電力變壓器的綜合分析與診斷

電力變壓器的綜合分析與診斷變壓器的故障類型很多，可能由于設(shè)計、制造、工藝、運輸、安裝、原材料等方面的缺陷，在運行中產(chǎn)生局部放電、局部過熱等問題，從而導(dǎo)致貫通性擊穿、匝間短路、絕緣損壞、燒損爆炸等嚴(yán)重事故。因此，應(yīng)加強對變壓器的日常維護，完善常規(guī)的預(yù)防性試驗試驗手段，提高對各種故障的及時檢測和預(yù)報能力。電力變壓器是供配電系統(tǒng)中廣泛使用的重要且昂貴的高壓電器設(shè)備，在運行中變壓器一旦發(fā)生損壞性故障，則將直接影響電網(wǎng)的供電，除修復(fù)費用大外，還會造成更大的直接經(jīng)濟損失。因此選用高質(zhì)量的變壓器，提高運行維護水平，使用有效的故障診斷技術(shù)，具有十分重要的實際價值。一、變壓器故障種類及分析1、導(dǎo)電回路過熱故障主要有引線接觸不良（包括將軍帽接線裝置過熱）、線圈導(dǎo)線接頭焊接質(zhì)量差以及虛焊、過負(fù)荷運行等都會引起導(dǎo)電回路局部過熱。2、絕緣水平下降主要有變壓器進水受潮(包括將軍帽密封不良進水)、變壓器油油質(zhì)不良(如介損偏大、有微生物、含水量高等)，變壓器內(nèi)部局部過熱也會造成絕緣損壞以及絕緣材料的熱解。變壓器所用的電氣材料包括絕緣材料、導(dǎo)體(金屬)材料兩大類。變壓器的絕緣材料主要是絕緣油和紙，故障下產(chǎn)生的氣體也主要來源于油和紙的熱裂解。絕緣油是由烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴等碳?xì)浠衔锝M成的混合物。絕緣紙的成分是纖維素，主要是由糖或多糖類構(gòu)成的高分子碳水化合物。絕緣油熱分解時，因分子鏈的斷裂反應(yīng)產(chǎn)生低分子烴類氣體。絕緣油大約在300℃左右就開始熱分解，但如果延長加熱時間或存在某些催化劑時，則在150～200℃也會產(chǎn)生熱分解。絕緣紙熱分解時，因分子鏈反應(yīng)將產(chǎn)生二氧化碳、一氧化碳及少量低分子烴類氣體。絕緣紙的熱解溫度也是300℃左右，但如果長時間加熱，在120～3、產(chǎn)氣故障常見的產(chǎn)氣故障有過熱和放電兩種類型。放電故障可分為局部放電和其他形式的放電故障兩種類型。過熱故障的主要原因有：①導(dǎo)體故障；②磁路故障；③接點或連接不良。熱點溫度的高低、產(chǎn)氣組分的相對濃度特征有所不同，熱點與局部放電、電弧放電時的產(chǎn)氣組分濃度特征也不相同，詳見表5－19。表5－19絕緣油熱解產(chǎn)氣組分比與故障源溫度關(guān)系故障性質(zhì)溫度范圍（℃）4種組分比值CH4/H2C2H6/CH4C2H4/C2H6C2H2/C2H6局部放大冷態(tài)＜0.1－－－局部過熱＜150＞1－－－150～200＞1＞1－－200～300－＞1－－300～700＞1－1～3－＞700＞1－＞3－電?。?000－－＞3＞0.14、調(diào)壓開關(guān)故障調(diào)壓開關(guān)主觸頭沒有到位，調(diào)壓開關(guān)抽頭引線松動，調(diào)壓開關(guān)觸頭燒毛，調(diào)壓開關(guān)觸頭接觸壓力不夠；還有有載調(diào)壓開關(guān)中的切換開關(guān)接觸不良，切換開關(guān)觸頭燒毛，過渡電阻斷線、調(diào)壓時滑檔等；另外還有滲油，即切換開關(guān)中油滲到本體中引起本體油色譜異常等。5、變壓器繞組變形在運輸過程中不注意或沒有采取安全措施使繞組發(fā)生移位。由于抗短路能力差，當(dāng)發(fā)生出口短路時，變壓器繞組發(fā)生變形或散架，嚴(yán)重時造成變壓器燒毀。6、變壓器滲油缺陷（包括冷卻器滲油）7、電容套管故障主要是進水受潮、油介損不好或整體介損不好，制造質(zhì)量比較差內(nèi)部存在著嚴(yán)重的局部放電（運行中油色譜異常），運行中末屏接地不良等造成套管絕緣不良或絕緣損壞事故發(fā)生等。