市場服務
Market Service
變壓器在線監測與故障診斷技術分析
1 引言
作為電力系統中電壓轉換與電能分配的重要設備，變壓器的運行狀態關系著整個電網運行的安全與經濟性[1-2]。近年來，隨著對電力需求的快速增長，我國“東電西送”等政策下的超、特高壓以及高壓輸電工程如雨后春筍般的展開建設，為了滿足電網建設需要，變壓器也朝著大容量方向發展。新的不同種類、容量的變壓器投入，對變壓器的穩定可靠運行，尤其是能否及時發現故障并解決之提出了更高要求。電力工作者的關注點主要集中在電力變壓器故障檢測與診斷方法技術、故障類型以及解決措施等方面。學者們對也對應進行了大量的探究。文獻[3]總結闡述了變壓器常見的故障診斷與檢測方法，并指出要科學合理的運用診斷技術。文獻[4]指出能及時發現并掌握變壓器的故障來源、類型與故障程度，能一定程度上預防并減少電力安全事故的發生，文章分析總結了電力變壓器故障的綜合分析原則與方法。文獻[5]在總結電力變壓器故障類型時，指出變壓器故障形式多樣，要迅速掌握故障類型就要求從業人員熟悉變壓器的內部構造并進行理論化學習。因此，研究變壓器的故障監測與診斷技術，分析總結故障類型并提出相應解決措施十分必要。
2 變壓器組成原理及分類
2.1 變壓器的組成
變壓器是電力系統中華用來進行電壓和電流轉換、電能傳輸的一種設備。其最基本結構部件包括鐵芯、繞組、絕緣以及引線等部分。此外，為了運行的安全經濟與可靠，還裝設有散熱冷卻裝置和保護裝置。其中，鐵芯是變壓器中磁力線的通路，由表面涂有絕緣漆的硅鋼片組成，一方面集中并加強磁通作用，另一方面來支持繞組。繞組是變壓器中電流的通路，通過繞組形成電流通路，再由電磁感應作用產生感應電動勢，繞組通常為兩個或兩個以上。變壓器套管是一種絕緣裝置，它將高壓繞組和低壓繞組的引線接到油箱外部，并承擔著引線對地的絕緣。此外，還可以固定引線。冷卻裝置：冷卻裝置是對運行中的變壓器進行了冷卻的設備，是用來散發運行中繞組等產生的熱量的。
2.2 變壓器的原理
變壓器是變換交流電壓、電流以及阻抗的設備，其繞組是由線圈和鐵芯組成，其中接電源的繞組叫一次繞組，其余的繞組叫二次繞組。當一次繞組中通入交流電流時，鐵芯中便產生交流磁通，交變磁通的頻率和外加電壓頻率一致，根據電磁感應定律，當交變磁通通過二次繞組時，使二次繞組產生感應電動勢，從而向負載供電，實現電能轉換，改變一、二次繞組線圈匝數，即可實現電壓變化，這就是變壓器的基本工作原理。簡單說變壓器就是一種利用電磁互感應作用達到電壓，電流和阻抗變換的設備。其原理圖如附圖所示。
2.3 變壓器的分類
變壓器按相數可分為單相變壓器和三相變壓器。單相變壓器主要用于單相負荷和三相變壓器組，而三相變壓器主要用于三相系統的升、降電壓。按照變壓器繞組形式可歸為雙繞組變壓器（用于連接電力系統中的兩個電壓等級）、三繞組變壓器（用于電力系統區域變電站中）和自耦變電器（用于連接不同電壓的電力系統）三類。根據變壓器的按冷卻方式的不同，主要有干式變壓器和油浸式變壓器：干式變壓器以空氣冷卻和絕緣，通過空氣自然對流或者裝有風機冷卻系統，一般為容量較小，體積較大，噪聲嚴重。二油浸式變壓器主要用絕緣油作為冷卻何絕緣介質，包括自然油循環冷卻和強迫油循環冷卻方式等。具有散熱好、容量大、損耗低、價格低等特點，并能很好地解決“油流帶電”及“噪音”等問題，多用于變電站主變。
3 變壓器故障類型及現象分析
