风电箱变绝缘油综合故障诊断方法及其界面化程序开发

文 | 李丹，胥永利，王凤军

随着风电技术的成熟，风电成本也逐渐下降，成为目前颇具规模的新能源发电方式。风电35kV箱变是连接风电机组并网端和风电场主变压器的电力枢纽，一旦在运行中出现故障，不论对风电场设备，还是风电场发电量都会造成一定影响。绝缘油色谱分析法是发现变压器故障的有效方法，但该方法只能分析出绝缘油溶解气体含量，如果要诊断出风电箱变的潜在故障，则需要风电场人员拥有较高水平。 据统计，38个风电场1153台机组中，出现过溶解气体超标的箱变占到总数的43.3%，个别风电场更是高达67.7%，而风电场的处理方式则是在故障导致箱变无法继续运行后，再进行维修，大大增加了风电场的维护成本。因此，风电场需要一种操作简单、诊断迅速的箱变故障诊断系统。

国内在箱变绝缘油色谱故障诊断方面，部分学者提出了基于DS证据理论与模糊集等的人工智能故障诊断法，但其理论依据均为“三比值法”，无法解决该方法自身存在的缺陷。因此，本文提出了一种基于多种方法的风电箱变综合故障诊断系统，并根据风电场实际情况对该方法进行了界面化编程。

变压器故障类型与绝缘油溶解气体组分

变压器故障从部位上分类，可分为绝缘材料故障、铁心故障、分解开关故障等。如果对变压器进行故障诊断更应从其故障的性质入手，从性质上分类，可分为热性故障和电性故障。故障会导致绝缘油溶解气体的组分发生变化。

1.热性故障

热性故障多是由变压器内部局部过热导致，在其非正常运行时，由内部运行的铜损和铁损造成。据统计，造成热性故障最常见的原因为分接开关接触不良，其次则为铁心多点接地和局部短路。热性故障按照温度等级可分为四种：（1）轻微过热故障，变压器内部温度低于150℃；（2）低温故障，内部温度在150～300℃；（3）中温故障，内部温度在300～700℃；（4）高温故障，内部温度大于700℃。

热性故障时变压器内部产生的主要溶解气体为CH4和C2H4，两者总量占总烃的80%左右，随着温度的升高，C2H4的比例也会随之升高，并会产生少量C2H2。当变压器热性故障涉及绝缘材料时，会伴随产生大量的CO和CO2。

2.电性故障

变压器产生电性故障主要由绝缘材料的裂化、引线对地闪络或断裂以及分接开关飞弧引起。按照能量密度可分为：（1）电弧放电，其能量密度最高；（2）局部放电，属于低能放电；（3）火花放电，该种放电能量最低。

电弧放电，属于高能量放电，当出现这种故障时，气体产生速度较快，且量大，此时绝缘油中的主要成分为C2H2和H2，同时也存在CH4和C2H4。如果出现电弧放电则会对变压器造成严重损害。局部放电，属于低能放电，该种放电情况比较复杂，成因较多，此时绝缘油中主要气体为H2，其次为CH4，随着放电能量密度的增大可能产生C2H2。火花放电，一般为能量密度大于10-6C的数量级时产生，此时绝缘油中的溶解气体以C2H2和H2为主。

在变压器电性故障中，这三种故障并不是一定单一出现，一种故障的发生很可能伴随着另一种或几种。因此，电性故障较为复杂，需要具体分析。

风电箱变的色谱故障诊断方法

气相色谱分析法可以检测出风电箱式变压器绝缘油中溶解气体组分含量，对及时发现风电机组箱变的潜伏故障十分有效。本文主要介绍三比值法、无比值法和TD图法三种基于溶解气体组分含量的故障诊断方法。

一、三比值法

由于变压器故障与气体含量之间的关系比较复杂，难以直接从组分含量判断故障的具体类型。三比值法是由国际电工委员会（IEC）总结大量经验整合而成，利用气体组分的比值范围、编码组合进行故障诊断。

GB7252－2001《变压器油中溶解气体分析和判断导则》（以下简称“导则”）则推荐改良三比值法（以下简称“三比值法”）。

三比值法是用5种气体的三对比值以不同的编码表示，编码规则和故障类型判断方法见表1和表2。

三比值法虽然可以依据编码组合来判断变压器故障，但使用时也应注意一些问题：

（1）只有气体含量或者产气速率超过注意值时，才能利用三比值法对变压器进行故障诊断；（2）每个编码组合对应一种故障，当多故障联合，很可能找不到对应编码；（3）实际的编码组合可能在表2中找不到。

二、无比值法

由于三比值法存在上述缺陷，因此有学者提出了无比值法。无比值法仅需要气体组分的相对含量，利用比值确定故障的具体类型。无比值法的具体判断过程如下：

（1）当C2H2/C2H4的比值，小于0.1时，为热性故障；大于0.1时，为电性故障。

（2）当判断为热性故障时，C2H4/C2H6的比值，小于1时，为低温故障（小于300℃）；大于1且小于3时，为中温过热（300℃～700℃）；当比值大于3时，为高温过热（大于700℃）。

