劉光偉， 關(guān) 宇， 董 明， 馬鑫晟， 唐云鵬， 劉柏延， 盧 毅

（1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院，北京 100045；2.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045；3.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；4.國(guó)家電網(wǎng)有限公司華北分部，北京 100053）

0 引 言

變壓器是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性有著十分重要的意義。變壓器故障主要發(fā)生在鐵心、套管、分接開關(guān)、繞組和油箱等部分。由于繞組是變壓器內(nèi)部主要承受電、熱以及機(jī)械應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，繞組故障是變壓器各類故障中較為常見的故障類型。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，電力變壓器繞組故障中，匝間短路故障占比為50%～60%[1-2]。

變壓器內(nèi)部的絕緣體系主要為變壓器油和油紙絕緣，少數(shù)采用樹脂絕緣或SF6絕緣等形式。對(duì)于匝間絕緣來說，其絕緣系統(tǒng)通常為油紙絕緣。在變壓器的長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，其受到電、熱、機(jī)械等應(yīng)力的影響，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致絕緣劣化，甚至最終導(dǎo)致設(shè)備故障和停運(yùn)。

變壓器匝間故障的早期，其特征主要為局部放電或局部過熱。但隨著局部放電、局部過熱的產(chǎn)生，可能導(dǎo)致變壓器絕緣系統(tǒng)進(jìn)一步劣化，其振動(dòng)特性也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)的松動(dòng)與脫落，最終導(dǎo)致匝間擊穿形成匝間短路故障。匝間短路故障的危害是巨大的，主要表現(xiàn)在兩方面：一方面匝間短路故障會(huì)在變壓器內(nèi)部產(chǎn)生巨大的短路電流，由此引發(fā)強(qiáng)大的電動(dòng)力，導(dǎo)致變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，使變壓器不能正常運(yùn)行，甚至引發(fā)火災(zāi)燒毀變壓器；另一方面匝間短路故障會(huì)使變壓器的勵(lì)磁發(fā)生改變，并使變壓器產(chǎn)生較為劇烈的振動(dòng)，影響設(shè)備的壽命和穩(wěn)定性。因此，有必要在變壓器匝間故障的早期對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和判別，并及時(shí)通過停電檢修等手段防止故障進(jìn)一步發(fā)展，避免變壓器發(fā)生更嚴(yán)重的匝間短路、餅間擊穿、相間短路、主絕緣擊穿等故障[3-4]。

由于匝間故障通常伴隨著局部放電或局部過熱，可通過對(duì)放電和過熱進(jìn)行檢測(cè)來表征匝間故障的發(fā)生與否和嚴(yán)重程度。而局部放電又會(huì)產(chǎn)生如超聲、光學(xué)、特高頻等各類物理信號(hào)，油紙絕緣系統(tǒng)的劣化也會(huì)產(chǎn)生各類油中溶解氣體和油中溶解物。因此，可以通過檢測(cè)變壓器局部熱點(diǎn)溫度、放電產(chǎn)生的各類物理信號(hào)、油中溶解物等手段，對(duì)匝間故障進(jìn)行表征。總的來說，匝間故障的檢測(cè)手段可分為油中溶解物分析和局部放電檢測(cè)兩大類，而局部放電檢測(cè)方法又可分為電學(xué)方法和非電學(xué)方法。

對(duì)于油中溶解物分析方法，其優(yōu)勢(shì)在于各類油中溶解物的含量與故障嚴(yán)重程度密切相關(guān)，如乙炔等油中溶解氣體通常只會(huì)在電弧等高能放電下才會(huì)大量產(chǎn)生，且各類分析方法如三比值法等相對(duì)成熟并得到了工程實(shí)際的檢驗(yàn)。其缺點(diǎn)在于該方法難以在早期對(duì)故障進(jìn)行有效地識(shí)別，且難以實(shí)現(xiàn)故障的在線監(jiān)測(cè)。

對(duì)于局部放電檢測(cè)方法，其包括鐵心接地電流、特高頻等電學(xué)檢測(cè)手段，以及超聲、光學(xué)等非電學(xué)檢測(cè)手段。這些檢測(cè)手段，靈敏度較高，能夠在放電能量較低時(shí)檢出故障。各類檢測(cè)方法相互結(jié)合，能夠?qū)植糠烹娺M(jìn)行有效地檢測(cè)及發(fā)展階段劃分，因此對(duì)于早期故障和故障的嚴(yán)重程度均能夠較為有效地識(shí)別。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的快速發(fā)展，各類人工智能算法也被用于檢測(cè)變壓器匝間故障[5]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粒子群以及各類模式識(shí)別算法的引入，促進(jìn)了變壓器匝間故障檢測(cè)及保護(hù)方法的發(fā)展，為匝間放電識(shí)別、發(fā)展階段劃分、保護(hù)策略等研究提供了大量的判定依據(jù)。

