11电力变压器的故障诊断分析.docx

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11电力变压器的故障诊断分析

电力集团供电二公司

2013年度科技论文

电力变压器的故障诊断分析

刘东哲马麟袁保昌

大庆油田电力集团供电二公司海拉尔供电分公司变检队

二○一四年十月

电力变压器的故障诊断分析

刘东哲马麟袁保昌

大庆油田电力集团供电二公司海拉尔供电分公司变检队

摘要：

电力变压器是电力系统中重要的电气设备之一。

研究电力变压器故障诊断方法对提前发现电力变压器潜在故障、提高电力系统的安全性具有重要意义。

本文主要研究了电力变压器状态监测与故障诊断的现状以及存在的问题，并对电力变压器的相关故障诊断方法进行了分析，为电力变压器的状态维修提供了理论依据，对降低电力变压器的维修费用和提高电力变压器的可靠性具有一定的理论意义和实际应用价值。

关键词：

电力变压器；状态评估；故障诊断；在线监测

1□引言

电力变压器是电力系统输电、配电的主要设备。

随着我国电力工业的不断发展以及电网规模的不断扩大，电力变压器的电压等级和总容量也不断攀升。

目前，我国国家电网主要枢纽电力变压器已经有半数以上运行年限超过10年，这些在役的电力变压器正面临着日益严重的设备故障和绝缘老化问题，发生事故的概率也不断增加。

电力变压器一旦发生事故可能会造成设备资产损坏和大停电等巨大损失，甚至会产生严重的社会影响。

因此，必须进行电力变压器健康诊断的研究。

保证电力变压器健康运行的关键是对电力变压器运行状态进行准确监测，根据运行过程中的各种状况诊断变压器当前的运行状态预测其发展，及早发现变压器运行状态异常，将“故障诊断”上升为“健康诊断”。

2□变压器故障原因与研究现状

据统计，按变压器故障部位分类，大型电力变压器因线圈损坏而造成变压器故障的比例是最高的，而线圈损坏中又以变压器承受外部突发短路导致的故障比例为最高，其次为分接开关和套管等组附件故障。

按故障性质分类，主要分为放电性故障和过热性故障，而变压器的过热故障主要分为两大类：

一类是电流回路的过热，如分接开关或引线连接接触不良等；另一类是磁回路的过热，如铁心多点接地、硅钢片局部短路以及全星形变压器的过热故障等[1]。

国内早已幵展了对变压器状态评估的研究工作，文献[2]阐述了运行中变压器状态评估的含义、评估项目内容、评估方法、依据、评估比时基准，通过列举故障实例，介绍分析了故障的思路和应用。

还介绍了正常状态维修和故障检修、事故检修的常见项目。

设备的状态评估是制定设备检修策略的依据，是一个比较复杂的系统工程。

既要按照设备巡视检测、定期检测和带电（在线）检测的结果进行评估，还要结合设备的设计和结构特点，包括同型产品运行经验（有无家族性缺陷等）和运行条件（例如工作电压水平、负荷、内外过电压、外部短路和气象及污秽等）进行全面评估。

在故障预测方面，文献[3]以灰色系统理论为基础，研究了电气绝缘故障诊断的灰色预测模型新模式及其应用。

文献[4]应用神经网络法预测变压器油的介质损耗因数，从而预测变压器油的热老化故障。

国外也大量开展了变压器状态评估技术的研究工作，文献[5]介绍了几种国外的状态分级方法

（1）ABB公司对变压器设备的状态进行量化的评价，为变压器的管理决策提供依据，该评估方法从可能危及变压器运行的一些最重要方面（短路强度、负载能力、绝缘老化和电气特性）评估变压器。

（2）波兰根据变压器基本数据（如运行年限、油中溶解气体分析、绝缘的性能指标等），对变压器状态进行排序，大致可以分为较好、一般、较差和较坏。

（3）俄罗斯评价变压器状态的标准或决定变压器是否从电网中退出的标准是以变压器工作效率来判定的，如果变压器工作效率大于0.9，则表明变压器工作状态良好；如果变压器工作效率在0.75-0.9之间，则表明变压器状态尚可，不必立即从电网中退出；如果工作效率低于0.5，则表明变压器运行状态不好，必须立即从电网中退出。