以上變壓器的常見故障有多種測試和監(jiān)測手段，這些手段有的能夠測試出部分故障，有的可以綜合判斷運行狀態(tài)及故障點、故障原因。二、變壓器故障分析與診斷方法變壓器故障的種類多種多樣，包括外部附件的缺陷直到繞組的絕緣擊穿等等。按故障發(fā)生的部位可分為外部故障和內(nèi)部故障；按故障發(fā)生的過程可分為突發(fā)性故障和長年累月逐步擴展而形成的故障，這些故障可能相互影響、轉(zhuǎn)化，使故障更趨嚴(yán)重。變壓器故障分析和診斷的方法很多，主要有直觀檢查方法、電氣預(yù)防性試驗方法、油中溶解氣體分析法（DGOA）、專家系統(tǒng)（TFDES）及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（TFDANN）、智能型系統(tǒng)法（TFDAI）幾種。1、直觀檢查方法對于運行中的變壓器，通過日常的巡檢對發(fā)生下列異常現(xiàn)象，可直觀地診斷出一些比較明顯的故障性質(zhì)。（1）溫度過高或聲音異常其原因可能是過負(fù)荷運行、環(huán)境溫度超過40℃（2）振動、響聲異常及有放電聲其原因可能是電壓過高或頻率波動，緊固件松動，鐵芯緊固不良，分接開關(guān)動作機構(gòu)異常，偏磁現(xiàn)象等，外部接地不良或未接地的金屬部分出現(xiàn)靜放電，瓷件、套管表面粘附污穢引起局部火花、電暈等。（3）氣味異?；蚋稍飫┳兩湓蚩赡苁翘坠芙泳€端子不良或接觸面氧化使觸頭過熱產(chǎn)生異味和變色，漏磁通、渦C2H6、C2H4、O2和N2?？偀N是指CH4、C2H2、C2H6、C2H4這4種氣體的總量。由于分接開關(guān)接觸不良，鐵芯多點接地和局部短路，導(dǎo)線過電流發(fā)熱和接頭不良等變壓器內(nèi)部裸金屬過熱引起油裂解的特征氣體，主要是CH4、C2H4，其次是C2H6。由于線圈匝、層間絕緣擊穿，引線斷裂或?qū)Φ亻W烙和分接開關(guān)飛弧等電弧放電、火花放電等變壓器內(nèi)部放電性故障產(chǎn)生的特征氣體是C2H2，正常變壓器油中不含有這種氣體組分。變壓器內(nèi)部發(fā)生各種性質(zhì)的故障都要產(chǎn)生H2，當(dāng)H2含量偏高時，可能是變壓器中進水。變壓器主要的絕緣材料是絕緣油、絕緣紙和板等，在運行中將逐漸老化。絕緣油分解產(chǎn)生的主要氣體是氫、烴類氣體，而絕緣紙等固體材料分解產(chǎn)生的主要氣體是CO和CO2。變壓器發(fā)生低溫過熱性故障，因溫度不高，往往油的分解不劇烈，因此烴類氣體的含量并不高。而CO、CO2含量變化較大，故而用CO和CO2的含量判斷變壓器固體絕緣老化狀況?；谟椭腥芙鈿怏w類型與內(nèi)部故障性質(zhì)的對應(yīng)關(guān)系，提出了多種以油中特征氣體為依據(jù)的判斷設(shè)備故障的方法。1970年道奈堡提出了區(qū)分熱性故障和電性故障的C2H2/C2H4與CH4/H2的兩比值法；1974年大衛(wèi)斯提出了氫氧碳化素三角圖判斷法；同年杜威提出了以CH4、C2H4、C2H2三組分的相對含量為基礎(chǔ)的三角圖法，又稱PEM法；1977年羅杰斯提出了三比值法；1979年日本提出了電協(xié)研法；我國提出了改進電協(xié)研法等。油中溶解氣體分析方法是充油電氣設(shè)備內(nèi)部故障早期診斷的有效方法，這不僅為IEEE所認(rèn)可，而且被實踐所證實。對于電氣設(shè)備中充油量最大的電力變壓器，油中溶解氣體分析自然是非常有效的故障診斷方法。（1）特征氣體判別法特征氣體可反映內(nèi)部故障點引起的油、紙絕緣的熱分解本質(zhì)，氣體特征隨著故障類型、故障能量及其涉及的絕緣材料不同而不同，故障點產(chǎn)生烴類氣體與故障源的能量密度之間有密切的關(guān)系，見表5－20。