周毓明， 陳 卓

(西安文理學(xué)院 機械與材料工程學(xué)院，西安 710065)

1 緒論

1.1 變壓器故障診斷的目的和意義

在國家經(jīng)濟高速發(fā)展的時代背景下，電力在各個行業(yè)的地位都在不斷增加，電力系統(tǒng)中最重要的部分就是變壓器，它的作用是變換電壓、分配電能以及電力的傳輸.

變壓器故障診斷技術(shù)主要作用是防止變壓器因故停機而帶來的經(jīng)濟損失.據(jù)文獻資料顯示[1]，美國東部時間2003年8月14日15時左右，美國中西部，東北部及加拿大安略省部發(fā)生大面積停電，損失負荷達61.8 GW，大面積停電導(dǎo)致北美地區(qū)近5 000萬人口生活供電中斷.格林尼治時間2006年11月4日21∶30左右，西歐國家發(fā)生大面積停電事故，涉及8個國家，損失負荷16 GW，大部分地區(qū)1小時后才恢復(fù)供電，部分地區(qū)斷電最長達90 min，德國工業(yè)重鎮(zhèn)科隆一度陷入癱瘓，此次停電事故導(dǎo)致約1 000萬人受到影響.

一般而言，變壓器的容量隨著等級的升高而變大，容量越大的變壓器發(fā)生故障時造成的損失也越大[2].近年來，電力變壓器在材料改進、設(shè)計方法和制造技術(shù)上有所提升，從而運行穩(wěn)定性也有所提高，可仍然做不到零事故.

1.2 變壓器故障診斷的研究現(xiàn)狀

在計算機和人工智能高速發(fā)展的背景下，智能化也逐漸深入變壓器故障診斷當中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論、支持向量機、專家系統(tǒng)、遺傳算法、免疫算法等技術(shù)方法在變壓器故障診斷系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用最能體現(xiàn)故障診斷系統(tǒng)的人工智能化[3].

電力變壓器產(chǎn)生故障的原因多樣復(fù)雜且不易直觀看出，致使判斷故障性質(zhì)和故障產(chǎn)生部位難度大大提升.自20世紀以來，油中溶解氣體法(DGA)就是變壓器故障診斷最常用的方法，它是通過分析變壓器油中溶解氣體的相對含量來判斷故障類型[4]，例如一些很實用的算法三比值法等，但是這些方法都存在普遍的“編碼盲點”問題.為了解決此問題，很多學(xué)者在此基礎(chǔ)上引入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法來判別變壓器故障.

變壓器故障診斷實質(zhì)就是在變壓器運行時判斷是正常還是存在隱患.換言之，即對變壓器未來一段時間的運行狀態(tài)有預(yù)見性[5]，預(yù)測是否會發(fā)生故障；若故障已經(jīng)發(fā)生，要能夠準確地判斷出故障產(chǎn)生的原因和部位以及故障的類型和程度，并能據(jù)此制定相應(yīng)的維修對策.

2 變壓器的故障類型

2.1 基本分類[6]

2.1.1 按發(fā)生故障的部位劃分

繞組故障：發(fā)生在繞組間的相間短路和發(fā)生在線匝之間的匝間短路.

引線故障：發(fā)生在各引線間的相間故障.

套管故障：絕緣套管因老化而裂縫或閃絡(luò)引發(fā)的短路故障.

2.1.2 按故障現(xiàn)象劃分

熱故障是按照它溫度的高低來劃分故障類型，一般將低于一百五十攝氏度定為輕度過熱，大于一百五十小于三百攝氏度定為低溫過熱，在三百到七百攝氏度之間為中溫過熱，若是高于七百攝氏度則是高溫過熱.

電故障分類原則是按照能量密度強度來劃分，主要分為火花放電、高能電弧放電及局部放電.

(1)局部放電：在正常時，伴隨產(chǎn)生的大多為氫氣，其次是甲烷；在10-7和10-6之間時，將會降低氫氣的含量轉(zhuǎn)而會生成少量乙炔，即將因電壓的作用，而產(chǎn)生內(nèi)部某邊緣位置放電并能擊穿的情況.例如：氣泡或者空隙存在于油或者固體材料當中時，那空隙兩邊便會放電而出現(xiàn)部分放電.