国网公司近几年大力推进设备状态检修工作，其中设备状态评价是状态检修的工作基础。

按照国家电网公司设备状态检修管理规定，为规范和有效开展设备状态检修工作，国网公司制订一系列设备状态检修相关规程，包括适用于110（66）~750kV的交流油浸式变压器（电抗器）设备状态评价导则和状态检修导则[6，7]。

近年来，随着无人值班变电站的普及和设备状态检修工作的推进，电气设备在线监测和带电检测技术的应用越来越广泛。

随着在线监测技术的大量应用，在运行中也暴露出许多的问题[8]，文献[9]~[10]介绍了一些变压器在线监测技术的研究和应用情况。

另外电力公司也大力推广带电检测技术的应用，目前在带电检测手段中，除了应用较为广泛和成熟的红外测温外，其他带电检测技术应用经验还不够丰富，还需要进一步研究和积累。

3□变压器故障检测方法

3.1□基于油中溶解气体分析的变压器故障检测方法

变压器油中溶解气体分析（DissolvedGasAnalysis，DGA）是电力变压器绝缘诊断的重要方法，它能有效发现变压器内部的潜伏性故障及其发展程度。

目前很多人工智能的方法如神经网络、专家系统、聚类分析、灰色理论、支持向量机、粗糙集等，它们中的一种或几种集成的方法被应用于电力变压器绝缘诊断中，并取得了较好的诊断效果。

3.1.1□特征气体法

变压器油中溶解的特征气体可以反映故障点引起的周围油的热分解本质[11]。

气体组分特征随故障类型、故障能量及其涉及的绝缘材料的不同而不同，因此特征气体判别法对故障性质有较强的针对性，比较直观、方便。

通过与正常变压器油中溶解气体的含量限值作比较和根据总炔含量及产气速度来判定是否故障。

此种方法虽然简单，容易实施，但往往存在识别精度低等缺点，因此还需要配合其他方法使用，效果才可以满足需求。

[12]基于此种方法还有罗杰斯比值法和改良三比值法。

3.1.2□神经网络法

人工神经网络具有自组织自学习的能力，无需建立任何物理模型和人工干预。

针对变压器故障诊断的特点，结合三比值法构建神经网络。

通过实例验证了用BP神经网络对气体比值编码的正确性和可行性。

为了克服单个神经网络不能给出诊断结果可信度的缺点，将多神经网络方法引入到变压器油色谱故障诊断中。

把粗糖集理论与人工神经元网络结合起来应用于变E器故障诊断，粗糖集理论可以有效地对样本集进行约简，从而简化了ANN的网络结构，减少了网络的训练步数，提高了判断准确率。

神经网络中使用最广泛的算法是BP算法。

3.1.3□专家系统方法

专家系统是人工智能的一个重要分支，它是以专家知识为基础，模仿人类专家推理过程的逻辑推理系统，其优点有：

以清晰的自然语言方式表达无法用数学模型表达的专家知识，便于理解；能在特定领域内模仿专家工作，处理非常复杂的情况，包括异常情况；在已知基本规则的前提下，无需输入大量细节数据即可运行；能对系统的结论做出解释。

综上，现阶段对变压器故障诊断的研究主要采用的是基于油中溶解气体分析的方法，仅仅依靠单一的状态检测手段及其特征量的诊断方法只能从某一个方面反映变压器的状况。

实际上，当变压器故障或存在潜伏故障时，变压器器身振动特性、电气特性等都会发生一定改变，有必要合理利用其它检测手段对变压器状态进行检测，并进行特征提取和故障诊断。

[13]