表5－20判斷故障性質(zhì)的特征氣體法故障性質(zhì)特征氣體的特點一般過熱性故障總烴較高，C2H2＜5×10-6嚴(yán)重過熱性故障總烴較高，C2H2＞5×10-6，但未構(gòu)成總烴主要成分，H2含量較高局部放電總烴不高，H2＞100×10-6，CH4占烴中的主要成分火花放電總烴不高，C2H2＞10×10-6，H2含量較高電弧放電總烴高，C2H2高，H2含量高按《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》（GB7252–87）中，運行中變壓器油中溶解氣體含量超過下列任何一項值時應(yīng)引起注意：①總烴＞150×10-6；②H2＞150×10-6；③C2H2＞5×10-6，表明設(shè)備處于非正常狀態(tài)下運行。特征氣體判斷法對故障性質(zhì)有較強的針對性，比較直觀方便，缺點是沒有明確量的概念。要對故障性質(zhì)作進一步的探討，估計故障源的溫度范圍等，還必須找出故障產(chǎn)氣體組分的相對比值與故障點溫度或電應(yīng)力的依賴關(guān)系及其變化規(guī)律，即組分比值法。目前常用的是IEC三比值法。（2）IEC三比值法三比值法是IEC推薦的一種方法，它實際上是羅杰斯比值法的一種改進。該方法是通過計算C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6三種比值，根據(jù)已知的編碼規(guī)則和分類方法，查表確定故障性質(zhì)。編碼規(guī)則和分類方法及相關(guān)列表分別如表5－21和表5－22所示。表5－21三比值法的編碼規(guī)則特征氣體的比值比值范圍編碼C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H6＜0.10100.1～11001～3121＞3222三比值法在變壓器故障診斷中發(fā)揮了重要作用，但是該方法在應(yīng)用中存在以下幾個問題：①只有根據(jù)各組分含量的注意值或產(chǎn)氣速率的注意值有理由判斷可能存在故障時，才能進一步用三比值法判斷故障性質(zhì)。換言之，當(dāng)油中特征氣體含量或產(chǎn)氣速率未達到注意值時，不宜應(yīng)用三比值法進行判斷；②在實際診斷過程中，有時會出現(xiàn)編碼缺損的情況，即根據(jù)編碼規(guī)則和分類方法得到的編碼超出了已知的編碼列表，因而無法確定故障性質(zhì)；③當(dāng)多種故障同時發(fā)生時，三比值法難以區(qū)分。針對特征氣體法中的語義表達、三比值法中的編碼缺損等問題，已經(jīng)有人在這方面做了不少工作。其中，有代表性的處理方法是采用模糊數(shù)學(xué)方法，并且已取得一定效果。此外，隨著DGOA方法的深入應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)，變壓器油中的溶解氣體CO和CO2能夠反映一定的故障，一些氣體的產(chǎn)氣速率也能反映故障的發(fā)展情況，并且部分比較成熟的內(nèi)容已經(jīng)被列入相關(guān)的規(guī)程和導(dǎo)則中。表5－22判斷故障性質(zhì)的三比值法序號故障性質(zhì)比值范圍編碼典型例子C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H61無故障000正常老化2低能量密度的局部放電0～510含氣空腔中的放電，是由于不完全浸漬、氣體過飽和、空吸作用或高濕度等原因造成的3高能量密度的局部放電110已導(dǎo)致固體絕緣的放電痕跡或穿孔4低能量放電11～201～2不同電位的不良連接點間或者懸浮電位體的連續(xù)火花放電，固體材料之間油的擊穿5高能量放電102有工頻續(xù)流的放電，繞組、線餅、線匝之間或繞組對地之間油的電弧擊穿，有載分接開關(guān)的選擇開關(guān)切斷電流6低于150℃的熱故障2001通常是包有絕緣層的導(dǎo)線過熱7150～300℃低溫范圍的過熱故障3020磁通集中引起的鐵心局部過熱，熱點溫度