電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化中變壓器故障診斷研究

摘 ?要：變壓器是電力網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)變壓器的故障進(jìn)行可靠準(zhǔn)確的診斷，是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。本文詳細(xì)的對(duì)變壓器的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了說(shuō)明，并對(duì)常見的故障以及對(duì)應(yīng)的診斷方法進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：變壓器;熱性故障;人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TM76 ???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ???文章編號(hào)：1671-2064（2019）17-0000-00

0 引言

變壓器是電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)電能的轉(zhuǎn)換和傳輸工作，其運(yùn)行的穩(wěn)定性關(guān)系到電網(wǎng)整體的可靠性，從而關(guān)系國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈^[1]。變壓器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件眾多，尤其是高電壓等級(jí)的變壓器，其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，且通常承擔(dān)某個(gè)區(qū)域的電力供應(yīng)，一旦發(fā)生故障，導(dǎo)致變壓器停運(yùn)，將直接導(dǎo)致該區(qū)域電能供應(yīng)中斷，從而引起大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)損失以及相關(guān)的安全事故，因此，對(duì)電力變壓器的故障進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷對(duì)于提高設(shè)備穩(wěn)定性和電網(wǎng)可靠性具有重要意義^[2]。基于上述分析，本文首先對(duì)變壓器的原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，之后對(duì)于變壓器的常見故障進(jìn)行了梳理，之后重點(diǎn)討論分析了現(xiàn)有被廣泛使用的故障診斷方法，并對(duì)其他的新方法進(jìn)行了展望。

1 變壓器組成及原理

1.1 變壓器的組成

變壓器是電力系統(tǒng)中用于電壓轉(zhuǎn)換、電力傳輸?shù)囊环N設(shè)備。其基本的組成結(jié)構(gòu)有：初級(jí)線圈、次級(jí)線圈、鐵芯等，另外為了確保變壓器穩(wěn)定可靠運(yùn)行，還有絕緣保護(hù)裝置和冷卻裝置。初級(jí)線圈為接電源的線圈，其余線圈皆為次級(jí)線圈。鐵芯的作用是作為磁通的通路，加強(qiáng)線圈間的磁耦合。為了降低鐵芯內(nèi)渦流發(fā)熱和磁滯損耗，鐵芯一般由涂絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。冷卻裝置一般分為空氣冷卻和絕緣油冷卻兩種，其中空氣冷卻主要用于低電壓等級(jí)變壓器的冷卻，而絕緣油冷卻的方式最為常見。絕緣保護(hù)裝置承擔(dān)著對(duì)外部及地面的絕緣，防止發(fā)生事故^[3]。

1.2 變壓器的原理

當(dāng)電流流入初級(jí)線圈時(shí)，鐵芯中產(chǎn)生交流磁通。磁通沿著鐵芯傳導(dǎo)至次級(jí)線圈，發(fā)生電磁感應(yīng)，在次級(jí)線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電流，向負(fù)載供電，從而實(shí)現(xiàn)了電能從初級(jí)線圈到次級(jí)線圈的轉(zhuǎn)化。改變初級(jí)線圈、次級(jí)線圈的匝數(shù)，便可改變次級(jí)線圈相對(duì)初級(jí)線圈的電壓，達(dá)到變壓的目的。

2 變壓器常見故障

變壓器的故障設(shè)備面較大，任何部件以及絕緣系統(tǒng)的故障都可能導(dǎo)致不可預(yù)料的故障發(fā)生。根據(jù)劃分依據(jù)的不同，變壓器故障可以劃分為不同的類型。按照本體結(jié)構(gòu)分類，變壓器故障可分為內(nèi)部故障和外部故障;內(nèi)部故障包括：繞組相間短路、繞組匝間短路、繞組或引線與箱體發(fā)生接地故障等，外部故障主要有：緣套管閃絡(luò)、引出線之間發(fā)生相間短路故障等。而在內(nèi)部故障尤其以絕緣故障最為重要，即由于內(nèi)部絕緣發(fā)生異常而導(dǎo)致的故障，主要的故障類型有兩種：熱性故障和電性故障^[4]。

由于變壓器的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，其內(nèi)部絕緣材料和絕緣油會(huì)發(fā)生老化和變質(zhì)，產(chǎn)生氣體。正常情況下氣體生成的速度比較慢。當(dāng)內(nèi)部出現(xiàn)異常高溫或放電時(shí)，不同的氣體成分或比值對(duì)應(yīng)著不同的故障原因，通常氣體產(chǎn)生速度越快，總量越多，故障越嚴(yán)重。若某一氣體含量超過(guò)限值，即表示變壓器存在潛在的故障，需要更加頻繁監(jiān)測(cè)油中溶解氣體情況，并查詢故障的具體部位。變壓器絕緣油分解一般產(chǎn)生：H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2等七種氣體。

2.1 熱性故障

熱性故障是變壓器最常見的故障類型。熱性故障可以以300℃、700℃為分界線分為低溫過(guò)熱、中溫過(guò)熱和高溫過(guò)熱。熱性故障主要是由繞組過(guò)熱、漏磁、風(fēng)扇故障、鐵芯接地、分接開關(guān)接觸不良等原因?qū)е碌?。熱性故障產(chǎn)生的氣體主要以C2H2，CH4為主。

2.2 電性故障

電性故障可以分為局部放電、火花放電和高能放電三種。發(fā)生在變壓器部件空隙間的放電現(xiàn)象叫局部放電?；鸹ǚ烹娨话隳芰棵芏容^小而且具有間歇性的特點(diǎn)。高能放電發(fā)生在繞組間、層間出現(xiàn)絕緣層擊穿時(shí)，產(chǎn)生電弧，并在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量氣體。高能電弧放電很難提前預(yù)測(cè)到，其發(fā)生時(shí)間很短卻會(huì)產(chǎn)生很大的破壞。電性故障會(huì)損壞變壓器絕緣材料，需要更換原件才能正常運(yùn)行。