3.2□基于局部放电信号的变压器故障检测方法

变压器的绝缘故障大多是由局部放电发展起来的，因此局部放电检测很重要，其检测分为在线监测和停电检测。

在线监测手段包括超声波、超高频和对地泄漏电流的监测或检测。

[14]利用这些检测手段可以取得同放电相对应的信号，对信号进行处理和分析可以诊断局部放电类型或对放电定位。

局部放电信号的检测手段包括超声波、超高频和脉冲电流法。

3.2.1□超声波检测法

超声波是通过检测电力设备局部放电产生的超声波信号来测量局部放电的大小和位置。

在实际检测中，超声传感器主要是通过贴在电气设备外壳上以体外检测的方式进行的。

超声波方法用于在线监测局部放电的监测频带一般均在20kHz~230kHz之间。

超声波法检测变压器局部放电具有以下优点：

①易于实现在线检测；②便于空间定位；③可望实现利用超声波法进行模式识别和定量分析；④超声波法的进一步研究有望得到一些新的放电信息。

放电源发出的超声波在变压器内部的传播过程是一个很复杂的过程，存在超声波折射、反射，且超声波在变压器油中和箱体中的传播速度不同，放电定位精度受到限制。

另外，由于放电源发出的超声波具有方向性，且现场噪声很大，故无法利用超声波信号对放电信号进行模式识别和定量判断，检测效果不令人满意。

即使一些放电定位方法已有进展，但定位时需要反复调整传感器位置，定位精度较低，定位技术还不能满足工程需要。

另外，利用超声波进行局部放电的放电量的大小确定和模式识别方面的工作却做的很少，有效的成果也不多，究其原因，超声波法测量局部放电目前主要存在以下三个方面的问题：

①局部放屯产生超声波机理问题；②超声波的传播路径问题；③对声信号的处理方法问题。

3.2.2□特高频法

特高频法（以下简称UHF法）是目前局部放电检测的一种新方法。

研究认为，每一次局部放电过程都伴随着正负电荷的中和，沿放电通道将会有过程极短陡度很大的脉冲电流产生，福射的电磁波信号的特高频分量比较丰富。

[15-16]目前实验已经证明，变压器（油中放电脉冲的上升沿很陆，一般在1ns以内）能够激发出很高频率的电磁波，最高可达数GHz。

通过天线传感器接收局部放电过程辐射的UHF电磁波，可实现局部放电的检测。

该技术的特点在于：

检测频段较高，可以有效地避开常规局部放电测量中的电晕、开关操作等多种电气千扰；检测频带宽，所以其检测灵敏度很高；而且可识别故障类型和进行定位。

同时特高频方法采取天线空间锅合射频信号的方式使监测系统与被检测对象之间没有电气连接，对操作人员及监测设备而言都具有更高的安全性。

目前，特高频方法的研究也面临着一些问题，由于测量机理与脉冲电流法不同，因此无法进行视在放电量的标定，而且一般外置式传感器灵敏度明显低于内置式，所以现场一般需要对现场变压器的结构上进行一些改动，一般是变压器预埋传感器开孔或利用放油阀将特高频传感器伸进变压器箱体，这对于今后在出厂前就嵌入箱体内是可行的，但是对于已投运行的变压器而言，改造时难免引起变压器油受潮或漏油的问题，电力企业难以接受对于运行中的变压器进行超高频传感器改造的建议，从而这种检测方法的推广还存在一定的障碍。

3.2.3□常规脉冲电流法

局部放电过程中会伴随着电荷的迁移，迁移电荷可在外围测量回路中产生脉冲电流，通过检测该脉冲电流便可实现对局部放电的测量。

常规脉冲电流法通过检测阻抗或电流传感器，检测电力设备及部件内部由于局部放电引起的脉冲电流信号，获得视在放电量。

常规脉冲电流法是研究最早、应用最广泛的一种检测方法，IEC-60270为IEC正式公布的局部放电测量标准。

该方法测量放电时回路电荷变化所引起的脉冲电流来实现对高压电力设备局部放电的检测。

脉冲电流法采用的传感器为稱合电容（如变压器套管末屏）或电流传感器，其测量频带一般为脉冲电流信号的低频段部分，通常为数kHz至数百kHz（至多为数MHz）。

目前，常规脉冲电流法广泛用于变压器型式试验、预防和交接试验、变压器局部放电实验研究等，其特点是测量灵敏度高，可以获得一些局部放电的基本量（如：

视在放电量、放电次数以及放电相位）等。

常规脉冲电流法的缺点在于：

①由于运行现场干扰严重，导致常规脉冲电流法很难有效应用于在线监测；②对于变压器这类具有绕组结构的设备，由于局部放电在绕组内的传播导致脉冲电流法在标定时产生很大的误差；③由于检测阻抗和放大器对测量的灵敏度、准确度、分辨率以及动态范围等都有影响，当被检测对象的电容量较大时，受稱合电容的影响，测试仪器的测量灵敏度随着试品电容增加而下降；④测量频率低，频带窄，包念的信息量少。