依下述情況為序而增加；鐵心中的小熱點、鐵心短路、由于渦流引起的銅過熱、接頭或接觸不良（形成焦炭）、鐵心和外殼的環(huán)流8300～700℃中等溫度范圍的熱故障0219高于700℃高溫范圍的熱故障4022注：1、隨著火花放電強度的增長，特征氣體的比值有如下趨勢：C2H2/C2H4從0.1～3增加到3以上，C2H4/C2H6從0.1～3增加到3以上；2、氣體主要來自固體絕緣的分解，這說明了C2H4/C2H6比值的變化；3、通常由氣體濃度的不斷增加來反映，CH4/H2的值通常為1，實際值大于或小于1，這與很多因素有關(guān)，如油保護系統(tǒng)的方式、實際的溫度水平和油的質(zhì)量等；4、C2H2含量的增加表明熱點溫度可能高于1000℃；5、C2H2和C2H4的含量均未達到應(yīng)引起注意的數(shù)值。盡管油中溶解氣體分析方法在變壓器故障診斷中暴露出來一些缺陷和不足，但是這些不足和缺陷正在逐步解決和克服，其中的內(nèi)容不斷得到修補和擴充。如何進一步發(fā)揮DGOA診斷方法的優(yōu)勢，及時、快速地分析診斷出絕緣早期故障，已成為高壓電氣設(shè)備故障診斷研究的一個熱點。DGOA方法是目前診斷與溫度有關(guān)的故障的最重要的方法。同時，DGOA方法已經(jīng)實現(xiàn)了在線監(jiān)測。4、專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（1）專家系統(tǒng)（TFDES）1）TFDES的知識庫結(jié)構(gòu)變壓器故障診斷專家系統(tǒng)（TFDES）由變壓器故障診斷的知識庫、數(shù)據(jù)庫、解釋機制、推理機和人機接口5部分組成。知識庫是專家系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)的知識庫建成模塊化結(jié)構(gòu)，如圖5－15所示。TFDES著重圍繞氣體色譜分析，根據(jù)油中溶解氣體色譜分析的數(shù)據(jù)，采用三比值法和特征氣體法對變壓器運行狀況進行初步分析，判斷變壓器是正常、正常老化、局部放電，還是過熱故障。同時結(jié)合外部檢查、絕緣油特性試驗、絕緣油預(yù)防性檢查等檢測手段建立知識庫。圖5－15TFDES知識庫模塊圖綜合分析模塊根據(jù)氣體色譜分析、外部檢查、絕緣油特性、絕緣預(yù)防性試驗?zāi)K分析的結(jié)果，對變壓器的運行狀況進行分析判斷，并向運行人員作出“變壓器運行”或“停機、進行電氣試驗和內(nèi)部檢查”等建議。協(xié)調(diào)器是TFDES的主模塊，它控制、協(xié)調(diào)其它模塊的工作。2）TFDES的特點①TFDES的知識表達采用目前專家系統(tǒng)中最廣泛使用的產(chǎn)生式系統(tǒng)，知識庫為模塊式結(jié)構(gòu)。各模塊相互獨立，從而有利于知識庫的修改、擴充和更新，這給知識庫的維護帶來很大方便。②充分利用了TURBO—PROLOG語言的特點，實現(xiàn)目標(biāo)驅(qū)動的反向推理，并引入了模糊邏輯，成功地處理了某些模糊問題。③本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫由氣體分析與絕緣預(yù)防數(shù)據(jù)庫和動態(tài)數(shù)據(jù)庫兩部分組成。前者可將各種氣體數(shù)據(jù)和絕緣預(yù)防數(shù)據(jù)作為歷史資料存檔，以便用戶隨時查詢、管理。最后得出的結(jié)論，不但根據(jù)當(dāng)前的輸入數(shù)據(jù)，而且還綜合歷史變化的趨勢進行縱向分析，以及對有關(guān)試驗數(shù)據(jù)進行橫向分析。動態(tài)數(shù)據(jù)庫存放中間推理結(jié)果和最終判斷結(jié)論，在用戶需要解釋時，以便由解釋機制調(diào)用。