变压器故障诊断方法研究

周毓明， 陈 卓

(西安文理学院 机械与材料工程学院，西安 710065)

1 绪论

1.1 变压器故障诊断的目的和意义

在国家经济高速发展的时代背景下，电力在各个行业的地位都在不断增加，电力系统中最重要的部分就是变压器，它的作用是变换电压、分配电能以及电力的传输.

变压器故障诊断技术主要作用是防止变压器因故停机而带来的经济损失.据文献资料显示[1]，美国东部时间2003年8月14日15时左右，美国中西部，东北部及加拿大安略省部发生大面积停电，损失负荷达61.8 GW，大面积停电导致北美地区近5 000万人口生活供电中断.格林尼治时间2006年11月4日21∶30左右，西欧国家发生大面积停电事故，涉及8个国家，损失负荷16 GW，大部分地区1小时后才恢复供电，部分地区断电最长达90 min，德国工业重镇科隆一度陷入瘫痪，此次停电事故导致约1 000万人受到影响.

一般而言，变压器的容量随着等级的升高而变大，容量越大的变压器发生故障时造成的损失也越大[2].近年来，电力变压器在材料改进、设计方法和制造技术上有所提升，从而运行稳定性也有所提高，可仍然做不到零事故.

1.2 变压器故障诊断的研究现状

在计算机和人工智能高速发展的背景下，智能化也逐渐深入变压器故障诊断当中，神经网络、模糊理论、支持向量机、专家系统、遗传算法、免疫算法等技术方法在变压器故障诊断系统中的广泛应用最能体现故障诊断系统的人工智能化[3].

电力变压器产生故障的原因多样复杂且不易直观看出，致使判断故障性质和故障产生部位难度大大提升.自20世纪以来，油中溶解气体法(DGA)就是变压器故障诊断最常用的方法，它是通过分析变压器油中溶解气体的相对含量来判断故障类型[4]，例如一些很实用的算法三比值法等，但是这些方法都存在普遍的“编码盲点”问题.为了解决此问题，很多学者在此基础上引入了神经网络等算法来判别变压器故障.

变压器故障诊断实质就是在变压器运行时判断是正常还是存在隐患.换言之，即对变压器未来一段时间的运行状态有预见性[5]，预测是否会发生故障；若故障已经发生，要能够准确地判断出故障产生的原因和部位以及故障的类型和程度，并能据此制定相应的维修对策.

2 变压器的故障类型

2.1 基本分类[6]

2.1.1 按发生故障的部位划分

绕组故障：发生在绕组间的相间短路和发生在线匝之间的匝间短路.

引线故障：发生在各引线间的相间故障.

套管故障：绝缘套管因老化而裂缝或闪络引发的短路故障.

2.1.2 按故障现象划分

热故障是按照它温度的高低来划分故障类型，一般将低于一百五十摄氏度定为轻度过热，大于一百五十小于三百摄氏度定为低温过热，在三百到七百摄氏度之间为中温过热，若是高于七百摄氏度则是高温过热.

电故障分类原则是按照能量密度强度来划分，主要分为火花放电、高能电弧放电及局部放电.

(1)局部放电：在正常时，伴随产生的大多为氢气，其次是甲烷；在10-7和10-6之间时，将会降低氢气的含量转而会生成少量乙炔，即将因电压的作用，而产生内部某边缘位置放电并能击穿的情况.例如：气泡或者空隙存在于油或者固体材料当中时，那空隙两边便会放电而出现部分放电.

(2)当电位变化不定或油中有杂质时便会引发火花放电，这种现象发生时，通常电能密度在10-6以上，可以通过氢气和乙炔的气体相对总烃含量来判断是否为火花放电.

(3)还有一种放电是由于电能过高而产生的放电——电弧放电，通常电弧放电伴随的现象是高含量的乙炔气体和氢，其中能够占到总烃的40%，其余的氢气之类的总共能占到60%，它造成的危害也是巨大的，因它造成的事情具有突发性，故障表现形式是引线会断裂等现象.

2.1.3 按回路划分

从回路划分主要有电路故障、磁路故障和油路故障.

