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走進(jìn)濟達山西濟達電氣股份有限公司從2003年成立以來(lái)，憑借豐富的制造經(jīng)驗、創(chuàng )新的理念、優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，已成為變壓器、高低壓成套電氣專(zhuān)業(yè)制造企業(yè)、山西省變壓器、高低壓電氣骨干企業(yè)、高新技術(shù)企業(yè)、國家電網(wǎng)主要供應商。
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市場(chǎng)服務(wù)
Market Service
變壓器在線(xiàn)監測與故障診斷技術(shù)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(tài)關(guān)系著(zhù)整個(gè)電網(wǎng)運行的安全與經(jīng)濟性[1-2]。近年來(lái)，隨著(zhù)對電力需求的快速增長(cháng)，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(kāi)建設，為了滿(mǎn)足電網(wǎng)建設需要，變壓器也朝著(zhù)大容量方向發(fā)展。新的不同種類(lèi)、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(shí)發(fā)現故障并解決之提出了更高要求。電力工作者的關(guān)注點(diǎn)主要集中在電力變壓器故障檢測與診斷方法技術(shù)、故障類(lèi)型以及解決措施等方面。學(xué)者們對也對應進(jìn)行了大量的探究。文獻[3]總結闡述了變壓器常見(jiàn)的故障診斷與檢測方法，并指出要科學(xué)合理的運用診斷技術(shù)。文獻[4]指出能及時(shí)發(fā)現并掌握變壓器的故障來(lái)源、類(lèi)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(fā)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(lèi)型時(shí)，指出變壓器故障形式多樣，要迅速掌握故障類(lèi)型就要求從業(yè)人員熟悉變壓器的內部構造并進(jìn)行理論化學(xué)習。因此，研究變壓器的故障監測與診斷技術(shù)，分析總結故障類(lèi)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(lèi)
2.1 變壓器的組成
變壓器是電力系統中華用來(lái)進(jìn)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(xiàn)等部分。此外，為了運行的安全經(jīng)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(xiàn)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(lái)支持繞組。繞組是變壓器中電流的通路，通過(guò)繞組形成電流通路，再由電磁感應作用產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，繞組通常為兩個(gè)或兩個(gè)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(xiàn)接到油箱外部，并承擔著(zhù)引線(xiàn)對地的絕緣。此外，還可以固定引線(xiàn)。冷卻裝置：冷卻裝置是對運行中的變壓器進(jìn)行了冷卻的設備，是用來(lái)散發(fā)運行中繞組等產(chǎn)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(xiàn)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(shí)，鐵芯中便產(chǎn)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(guò)二次繞組時(shí)，使二次繞組產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，從而向負載供電，實(shí)現電能轉換，改變一、二次繞組線(xiàn)圈匝數，即可實(shí)現電壓變化，這就是變壓器的基本工作原理。簡(jiǎn)單說(shuō)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(lèi)
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(gè)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(lèi)。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(guò)空氣自然對流或者裝有風(fēng)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(zhì)，包括自然油循環(huán)冷卻和強迫油循環(huán)冷卻方式等。具有散熱好、容量大、損耗低、價(jià)格低等特點(diǎn)，并能很好地解決“油流帶電”及“噪音”等問(wèn)題，多用于變電站主變。
3 變壓器故障類(lèi)型及現象分析
變壓器常見(jiàn)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(luò )放電等。對于油浸式變壓器，按其結構可分為繞組故障、油質(zhì)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(fā)生的部位可分為分接開(kāi)關(guān)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(fā)出的是均勻穩定的“嗡嗡”聲。當發(fā)生其它響聲時(shí)，說(shuō)明出現故障，應及時(shí)查找。如果是較高且深沉的“嗡嗡”聲，可能是因為長(cháng)時(shí)間過(guò)負荷導致；如果有“吱吱”聲，說(shuō)明內部出現放電可能，或者絕緣老化；如果有水沸騰聲音，說(shuō)明內部可能有短路等繞組嚴重故障導致過(guò)熱或者使油氣化產(chǎn)生氣體；如果聽(tīng)到大的爆裂聲，這可能是由于內部絕緣擊穿引起。此時(shí)，應立即停止運行并檢查維修。例如某電站在巡檢時(shí)發(fā)現35kV箱變有放電聲，經(jīng)查詢(xún)發(fā)現高壓側A相接線(xiàn)處有電火花，及時(shí)報告停運檢修，避免了安全事故的發(fā)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(méi)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(cháng)時(shí)間過(guò)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(jiàn)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(guò)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(guān)。