朱海峰

（貴州送變電有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550000）

電力變壓器作為電力系統(tǒng)中的核心設(shè)備之一，起著電能傳輸、變換和分配的重要作用。然而，由于長(zhǎng)期運(yùn)行、環(huán)境因素、負(fù)荷波動(dòng)等原因，電力變壓器存在著失效的風(fēng)險(xiǎn)。為了減少事故發(fā)生、確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)電力變壓器的失效進(jìn)行準(zhǔn)確診斷和預(yù)測(cè)顯得尤為重要。失效診斷和預(yù)測(cè)技術(shù)的研究旨在通過(guò)有效的手段檢測(cè)和判斷電力變壓器的工作狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)異常問(wèn)題并采取相應(yīng)措施，以減少故障率和提高設(shè)備可靠性。

1 電力變壓器的重要性

1.1 電能傳輸與分配

電力變壓器是電力系統(tǒng)中不可或缺的重要設(shè)備，主要用于將高電壓的電能轉(zhuǎn)換為低電壓，以滿(mǎn)足各類(lèi)用電設(shè)備的需求。通過(guò)變壓器的轉(zhuǎn)換作用，可以實(shí)現(xiàn)電能的有效傳輸和分配。在電力系統(tǒng)中，變壓器扮演著電能調(diào)節(jié)和平衡負(fù)荷的角色，使得電力系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。變壓器的工作原理是基于電磁感應(yīng)的原理。當(dāng)高電壓電源通過(guò)變壓器的高壓繞組時(shí)，會(huì)在鐵芯和低壓繞組之間產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而在低壓繞組上引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使得電能從高壓繞組傳遞到低壓繞組，實(shí)現(xiàn)電壓的降低[1]。反之，當(dāng)?shù)碗妷弘娫赐ㄟ^(guò)變壓器的低壓繞組時(shí)，磁場(chǎng)作用在高壓繞組上，實(shí)現(xiàn)電壓的升高。電力變壓器具有體積小、效率高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、輸電網(wǎng)、變電站以及各類(lèi)工業(yè)和民用設(shè)備中。它保證了電力系統(tǒng)的可靠供應(yīng)，同時(shí)也為工業(yè)和民生提供了穩(wěn)定可靠的電力支持。

1.2 能效提升

電力變壓器通過(guò)調(diào)整電壓等級(jí)來(lái)優(yōu)化電力系統(tǒng)的輸電效率和能源利用率。傳輸電能會(huì)有一定的電阻損耗和電纜的電流密度限制，而通過(guò)使用變壓器可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的電力輸送時(shí)將高電壓轉(zhuǎn)換成低電壓，從而減少了電能在輸電線(xiàn)路上的電阻損耗和電纜所需的電流密度。高電壓輸電可以使得電流減小，從而減少導(dǎo)線(xiàn)和設(shè)備的電阻損耗。通過(guò)降低損耗，可以節(jié)約大量的電能，并減少碳排放量，通過(guò)降低電纜所需的電流密度，還可以減少導(dǎo)線(xiàn)的材料使用和線(xiàn)路的容量要求，節(jié)省資源并降低建設(shè)成本[2]。這對(duì)于可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保意義重大。通過(guò)使用電力變壓器進(jìn)行電壓調(diào)整，可以有效提高電力系統(tǒng)的輸電效率和能源利用率，減少電能損耗和浪費(fèi)，為經(jīng)濟(jì)和環(huán)境帶來(lái)積極的影響。

1.3 電力質(zhì)量保障

電力變壓器可以穩(wěn)定輸出電壓。在電力系統(tǒng)中，變壓器可以將電壓從高電壓端調(diào)整到需要的低電壓端，確保穩(wěn)定的供電電壓。通過(guò)穩(wěn)定輸出電壓，可以保證電力設(shè)備和終端用戶(hù)正常運(yùn)行，避免電壓過(guò)高或過(guò)低導(dǎo)致的設(shè)備故障。電力系統(tǒng)中存在電壓波動(dòng)和諧波問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì)對(duì)設(shè)備造成影響甚至損壞[3]。通過(guò)在電力系統(tǒng)中引入適當(dāng)?shù)淖儔浩鳎梢杂行У匾种齐妷翰▌?dòng)和諧波，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，還能提供良好的隔離和阻抗匹配，減少電力系統(tǒng)中的電磁干擾和能量損耗。通過(guò)提供隔離功能，變壓器可以有效隔離不同的電源、負(fù)載和電網(wǎng)，減少互相之間的干擾，變壓器還可以提供合適的阻抗匹配，確保電能的高效傳輸和利用。