2.2 变压器内部故障

变压器内部故障[1,3]会伴随一系列现象发生，通常表现为产气速度和气体比重的变化，其原因是由于过长的运行时间，绝缘油和固体材料老化或变质后产生气体，由于变压器的故障类型和气体成分之间有着千丝万缕的关系，因此在发生内部过热故障或放电故障时就会运用色谱法检测故障类型，它的检测机理就是根据气体各含量比重及气体生成速率来判别.

当变压器发生内部故障的情况下，故障越严重生成气体的的速度越快，总量越多；故障程度越轻，气体生成速度越慢，总量越少；若是正常情况，则只有很少量的气体.据历来人们对变压器故障现象的的研究，得出CO和CO2直接反映着其内部绝缘材料是否正常，氢和烃类在油中的含量限值[6]如表1所示，一旦出现其中某一气体含量超过限制即表明存在安全隐患，就需要更频繁地检测并对气体追踪，查询故障部位.总烃(C1+C2)是指CH4,C2H6,C2H4,C2H24种气体的总量.

表1 氢和烃类气体在油中的含量限值

运送变压器的过程中使之损伤，或者在运行中内部短路的电磁力造成故障都属于机械故障，有时还会表现为热性故障和电性故障[7].

2.2.1 热性故障

热故障是变压器故障中最普遍且频率最高的故障类型，对变压器能否稳定运行起着决定性作用.绕组温度过高、漏磁、换气设备停止工作、引线故障或者存在异物都容易引发热故障产生.

绕组中发生热故障通常由两种类型造成，其一是技术，其二是质量.前者主要指的是技术发展跟不上器件和导线的步伐，在技术上不能完全满足生产需要，结果在使用过程中长时间使用的话老化速度很快，进而引起匝间短路发生热故障；后者主要指的是材料自身存在缺陷，属于产品质量问题，会造成匝间短路，尽管不是很严重，但是长时间在此状态下运行，也会逐渐升温而产生热故障.

可以根据变压器内部气体含量来判断是否故障，例如当C2H2,CH4含量特别高时，且H2,CH4，C2H6，C2H2的比重占到多半时，则表明已产生热故障，若气体的含量还在增加那说明故障也是越来越严重，据此依据H2和C2H6的比例及变化趋势判断热故障源，并制定接下来的运行规程和维修内容.

2.2.2 电性故障

有一种故障是由于电场能量过大，或将击穿绝缘材料层，此时在变压器内部能量的密度分布不均，若能量集中在间隙中会引起局部放电；如果是断续地放电则属于火花放电；还有种是产生电弧成为电弧放电，这3种类型统称为电性故障.电性故障对设备的损害非常致命，会直接损坏绝缘材料，需更换部件才能继续使用.

将击穿线圈内部空间或是造成引线断裂等类似发生在线圈里面的故障称为电弧放电，在这种故障发生时，内部会迅速生成大量气体，而且这种故障很难提前预测到，因为外观来看一切正常，内部的变化具有瞬时性，稍有不慎就会发生，因此此类算是顽疾，最好应用监测技术并缩短检测周期以便于及时发现及时作出相应措施.

变压器受外部环境影响而导致不能稳定运行，例如在运行过程中若负荷不稳定，绝缘油体积会出现热胀冷缩的现象，此时一旦有潮湿的空气、杂质、水分被吸入变压器内部后，会严重影响其性能，甚至可能会加快绝缘油的老化，而且在电场力的作用下分解绝缘油，产生氢气，加速了绝缘油的裂化，导致其绝缘性能下降.由于变压器油的性能很重要，也特别容易受到外界因素的干扰，目前无法避免，所以需要定期对变压器进行色谱检测，在运行前、检修后使用色谱监测至关重要，将直接影响到变压器的运行状态.故障类型和气体组分间的关系[1]在文献GB/T7252 2001《变压器油中溶解气体分析和判断导则》中有明确说明,如表2所示.