變壓器常見故障以本體劃分，可分為內部故障和外部故障，內部故障是指變壓器本體內部絕緣或繞組出現的故障，例如各繞組間的相間短路、匝間短路等；外部故障是指變壓器輔助設備出現的故障，例如絕緣套管閃絡放電等。對于油浸式變壓器，按其結構可分為繞組故障、油質故障、鐵芯故障以及附件故障；按其回路可分為磁路故障、電路故障和油路故障；按其故障發生的部位可分為分接開關故障、套管故障、絕緣故障和鐵芯故障等。
3.1 響聲異常
變壓器正常運行發出的是均勻穩定的“嗡嗡”聲。當發生其它響聲時，說明出現故障，應及時查找。如果是較高且深沉的“嗡嗡”聲，可能是因為長時間過負荷導致；如果有“吱吱”聲，說明內部出現放電可能，或者絕緣老化；如果有水沸騰聲音，說明內部可能有短路等繞組嚴重故障導致過熱或者使油氣化產生氣體；如果聽到大的爆裂聲，這可能是由于內部絕緣擊穿引起。此時，應立即停止運行并檢查維修。例如某電站在巡檢時發現35kV箱變有放電聲，經查詢發現高壓側A相接線處有電火花，及時報告停運檢修，避免了安全事故的發生。
3.2 溫度及油位異常
在外界條件不變條件下，如果負荷并沒有增加，而出現繞組或絕緣油溫度持續升高，這可能原因有：內部出現短路等，鐵心渦流異常，絕緣老化，長時間過負荷運行，三相不平衡的負載、冷卻裝置損壞、散熱器堵塞等方面造成；當然也有可能是測溫裝置損壞導致誤報。常見的油位異常有假油位和油位下降。假油位可能由于呼吸器或者防爆管通氣孔堵塞造成，低油位最大的可能是滲漏油，滲漏油一般是由內部壓力過大、膠墊較密封不合格等引起的。
3.3 絕緣及套管故障
電力設備故障一半以上都與絕緣故障有關。變壓器主要的絕緣包括內部繞組、鐵芯及絕緣油，外部主要為套管，內部絕緣問題主要是由于絕緣材料老化或者機械磨損，以及絕緣油發生反應降低絕緣性能導致；密封不嚴，導致絕緣受潮也會引起此類故障。外部套管可能由于積污發生閃絡，套管破裂等導致絕緣故障出現。絕緣問題引起的電力事故損失往往較大，如若能及早的發現并解決，可將電力事故風險或損失降低到最小。因此，為保證絕緣材料的性能，在日常運行維護中，要特別注意絕緣性能方面的監測。
3.4 短路及放電故障
短路故障是電力變壓器使用中最常見的故障。引起它的原因是多方面的：絕緣材料的老化擊穿、內部電磁環境影響等自身因素，材質不好、設計工藝質量差等質量問題，接地線斷路、異常電壓等外部環境以及運行維護不當等人為因素。放電現象多是由于絕緣材料老化損壞絕緣性能下降、或者接線斷裂，鏈接不良等等造成放電。例如上述例子變壓器就是由于高壓側未擰緊的接線螺絲掉落，導致放電，最終導致絕緣套管破裂。短路、放電故障還會引起其它更為嚴重的故障。
3.5 多點接地故障
變壓器鐵心發生多點接地也是多方面引起的。安裝技術不過硬 ，使鐵芯或者套管引線碰到外殼；穿心螺栓鋼座套過長，與硅鋼片短接；鐵芯絕緣部分受潮或者遇到損傷、潛油泵軸承磨損以及鐵銹與焊渣，使鐵芯或者箱底多點接地；接地片質量不好造成短路等。鐵芯多點接地將會造成鐵心的局部過熱，氣體繼電器頻繁動作，嚴重時會造成鐵心的局部燒損，釀成事故。因此，能否及時檢測到此類故障，并采取相應的措施排除故障顯得尤為重要。
3.6 瓦斯保護故障
瓦斯保護是變壓器的主保護，輕瓦斯時發出信號，重瓦斯時則跳閘。輕瓦斯保護動作后發出信號的主要原因為：變壓器內部存在輕微的故障；二次回路出現故障；變壓器內部出現空氣等。此時工作人員應立即展開排查，發現異常現象，及時解決；反之，則進行氣體取樣分析。重瓦斯保護動作跳閘原因：變壓器內部可能出現嚴重故障，造成絕緣油分解出大量氣體，或者可能因為二次回路故障等。此時，應先將備用變壓器投入，之后開展外部檢查，排查順序油枕防爆門、各焊接縫是否裂開，變壓器外殼有無變形，氣體的可燃性如何。當變壓器自動跳閘時，同樣應先將備用變壓器投入，并進行變壓器外部檢查（包括油枕，防爆管，各焊接縫是否裂開，變壓器外殼有無變形，氣體的可燃性情況），查明保護動作情況。