1.4 故障保護(hù)與安全性

電力變壓器在電力系統(tǒng)中起到故障保護(hù)的重要作用。當(dāng)電力系統(tǒng)中發(fā)生短路故障時(shí)，變壓器能夠快速切除故障部分，短路故障可能導(dǎo)致電流突然增大，如果不及時(shí)切除故障部分，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的電源過(guò)載，使得其他設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行甚至受到損壞。通過(guò)采用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)裝置和控制策略，電力變壓器能夠檢測(cè)短路故障并迅速切除故障部分，避免故障擴(kuò)大和影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。電力變壓器具有絕緣保護(hù)功能。絕緣是保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，電力變壓器通過(guò)絕緣設(shè)計(jì)和絕緣材料的使用，可以有效地防止電氣設(shè)備和電源之間的漏電現(xiàn)象，避免電擊事故的發(fā)生。電力變壓器能提供過(guò)載保護(hù)功能。當(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)荷過(guò)大時(shí)，變壓器會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和額定容量進(jìn)行判斷，并通過(guò)保護(hù)裝置進(jìn)行響應(yīng)。例如，通過(guò)設(shè)定合適的保護(hù)裝置，當(dāng)電力變壓器負(fù)荷超過(guò)額定容量時(shí)，保護(hù)裝置會(huì)及時(shí)切斷電路，防止變壓器過(guò)熱，避免設(shè)備損壞和故障發(fā)生。

2 電力變壓器的失效診斷方法

2.1 油質(zhì)分析

通過(guò)對(duì)變壓器絕緣油的采樣和實(shí)驗(yàn)室分析，可以檢測(cè)油中的含水量、酸值、氣體含量等指標(biāo)，以確定變壓器內(nèi)部是否存在異常情況。檢測(cè)絕緣油中的含水量可以判斷變壓器的絕緣性能，水分的存在可能會(huì)降低絕緣油的絕緣能力，導(dǎo)致電弧放電或擊穿現(xiàn)象，甚至引發(fā)變壓器故障。通過(guò)測(cè)量絕緣油中的含水量，可以及時(shí)判斷變壓器是否存在漏水或密封不良等問(wèn)題，并及時(shí)采取措施進(jìn)行修復(fù)和維護(hù)。檢測(cè)絕緣油的酸值可以判斷變壓器內(nèi)部是否存在故障或老化情況，酸值的增加通常是由于變壓器內(nèi)部絕緣材料的老化、絕緣失效或電弧放電等導(dǎo)致的，通過(guò)定期檢測(cè)絕緣油的酸值，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的異常情況，并采取相應(yīng)的維修措施，防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大和損壞其他設(shè)備。

2.2 熱像圖像

紅外熱像儀可以測(cè)量物體表面的紅外輻射能，并將其轉(zhuǎn)化為可視化的熱圖，從而呈現(xiàn)出物體表面的溫度分布。在變壓器中，通過(guò)對(duì)各個(gè)部位的紅外熱像拍攝，可以觀察到不同區(qū)域的溫度差異，并判斷是否存在異常情況。過(guò)熱或不平衡的電氣連接會(huì)導(dǎo)致電流過(guò)載、設(shè)備損壞或火災(zāi)等風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)紅外熱像儀的拍攝，可以在早期階段發(fā)現(xiàn)電氣連接存在的過(guò)熱問(wèn)題，如接線(xiàn)端子、電纜導(dǎo)體等部位的高溫異常，這有助于及時(shí)調(diào)整或更換連接件，避免設(shè)備的損毀和安全事故的發(fā)生。在變壓器的絕緣系統(tǒng)中，繞組和絕緣材料的運(yùn)行狀態(tài)也很關(guān)鍵。通過(guò)紅外熱像儀的檢測(cè)，可以捕捉到繞組局部過(guò)熱或不平衡的情況，這可能是由于繞組斷股、接地、短路等故障引起的，還可以檢測(cè)到絕緣材料的局部損壞或老化，如絕緣膠片、墊片等位置溫度異常升高，這些信息能夠幫助工程師及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決變壓器絕緣故障，保障設(shè)備的正常運(yùn)行和安全。