表2 故障类型和气体组分的关系

2.3 变压器故障类型的判断

2.3.1 判断有无故障

(1)根据相关实验研究结果，能够从检测数据得出是否存在故障(数据如表3所示).不过在使用时需要注意以下几点：达到注意值表明有故障征兆，此时需要更加频繁地检测，以及时做出反应，避免造成不必要的损失；达到故障值即表明故障已经发生，一般为内部故障，谨慎起见，应适时选择停止运行，或者改变负荷然后观察能否运行，不能因小失大，造成人员伤亡或者巨大经济损失.各气体在不同状态下的含量值根据IEC在热动力学原理的基础上充油电力设备内绝缘故障下产生特殊气体组分含量的相对浓度与温度的相互依赖关系等原理内容为基础，通过实验得出结论[1],如表3所示.

表3 气体注意值和故障值

(2)另外一种判断方法是：多次不间歇地检测气体含量，若是呈明显的上升趋势则有故障，若是不明显则为正常，这种检测方法适用于任何时候，不管是刚投入使用还是运行多久，都可判断.想要准确地判断出变压器是否有故障，就需要把实际环境和得到的检测结果相结合来判断，只是单一地使用数据和经验是不够准确的.

2.3.2 判断故障类型

如上所述，变压器存在故障是可以做出判断的[6,8].若存在故障，则需要进一步对变压器故障类型及发生部位做出判断，以便及时做出修改决策，以下是几种故障诊断的方法.

(1)特征气体法：特征气体法判断故障类型的原理是各种故障类型与生成的气体之间的联系，只要检测出各特征气体的比重就能判断出故障类型及故障发生部位的方法.例如检测到氢气含量很高而引发的故障时，此时一般为绝缘油中有潮湿气体或者水混入；若是碳氢化合物含量很高时，表示故障部位是在固体绝缘物质部分，因为碳氢化合物主要是由于绝缘部位故障所分解产生的气体.严重时变压器内部可能出现电弧放电现象.

(2)浓度谱图法：使用各类气体主导的故障类型用图形直观给出，能看出气体变化趋势下故障类型的变化趋势，把各气体用直线链接得到的图形来判断故障类型.

①电弧放电：线圈层间短路、线圈导线熔断、开关接头飞弧、循环电流引起弧光放电.

②C2H2、CH4主导型：线圈短路，分接开关级间电弧放电.

③C2H4主导型：导电部分接触不良，当发展到部分放电或电弧放电时，H2和C2H2比率增大.例如：开关接触不良、接头部分松脱、绝缘损伤、多点接地等.

(3)综合判断和相应的技术措施

在检测变压器故障类型时，仅仅使用单一的一种方法如特征气体法或者浓度图谱法都不能够准确得出结论，需要结合设备运行时间和检修过程综合概括，这样有利于准确定位故障类型及部位.

3 变压器的故障诊断方法研究

3.1 变压器故障油中气体色谱检测

变压器的故障类型具有易变性，经过实验验证，油中气体色谱检测[1,7]是结合化学分析方法，在变压器故障诊断中准确性很高，能够检测出隐藏的故障，这对解决变压器隐藏故障带来的安全隐患有重大意义.

油中气体色谱分析法的原理是利用特定的烃类气体的速率变化受温度变化的影响而建立的.据此人们可以依据温度的变化直观地判断变压器是否正常运行.一般来说，温度变化主要是因为放电、放热和电弧造成的.

在故障产生时很多气体都会消解在绝缘油中，只有少部分的气体会以油质表面为载体到继电器中，因此必须定时检测变压器油中的气体含量，以此来判断变压器是正常运行还是存在潜伏故障，避免事故的发生.经优化的变压器气相色谱分析法在故障诊断时其优点显而易见.实践中使其应用得到不断推广，技术也变得更加完善和成熟.

根据上述分析和总结，在使用变压器故障诊断色谱分析法时需要注意以下方面：

(1)要严格分析生成气体的相对含量，寻找源头实施优化.

(2)判断存在故障与否并确定故障类型.例如是否属于短路故障、热故障、电故障等.

(3)分析掌握故障实时情况.例如温度是否不断上涨、安全阀保护功能是否正常、故障现状及可能的发展方向等.