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(wèn)題主要是由于絕緣材料老化或者機械磨損，以及絕緣油發(fā)生反應降低絕緣性能導致；密封不嚴，導致絕緣受潮也會(huì )引起此類(lèi)故障。外部套管可能由于積污發(fā)生閃絡(luò )，套管破裂等導致絕緣故障出現。絕緣問(wèn)題引起的電力事故損失往往較大，如若能及早的發(fā)現并解決，可將電力事故風(fēng)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(jiàn)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(huán)境影響等自身因素，材質(zhì)不好、設計工藝質(zhì)量差等質(zhì)量問(wèn)題，接地線(xiàn)斷路、異常電壓等外部環(huán)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(xiàn)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(xiàn)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(huì )引起其它更為嚴重的故障。
3.5 多點(diǎn)接地故障
變壓器鐵心發(fā)生多點(diǎn)接地也是多方面引起的。安裝技術(shù)不過(guò)硬 ，使鐵芯或者套管引線(xiàn)碰到外殼；穿心螺栓鋼座套過(guò)長(cháng)，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(diǎn)接地；接地片質(zhì)量不好造成短路等。鐵芯多點(diǎn)接地將會(huì )造成鐵心的局部過(guò)熱，氣體繼電器頻繁動(dòng)作，嚴重時(shí)會(huì )造成鐵心的局部燒損，釀成事故。因此，能否及時(shí)檢測到此類(lèi)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(shí)發(fā)出信號，重瓦斯時(shí)則跳閘。輕瓦斯保護動(dòng)作后發(fā)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(shí)工作人員應立即展開(kāi)排查，發(fā)現異?，F象，及時(shí)解決；反之，則進(jìn)行氣體取樣分析。重瓦斯保護動(dòng)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(shí)，應先將備用變壓器投入，之后開(kāi)展外部檢查，排查順序油枕防爆門(mén)、各焊接縫是否裂開(kāi)，變壓器外殼有無(wú)變形，氣體的可燃性如何。當變壓器自動(dòng)跳閘時(shí)，同樣應先將備用變壓器投入，并進(jìn)行變壓器外部檢查（包括油枕，防爆管，各焊接縫是否裂開(kāi)，變壓器外殼有無(wú)變形，氣體的可燃性情況），查明保護動(dòng)作情況。
3.7 其他故障
變壓器故障的分類(lèi)方法很多，又互有交叉。常見(jiàn)的變壓器故障還有繞組故障、鐵芯故障、接線(xiàn)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(guān)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(shí)還伴隨著(zhù)油滲漏故障、油流帶電故障或者保護誤動(dòng)故障等多種故障；事故影響最大的是絕緣類(lèi)故障，而且其故障率是隨時(shí)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(fā)生故障，將對電網(wǎng)造成很大損害。為了防止和減少這類(lèi)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(tài)和異常做出實(shí)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(guān)察、試驗的傳統方法，基于數學(xué)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(guān)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(guān)察法。觀(guān)察法主要是通過(guò)人們的感覺(jué)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(tīng)聲音是否正常，有無(wú)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(fā)熱，但這種方法必須要求工作人員具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗，一旦發(fā)現有這些情況，及時(shí)進(jìn)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(lèi)型的重要方法。變壓器產(chǎn)生故障時(shí)，可能引起故障點(diǎn)周?chē)偷臒崃呀?，產(chǎn)生和某種故障相關(guān)的如H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H4、CO等氣體，這些氣體會(huì )部分或全部溶解在絕緣油中。因此，可根據油中氣體的類(lèi)型和含量來(lái)判斷故障的類(lèi)型。這種方法有利于發(fā)現變壓器的早期潛伏性故障且針對性強，具有比較直觀(guān)、方便的特點(diǎn)，但在氣體含量很小的情況下這種方法無(wú)法做出的判斷。
（3）變壓器預防性電氣試驗法。電氣試驗通?？梢源_定故障部位及性質(zhì)，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(jiǎn)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(gè)重要環(huán)節。預防性試驗主要包括對設備進(jìn)行檢查、取氣樣或油樣 ，實(shí)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(guò)變比測量，可以檢查出變壓器繞組匝數比的正確性、分接開(kāi)關(guān)的情況和是否存在匝間短路等。