綜上所述，針對(duì)變壓器匝間故障的特性研究、檢測(cè)與故障保護(hù)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器早期故障，防止故障帶來的破壞擴(kuò)大化，對(duì)電力變壓器的維護(hù)與狀態(tài)評(píng)估乃至電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行均具有重要意義。變壓器匝間短路特性形式多樣，檢測(cè)與保護(hù)方法各有不同，對(duì)變壓器匝間故障的特性與檢測(cè)進(jìn)行歸納和總結(jié)有助于了解匝間故障的原因，對(duì)變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。

本文對(duì)變壓器匝間故障特性與檢測(cè)的研究進(jìn)行綜述，主要介紹變壓器匝間擊穿特性與研究方法、變壓器匝間故障的特性、變壓器匝間故障的檢測(cè)與保護(hù)等，旨在通過介紹國(guó)內(nèi)外的研究，為后續(xù)解決此類問題提供參考。

1 變壓器匝間擊穿特性與研究方法

目前變壓器匝間擊穿試驗(yàn)是基于GB/T 16927.1—2011[6]相關(guān)要求建立變壓器匝模型，并基于IEC 60060-3:2006[7]和GB/T 16927.3—2010[8]相關(guān)要求設(shè)計(jì)操作沖擊電壓的波形，主要包括雙指數(shù)操作沖擊電壓和振蕩操作沖擊電壓。

（1）雙指數(shù)操作沖擊電壓發(fā)生電路與波形特征

產(chǎn)生雙指數(shù)操作沖擊電壓的電路如圖1所示[9]。其中C1為主電容，G為球間隙，R1、R2及Cr分別為調(diào)波電阻和電容，U0為施加電壓，L1為變壓器原邊和復(fù)變的漏電抗總和，L為變壓器的激磁電抗，C2為高壓繞組對(duì)地的等效電容，u1為變壓器原邊電壓，u2為變壓器副邊電壓。

圖1 雙指數(shù)操作沖擊電壓發(fā)生電路Fig.1 Double exponential switching impulse voltage generation circuit

雙指數(shù)操作沖擊電壓的定義為電壓迅速上升到峰值，然后無振蕩緩慢下降至零。其主要參數(shù)有波前時(shí)間TP、半峰值時(shí)間T2。根據(jù)IEC 60060-3:2006[7]可知 各 參數(shù)的范圍：T為20～400 μs，Tp為1 000～4 000 μs，波形如圖2 所示[8]，圖中T為波前30%峰值電壓到達(dá)90%峰值電壓的時(shí)間。

圖2 雙指數(shù)操作沖擊波形Fig.2 Double exponential switching impulse voltage

（2）振蕩操作沖擊電壓發(fā)生電路與波形特征

經(jīng)典振蕩操作沖擊電壓的電路如圖3 所示[9]。其中L1為原邊漏感，L2為副邊漏感，L0為勵(lì)磁繞組電抗，R0為勵(lì)磁繞組電阻，C2為變壓器的等效電容、C1為主電容，LW為外加調(diào)波電感，RW為外加調(diào)波電阻。工作原理為將C1充電到電壓U0，然后隔離球隙G放電，在C2上就產(chǎn)生振蕩操作沖擊電壓。

圖3 振蕩操作沖擊電壓發(fā)生電路Fig.3 Oscillation switching impulse voltage generation circuit

標(biāo)準(zhǔn)振蕩操作沖擊電壓波形如圖4所示[8]，圖中T為波前30%峰值到達(dá)90%峰值電壓的時(shí)間。振蕩操作沖擊電壓的定義為電壓迅速上升到峰值，然后伴隨頻率在1～15 kHz 的阻尼振蕩下降至零。主要參數(shù)有峰值時(shí)間TP、半峰值時(shí)間T2、振蕩沖擊電壓的頻率f。根據(jù)GB/T 16927.3—2010[8]可知各參數(shù)的范圍：TP為20～400 μs，T2為1 000～4 000 μs，f為1～15 kHz。

