

pix-Cx,i∈[1,n]

(7)

當i=n時，pi+1=p1,此時另一個參數(shù)m由表達式(8)計算得出。

m=(pi-1y-Cy)(pi+1y-Cy),i∈[1,n]

(8)

當i=1時，pi+1=p1。

故障區(qū)掃描從第一個多邊形開始，按照圖4的流程進行。圖中值f表示表2所示的故障區(qū)數(shù)，其中參數(shù)k和m是用于計算與多邊形的交叉次數(shù)，見公式(7)和(8)。若交叉次數(shù)是奇數(shù)，則點位于多邊形內(nèi)，依次進行下個多邊形的計算。最終輸出f表示已識別的故障類型或子類型。

圖4 故障類型和故障子類型的自動識別流程圖

3 應用實例及分析

某換流變在定期油色譜檢測中發(fā)現(xiàn)油中溶解氣體超出氣體濃度和氣體速率的閾值條件(見表1)。因此，對該臺設備進行油色譜跟蹤檢測，檢測結果見表3所示。

表3 某換流變油中溶解氣體檢測數(shù)據(jù)

通過基于大衛(wèi)五角法的自動故障識別方法分析，診斷結果如圖5所示。三組檢測數(shù)據(jù)分析的故障類型和自故障類型一致，點坐標落在中溫過熱(T2)區(qū)域和涉及紙絕緣碳化(C)區(qū)域。因此，經(jīng)過本方法的分析，診斷出該變壓器內(nèi)部存在中溫過熱故障，并伴隨有紙板碳化的過熱。進而推測故障點可能在繞組中。

圖5 異常變壓器數(shù)據(jù)案例應用

利用我國應用最為廣泛的DL/T 722中的改良三比值法分析以上三組氣體，結果也均為中溫過熱(T2)。結論與本文方法結論一致，但本文方法還自動診斷出涉及紙絕緣碳化的子故障模式，更有利于油中溶解氣體檢測技術的故障診斷。最終經(jīng)過廠內(nèi)解體排查發(fā)現(xiàn)，換流變柱2網(wǎng)側(cè)繞組頂部第一餅和第二餅之間糾結位置有黑色炭化痕跡，如圖6所示。

圖6 內(nèi)部過熱碳化痕跡

4 結語

綜上所述，本文研究了一種電力變壓器自動故障識別方法的實現(xiàn)過程。該方法考慮了DGA結果異常的閾值條件，同時提出基于大衛(wèi)五角法的DGA數(shù)據(jù)自動故障識別方法。在一起換流變色譜異常案例分析中，應用了該方法進行分析，經(jīng)返廠檢修驗證，證實了該方法的準確性。本文提出的電力變壓器自動故障識別方法，可作為有效的DGA自動分析方法，作為國內(nèi)通用的三比值法進行比較和參考，進一步改進油中溶解氣體檢測技術的故障診斷準確性。