4.2 數學(xué)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(fā)生故障時(shí)，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(fā)的不確定性，然而通過(guò)模糊理論即可對其準確描述。該方法是在專(zhuān)家經(jīng)驗的基礎上，通過(guò)隸屬度函數來(lái)描述狀態(tài)變量的變化規律，因此，其主觀(guān)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(lèi)不完備信息進(jìn)行有效分析和處理，并通過(guò)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(lèi)型，但需要工作人員的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)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(lèi)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(lái)，隨著(zhù)計算機、傳感器、人工智能的發(fā)展，國內外學(xué)者實(shí)現變壓器的在線(xiàn)監測，可在不停電的狀態(tài)下及時(shí)發(fā)現問(wèn)題，并預防事故的發(fā)生。人工智能方法以可分為模糊邏輯、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、專(zhuān)家系統、進(jìn)化算法、遺傳算法等。
（1）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )是一種模擬大腦行為和活動(dòng)過(guò)程的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)網(wǎng)絡(luò )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(xué)習功能，能映射高度非線(xiàn)性，可有效處理不完全和不精確的信息。目前，該技術(shù)在各類(lèi)大型發(fā)輸配電氣設備上廣泛應用。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )作為一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的前饋網(wǎng)絡(luò )，能夠建立任意的非線(xiàn)性模型，對輸入和輸出之間實(shí)現非線(xiàn)性映射，可實(shí)時(shí)全工況地對電氣參數進(jìn)行動(dòng)態(tài)計算，其有明顯，但單一的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )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(shù)是受生物進(jìn)化的啟發(fā)而提出的一種智能分析法，它可分為變異、交叉、選擇等幾個(gè)階段，與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )相比，其具有可實(shí)現全局搜索的優(yōu)勢；而且能夠通過(guò)動(dòng)態(tài)變異和基因多點(diǎn)交叉方式，選出最優(yōu)種群，據此優(yōu)勢可構建遺傳算法在線(xiàn)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(diǎn)。
（3）專(zhuān)家系統。專(zhuān)家系統將人工智能技術(shù)與專(zhuān)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(guān)知識和專(zhuān)家經(jīng)驗為前提，進(jìn)行推力判斷，從而實(shí)現幫助用戶(hù)決策。變壓器的故障類(lèi)型多樣，相關(guān)專(zhuān)家知識較少，在變壓器故障診斷中使用專(zhuān)家系統時(shí)，應不斷的修改、刪除或者增加知識庫中相關(guān)專(zhuān)家知識，以保持知識庫有效性和實(shí)時(shí)性；因為現實(shí)中變壓器的類(lèi)型較多，出現的故障更是多種多樣，如若專(zhuān)家知識庫相關(guān)數據不正確或不完善，必然會(huì )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(wèn)題，并且無(wú)法自我完善。
綜上所述，變壓器故障種類(lèi)繁多且復雜多變，隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展和人工智能技術(shù)的投入，使得對應的故障檢測與診斷方法類(lèi)型多種多樣，也提高了在線(xiàn)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(xué)者將遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法有效結合起來(lái)。通過(guò)遺傳算法來(lái)確定人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的初值，能很好的克服人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )收斂速度慢和局部收斂的問(wèn)題。還有學(xué)者將粗糙集理論和遺傳算法結合的約簡(jiǎn)算法，可通過(guò)全局并行尋優(yōu)，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(xiàn)監測最方便、有效的方法之一的油中溶解氣體分析（DGA）技術(shù)，目前也隨著(zhù)計算機的快速發(fā)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(shí)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(yōu)勢互補、事半功倍的效果。
5 結束語(yǔ)
變壓器在電力系統中承擔著(zhù)重要的角色，變壓器故障的發(fā)生，也影響著(zhù)國民經(jīng)濟與生活。因此，為了能夠準確、及時(shí)、有效的識別出故障類(lèi)型及故障點(diǎn)甚至做到預防，就需要有更為智能可靠的監測與診斷技術(shù)。由于實(shí)際運行中的變壓器種類(lèi)多，故障類(lèi)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(mén)，且各有其優(yōu)缺點(diǎn)，因此，工作人員需要科學(xué)合理的選用合適的故障監測診斷技術(shù)，當然工作人員也需要提高自身專(zhuān)業(yè)素質(zhì)。通過(guò)采用科學(xué)合理的故障監測與診斷方法，利用先進(jìn)技術(shù)，可將多種方法結合以整合其優(yōu)點(diǎn)對變壓器進(jìn)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(jīng)濟的運行。
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