圖4 振蕩操作沖擊電壓波形Fig.4 Oscillating switching impulse voltage waveform

（3）變壓器匝間電極模型

變壓器匝間擊穿試驗(yàn)通常采用pig-tail 匝間電極模型結(jié)構(gòu)，如圖5 所示[10]。該結(jié)構(gòu)由高壓電極、屏蔽帽、絕緣紙層和接地電極組成，在試驗(yàn)前需將匝間絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，使得試驗(yàn)樣品中的水分和氣體符合真實(shí)情況下變壓器的要求。通過在高壓電極施加操作沖擊電壓，觀察電極間絕緣的劣化過程，即可模擬真實(shí)的變壓器匝間擊穿過程。

圖5 pig-tail匝間電極模型結(jié)構(gòu)Fig.5 The pig-tail interturn electrode model structure

針對(duì)不同波形對(duì)匝間絕緣擊穿試驗(yàn)帶來的影響，對(duì)于雙指數(shù)操作沖擊電壓發(fā)生器體積大、調(diào)撥效率低等問題，曹鐸耀等[11]通過在變壓器匝間電極模型上施加雙指數(shù)操作沖擊電壓和3、6、12 kHz 振蕩操作沖擊電壓，并比較了幾者的伏秒特性、韋伯分布曲線，討論了其擊穿特性，結(jié)果表明擊穿電壓與振蕩頻率成正相關(guān)，與波前時(shí)間成反相關(guān)， 3 kHz振蕩操作沖擊電壓與雙指數(shù)振蕩操作沖擊電壓的等效性較好。

針對(duì)匝間絕緣劣化的機(jī)理，程養(yǎng)春等[12]對(duì)局部放電作用下變壓器匝間油紙絕緣的劣化過程進(jìn)行了研究。通過對(duì)匝間絕緣劣化的過程進(jìn)行分析，將恒壓加速電劣化下碳化通道沿宏觀電場(chǎng)的縱向發(fā)展分為增長(zhǎng)、停滯和擊穿3個(gè)階段，并提出可以將脈沖重復(fù)率和脈沖1 s 放電量作為匝間油紙絕緣惡化發(fā)展?fàn)顟B(tài)的宏觀表征。

沿面閃絡(luò)是造成變壓器匝間絕緣故障的主要原因之一，趙義焜等[13]搭建了氣-固高頻沿面放電試驗(yàn)平臺(tái)，研究不同絕緣材料在不同參數(shù)下沿面閃絡(luò)放電的變化規(guī)律，提出了匝間絕緣材料壽命估算的模型，并對(duì)各絕緣材料進(jìn)行了綜合評(píng)估。

2 變壓器匝間短路故障的特性

變壓器在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，內(nèi)部的匝間絕緣受電、熱、磁、機(jī)械等長(zhǎng)期作用的影響會(huì)發(fā)生劣化，其機(jī)械強(qiáng)度和絕緣性能都會(huì)下降，因此很多學(xué)者針對(duì)變壓器匝間短路故障的電氣、電熱、電磁、振動(dòng)等方面特性進(jìn)行研究。

2.1 電氣特性

變壓器匝間發(fā)生短路后，短路電流會(huì)急劇增大，從而改變磁場(chǎng)的分布規(guī)律，長(zhǎng)久發(fā)展會(huì)造成更嚴(yán)重的層間短路、相間短路，甚至導(dǎo)致變壓器報(bào)廢，因此，對(duì)變壓器匝間短路故障的電氣機(jī)理進(jìn)行分析是現(xiàn)階段的研究重點(diǎn)[14]。

楊玉新[15]首先通過圖6 的變壓器匝間短路等效電路建立單向雙繞組變壓器模型，理論分析了繞組電氣參數(shù)受變壓器匝間短路的影響，然后通過實(shí)例分析和仿真計(jì)算，分別論證了不同部位匝間短路導(dǎo)致的繞組電氣參數(shù)的變化，得到了端部電流曲線與故障電流曲線。

圖6 變壓器匝間短路等效電路Fig.6 Equivalent circuit of transformer interturn short circuit

楊理才等[16]將發(fā)生匝間短路的三繞組變壓器等效為四繞組變壓器（三繞組變壓器匝間短路的等效電路如圖7所示），推導(dǎo)了變壓器匝間短路等效電路與變壓器中低壓側(cè)電壓公式，結(jié)果表明中低壓側(cè)電壓均降低，而且低壓側(cè)電壓降低更嚴(yán)重。該研究還用仿真與實(shí)例相結(jié)合的方法，證明了模型的正確性，可以廣泛應(yīng)用于各種發(fā)電機(jī)、變壓器的匝間短路計(jì)算。