(2)當電位變化不定或油中有雜質(zhì)時便會引發(fā)火花放電，這種現(xiàn)象發(fā)生時，通常電能密度在10-6以上，可以通過氫氣和乙炔的氣體相對總烴含量來判斷是否為火花放電.

(3)還有一種放電是由于電能過高而產(chǎn)生的放電——電弧放電，通常電弧放電伴隨的現(xiàn)象是高含量的乙炔氣體和氫，其中能夠占到總烴的40%，其余的氫氣之類的總共能占到60%，它造成的危害也是巨大的，因它造成的事情具有突發(fā)性，故障表現(xiàn)形式是引線會斷裂等現(xiàn)象.

2.1.3 按回路劃分

從回路劃分主要有電路故障、磁路故障和油路故障.

2.2 變壓器內(nèi)部故障

變壓器內(nèi)部故障[1,3]會伴隨一系列現(xiàn)象發(fā)生，通常表現(xiàn)為產(chǎn)氣速度和氣體比重的變化，其原因是由于過長的運行時間，絕緣油和固體材料老化或變質(zhì)后產(chǎn)生氣體，由于變壓器的故障類型和氣體成分之間有著千絲萬縷的關(guān)系，因此在發(fā)生內(nèi)部過熱故障或放電故障時就會運用色譜法檢測故障類型，它的檢測機理就是根據(jù)氣體各含量比重及氣體生成速率來判別.

當變壓器發(fā)生內(nèi)部故障的情況下，故障越嚴重生成氣體的的速度越快，總量越多；故障程度越輕，氣體生成速度越慢，總量越少；若是正常情況，則只有很少量的氣體.據(jù)歷來人們對變壓器故障現(xiàn)象的的研究，得出CO和CO2直接反映著其內(nèi)部絕緣材料是否正常，氫和烴類在油中的含量限值[6]如表1所示，一旦出現(xiàn)其中某一氣體含量超過限制即表明存在安全隱患，就需要更頻繁地檢測并對氣體追蹤，查詢故障部位.總烴(C1+C2)是指CH4,C2H6,C2H4,C2H24種氣體的總量.

表1 氫和烴類氣體在油中的含量限值

運送變壓器的過程中使之損傷，或者在運行中內(nèi)部短路的電磁力造成故障都屬于機械故障，有時還會表現(xiàn)為熱性故障和電性故障[7].

2.2.1 熱性故障

熱故障是變壓器故障中最普遍且頻率最高的故障類型，對變壓器能否穩(wěn)定運行起著決定性作用.繞組溫度過高、漏磁、換氣設(shè)備停止工作、引線故障或者存在異物都容易引發(fā)熱故障產(chǎn)生.

繞組中發(fā)生熱故障通常由兩種類型造成，其一是技術(shù)，其二是質(zhì)量.前者主要指的是技術(shù)發(fā)展跟不上器件和導(dǎo)線的步伐，在技術(shù)上不能完全滿足生產(chǎn)需要，結(jié)果在使用過程中長時間使用的話老化速度很快，進而引起匝間短路發(fā)生熱故障；后者主要指的是材料自身存在缺陷，屬于產(chǎn)品質(zhì)量問題，會造成匝間短路，盡管不是很嚴重，但是長時間在此狀態(tài)下運行，也會逐漸升溫而產(chǎn)生熱故障.

可以根據(jù)變壓器內(nèi)部氣體含量來判斷是否故障，例如當C2H2,CH4含量特別高時，且H2,CH4，C2H6，C2H2的比重占到多半時，則表明已產(chǎn)生熱故障，若氣體的含量還在增加那說明故障也是越來越嚴重，據(jù)此依據(jù)H2和C2H6的比例及變化趨勢判斷熱故障源，并制定接下來的運行規(guī)程和維修內(nèi)容.

