基于BP-GM（1,1）模型的矿用变压器故障诊断研究

孙岩岩

（山西西山晋兴能源有限责任公司， 山西 吕梁 033000）

引言

变压器是供电系统的重要基础设备，是电压转变的枢纽，变压器的稳定运行直接关系到供电系统的正常运行。变压器一旦发生故障，会给整个供电系统带来严重损失。同时，由于变压器还有很多的保护装置导致其内部结构比较复杂。在变压器故障诊断过程中，根据变压器油中溶解气体的浓度变化情况来分析故障是种比较常用的判断方法。通过监测变压器油中溶解气体的浓度，再通过相关计算得到浓度比值，以此来全面迅速判断变压器的运行状态。灰色系统可以较好地预测变压器存在的故障隐患，可对矿用变压器故障进行预测，降低故障发生概率，保障电力系统的安全稳定运行。

1 矿用变压器油中溶解气体与故障的关系分析

1.1 变压器油中溶解气体含量与故障分析

矿用变压器在正常运行状态下，变压器油中主要有氧气（O2）和氮气（N2）存在。然而，变压器的密封状况、真空度、脱气程度等都会影响变压器油中所含氧气（O2）和氮气（N2）的比例。另外，随着变压器运行年限的增长，绝缘材料会有一定程度的老化，导致变压器油中产生一定的故障特性气体，特别是一氧化碳（CO）与二氧化碳（CO2）含量会增长较多。正常变压器油中可燃性气体总含量（体积分数）控制在0.1%以下，一般存在潜在故障或者轻度故障时，可燃性气体总含量（体积分数）为0.1%～0.5%之间，当可燃性气体总含量≥0.5%时，表明变压器发生故障。

从变压器内部故障性质特征来看，主要分为热性故障、电性故障、机械故障和内部受潮四类。其中，机械故障通常是由于某些原因导致紧固件松动、线圈发生位移、引线发生损坏等，虽然是机械故障，但是最终会表现为热性故障或者电性故障。内部受潮也类似，受潮如果不能及时发现，最终也会表现为电性故障。所以，变压器内部故障主要表现为热性故障和电性故障。

1）热性故障是指在有效热应力的作用下变压器内部绝缘加速劣化，最终导致发生绝缘故障。造成热性故障的原因主要有以下几种：导线过电流、接线焊接不良、油道堵塞、散热不良、铁芯局部发生短路故障等。当变压器内部发生热性故障时，如果是固体材料过热，会生成大量一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）。如果是油液局部过热，会有大量乙烯（C2H4）和甲烷（CH4）生成。如果油液局部严重过热，会有大量乙炔（C2H2）生成。

2）电性故障是指在电应力的作用下，变压器内部绝缘加速劣化，由于能量密度差异导致高能放电、电火花放电或者局部放电等故障的发生。当变压器内部发生电性故障时，会有大量氢气（H2）和乙炔（C2H2）生成，还会产生少量乙烯（C2H4）和甲烷（CH4）。如果是高能量放电造成绝缘被电弧击穿而发生故障，那么会急剧产生大量气体，主要是氢气（H2）和乙炔（C2H2），还会产生少量乙烯（C2H4）和甲烷（CH4）。这类故障一般很难预测，发生时会比较突然。导致火花放电故障的因素主要有三种。一是引线或者套管储油柜电位未固定的套管导电管放电。二是引线局部接触不良导致放电现象。三是分接开关拨叉电位悬浮而引起的放电等。这类故障的主要特征气体是氢气（H2）和乙炔（C2H2）。局部放电故障通常发生在气隙和悬浮带电体的空间内。一般来讲，总烃含量比较小，产生的特征气体以氢气（H2）为主。如果变压器内部进水而受潮，这时候也可能导致局部放电，而且水分会发生电解反应，这都会导致氢气（H2）的产生[1-2]。

1.2 采用“三比值法”进行的故障分析

变压器油中所含溶解气体的组成和数量有着很大的差别。因此，可以用不同气体的比值进行故障类型的判断。变压器故障类型通常采用“三比值法”进行，即使用 a=φ（C2H2）/φ（C2H4）、b=φ（CH4）/φ（H2）、c=φ（C2H2）/φ（C2H6）来进行预测，a，b，c 分别代表特征气体的对比值。同时规定了编码规则，如表1所示。

表1“三比值法”编码规则

根据这个编码的不同组合，查询手册，就可以进行变压器常见故障的判断。如比较常见的010就代表存在局部放电，001代表绝缘过热等。

2 灰色理论预测模型分析方法

灰色系统的实质就是通过灰色理论把抽象的因素赋予定量的意义，通过数据处理，对数据的变化趋势进行预测。灰色系统就是从变化规律不明显的数据中找出规律，对发展变化进行预测。本文选择灰色系统GM（1，1）模型进行数据分析。通过灰色系统理论的GM（1，1）模型进行计算，原理为首先通过对原始序列X（一般为离散序列）进行一次累加生成新的数列X），然后通过最小二乘原理求解待辨识参数Q和u，最终得到预测模型的响应方程，见公式（1）：

式中：X1为灰导数；u为内生控制灰数；a为发展系数。对于BP-GM（1，1）所建立的预测模型需要进行精度检验，一般采用后验差来检验。原理为残差为和的绝对关联度。原始序列 X及残差序列的εk的方差分别为S1和S2，则后验差比值见公式（2）：

式中：C为后验差比值；S1、S2为原始数据。比值C越小模型的精度越高。当C＜0.35时，模型精度为一级；当C＞0.65时，模型精度为不合格。

3 矿用变压器故障预测

以斜沟矿变电所1号变压器为采样对象，提取分析变压器油中溶解气体的含量，时间间隔为2个月，每月抽取两次，数据如表2所示。

根据CM（1，1）原理对下一次数据进行预测运算过程可由MATLAB程序直接进行。经计算，后验差均小于0.65，模型精度合格。以下为变压器部分溶解气体利用灰色理论法所得的预测模型：

表2 1号主变压器变压油中所含气体实测与预测数据mol/kg

根据表2预测数据，结合三比值法进行故障预测，可得编码为020，查表可知，故障性质可能为低温过热。将预测结果反馈给相关技术人员，进行检修发现变压器内部夹件引线螺丝有松动，部分零件存在过热和轻微烧伤情况。如果没有及时发现，会出现过热故障。因此，预测结果与实际检测基本一致。从预测结果与实际检测结果可知，通过灰色系统预测变压器油中气体含量，在利用三比值法进行推算来判断故障类型，这一技术具有一定的理论依据可靠性。但是，由于灰色系统本身精度存在一定误差，特别是预测范围越大，离散越严重。因此，只能进行短期的预测。在灰色理论中，还有很多基于CM（1，1）的改进公式，可以做进一步的研究。

4 结论

通过分析变压器油中溶解气体与故障类型的关系，提出了通过灰色系统BP-GM（1，1）理论构建预测模型的方法。经过计算，得到的模型精度符合要求。经实践证明，模型预测的结果与实际检测基本一致。该预测方法在实践中取得良好效果，有效降低故障发生概率，保障矿井供电系统安全稳定运行。