圖7 三繞組變壓器匝間短路等效電路圖Fig.7 Equivalent circuit diagram of a three winding transformer interturn short circuit

葉志軍等[17]針對(duì)變壓器一次側(cè)繞組不同的匝間短路類型，通過理論分析與仿真計(jì)算的方式，得出了不同短路匝數(shù)和短路位置的一、二次側(cè)電流的變化規(guī)律，如圖8 和圖9 所示，圖8 中的橫坐標(biāo)表示短路的匝數(shù)百分比，圖9 中的橫坐標(biāo)表示短路匝間中心故障點(diǎn)距離繞組首端的百分比，并討論了發(fā)生匝間短路時(shí)的磁場(chǎng)特性。

圖8 不同短路匝數(shù)下的一、二次電流Fig.8 Primary side current and secondary side current at different short circuit turns

圖9 不同短路位置的一、二次電流Fig.9 Primary side current and secondary side current at different short circuit locations

2.2 電熱特性

在變壓器匝間故障早期，匝間絕緣由于工藝不良等問題發(fā)生劣化，導(dǎo)致局部過熱，此時(shí)由于變壓器內(nèi)部的變壓器油起到熱對(duì)流的作用，產(chǎn)生的熱量被轉(zhuǎn)移到其他地方從而降低了對(duì)匝間絕緣的影響。隨著絕緣進(jìn)一步劣化，匝間絕緣電阻減小，匝間泄漏電流和故障線圈電流增大，進(jìn)一步導(dǎo)致產(chǎn)熱量的增加[18]。當(dāng)熱量積聚到一定程度后，變壓器油無法順利的將熱量轉(zhuǎn)移出去，導(dǎo)致繞組局部溫度持續(xù)升高，從而引發(fā)放電故障[19]。而且在變壓器匝間故障早期，繞組電流變化較小，但故障線圈電流和溫度增加比較顯著，可以通過檢測(cè)這些特征量來監(jiān)測(cè)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)[20]。

張立靜等[20]將電磁、熱-流體場(chǎng)耦合并基于數(shù)字孿生的理念，建立了變壓器匝間短路故障模型。根據(jù)該模型，故障電阻與溫升呈負(fù)相關(guān)，線圈匝數(shù)與溫升呈正相關(guān)，故障位置與溫升的相關(guān)性不明顯。通過對(duì)匝間故障電熱特性的研究，可以為變壓器設(shè)計(jì)制造、運(yùn)行維護(hù)、故障定位等多方面提供參考。

2.3 電磁特性

當(dāng)變壓器匝間發(fā)生短路故障時(shí)，變壓器內(nèi)部的電流與勵(lì)磁均會(huì)發(fā)生改變，通過研究變壓器匝間短路時(shí)的短路電流、主磁通與漏磁通等參數(shù)，可以為變壓器匝間短路的檢測(cè)與保護(hù)提供依據(jù)。

潘超等[18-19]通過仿真模擬原邊、副邊繞組不同匝間短路位置、不同短路比例及不同負(fù)載下的電流、主磁通及漏磁通，得出當(dāng)原邊或副邊短路時(shí)，變壓器原邊繞組電流與短路繞組電流的變化情況，以及變壓器不同運(yùn)行狀況的磁場(chǎng)分布，結(jié)果如圖10所示。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)鐵心勵(lì)磁局部飽和，繞組漏磁增大；負(fù)載率降低，鐵心勵(lì)磁飽和程度加深；短路比例升高，繞組漏磁通增大。

圖10 變壓器不同運(yùn)行狀況磁場(chǎng)分布圖Fig.10 Magnetic field distribution of transformers under different operating conditions

M JABLONSKI 等[21]和 L M R OLIVEIRA 等[22]通過分析磁路的特征研究了變壓器匝間短路的若干問題。鄭濤等[5]通過分析主電抗器的等效總漏感值和兩側(cè)的漏感值，提出了一種變壓器匝間短路保護(hù)的新方法。

