煤矿井下变压器故障诊断研究

郇毅旋

（西山煤电集团有限责任公司电力公司， 山西 太原 030053）

引言

在煤矿生产作业中，变压器是井下供电系统中的重要一环，其运行状态和稳定性直接影响企业安全生产。即使变压器设计性能优良、电气强度足够，在生产制造和投产使用环节依然存在一些难以避免的缺陷，导致变压器运行故障，进而影响矿区生产，导致火灾和人员伤亡事故。因此，分析和研究煤矿井下变压器常见故障及其诊断方法及其重要。

1 煤矿井下变压器常见故障分析

1）铁芯故障。变压器铁芯故障主要分为局部发热以及紧固螺杆对地绝缘不良两种，其中以局部发热较为多见，导致铁芯局部发热的原因主要是铁芯多点接地、绕组短路、绝缘膜老化、输入电压幅值偏高、外部短路、负载谐波以及电源频率不稳等等。为解决紧固螺杆对地绝缘不良问题，首先应规范开展绝缘电阻测试，细致检查绝缘管，确认有无接触不良问题[1]。

2）绕组故障。绕组易导致相间短路、绕组接地、匝间短路和断线等故障问题，此类故障可能是制造或检修操作环节遗留的内部绝缘老化引发，他可能是运行期间绝缘老化所致。变压器制造环节，压制不紧可引起短路冲击，进而导致绕组变形以及绝缘受损问题；运行状态下，变压器内部热量不断积聚，侵蚀绕组绝缘并致其逐渐老化；长时间过载运行有较大几率损坏变压器绕组绝缘；大面积接触空气、油内进水同样会引起油的酸价偏高，大大削弱绕组绝缘水平，易引起绝缘击穿事故；受潮会导致绕组绝缘膨胀，进而堵塞油道，导致局部过热问题；而在绝缘击穿状态下，绕组易发生接地故障或短路；出现匝间短路故障的变压器自身过热，油温亦会明显升高。应注意的是，轻微故障易诱发瓦斯保护动作，情况严重则会导致电源侧过电流保护以及差动保护动作。如果明确有匝间短路故障，检修人员应第一时间处理，以免导致相间短路以及单相接地等故障。

3）套管故障。套管故障并非变压器常见故障，但属于严重故障，可威胁变压器运行，甚至引起着火、爆炸事故，危险性极高。爆炸、闪络和漏油是比较常见的几种套管故障，其发生既与套管设计存在密切关联，同时也容易受到人为因素的影响。设计因素主要包括设计不合理、瓷质不良、裂纹/沙眼引起密封不严而漏油等等；人为因素主要在于安装检修环节，譬如保管、运输过程中缺乏经验，套管积垢较多，易引起闪络、爆炸[2]。

4）瓦斯保护故障。瓦斯保护分为两种，一种为轻瓦斯，另一种为重瓦斯。轻瓦斯仅有信号提示而无跳闸动作，主要原因在于变压器内部匝间短路、绝缘劣化、铁芯发热以及油面下降等因素；绕组接头彼此接触不良可引起发热和少量气体；环境温度短时间内急剧下降，油面较气体继电器轻瓦斯浮筒更低；冷却、加/滤油系统密封不严，导致空气混入变压器内部。重瓦斯动作的因素主要包括内部多相短路、铁芯故障、绕组与外壳/铁芯短路、套管内部故障；穿越性短路故障、分接开关接触不良等等。

2 煤矿井下变压器故障的常规诊断

1）观察。对于出现故障的变压器，检修人员首先应确认仪表和套管是否处于正常工作状态，细致观察有无冒烟异臭、有无保护动作信号等现象。

2）分析。这里主要是指油中溶解气体分析法，按照《变压器油中溶解气体分析和判断导则》相关内容，变压器异常发热或放电状态下可产生甲烷、乙烷、乙炔、氢气、二氧化碳、一氧化碳等气体，并对这些气体的含量与比值做了明确规定，检修人员可通过特征气体法、改良三比值法以及罗杰斯比值法来诊明故障原因[3]。

3）绕组直流电阻测量法。检修人员可采用绕组直流电阻测量法对分接开关接触不良、绕组断路、绕组匝间短路、导线接触不良等故障加以判断，同时适用于评估各相绕组电压比平衡与否、调压开关档位正确与否。该方法也是检修人员评估变压器纵绝缘的一种主要手段，并对电流回路连接状态做出直观反映。

4）空载与短路试验、阻抗测量。绕组变形是引起变压器故障及事故的一个直接因素，并有较大几率引起内部磁路结构异常变化，对空载电流、短路损耗和阻抗产生影响。检修人员利用分相电压短路试验可明确绕组变形引起的绕组股间放电与匝间放电问题。

3 煤矿井下变压器故障的智能诊断

1）神经网络技术。神经网络技术摆脱了人工干预和建立物理模型的支持，属于简单非线性函数的多次复合，将样本输入与主机故障状态二者联系起来。检修人员可通过人工神经网络技术开展油中溶解气体分析与诊断，然而该技术方法缺陷较多。主要表现在过于复杂的输入输出关系以及数量众多的学习样本数目会减慢标准BP神经网络算法的收敛速度，或存在发散现象。此外，标准BP算法常常为陷入局部极小值、对初值要求严格等事件所困扰。

2）支持向量机。研究表明，支持向量机优势主要表现在样本量少、可解决非显性、维数较高等方面，检修人员可通过支持向量机来识别煤矿井下变压器故障类别，明确该故障模式。采用支持向量机的方法来诊断变压器故障，其操作主要是整理收集数据样本，并将其分训练集与测试集。归一化处理样本数据后分析最优参数值，然后收集样本数据，验证计算得到的数值，以此对诊断正确率做出评估判断[4]。

3）专家系统。该系统通常分为知识库、人机接口、推理机、解释系统和数据库等几大部分，其中知识库主要是存储专家输入的专业知识，人机接口主要是利用下拉式菜单来转换系统关于提问和推理的答复/结果，向用户展示系统的解释说明，确保这种人机交互模式最终为用户所接受。

4）信息融合。在现代化信息浪潮下，信息自动综合处理成为各领域各行业关注的焦点，信息融合技术主要包括三个层次：数据层融合、特征层融合与决策层融合。其中数据层融合主要是指处理采集整理的原始数据，可视为信息的传感器级融合；特征层融合则是对加工处理数据后产生的特征信息加以融合；决策层融合主要是融合不同渠道结果以及决策信息。检修人员可以结合实际情况选择独立使用这三种融合技术，当然也可以组合使用。关于煤矿井下变压器故障的信息融合诊断方法如下。如图1所示，数据层主要融合局部放电测试以及油中溶解气体检测两个单元的初步信息，确保原始信息量尽可能多，并实现纠正误差的目的；特征层基于D-S证据理论进行信息融合，选择特征数据提供证据支持；决策层主要接收来自特征层的数据输出，并结合输出数据、SCADA数据、检修记录、离线故障状态试验以及专家建议进行数据信息融合，最终明确变压器故障。该模式有效提高了诊断准确性，不确定性被最大限度减小[5-6]。

图1 煤矿井下变压器故障的信息融合诊断方法

4 结语

煤矿变压器在运行过程中，经常发生各种事故，为了减少和防止变压器出现故障，应做到以下几点：首先，必须细心观察，对变压器进行定期检查，对变压器外观进行定期巡检，发现异常现象立即采取措施；其次，要对变压器进行科学的诊断，根据检测结果综合分析，初步判断变压器是否正常。通过上述方式，能够有效地对煤矿变压器进行故障诊断，保证煤矿井下供电安全。