3 變壓器故障診斷方法

依據(jù)變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，會(huì)使變壓器的絕緣油發(fā)生變質(zhì)分解產(chǎn)生氣體。因此，不同的故障原因與氣體成分之間有著固定的聯(lián)系，通過(guò)對(duì)油中溶解氣體的種類和含量進(jìn)行檢測(cè)，就可以判斷出故障原因。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以在保證變壓器正常運(yùn)行的情況下進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。而測(cè)量直流電阻、絕緣電阻、進(jìn)行短路試驗(yàn)等方式則需要停機(jī)，因此很難實(shí)現(xiàn)。而對(duì)油中溶解氣體成分的檢測(cè)，再對(duì)故障原因及嚴(yán)重程度進(jìn)行初步判定則成為最好的選擇。進(jìn)行特征氣體檢測(cè)應(yīng)注意：氣體含量達(dá)到注意值時(shí)表明有故障征兆，應(yīng)提高檢測(cè)頻率，以便于在故障發(fā)生的第一時(shí)間便能檢測(cè)出來(lái)。當(dāng)氣體含量達(dá)到故障閾值時(shí)，一般認(rèn)為變壓器已經(jīng)出現(xiàn)內(nèi)部故障。出于安全考慮，應(yīng)適當(dāng)降低負(fù)荷或者停止運(yùn)行，直至故障原因查明再?zèng)Q定對(duì)策。

在線油色譜分析是指實(shí)時(shí)對(duì)油中氣體進(jìn)行采集和分析，判斷可能發(fā)生的故障及其嚴(yán)重性。其分析原理與特征氣體檢測(cè)一致。該系統(tǒng)通過(guò)固定在絕緣油中的脫氣模塊來(lái)吸附油中的氣體，再送入氣相色譜模塊分析其色譜。分析出來(lái)的色譜信息會(huì)被送入控制模塊進(jìn)行分析。控制模塊會(huì)根據(jù)設(shè)定的程序分析并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，并決定是否報(bào)警。這種檢測(cè)方法代替了人工實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，能做到24h不間斷監(jiān)控變壓器情況，為變壓器的安全運(yùn)行提供了可靠的保障。基于油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取故障產(chǎn)生的各個(gè)氣體含量之后，即可利用相關(guān)的診斷方法對(duì)變壓器的故障進(jìn)行診斷。

3.1 三比值法

三比值法是常用的一種氣體成分及含量數(shù)據(jù)的處理方法。所謂三比值，即：CH4/H2，C2H4/C2H6，C2H2/C2H4三個(gè)氣體含量比值，不同的比值對(duì)應(yīng)不同的編碼，如表1所示，之后根據(jù)不同的比值編碼組合，如表2所示，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的診斷。這種方法避免了氣體體積的干擾，診斷結(jié)果較為準(zhǔn)確^[5]。

但三比值法仍有自己的局限，即該方法所能診斷的故障類型有限，可能會(huì)導(dǎo)致誤判或無(wú)法判斷。

3.2 專家系統(tǒng)診斷方法

專家系統(tǒng)（Expert System，簡(jiǎn)稱ES）是一種人工智能技術(shù)，其將大量的現(xiàn)場(chǎng)專家經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提取為診斷規(guī)則，現(xiàn)成知識(shí)庫(kù)。在氣體發(fā)生波動(dòng)時(shí)，利用故障的具體表現(xiàn)與專家系統(tǒng)中的知識(shí)庫(kù)進(jìn)行批評(píng)，從而實(shí)現(xiàn)故障的診斷，并給出診斷依據(jù)。基于專家系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)變壓器故障的準(zhǔn)確診斷，此外，專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)是動(dòng)態(tài)的，可以根據(jù)專家知識(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的擴(kuò)充^[6]。

3.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，簡(jiǎn)稱ANN）是人工智能的重要分支，在變壓器的故障診斷中，將以往變壓器發(fā)生故障時(shí)，油中溶解氣體的情況與診斷結(jié)果作為訓(xùn)練樣本輸入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，基于反向傳播訓(xùn)練方法訓(xùn)練該人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以得到較為準(zhǔn)確的用于診斷的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器^[7]。當(dāng)再次出現(xiàn)溶解氣體異常變動(dòng)時(shí)，將氣體數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)，即可以得到相應(yīng)的診斷結(jié)果。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也是動(dòng)態(tài)變化的，新產(chǎn)生的故障實(shí)例將不斷作為樣本加入到訓(xùn)練集中對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，隨著樣本的增加，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別準(zhǔn)確率也相應(yīng)的增加。

4 結(jié)語(yǔ)

電力變壓器時(shí)是網(wǎng)的重要設(shè)備，對(duì)其故障進(jìn)行準(zhǔn)確的分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文首先對(duì)變壓器的組成和原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并對(duì)電力變壓器的熱性故障和電性故障進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。油中溶解氣體分析方法是對(duì)變壓器進(jìn)行診斷的重要方法，基于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取油中溶解氣體數(shù)據(jù)之后，即可利用診斷方法實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的診斷。傳統(tǒng)的方法主要基于三比值法，之后為了彌補(bǔ)三比值法的缺陷，四比值被提出，但是仍然，沒有徹底的解決問(wèn)題。隨著智能技術(shù)的發(fā)展，專家系統(tǒng)法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法也被應(yīng)用到電力設(shè)備診斷領(lǐng)域，并且取得了比較好的效果。

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收稿日期：2019-07-31

作者簡(jiǎn)介：馮文正，男，山東膠南人，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。