3.7 其他故障
變壓器故障的分類方法很多，又互有交叉。常見的變壓器故障還有繞組故障、鐵芯故障、接線故障、二次側故障等其他故障，但是每種故障的出現原因并不是單一的，且各種故障之間相互影響，互為原因。故不在此一一贅述。
相關資料[6]也表明：短路故障是故障率最高，對變壓器影響最嚴重的故障，同時還伴隨著油滲漏故障、油流帶電故障或者保護誤動故障等多種故障；事故影響最大的是絕緣類故障，而且其故障率是隨時間變化的。
4 故障檢測與診斷方法
作為電力系統重要設備的變壓器，如若發生故障，將對電網造成很大損害。為了防止和減少這類事故，變壓器的故障檢測和診斷也就顯得尤為重要。變壓器故障檢測與診斷就是對變壓器運行狀態和異常做出實施監測與判斷。變壓器故障檢測與診斷的方法可分為基于觀察、試驗的傳統方法，基于數學模型理論診斷法（也可歸為人工智能法）和基于計算機人工智能的智能方法。
4.1 傳統故障診斷法
傳統方法包括: 直接觀察法、特征氣體判別法、變壓器預防性電氣試驗、變比測量法等。
（1）直接觀察法。觀察法主要是通過人們的感覺器官，用眼看油顏色是否變渾濁，套管是否破裂或者碳化，油箱是否滲油，用耳聽聲音是否正常，有無放電聲，用鼻子聞是否有異常氣味，用手摸變壓器是否嚴重發熱，但這種方法必須要求工作人員具有豐富的實踐經驗，一旦發現有這些情況，及時進行維護處理。
（2）特征氣體判別法。特征氣體判別法是判斷變壓器故障類型的重要方法。變壓器產生故障時，可能引起故障點周圍油的熱裂解，產生和某種故障相關的如H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H4、CO等氣體，這些氣體會部分或全部溶解在絕緣油中。因此，可根據油中氣體的類型和含量來判斷故障的類型。這種方法有利于發現變壓器的早期潛伏性故障且針對性強，具有比較直觀、方便的特點，但在氣體含量很小的情況下這種方法無法做出的判斷。
（3）變壓器預防性電氣試驗法。電氣試驗通常可以確定故障部位及性質，主要包括針對絕緣故障的絕緣試驗、判斷繞組故障的電阻試驗、絕緣油簡化試驗。該方法是保證電力系統安全運行的有效手段之一，是電力設備運行和維護工作中的一個重要環節。預防性試驗主要包括對設備進行檢查、取氣樣或油樣 ，實驗項目主要包括油中溶解氣體的色譜分析、繞組絕緣電阻及吸收比、繞組直流電阻檢測、絕緣油檢測、鐵芯絕緣電阻檢測和交流耐壓檢測等。
（4）變比測量。通過變比測量，可以檢查出變壓器繞組匝數比的正確性、分接開關的情況和是否存在匝間短路等。
4.2 數學模型診斷法
（1）基于模糊理論的故障診斷法。變壓器在運行中發生故障時，其故障現象、原因和機理之間存在大量的由于排中律缺失而引發的不確定性，然而通過模糊理論即可對其準確描述。該方法是在專家經驗的基礎上，通過隸屬度函數來描述狀態變量的變化規律，因此，其主觀性較強。
（2）基于粗糙集理論的故障診斷法。該理論是由Pawlak于1982年提出，其可對不精確、不一致、不完整等各類不完備信息進行有效分析和處理，并通過揭示數據間隱藏的規律，提取有效的信息。
4.3 人工智能方法