2.3 繞組電阻測(cè)量

定期測(cè)量變壓器繞組的直流電阻可以用來(lái)檢測(cè)繞組接頭是否存在松動(dòng)、腐蝕或過(guò)熱等問(wèn)題，并且異常的電阻值可能表示存在潮濕、局部短路或絕緣損壞等情況。變壓器繞組是由一系列線(xiàn)圈連接而成的，而線(xiàn)圈之間的連接通常通過(guò)接頭完成，這些接頭的質(zhì)量和穩(wěn)定性對(duì)于變壓器的正常運(yùn)行非常重要，通過(guò)定期對(duì)繞組進(jìn)行直流電阻測(cè)量，可以有效地評(píng)估繞組接頭的狀態(tài)[4]。當(dāng)接頭松動(dòng)或發(fā)生腐蝕時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致電阻值的增加。如果繞組接頭存在松動(dòng)現(xiàn)象，電流在連接處會(huì)受到阻礙，并產(chǎn)生電阻，最終導(dǎo)致接頭區(qū)域的電阻值升高，類(lèi)似地，接頭腐蝕也會(huì)對(duì)電流的流動(dòng)造成阻礙，使得電阻值異常升高。通過(guò)定期測(cè)量電阻值，可以監(jiān)測(cè)到這些異常情況，并及時(shí)采取措施修復(fù)接頭，避免進(jìn)一步損害和安全隱患。

2.4 機(jī)械振動(dòng)分析

通過(guò)監(jiān)測(cè)變壓器的振動(dòng)情況，可以判斷變壓器內(nèi)部的絕緣材料狀況、鐵芯緊固度等是否正常。絕緣材料在變壓器中起到隔離和保護(hù)電氣元件的作用。如果絕緣材料發(fā)生剝落、破損或老化，就會(huì)導(dǎo)致絕緣性能下降，這樣的異常情況通常會(huì)引起變壓器內(nèi)部部件之間的摩擦和碰撞，產(chǎn)生較大的振動(dòng)。通過(guò)對(duì)振動(dòng)的監(jiān)測(cè)和分析，可以判斷絕緣材料的狀況是否正常，及時(shí)采取措施修復(fù)或更換受損的絕緣材料，以維護(hù)變壓器的安全運(yùn)行。鐵芯是變壓器的重要組成部分，用于增加磁耦合系數(shù)和導(dǎo)磁性能，鐵芯在正常情況下應(yīng)該是緊固穩(wěn)定的，如果鐵芯出現(xiàn)松動(dòng)，將會(huì)引起共振現(xiàn)象和非線(xiàn)性磁化等問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致變壓器內(nèi)部的振動(dòng)增大，通過(guò)對(duì)變壓器振動(dòng)的監(jiān)測(cè)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵芯的松動(dòng)問(wèn)題，并采取適當(dāng)?shù)拇胧┗謴?fù)其緊固度，以確保變壓器的正常運(yùn)行[5]。繞組的不平衡也可能導(dǎo)致變壓器振動(dòng)異常，當(dāng)繞組存在不均勻負(fù)荷分布或電流不平衡時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)的磁場(chǎng)和力矩，進(jìn)而引起振動(dòng)，通過(guò)對(duì)變壓器振動(dòng)情況的監(jiān)測(cè)，可以評(píng)估繞組的平衡度是否正常，及時(shí)調(diào)整負(fù)荷分配或采取其他措施，以減小振動(dòng)級(jí)別和維護(hù)變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 電力變壓器的預(yù)測(cè)技術(shù)

3.1 基于物理模型的預(yù)測(cè)

利用電力變壓器的物理特性和運(yùn)行參數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真和分析。電氣特性模型包括繞組電阻、繞組電感、互感、磁性飽和等參數(shù)的建模，可以通過(guò)電路等效圖或差分方程等方式描述電氣特性，模型應(yīng)考慮不同軸向的磁阻、磁交聯(lián)效應(yīng)以及非線(xiàn)性特性等因素。熱特性模型包括根據(jù)變壓器結(jié)構(gòu)和材料熱傳導(dǎo)方程建立熱仿真模型，考慮繞組和鐵芯的熱傳導(dǎo)、熱損耗等因素，以預(yù)測(cè)溫度分布和熱量損失。振動(dòng)特性模型考慮變壓器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和材料的振動(dòng)特性，建立機(jī)械振動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，包括鐵芯的振動(dòng)、繞組振動(dòng)等，進(jìn)而分析振動(dòng)對(duì)變壓器性能的影響。動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型通過(guò)建立狀態(tài)方程或轉(zhuǎn)移函數(shù)等方式，描述變壓器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，以模擬和分析在不同工況下的電壓、電流、頻率響應(yīng)等情況。

3.2 基于數(shù)據(jù)分析的預(yù)測(cè)