3.3□基于振动信号的变压器故障检测方法

振动分析法是近年来国内外提出并逐步形成的一种检测变压器绕组铁芯机械状况的新方法，也是目前变压器在线检测的研究热点之一。

[17]已有的检测变压器绕组故障的方法有低压脉冲法（LVI）、频率响应分析法（FRA）以及短路阻抗法，但是这些方法均不能在线地反映变压器的运行状况。

与传统的方法相比，振动法最大的优点是通过贴在变压器器身上的振动传感器来监测变压器绕组及铁芯的状况，与整个电力系统没有电气连接，对整个电力系统的正常运行无任何影响，具有较强的抗干扰能力和灵敏度，能够安全、可靠地监测变压器的状态，具有良好的应用前景。

变压器器身振动是一个复杂的综合表现，实际运行中发现，电力变压器器身表面的振动与变压器绕组及铁芯的压紧状况、绕组的位移及变形密切相关。

变压器器身各处测取的振动信号包含着丰富的信息，通过分析变压器箱体表面的振动信号，可以发现变压器铁芯压紧力变松故障和绕组变形、松动等故障。

基于振动的变压器诊断方法最先在电力技术比较发达的国家获得研究及应用。

俄罗斯、美国的最先开展了这方面的研究，在国内西安交通大学的汲胜昌、上海交通大学的谢坡岸等学者对基于振动的电力变压器也进行了一定的研究。

从目前国内外对变压器进行振动测试与研究的重点来看，大致可以分为三个方面：

一是对变压器产生振动的机理进行研究，包括故障原因、故障发展和趋势预测等；二是对变压器振动信号进行分析，包括谱分析、噪声分离技术等；三是对振动监测分析系统的研制，包括测点布置、信号隔离及故障分析等但对变压器箱体表面振动信号的预处理和特征提取方法研究很少，因为振动信号属于非线性非平稳信号，且含有大量噪声，采用传统的快速傅里叶变换进行振动信号分析会产生较大的误差（包括频谱），而且振动信号的傅里叶谐波表示尽管在数学上是正确的，但由于表示谐波的基函数是事先给定的，这种谐波不具有明确的物理意义，不能真实准确地表征变压器振动的自然特征。

因此有必要对变压器振动信号的预处理和特征提取方法进行更进一步的研究。

4□结论

变压器维护人员利用多种检测手段的诊断结果，可对变压器的具体部件进行故障判断。

尽管目前对于变压器状态的检测手段已多样化，但现有诊断方法距定位到故障部件的期望还相差甚远，尤其检测现场干扰大，所得信号的去噪问题不可小视。

已有变压器智能诊断方法在理论方面都取得了令人较满意的结果，但研究大都处于实验室阶段，且在特征提取或分类算法上还存在诸多不足之处，如正判率还不够高，要求样本集大，不能适用于小样本数据。

因此，有必要对变压器的诊断方法进行融合，取长补短。

综上，现阶段对变压器故障诊断的研究主要采用的是基于油中溶解气体分析的方法，仅仅依靠单一的状态检测手段及其特征量的诊断方法只能从某一个方面反映变压器的状况。

实际上，当变压器故障或存在潜伏故障时，变压器器身振动特性、电气特性等都会发生一定改变，有必要合理利用其它检测手段对变压器状态进行检测，并进行特征提取和故障诊断。

参考文献

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中国电力出版社，2000

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（2）：

31-37

作者简介：

刘东哲（1990年8月-），男，大学本科，无职称

马麟（1975年8月-），男，成人大学，工程师

袁保昌（1959年5月-），男，中专，高级技师