2.4 振動(dòng)特性

變壓器匝間短路會(huì)產(chǎn)生巨大的電動(dòng)力，造成繞組的振動(dòng)與異響，長(zhǎng)此以往會(huì)導(dǎo)致變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形與松動(dòng)，如墊圈脫落、絕緣損壞等[23-25]。通過對(duì)變壓器匝間短路故障的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，有助于合理規(guī)劃變壓器的運(yùn)行與檢修工作，提高變壓器設(shè)備的可靠性。

林春耀等[3]搭建了變壓器短路沖擊試驗(yàn)平臺(tái)，探討在短路沖擊影響下變壓器箱體振動(dòng)與沖擊電流的耦合關(guān)系，通過試驗(yàn)在繞組中設(shè)置故障，探討在短路沖擊條件下變壓器匝間短路故障對(duì)頻響函數(shù)的影響，結(jié)果表明通過頻響函數(shù)可以判斷變壓器繞組的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)檢測(cè)變壓器匝間故障的發(fā)生位置提供參考。

潘超等[26]針對(duì)單相變壓器首端匝間短路問題，搭建匝間動(dòng)模試驗(yàn)平臺(tái)，通過對(duì)比變壓器首端不同短路比例下繞組的振動(dòng)情況，結(jié)果表明振動(dòng)加速度與短路比例呈正相關(guān)，并得出振動(dòng)頻譜的特性。

總結(jié)上述學(xué)者提出變壓器匝間故障的電氣、電熱、電磁和振動(dòng)特性，可以總結(jié)出這4種特性應(yīng)用于變壓器匝間故障檢測(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。

表1 變壓器匝間故障特性應(yīng)用于檢測(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)Tab.1 Advantages and disadvantages of transformer interturn fault characteristics applied to detection

3 變壓器匝間短路故障的檢測(cè)與保護(hù)

3.1 變壓器匝間短路故障的起因

變壓器匝間短路故障的原因主要有兩種：一種是變壓器生產(chǎn)過程中由于工藝或者操作等原因，使變壓器匝間絕緣較為薄弱；另一種是在變壓器運(yùn)行過程中，繞組受到長(zhǎng)期的應(yīng)力作用發(fā)生位移，導(dǎo)致匝間絕緣磨損、斷裂甚至脫落[27]。此外，絕緣材料中的氣泡[28]、繞組絕緣進(jìn)水[29]、浸漆工藝不良造成油道堵塞[30]等因素也會(huì)造成變壓器匝間故障。

3.2 變壓器匝間短路故障檢測(cè)方法

3.2.1 油中溶解氣體分析

油中溶解氣體分析即通過對(duì)變壓器油中的甲烷、乙烯、乙炔、氫氣等特征氣體的產(chǎn)氣速率與比例進(jìn)行分析，從而判斷變壓器的運(yùn)行狀態(tài)[31]。該方法很早就被提出并應(yīng)用于變壓器的狀態(tài)評(píng)估中，并形成了三比值法、大衛(wèi)三角形法、羅杰斯比值法等多種經(jīng)典評(píng)估方法，但其具有界限絕對(duì)、編碼不適用所有可能等問題。隨著智能算法和人工智能的發(fā)展，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[32]、決策樹[33]、支持向量機(jī)[34]等算法被廣泛應(yīng)用于油中溶解氣體分析中，旨在更為快速、精細(xì)、準(zhǔn)確地對(duì)變壓器狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

3.2.2 變壓器早期匝間故障的檢測(cè)方法

除了對(duì)變壓器內(nèi)部故障綜合反映的檢測(cè)方法外，由于變壓器匝間短路故障越來越受到重視，且其具有早期不易被識(shí)別、后期對(duì)變壓器危害大等特點(diǎn)，許多學(xué)者針對(duì)變壓器的早期匝間絕緣故障進(jìn)行了研究，并提出了一系列的檢測(cè)方法。這些檢測(cè)方法可以根據(jù)是否以電特征量為依據(jù)分為電學(xué)檢測(cè)法和非電學(xué)檢測(cè)法。電學(xué)檢測(cè)法具有響應(yīng)快速、理論完善等優(yōu)點(diǎn)，但易受到變壓器運(yùn)行環(huán)境中的電磁干擾；非電學(xué)檢測(cè)法通過分析機(jī)械、熱等特性來檢測(cè)變壓器匝間故障，還有些通過大數(shù)據(jù)處理的方法發(fā)現(xiàn)匝間短路故障，可以很好地避免電磁干擾，但其理論還需進(jìn)一步完善，以保證檢測(cè)的精確性。