通過(guò)收集、存儲(chǔ)和分析大量的變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括電氣參數(shù)、溫度、負(fù)荷情況等，并利用數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，可以建立基于數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)模型，從而預(yù)測(cè)未來(lái)可能發(fā)生的變壓器故障風(fēng)險(xiǎn)。在建立預(yù)測(cè)模型的過(guò)程中，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和處理，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，對(duì)于缺失值、異常值和噪聲等問(wèn)題，需要采取合適的方法進(jìn)行處理，以保證后續(xù)模型訓(xùn)練和分析的可靠性。通過(guò)運(yùn)用各種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如支持向量機(jī)（SVM）、隨機(jī)森林（Random Forest）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Neural Networks）等，對(duì)變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和建模，將變壓器的輸入輸出參數(shù)作為特征，將故障情況作為標(biāo)簽，訓(xùn)練模型以學(xué)習(xí)輸入輸出參數(shù)與故障之間的關(guān)系[6]。在訓(xùn)練完成后，可以使用預(yù)測(cè)模型對(duì)未來(lái)的變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的變壓器輸入輸出參數(shù)，將其輸入預(yù)測(cè)模型中，即可得到關(guān)于變壓器故障風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)結(jié)果。

3.3 聲音和振動(dòng)分析

通過(guò)監(jiān)測(cè)變壓器產(chǎn)生的聲音和振動(dòng)信號(hào)，并利用信號(hào)處理和模式識(shí)別技術(shù)，可以分析其中的特征參數(shù)，從而預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的故障類(lèi)型和嚴(yán)重程度?？梢酝ㄟ^(guò)安裝傳感器或設(shè)備在變壓器上采集變壓器產(chǎn)生的聲音和振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，在采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)中，可以應(yīng)用信號(hào)處理技術(shù)來(lái)提取相關(guān)特征參數(shù)，例如頻率、幅度、波形等。使用模式識(shí)別技術(shù)對(duì)提取到的特征參數(shù)進(jìn)行分析和建模，這包括將變壓器正常運(yùn)行時(shí)的聲音和振動(dòng)信號(hào)作為基準(zhǔn)，與可能的故障信號(hào)進(jìn)行對(duì)比和匹配。通過(guò)與已知的故障現(xiàn)象和模式進(jìn)行比較，可以確定可能出現(xiàn)的故障類(lèi)型和嚴(yán)重程度。在建立模型時(shí)，可以運(yùn)用一系列的算法和方法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）、支持向量機(jī)（SVM）、隱馬爾可夫模型（HMM）等，以訓(xùn)練模型并進(jìn)行故障預(yù)測(cè)。模型的訓(xùn)練過(guò)程需要使用已知的故障樣本和相關(guān)特征參數(shù)，以使模型能夠?qū)W習(xí)不同故障類(lèi)型之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后，可以利用預(yù)測(cè)模型對(duì)實(shí)時(shí)采集到的聲音和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，并給出故障類(lèi)型和嚴(yán)重程度的預(yù)測(cè)結(jié)果。

3.4 油質(zhì)分析

通過(guò)對(duì)變壓器絕緣油的采樣和實(shí)驗(yàn)室分析，監(jiān)測(cè)油中的化學(xué)物質(zhì)變化和異常指標(biāo)。按照規(guī)定的方法和操作流程，從變壓器絕緣油中采集樣品，并送往專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。通常會(huì)采取多種分析技術(shù)，包括核磁共振（NMR）、紅外光譜（IR）、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）以及電化學(xué)分析等，以獲取絕緣油中各種化學(xué)物質(zhì)的含量、結(jié)構(gòu)信息以及電化學(xué)指標(biāo)。將最新分析的結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)觀察和監(jiān)測(cè)絕緣油中化學(xué)物質(zhì)的變化趨勢(shì)，如硫含量、酸值、水分含量等指標(biāo)的逐漸增加或減少，可以判斷絕緣老化過(guò)程的進(jìn)展情況，同時(shí)，注意異常指標(biāo)的出現(xiàn)，例如有機(jī)溶劑的殘留、金屬顆粒的增加等，這些異常指標(biāo)可能暗示著潛在的故障情況，如開(kāi)關(guān)擊穿等。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，建立預(yù)測(cè)模型和算法，該模型可以考慮不同變量和指標(biāo)之間的相互關(guān)系，并根據(jù)變壓器使用環(huán)境和工況條件，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的故障情況。

4 總結(jié)

電力變壓器的失效診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)研究是為了提前發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)變壓器的故障狀態(tài)，從而及時(shí)采取維修或替換措施，保障電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和供電質(zhì)量。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集、物理模型建立與仿真、機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)挖掘、聲振診斷技術(shù)、紅外熱像技術(shù)、油質(zhì)分析與診斷、多源數(shù)據(jù)融合與綜合評(píng)估等方面的研究，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器故障進(jìn)行精確診斷和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。這些研究方向的不斷深入，為電力變壓器的預(yù)測(cè)與診斷技術(shù)提供了全面的支持和發(fā)展空間。預(yù)測(cè)與診斷技術(shù)的應(yīng)用可以有效降低變壓器故障率，提高其可靠性和使用壽命，同時(shí)也減少了維修和更換的成本，促進(jìn)了電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。