2.2.2 電性故障

有一種故障是由于電場能量過大，或?qū)舸┙^緣材料層，此時在變壓器內(nèi)部能量的密度分布不均，若能量集中在間隙中會引起局部放電；如果是斷續(xù)地放電則屬于火花放電；還有種是產(chǎn)生電弧成為電弧放電，這3種類型統(tǒng)稱為電性故障.電性故障對設(shè)備的損害非常致命，會直接損壞絕緣材料，需更換部件才能繼續(xù)使用.

將擊穿線圈內(nèi)部空間或是造成引線斷裂等類似發(fā)生在線圈里面的故障稱為電弧放電，在這種故障發(fā)生時，內(nèi)部會迅速生成大量氣體，而且這種故障很難提前預(yù)測到，因為外觀來看一切正常，內(nèi)部的變化具有瞬時性，稍有不慎就會發(fā)生，因此此類算是頑疾，最好應(yīng)用監(jiān)測技術(shù)并縮短檢測周期以便于及時發(fā)現(xiàn)及時作出相應(yīng)措施.

變壓器受外部環(huán)境影響而導(dǎo)致不能穩(wěn)定運行，例如在運行過程中若負荷不穩(wěn)定，絕緣油體積會出現(xiàn)熱脹冷縮的現(xiàn)象，此時一旦有潮濕的空氣、雜質(zhì)、水分被吸入變壓器內(nèi)部后，會嚴重影響其性能，甚至可能會加快絕緣油的老化，而且在電場力的作用下分解絕緣油，產(chǎn)生氫氣，加速了絕緣油的裂化，導(dǎo)致其絕緣性能下降.由于變壓器油的性能很重要，也特別容易受到外界因素的干擾，目前無法避免，所以需要定期對變壓器進行色譜檢測，在運行前、檢修后使用色譜監(jiān)測至關(guān)重要，將直接影響到變壓器的運行狀態(tài).故障類型和氣體組分間的關(guān)系[1]在文獻GB/T7252 2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》中有明確說明,如表2所示.

表2 故障類型和氣體組分的關(guān)系

2.3 變壓器故障類型的判斷

2.3.1 判斷有無故障

(1)根據(jù)相關(guān)實驗研究結(jié)果，能夠從檢測數(shù)據(jù)得出是否存在故障(數(shù)據(jù)如表3所示).不過在使用時需要注意以下幾點：達到注意值表明有故障征兆，此時需要更加頻繁地檢測，以及時做出反應(yīng)，避免造成不必要的損失；達到故障值即表明故障已經(jīng)發(fā)生，一般為內(nèi)部故障，謹慎起見，應(yīng)適時選擇停止運行，或者改變負荷然后觀察能否運行，不能因小失大，造成人員傷亡或者巨大經(jīng)濟損失.各氣體在不同狀態(tài)下的含量值根據(jù)IEC在熱動力學(xué)原理的基礎(chǔ)上充油電力設(shè)備內(nèi)絕緣故障下產(chǎn)生特殊氣體組分含量的相對濃度與溫度的相互依賴關(guān)系等原理內(nèi)容為基礎(chǔ)，通過實驗得出結(jié)論[1],如表3所示.

表3 氣體注意值和故障值

(2)另外一種判斷方法是：多次不間歇地檢測氣體含量，若是呈明顯的上升趨勢則有故障，若是不明顯則為正常，這種檢測方法適用于任何時候，不管是剛投入使用還是運行多久，都可判斷.想要準確地判斷出變壓器是否有故障，就需要把實際環(huán)境和得到的檢測結(jié)果相結(jié)合來判斷，只是單一地使用數(shù)據(jù)和經(jīng)驗是不夠準確的.

2.3.2 判斷故障類型

如上所述，變壓器存在故障是可以做出判斷的[6,8].若存在故障，則需要進一步對變壓器故障類型及發(fā)生部位做出判斷，以便及時做出修改決策，以下是幾種故障診斷的方法.

