郇毅旋

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司電力公司， 山西 太原 030053）

引言

在煤礦生產(chǎn)作業(yè)中，變壓器是井下供電系統(tǒng)中的重要一環(huán)，其運(yùn)行狀態(tài)和穩(wěn)定性直接影響企業(yè)安全生產(chǎn)。即使變壓器設(shè)計(jì)性能優(yōu)良、電氣強(qiáng)度足夠，在生產(chǎn)制造和投產(chǎn)使用環(huán)節(jié)依然存在一些難以避免的缺陷，導(dǎo)致變壓器運(yùn)行故障，進(jìn)而影響礦區(qū)生產(chǎn)，導(dǎo)致火災(zāi)和人員傷亡事故。因此，分析和研究煤礦井下變壓器常見故障及其診斷方法及其重要。

1 煤礦井下變壓器常見故障分析

1）鐵芯故障。變壓器鐵芯故障主要分為局部發(fā)熱以及緊固螺桿對(duì)地絕緣不良兩種，其中以局部發(fā)熱較為多見，導(dǎo)致鐵芯局部發(fā)熱的原因主要是鐵芯多點(diǎn)接地、繞組短路、絕緣膜老化、輸入電壓幅值偏高、外部短路、負(fù)載諧波以及電源頻率不穩(wěn)等等。為解決緊固螺桿對(duì)地絕緣不良問題，首先應(yīng)規(guī)范開展絕緣電阻測(cè)試，細(xì)致檢查絕緣管，確認(rèn)有無(wú)接觸不良問題[1]。

2）繞組故障。繞組易導(dǎo)致相間短路、繞組接地、匝間短路和斷線等故障問題，此類故障可能是制造或檢修操作環(huán)節(jié)遺留的內(nèi)部絕緣老化引發(fā)，他可能是運(yùn)行期間絕緣老化所致。變壓器制造環(huán)節(jié)，壓制不緊可引起短路沖擊，進(jìn)而導(dǎo)致繞組變形以及絕緣受損問題；運(yùn)行狀態(tài)下，變壓器內(nèi)部熱量不斷積聚，侵蝕繞組絕緣并致其逐漸老化；長(zhǎng)時(shí)間過載運(yùn)行有較大幾率損壞變壓器繞組絕緣；大面積接觸空氣、油內(nèi)進(jìn)水同樣會(huì)引起油的酸價(jià)偏高，大大削弱繞組絕緣水平，易引起絕緣擊穿事故；受潮會(huì)導(dǎo)致繞組絕緣膨脹，進(jìn)而堵塞油道，導(dǎo)致局部過熱問題；而在絕緣擊穿狀態(tài)下，繞組易發(fā)生接地故障或短路；出現(xiàn)匝間短路故障的變壓器自身過熱，油溫亦會(huì)明顯升高。應(yīng)注意的是，輕微故障易誘發(fā)瓦斯保護(hù)動(dòng)作，情況嚴(yán)重則會(huì)導(dǎo)致電源側(cè)過電流保護(hù)以及差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。如果明確有匝間短路故障，檢修人員應(yīng)第一時(shí)間處理，以免導(dǎo)致相間短路以及單相接地等故障。

3）套管故障。套管故障并非變壓器常見故障，但屬于嚴(yán)重故障，可威脅變壓器運(yùn)行，甚至引起著火、爆炸事故，危險(xiǎn)性極高。爆炸、閃絡(luò)和漏油是比較常見的幾種套管故障，其發(fā)生既與套管設(shè)計(jì)存在密切關(guān)聯(lián)，同時(shí)也容易受到人為因素的影響。設(shè)計(jì)因素主要包括設(shè)計(jì)不合理、瓷質(zhì)不良、裂紋/沙眼引起密封不嚴(yán)而漏油等等；人為因素主要在于安裝檢修環(huán)節(jié)，譬如保管、運(yùn)輸過程中缺乏經(jīng)驗(yàn)，套管積垢較多，易引起閃絡(luò)、爆炸[2]。

4）瓦斯保護(hù)故障。瓦斯保護(hù)分為兩種，一種為輕瓦斯，另一種為重瓦斯。輕瓦斯僅有信號(hào)提示而無(wú)跳閘動(dòng)作，主要原因在于變壓器內(nèi)部匝間短路、絕緣劣化、鐵芯發(fā)熱以及油面下降等因素；繞組接頭彼此接觸不良可引起發(fā)熱和少量氣體；環(huán)境溫度短時(shí)間內(nèi)急劇下降，油面較氣體繼電器輕瓦斯浮筒更低；冷卻、加/濾油系統(tǒng)密封不嚴(yán)，導(dǎo)致空氣混入變壓器內(nèi)部。重瓦斯動(dòng)作的因素主要包括內(nèi)部多相短路、鐵芯故障、繞組與外殼/鐵芯短路、套管內(nèi)部故障；穿越性短路故障、分接開關(guān)接觸不良等等。

2 煤礦井下變壓器故障的常規(guī)診斷

1）觀察。對(duì)于出現(xiàn)故障的變壓器，檢修人員首先應(yīng)確認(rèn)儀表和套管是否處于正常工作狀態(tài)，細(xì)致觀察有無(wú)冒煙異臭、有無(wú)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)等現(xiàn)象。

2）分析。這里主要是指油中溶解氣體分析法，按照《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》相關(guān)內(nèi)容，變壓器異常發(fā)熱或放電狀態(tài)下可產(chǎn)生甲烷、乙烷、乙炔、氫氣、二氧化碳、一氧化碳等氣體，并對(duì)這些氣體的含量與比值做了明確規(guī)定，檢修人員可通過特征氣體法、改良三比值法以及羅杰斯比值法來診明故障原因[3]。