(4)依据情况实施处理方案.例如是否应该及时停止运行，需要检修的部位，是否还需要继续监测，是否要更换器件，检修时间及造成的损失最小化等.

3.2 变压器绝缘故障的色谱分析和在线监测方法

气体色谱分析法[1]目的是希望能够通过分析变压器油中溶解气体比重和生成速度来预测变压器是否正常运转，若存在安全隐患则要找出故障部位和类型.变压器色谱在线监测的优点在于能够及时检测出潜伏的故障，相比于定期检测技术更安全，因此在线监测技术广泛运用于检测系统，是准确检测和维修的基础条件，也为稳定运行提供了技术保障.

3.3 变压器故障的综合分析与诊断

在变压器正常运行的时候，各类气体含量相对较小，可是一旦发生故障后就会生成大量的特征气体(如CO和烃类)，各类气体不同的变化趋势比重都会反映某种或某几种故障，综合分析技术就是根据气体变化量来判别故障[1,8]：

(1)氢气含量的变化.变压器正常运行状态下，总氢烃中氢气的比重约在25%以下，当温度增加时，它在总烃量中的比重会下降，但是它的量是在上升.变压器发生热性故障和电性故障时会产生严重的后果，如损坏绝缘介质、击穿绝缘层等，这就会引起特征气体的生成.变压器在内部进入潮湿气体或水分之后长时间运行，也会导致氢气比重变大.据此在分析出氢气的比重后，如果比重特别大，而气体总量无明显变化时，首先可判定为故障是因为潮湿气体进入内部，欲想准确判定还需做微水鉴定.常用的处理水份的方法是真空滤油机，然而在实际中，固体绝缘材料中的含水量远远大于变压器油中的含水量，因此这种方法只能去除很少的水分，若是正常情况下则可以用此种方法去除水分.

(2)乙炔变化.一般来说，乙炔的生成是由于电故障的作用，特别是在电弧现象发生时，乙炔在总烃中的比重最高能超过70%，氢气在总氢烃的比重最高能超过90%.而且乙炔所占的比重会高于甲烷的比重，变压器内部的各开关或线匝之间有空隙存在时，会引起放电事故，这时伴随的现象会是乙炔的含量和比重迅速增加，其他各气体含量无明显变化.

(3)甲烷和乙烯气体的变化.甲烷和乙烯气体在正常情况下含量不是很高，但是若温度升高使绝缘油分解后，它们在总烃中的比重会达到80%，其中乙烯的含量还会因故障处的温度变化而变化，而且乙烯的比重也是最高的.同时也会产生许多甲烷，但是甲烷是由含有甲基的增塑剂等物质衍生出来的，衍生出来的量的多少和硫化条件有很大关系.

(4)一氧化碳和二氧化碳的变化.电故障的情况下产气速度会瞬间上升，而热故障相对较缓慢.变压器绝缘油能使用多长时间取决于固体材料是否正常，上述两种气体的含量也能反映固体材料的老化程度.因此在进行变压器检查与维修过程中，应增加一项检测内容，即一氧化碳和二氧化碳的含量及比重，若是含量过高，则预示着固体材料的老化程度严重，将造成严重故障.变压器运行的时间越长，内部发生的变化越大，除固体绝缘材料氧化和老化之外，也会随之生成氧气和烃类气体.变压器内部生成的一氧化碳和二氧化碳气体会加速绝缘材料的老化.需要定期检测二氧化碳的含量及变化量，将老化设备及时维修，以降低此类事故的发生几率，减小损失.

4 结语

以上几种气体与故障类型是线性映射的关系，可是在现实情况中，不同气体有时反映的不仅仅是一种故障类型，气体的产生速率和含量的变化反映出的故障也不是很全面，想要完全避免因故障造成的损失就需要一种能够及时且能够完成非线性映射的方法应用于变压器故障诊断系统中，专家系统、神经网络等都能为变压器故障诊断做出技术支持，这样才能完善变压器故障诊断的方法.

[参 考 文 献]

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