(1)特征氣體法：特征氣體法判斷故障類型的原理是各種故障類型與生成的氣體之間的聯(lián)系，只要檢測出各特征氣體的比重就能判斷出故障類型及故障發(fā)生部位的方法.例如檢測到氫氣含量很高而引發(fā)的故障時，此時一般為絕緣油中有潮濕氣體或者水混入；若是碳氫化合物含量很高時，表示故障部位是在固體絕緣物質(zhì)部分，因為碳氫化合物主要是由于絕緣部位故障所分解產(chǎn)生的氣體.嚴重時變壓器內(nèi)部可能出現(xiàn)電弧放電現(xiàn)象.

(2)濃度譜圖法：使用各類氣體主導(dǎo)的故障類型用圖形直觀給出，能看出氣體變化趨勢下故障類型的變化趨勢，把各氣體用直線鏈接得到的圖形來判斷故障類型.

①電弧放電：線圈層間短路、線圈導(dǎo)線熔斷、開關(guān)接頭飛弧、循環(huán)電流引起弧光放電.

②C2H2、CH4主導(dǎo)型：線圈短路，分接開關(guān)級間電弧放電.

③C2H4主導(dǎo)型：導(dǎo)電部分接觸不良，當發(fā)展到部分放電或電弧放電時，H2和C2H2比率增大.例如：開關(guān)接觸不良、接頭部分松脫、絕緣損傷、多點接地等.

(3)綜合判斷和相應(yīng)的技術(shù)措施

在檢測變壓器故障類型時，僅僅使用單一的一種方法如特征氣體法或者濃度圖譜法都不能夠準確得出結(jié)論，需要結(jié)合設(shè)備運行時間和檢修過程綜合概括，這樣有利于準確定位故障類型及部位.

3 變壓器的故障診斷方法研究

3.1 變壓器故障油中氣體色譜檢測

變壓器的故障類型具有易變性，經(jīng)過實驗驗證，油中氣體色譜檢測[1,7]是結(jié)合化學(xué)分析方法，在變壓器故障診斷中準確性很高，能夠檢測出隱藏的故障，這對解決變壓器隱藏故障帶來的安全隱患有重大意義.

油中氣體色譜分析法的原理是利用特定的烴類氣體的速率變化受溫度變化的影響而建立的.據(jù)此人們可以依據(jù)溫度的變化直觀地判斷變壓器是否正常運行.一般來說，溫度變化主要是因為放電、放熱和電弧造成的.

在故障產(chǎn)生時很多氣體都會消解在絕緣油中，只有少部分的氣體會以油質(zhì)表面為載體到繼電器中，因此必須定時檢測變壓器油中的氣體含量，以此來判斷變壓器是正常運行還是存在潛伏故障，避免事故的發(fā)生.經(jīng)優(yōu)化的變壓器氣相色譜分析法在故障診斷時其優(yōu)點顯而易見.實踐中使其應(yīng)用得到不斷推廣，技術(shù)也變得更加完善和成熟.

根據(jù)上述分析和總結(jié)，在使用變壓器故障診斷色譜分析法時需要注意以下方面：

(1)要嚴格分析生成氣體的相對含量，尋找源頭實施優(yōu)化.

(2)判斷存在故障與否并確定故障類型.例如是否屬于短路故障、熱故障、電故障等.

(3)分析掌握故障實時情況.例如溫度是否不斷上漲、安全閥保護功能是否正常、故障現(xiàn)狀及可能的發(fā)展方向等.

(4)依據(jù)情況實施處理方案.例如是否應(yīng)該及時停止運行，需要檢修的部位，是否還需要繼續(xù)監(jiān)測，是否要更換器件，檢修時間及造成的損失最小化等.

3.2 變壓器絕緣故障的色譜分析和在線監(jiān)測方法

氣體色譜分析法[1]目的是希望能夠通過分析變壓器油中溶解氣體比重和生成速度來預(yù)測變壓器是否正常運轉(zhuǎn)，若存在安全隱患則要找出故障部位和類型.變壓器色譜在線監(jiān)測的優(yōu)點在于能夠及時檢測出潛伏的故障，相比于定期檢測技術(shù)更安全，因此在線監(jiān)測技術(shù)廣泛運用于檢測系統(tǒng)，是準確檢測和維修的基礎(chǔ)條件，也為穩(wěn)定運行提供了技術(shù)保障.