（2）變壓器故障診斷的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（TFDANN）1）TFDANN的結(jié)構(gòu)TFDANN的實質(zhì)就是用來模擬人腦的信息處理功能，它具有自組織、自學(xué)習(xí)的能力，能映射高度非線性的輸入、輸出關(guān)系。TFDANN工作過程由學(xué)習(xí)期和工作期兩個階段組成。①學(xué)習(xí)期：在學(xué)習(xí)過程中，氣體分析數(shù)據(jù)及其它各種測試數(shù)據(jù)來源于變壓器歷史數(shù)據(jù)的計算后的結(jié)果，接著數(shù)據(jù)集被讀入網(wǎng)絡(luò)，通過反向傳播學(xué)習(xí)計算法，計算權(quán)值和閾值。②工作期：在診斷過程中，計算來自不同變壓器的測試樣本，從而得到網(wǎng)絡(luò)的實際輸出，最后將這些值與所期望的輸出值進行比較。TFDANN采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模塊化結(jié)構(gòu)，其各模塊樣本訓(xùn)練是獨立進行的。結(jié)構(gòu)如圖5－16所示。其中BP1是特征氣體法模塊，輸入特征元素X1～X6分別為H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO等6種氣體在TCG中的含量，其輸出Y1～Y4分別對應(yīng)變壓器故障診斷正常、過熱、電暈、電弧4種情況，其結(jié)構(gòu)如圖5－17所示。圖5－16中BP2為三比值法模塊，其中X7～X9分別為C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6的比值數(shù)據(jù)特征元素，輸出Y5～Y12分別對應(yīng)變壓器的故障性質(zhì)。BP3為絕緣油特性試驗?zāi)K，輸入特征元素X10～X15分別對應(yīng)酸值、電阻率、含水量、表面張力、介損、擊穿電壓，輸出Y13～Y15分別對應(yīng)絕緣油良好、要注意和不良3種狀態(tài)。BP4為變壓器外部檢查模塊，輸入特征元素X16～X20分別為變壓器運行的油溫、油位、各種噪聲等數(shù)據(jù)，其輸出Y16、Y17對應(yīng)變壓器外部及內(nèi)部是否異常。圖5－16TFDANN模塊結(jié)構(gòu)圖圖5－17BP1模塊的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖TFDANN主模塊根據(jù)各分模塊輸出的結(jié)果進行歸納，最后輸出TFDANN診斷結(jié)論。2）TFDANN的特點①采用反向傳播BP網(wǎng)絡(luò)，具有良好的模式分類能力，引入模糊邏輯理論，較好地處理了一些數(shù)據(jù)不確定性問題。②將網(wǎng)絡(luò)的輸入/輸出分別與故障征狀和故障性質(zhì)相對應(yīng)，建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模塊化結(jié)構(gòu)。它不但極大地簡化了樣本訓(xùn)練的過程，使用戶輸入信息量大為減少，同時，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點、隱層節(jié)點和激活函數(shù)趨向簡單，加快了診斷速度，有利于軟件的更新和維護。5、智能型系統(tǒng)法（TFDAI）人工智能（AI）是一門新興的邊緣科學(xué)，它已引起了許多學(xué)者的重視，并具有越來越重要的實用意義。（1）TFDAI的結(jié)構(gòu)智能型系統(tǒng)TFDAI采用的是TFDES和TFDANN“局部結(jié)合”的途徑，兩者既保持了原有的各自結(jié)構(gòu)，相互之間又處于密切的聯(lián)系，并將各自的困難問題轉(zhuǎn)化成另一種方法去解決。其結(jié)構(gòu)如圖5－18所示。圖5－1