（1）電學(xué)檢測(cè)法

許多學(xué)者基于行波技術(shù)對(duì)變壓器匝間故障檢測(cè)進(jìn)行研究，通過重復(fù)脈沖法、行波反射法等方法來判斷變壓器匝間故障的嚴(yán)重程度。唐治平等[35]提出利用重復(fù)脈沖法的特征曲線來進(jìn)行變壓器匝間短路故障診斷。重復(fù)脈沖法試驗(yàn)裝置框圖如圖11所示，通過在變壓器繞組一端輸入低壓脈沖信號(hào)，將另一端得到的響應(yīng)特征曲線結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法判斷特性曲線是否凸起，來判斷變壓器繞組是否發(fā)生了匝間短路故障，特性曲線凸起的嚴(yán)重程度反映了匝間短路的嚴(yán)重程度。

圖11 重復(fù)脈沖法實(shí)驗(yàn)裝置框圖Fig.11 Block diagram of the repetitive pulse method experimental setup

李卓昕等[36]通過在變壓器繞組的一端輸入低壓脈沖信號(hào)，獲取行波反射信號(hào)，通過分析行波在變壓器繞組上的傳播特性，結(jié)合采集到的行波反射信號(hào)的脈沖峰值，可以簡(jiǎn)單可靠地判斷變壓器繞組是否發(fā)生匝間短路故障。此外還可以通過分析反射波的衰減和畸變來診斷變壓器匝間短路故障。劉達(dá)等[37]同樣通過分析行波，采用了相似度分析法與能量比值法，結(jié)合遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立故障特征與故障位置的映射關(guān)系來定位變壓器繞組匝間輕微短路故障位置。行波技術(shù)可以檢測(cè)出變壓器匝間輕微故障，但該方法需要將變壓器從電網(wǎng)中切除，對(duì)于輕微故障而言顯然不具有經(jīng)濟(jì)性。

對(duì)于在線電學(xué)監(jiān)測(cè)方面，一些學(xué)者也展開了深入研究。范競(jìng)敏等[38]提出了一種通過在線辨識(shí)變壓器短路阻抗來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器狀態(tài)的方法。該方法通過小波分析與加窗快速傅里葉變換算法處理采集到的模型變壓器的原、次邊電壓、電流信號(hào)，來辨識(shí)各信號(hào)之間的相位差，從而得到等效短路阻抗。結(jié)果表明該方法可以有效識(shí)別匝間短路等故障，且已經(jīng)在實(shí)際中得到應(yīng)用，并取得良好的效果。

也有學(xué)者對(duì)變壓器的振蕩操作沖擊電壓的傳遞函數(shù)進(jìn)行分析。孫文星等[39]研究了變壓器匝間短路在感應(yīng)式振蕩操作沖擊電壓下的電壓傳遞函數(shù)，結(jié)果表明不同程度的匝間短路會(huì)導(dǎo)致電壓傳遞函數(shù)的最大極值點(diǎn)頻率與幅值不同，由此可以電壓傳遞函數(shù)來判斷變壓器匝間短路故障的程度。但該方法特征比較模糊，只做了定性分析，理論還需要進(jìn)一步完善。

以上匝間故障檢測(cè)方法可以檢測(cè)變壓器故障的匝數(shù)、嚴(yán)重程度等，但不能準(zhǔn)確定位發(fā)生故障的位置。劉同亮等[31]通過擬合電氣特征量與匝間短路時(shí)的匝數(shù)以及故障位置的曲線，能夠較為準(zhǔn)確地確定故障匝數(shù)與故障位置，以快速清除變壓器匝間故障。

（2）非電學(xué)檢測(cè)法

張立靜等[40]將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到變壓器匝間短路故障的檢測(cè)中，通過結(jié)合電熱特性參數(shù)的變化規(guī)律，設(shè)置合適的電熱特性參數(shù)，建立了基于孿生體故障樣本數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的匝間短路故障診斷模型。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)對(duì)于匝間短路故障，繞組熱點(diǎn)溫度比端部電流更為敏感，該研究提出的基于電熱特性融合分析的匝間短路辨識(shí)法相比于電流信號(hào)的診斷方法，有更準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，利用大數(shù)據(jù)對(duì)電力系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估越來越受到重視，也給變壓器匝間短路故障檢測(cè)方法提供了新思路。李璞[41]通過對(duì)變壓器的時(shí)域、頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到一個(gè)合適的數(shù)據(jù)集，然后通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并討論了不同的數(shù)據(jù)處理策略對(duì)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)辨識(shí)精度的影響。但該方法基于黑盒模型，缺乏可解釋性。