（3）当判断故障为电性故障时，CH4/H2的比值，小于1时，为纯放电；大于1时，为放电兼过热。

经过多台次故障变压器诊断以及验证，无比值法的准确率比三比值法更高，然而无比值法故障定位精度低于三比值法，因此将两种方法结合起来使用能够更好地进行变压器故障诊断。

三、TD图故障诊断

当变压器内部发生高温过热和电性故障时，此时绝大部分变压器内部C2H4/C2H6＞3，将CH4/H2和C2H2/C2H4分别作为纵坐标与横坐标，组成了TD图，其中T代表过热，D代表放电，如图1所示。利用TD图法进行变压器故障诊断，其特点如下：

（1）TD图法不仅能进行绝缘油色谱故障诊断，同时可以将同一变压器的多组追踪色谱检测结果加入TD图，观察其内部故障变化趋势，掌握其故障变化方向。

（2）TD图法相对“比值法”更加直观。

（3）TD图法仅适用于变压器内部出现严重故障时的故障诊断，C2H4/C2H6＞3为其限制条件。

表1 编码组合规则

表2 故障类型判断方法

风电箱变绝缘油色谱故障诊断程序设计

风电场35kV箱变是风电机组并网不可或缺的一部分，在我国，每台风电机组必须配备一台箱变，一般风电场拥有几十台，甚至上百台机组，如果仅凭人工对风电箱变绝缘油色谱进行计算与故障诊断，将耗费大量的时间，不利于风电场发电生产。

一、程序界面与功能

本文将采用Visual Basic，进行风电箱变绝缘油色谱故障诊断程序设计，其界面如图2所示。其左侧为绝缘油色谱检测指标，一般包括CO、CO2、H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、总烃共8项，对于使用氩气作为载气的色谱报告，则额外包含了O2和N2。右侧则采用三比值法、无比值法等多种方法进行故障诊断。当色谱分析结果中C2H4/C2H6＞3，则可以采取TD图方法，该界面如图3所示。

图1 TD图

图2 程序主界面

图3 TD图故障诊断界面

表3 实例1风电机组35kV箱变绝缘油色谱检测结果

二、绝缘油色谱综合故障诊断方法

绝缘油色谱综合故障诊断方法综合了三比值法、无比值法、TD图法以及TD图追踪诊断，其逻辑如图4所示。根据《导则》，当绝缘油色谱分析结果中C2H2、H2、总烃有任何一项超标时，先将各项溶解气体含量输入界面之中，通过《导则》中的三比值法、无比值法进行故障诊断，对比两者结果。在使用三比值法进行故障诊断时，有时会发生找不到编码的情况，则此时以无比值法的结果为准。当C2H4/C2H6＞3，则此时可以同时使用TD图法进行故障诊断，在必要时可以将故障箱变的多组追踪数据输入程序，进行TD图追踪诊断。

三、界面化程序故障诊断实例

（一）实例1

某企业省公司下属一风电场，2017年3月某1.5MW风电机组35kV箱变绝缘油色谱检测结果，如表3所示，该机组仍正常并网运行。根据《导则》，该色谱中C2H2超过标准规定值，该箱变可能存在潜在故障，需进一步诊断。

将色谱检测结果输入程序界面中，其故障诊断结果如图5所示。

从诊断结果看，三比值法与无比值法的诊断结果一致，该箱变同时出现了电性故障与热性故障，建议风电场对该箱变的绕组及引线的绝缘材料老化情况进行检查，并对分接开关进行检修。C2H4与C2H6含量比值未超过3，不需要进行TD图故障诊断。

（二）实例2

图4 绝缘油色谱综合故障诊断方法

图5 实例1界面化程序故障诊断结果

表4 实例2风电机组35kV箱变绝缘油色谱检测结果

某企业省公司下属一风电场，2016年9月1.5MW风电机组35kV箱变绝缘油色谱检测结果，如表4所示。从色谱检测数据来看，该箱变内绝缘油存在严重故障，C2H2和总烃均严重超标。

将色谱检测结果输入程序界面中，其故障诊断结果如图6（a）所示，同时，该组色谱结果C2H4与C2H6含量比值超过3，符合使用TD图诊断的条件，应使用TD图进一步诊断,如图6（b）所示。

从综合了三种方法的诊断结果来看，该箱变以热性故障为主，同时存在低能放电，建议风电场对该箱变分接开关和引线及引线与开关接头处进行检查，查看引线与绕组、引线与开关的接头处是否存在短路、断路以及接触不良的情况。该箱变色谱检测结果溶解气体超标严重，风电场应停止使用，返厂送修。

图6 实例2界面化程序故障诊断结果

结论

针对适用于风电场箱变绝缘油色谱故障诊断方法单一、风电场人员技术实力不足等现状，本文提出了一种基于多种方法的风电场箱变的综合故障诊断系统，并对其进行了界面化程序开发。该综合故障诊断系统有助于弥补风电场在35kV箱变故障预测和安全隐患排查技术方面的不足，同时界面化程序诊断迅速、操作简单，方便风电场工作人员使用。该故障诊断系统对风电场安全生产以及经济效益提升都具有重要意义。