上述方法雖可有效分析變壓器的故障類型，但需要工作人員的專業素質較高，且比較復雜繁瑣，易受人為因素等影響，變壓器的故障類型繁多，故障原因復雜多變，且相互轉化，上述診斷方法均存在滯后甚至需要的停電。近年來，隨著計算機、傳感器、人工智能的發展，國內外學者實現變壓器的在線監測，可在不停電的狀態下及時發現問題，并預防事故的發生。人工智能方法以可分為模糊邏輯、人工神經網絡、專家系統、進化算法、遺傳算法等。
（1）人工神經網絡。人工神經網絡是一種模擬大腦行為和活動過程的非線性動力學網絡系統的智能分析方法。它具有大規模并行處理信息的能力，還具有極強的容錯性及自學習功能，能映射高度非線性，可有效處理不完全和不精確的信息。目前，該技術在各類大型發輸配電氣設備上廣泛應用。BP神經網絡作為一種人工神經網絡的前饋網絡，能夠建立任意的非線性模型，對輸入和輸出之間實現非線性映射，可實時全工況地對電氣參數進行動態計算，其有明顯，但單一的神經網絡方法仍然有缺陷，其極易陷于局部收斂和收斂速度慢的弊端。
（2）遺傳算法。遺傳算法故障診斷技術是受生物進化的啟發而提出的一種智能分析法，它可分為變異、交叉、選擇等幾個階段，與人工神經網絡相比，其具有可實現全局搜索的優勢；而且能夠通過動態變異和基因多點交叉方式，選出最優種群，據此優勢可構建遺傳算法在線診斷系統。任何方法都是有缺陷的，遺傳算法就有執行效率低的缺點。
（3）專家系統。專家系統將人工智能技術與專家的知識相結合的計算機程序。其工作方式是以知識庫中的相關知識和專家經驗為前提，進行推力判斷，從而實現幫助用戶決策。變壓器的故障類型多樣，相關專家知識較少，在變壓器故障診斷中使用專家系統時，應不斷的修改、刪除或者增加知識庫中相關專家知識，以保持知識庫有效性和實時性；因為現實中變壓器的類型較多，出現的故障更是多種多樣，如若專家知識庫相關數據不正確或不完善，必然會影響到準確的決策。該方法雖然效率較高但也存在知識獲取的“瓶頸”問題，并且無法自我完善。
綜上所述，變壓器故障種類繁多且復雜多變，隨著計算機技術的發展和人工智能技術的投入，使得對應的故障檢測與診斷方法類型多種多樣，也提高了在線監測與診斷的水平。但單一的方法局限性仍然較大，為了彌補不足，有學者將遺傳算法和人工神經網絡算法有效結合起來。通過遺傳算法來確定人工神經網絡的初值，能很好的克服人工神經網絡收斂速度慢和局部收斂的問題。還有學者將粗糙集理論和遺傳算法結合的約簡算法，可通過全局并行尋優，極大地提高了遺傳算法的執行效率。另外，即使作為國內外普遍看好的對油浸變壓器在線監測最方便、有效的方法之一的油中溶解氣體分析（DGA）技術，目前也隨著計算機的快速發展，將智能算法應用到故障診斷中，極大地提高了對運行中變壓器故障診斷的能力，同時提高了電力變壓器運行的安全可靠性。故合理的將多種方法有效結合，便可在變壓器故障監測與診斷上達到優勢互補、事半功倍的效果。
5 結束語
變壓器在電力系統中承擔著重要的角色，變壓器故障的發生，也影響著國民經濟與生活。因此，為了能夠準確、及時、有效的識別出故障類型及故障點甚至做到預防，就需要有更為智能可靠的監測與診斷技術。由于實際運行中的變壓器種類多，故障類型更是多樣，且復雜多變，而對應的故障監測與診斷方法也五花八門，且各有其優缺點，因此，工作人員需要科學合理的選用合適的故障監測診斷技術，當然工作人員也需要提高自身專業素質。通過采用科學合理的故障監測與診斷方法，利用先進技術，可將多種方法結合以整合其優點對變壓器進行監測與診斷，從而提高監測與診斷效率，保證電力系統安全經濟的運行。
上一頁
下一頁
上一頁
下一頁