此外，張曉華等[42]基于磁芯漏磁通的方法提出了一種可以檢測(cè)少匝數(shù)短路故障的方法，該方法具有成本低、精度高的優(yōu)點(diǎn)。M BAGHERI 等[43]針對(duì)基于勵(lì)磁電流和磁通分割測(cè)量的短路匝數(shù)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究。張永龍等[44]從變壓器匝間短路故障實(shí)例出發(fā)，分析了變壓器匝間短路故障的原因，準(zhǔn)確地查找到變壓器故障的位置。

3.2.3 變壓器內(nèi)部局部放電檢測(cè)方法

上述方法均是針對(duì)變壓器匝間故障產(chǎn)生的分解物以及變壓器繞組自身的電熱特性參數(shù)變化來分析變壓器故障。實(shí)際上，變壓器匝間故障通常伴隨著局部放電的產(chǎn)生，而局部放電又會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生各類電學(xué)和非電學(xué)的物理信號(hào)。因此可以通過這些物理信號(hào)對(duì)局部放電進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)一步表征變壓器匝間故障的發(fā)展階段以及判斷故障位置。

通過變壓器故障的聲音來分析變壓器局部放電是一種經(jīng)典的方法。超聲波檢測(cè)法由于超聲波具有穿透性強(qiáng)、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，常用于變壓器的故障定位[45]。噪聲檢測(cè)法主要通過評(píng)估變壓器發(fā)出噪聲的聲壓、聲強(qiáng)、頻譜特征等參數(shù)，判斷變壓器的故障類型與損壞程度。振動(dòng)檢測(cè)法可以有效排除環(huán)境中噪聲的干擾，常用于評(píng)估繞組的松動(dòng)或變形，但該方法理論不完善、隨機(jī)誤差較大，仍需要進(jìn)一步研究。

脈沖電流檢測(cè)技術(shù)是一種用于檢測(cè)變壓器局部放電的技術(shù)，同時(shí)也被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60270:2015[46]所推薦。該方法具有測(cè)量靈敏度高、可對(duì)局部放電量化描述、設(shè)備安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，通常用于設(shè)備的出廠試驗(yàn)或在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)檢測(cè)。由于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)變壓器存在較強(qiáng)的電磁干擾，且變壓器內(nèi)部環(huán)境較為復(fù)雜，信號(hào)在變壓器內(nèi)的傳播衰減較為嚴(yán)重，而脈沖電流檢測(cè)技術(shù)的抗干擾能力較弱，所以在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)使用該方法誤差較大。甘德剛等[47]將特高頻電磁波信號(hào)作為脈沖電流的起始信號(hào)，能夠很好地抑制脈沖干擾對(duì)使用脈沖電流檢測(cè)法的影響。

相比于脈沖電流檢測(cè)技術(shù)，特高頻電磁波檢測(cè)技術(shù)的抗干擾能力和靈敏度更好，這是由于變壓器局部放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生頻率達(dá)到千兆赫的特高頻電磁波，而環(huán)境中干擾信號(hào)的頻率一般不會(huì)超過200 MHz。一般通過特高頻傳感器檢測(cè)變壓器內(nèi)的特高頻信號(hào)（800 MHz～3 GHz）來進(jìn)行局部放電檢測(cè)。因其具有較強(qiáng)的抗噪能力、較高的靈敏度、檢測(cè)范圍廣、能夠長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，特高頻電磁波檢測(cè)技術(shù)被認(rèn)為是局部放電在線檢測(cè)最有前景的技術(shù)。但是這種方法不能對(duì)絕緣劣化的程度進(jìn)行定量，而且在全封閉的電力設(shè)備中，不能采用外部傳感器進(jìn)行局部放電的探測(cè)。侯慧娟等[48]提出了一種基于特高頻傳感器陣和電磁波衰減模型進(jìn)行全站局部放電定位的方法。