3）繞組直流電阻測(cè)量法。檢修人員可采用繞組直流電阻測(cè)量法對(duì)分接開關(guān)接觸不良、繞組斷路、繞組匝間短路、導(dǎo)線接觸不良等故障加以判斷，同時(shí)適用于評(píng)估各相繞組電壓比平衡與否、調(diào)壓開關(guān)檔位正確與否。該方法也是檢修人員評(píng)估變壓器縱絕緣的一種主要手段，并對(duì)電流回路連接狀態(tài)做出直觀反映。

4）空載與短路試驗(yàn)、阻抗測(cè)量。繞組變形是引起變壓器故障及事故的一個(gè)直接因素，并有較大幾率引起內(nèi)部磁路結(jié)構(gòu)異常變化，對(duì)空載電流、短路損耗和阻抗產(chǎn)生影響。檢修人員利用分相電壓短路試驗(yàn)可明確繞組變形引起的繞組股間放電與匝間放電問題。

3 煤礦井下變壓器故障的智能診斷

1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)擺脫了人工干預(yù)和建立物理模型的支持，屬于簡(jiǎn)單非線性函數(shù)的多次復(fù)合，將樣本輸入與主機(jī)故障狀態(tài)二者聯(lián)系起來。檢修人員可通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開展油中溶解氣體分析與診斷，然而該技術(shù)方法缺陷較多。主要表現(xiàn)在過于復(fù)雜的輸入輸出關(guān)系以及數(shù)量眾多的學(xué)習(xí)樣本數(shù)目會(huì)減慢標(biāo)準(zhǔn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的收斂速度，或存在發(fā)散現(xiàn)象。此外，標(biāo)準(zhǔn)BP算法常常為陷入局部極小值、對(duì)初值要求嚴(yán)格等事件所困擾。

2）支持向量機(jī)。研究表明，支持向量機(jī)優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在樣本量少、可解決非顯性、維數(shù)較高等方面，檢修人員可通過支持向量機(jī)來識(shí)別煤礦井下變壓器故障類別，明確該故障模式。采用支持向量機(jī)的方法來診斷變壓器故障，其操作主要是整理收集數(shù)據(jù)樣本，并將其分訓(xùn)練集與測(cè)試集。歸一化處理樣本數(shù)據(jù)后分析最優(yōu)參數(shù)值，然后收集樣本數(shù)據(jù)，驗(yàn)證計(jì)算得到的數(shù)值，以此對(duì)診斷正確率做出評(píng)估判斷[4]。

3）專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常分為知識(shí)庫(kù)、人機(jī)接口、推理機(jī)、解釋系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)等幾大部分，其中知識(shí)庫(kù)主要是存儲(chǔ)專家輸入的專業(yè)知識(shí)，人機(jī)接口主要是利用下拉式菜單來轉(zhuǎn)換系統(tǒng)關(guān)于提問和推理的答復(fù)/結(jié)果，向用戶展示系統(tǒng)的解釋說明，確保這種人機(jī)交互模式最終為用戶所接受。

4）信息融合。在現(xiàn)代化信息浪潮下，信息自動(dòng)綜合處理成為各領(lǐng)域各行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，信息融合技術(shù)主要包括三個(gè)層次：數(shù)據(jù)層融合、特征層融合與決策層融合。其中數(shù)據(jù)層融合主要是指處理采集整理的原始數(shù)據(jù)，可視為信息的傳感器級(jí)融合；特征層融合則是對(duì)加工處理數(shù)據(jù)后產(chǎn)生的特征信息加以融合；決策層融合主要是融合不同渠道結(jié)果以及決策信息。檢修人員可以結(jié)合實(shí)際情況選擇獨(dú)立使用這三種融合技術(shù)，當(dāng)然也可以組合使用。關(guān)于煤礦井下變壓器故障的信息融合診斷方法如下。如圖1所示，數(shù)據(jù)層主要融合局部放電測(cè)試以及油中溶解氣體檢測(cè)兩個(gè)單元的初步信息，確保原始信息量盡可能多，并實(shí)現(xiàn)糾正誤差的目的；特征層基于D-S證據(jù)理論進(jìn)行信息融合，選擇特征數(shù)據(jù)提供證據(jù)支持；決策層主要接收來自特征層的數(shù)據(jù)輸出，并結(jié)合輸出數(shù)據(jù)、SCADA數(shù)據(jù)、檢修記錄、離線故障狀態(tài)試驗(yàn)以及專家建議進(jìn)行數(shù)據(jù)信息融合，最終明確變壓器故障。該模式有效提高了診斷準(zhǔn)確性，不確定性被最大限度減小[5-6]。

圖1 煤礦井下變壓器故障的信息融合診斷方法

4 結(jié)語(yǔ)

煤礦變壓器在運(yùn)行過程中，經(jīng)常發(fā)生各種事故，為了減少和防止變壓器出現(xiàn)故障，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：首先，必須細(xì)心觀察，對(duì)變壓器進(jìn)行定期檢查，對(duì)變壓器外觀進(jìn)行定期巡檢，發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象立即采取措施；其次，要對(duì)變壓器進(jìn)行科學(xué)的診斷，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果綜合分析，初步判斷變壓器是否正常。通過上述方式，能夠有效地對(duì)煤礦變壓器進(jìn)行故障診斷，保證煤礦井下供電安全。