3.3 變壓器故障的綜合分析與診斷

在變壓器正常運行的時候，各類氣體含量相對較小，可是一旦發(fā)生故障后就會生成大量的特征氣體(如CO和烴類)，各類氣體不同的變化趨勢比重都會反映某種或某幾種故障，綜合分析技術(shù)就是根據(jù)氣體變化量來判別故障[1,8]：

(1)氫氣含量的變化.變壓器正常運行狀態(tài)下，總氫烴中氫氣的比重約在25%以下，當溫度增加時，它在總烴量中的比重會下降，但是它的量是在上升.變壓器發(fā)生熱性故障和電性故障時會產(chǎn)生嚴重的后果，如損壞絕緣介質(zhì)、擊穿絕緣層等，這就會引起特征氣體的生成.變壓器在內(nèi)部進入潮濕氣體或水分之后長時間運行，也會導(dǎo)致氫氣比重變大.據(jù)此在分析出氫氣的比重后，如果比重特別大，而氣體總量無明顯變化時，首先可判定為故障是因為潮濕氣體進入內(nèi)部，欲想準確判定還需做微水鑒定.常用的處理水份的方法是真空濾油機，然而在實際中，固體絕緣材料中的含水量遠遠大于變壓器油中的含水量，因此這種方法只能去除很少的水分，若是正常情況下則可以用此種方法去除水分.

(2)乙炔變化.一般來說，乙炔的生成是由于電故障的作用，特別是在電弧現(xiàn)象發(fā)生時，乙炔在總烴中的比重最高能超過70%，氫氣在總氫烴的比重最高能超過90%.而且乙炔所占的比重會高于甲烷的比重，變壓器內(nèi)部的各開關(guān)或線匝之間有空隙存在時，會引起放電事故，這時伴隨的現(xiàn)象會是乙炔的含量和比重迅速增加，其他各氣體含量無明顯變化.

(3)甲烷和乙烯氣體的變化.甲烷和乙烯氣體在正常情況下含量不是很高，但是若溫度升高使絕緣油分解后，它們在總烴中的比重會達到80%，其中乙烯的含量還會因故障處的溫度變化而變化，而且乙烯的比重也是最高的.同時也會產(chǎn)生許多甲烷，但是甲烷是由含有甲基的增塑劑等物質(zhì)衍生出來的，衍生出來的量的多少和硫化條件有很大關(guān)系.

(4)一氧化碳和二氧化碳的變化.電故障的情況下產(chǎn)氣速度會瞬間上升，而熱故障相對較緩慢.變壓器絕緣油能使用多長時間取決于固體材料是否正常，上述兩種氣體的含量也能反映固體材料的老化程度.因此在進行變壓器檢查與維修過程中，應(yīng)增加一項檢測內(nèi)容，即一氧化碳和二氧化碳的含量及比重，若是含量過高，則預(yù)示著固體材料的老化程度嚴重，將造成嚴重故障.變壓器運行的時間越長，內(nèi)部發(fā)生的變化越大，除固體絕緣材料氧化和老化之外，也會隨之生成氧氣和烴類氣體.變壓器內(nèi)部生成的一氧化碳和二氧化碳氣體會加速絕緣材料的老化.需要定期檢測二氧化碳的含量及變化量，將老化設(shè)備及時維修，以降低此類事故的發(fā)生幾率，減小損失.

4 結(jié)語

以上幾種氣體與故障類型是線性映射的關(guān)系，可是在現(xiàn)實情況中，不同氣體有時反映的不僅僅是一種故障類型，氣體的產(chǎn)生速率和含量的變化反映出的故障也不是很全面，想要完全避免因故障造成的損失就需要一種能夠及時且能夠完成非線性映射的方法應(yīng)用于變壓器故障診斷系統(tǒng)中，專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等都能為變壓器故障診斷做出技術(shù)支持，這樣才能完善變壓器故障診斷的方法.

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