總的來說，油中溶解氣體檢測(cè)手段能夠較為有效地識(shí)別變壓器故障發(fā)展的中后期，在工程現(xiàn)場(chǎng)得到了大量的驗(yàn)證和應(yīng)用，但其缺點(diǎn)在于對(duì)早期故障難以有效識(shí)別，且難以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。以行波檢測(cè)、局部放電檢測(cè)為代表的各類電學(xué)、非電學(xué)等新型在線監(jiān)測(cè)手段的優(yōu)勢(shì)在于檢測(cè)靈敏度高，可以在故障早期進(jìn)行判別以及定位，但目前大部分相關(guān)方法仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，沒有得到有效的工程檢驗(yàn)和工程應(yīng)用。

3.3 變壓器匝間短路故障保護(hù)

現(xiàn)階段變壓器內(nèi)部匝數(shù)短路難以檢測(cè)和難以保護(hù)。熊小伏等[49]通過分析變壓器兩側(cè)繞組匝數(shù)與變壓器繞組兩側(cè)電流的比值對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出了一種利用電流比變化量匝間保護(hù)的方法。該方法能很好地區(qū)分匝間故障相，并排除變壓器外部故障與變壓器內(nèi)部相間故障的干擾，具有較高的靈敏性。

鄭濤等[15]以表征等效總漏感變化的標(biāo)準(zhǔn)差為動(dòng)作量，以表征兩側(cè)漏感變化平穩(wěn)性的量為制動(dòng)量，構(gòu)成類比率制動(dòng)式的保護(hù)。該方法將等效瞬時(shí)漏感與兩側(cè)漏感相結(jié)合，可以較為靈敏地切除匝間短路故障，可避免受到其他故障的影響。

智能算法作為一種新興的處理匝間短路故障保護(hù)的方法而被廣泛研究，王雪等[23]提出一種基于粒子群算法的匝間短路保護(hù)方法。該方法以粒子群算法中的適應(yīng)函數(shù)作為評(píng)價(jià)函數(shù)，通過該函數(shù)對(duì)通過數(shù)據(jù)處理計(jì)算得到的勵(lì)磁電阻進(jìn)行評(píng)價(jià)，若在尋優(yōu)空間內(nèi)最小適應(yīng)度值大于閾值，則可判定存在匝間短路故障。但該方法有可能陷入局部最優(yōu)解，需要進(jìn)一步解決這一問題。

4 結(jié)束語

匝間絕緣故障是導(dǎo)致變壓器內(nèi)部故障的主要原因之一，其具有初期特征不明顯、后期檢修難度大、危害程度大等特點(diǎn)，而現(xiàn)階段專門針對(duì)變壓器匝間放電的放電機(jī)理、檢測(cè)方法、保護(hù)方法、特性分析等方面的研究較少，對(duì)變壓器匝間放電的研究處在理論分析層面，尚不能廣泛應(yīng)用于變壓器設(shè)備中。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外變壓器匝間故障的研究成果，對(duì)未來解決變壓器匝間故障提出了以下展望：

（1）由于變壓器匝間故障具有早期難發(fā)現(xiàn)、后期危害大的特點(diǎn)，如何預(yù)防或者在早期識(shí)別并解決變壓器匝間故障極為重要，所以需要對(duì)變壓器匝間故障的機(jī)理與早期發(fā)展進(jìn)行深入研究。

（2）現(xiàn)階段對(duì)變壓器匝間故障的檢測(cè)著重于模式識(shí)別，為更準(zhǔn)確地判斷故障的程度、位置，模式識(shí)別技術(shù)結(jié)合定位技術(shù)可以為變壓器提供更好的運(yùn)檢建議。

（3）變壓器匝間故障伴隨著電、熱、磁、機(jī)械等多種影響因素，現(xiàn)階段的研究多針對(duì)一種影響因素，因考慮的因素比較少，使診斷結(jié)果具有特征不明顯、易受環(huán)境干擾等特點(diǎn)。而通過多物理場(chǎng)耦合的方式進(jìn)行分析變壓器匝間運(yùn)行狀態(tài)，可以盡量避免自然或人為因素帶來的誤差，提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（4）現(xiàn)階段隨著“大、物、云、智、移”、數(shù)字孿生技術(shù)等新興技術(shù)不斷發(fā)展，給變壓器匝間故障帶來了新的研究方法?？梢詾樽儔浩鹘?shù)字孿生模型，貫穿變壓器的設(shè)計(jì)、制造、安裝、維護(hù)、運(yùn)行、報(bào)廢等全生命周期，通過虛擬實(shí)體與物理實(shí)體的實(shí)時(shí)交互來判斷變壓器繞組的健康狀態(tài)。