基于DGA数据的变压器过热故障诊断

刘 建，黄费荣，崔纪国

(湖北清江水电开发有限责任公司，湖北 宜昌 443501)

1 变压器过热故障

在电力系统中，变压器是十分重要的设备之一，由于变压器的长期运行，难免会引发故障，引起故障的原因也是多样化的，因此，利用科学方法对变压器的常见故障进行分析总结，有利于及时、准确地判断变压器故障的类别及发生原因，从而采取有效的措施来应对变压器故障，保障变压器的长期安全运行。

在变压器常见的故障[1]中，过热故障占了很大的比重，按其产生原因可分为磁路过热、电路过热和其他过热故障[2]。

磁路过热主要是主要是铁芯、夹件故障。主要表现如下：

1)铁芯、夹件多点接地，如定位钉未翻转、末级硅钢片翘起接触夹件、铁芯与垫脚绝缘损坏等导致多点接地；

2)铁芯、夹件局部短路而产生环流，油道两侧的硅钢片翘起、油道中遗留有金属异物、末级硅钢片翘起接触夹件等导致的铁芯内部环流。

电路过热主要是分接开关接触不良、引线螺栓松动、绕组铜线或接头焊接不良、匝间短路、股间短路等造成的过热故障。

其他过热故障主要是指油道堵塞导致的过热和冷却油泵过热。油道堵塞导致的过热一般为低温过热，但如果长期存在，最终会加速绝缘纸老化，进而导致匝间短路故障；冷却油泵过热分为轴承磨损过热(声音异常)和电性过热，一般为高温过热，但不涉及固体绝缘材料。由于其他过热故障只占过热故障总数的极少部分，故在本文中不做深入探讨。

2 变压器故障诊断

油中溶解气体分析(Dissolved Gas-in-oil Analysis，DGA[3])是油浸式电力变压器故障诊断与状态评估较为有效的方法之一。在电力系统中，最常用的手段是气相色谱分析，即通过对油中溶解的H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、CO、CO2这几种特征气体的含量分析来判断变压器是否存在故障，然后进一步利用三比值法判断是何故障。

2.1 有无故障的判定标准

DL/T 722规定了变压器设备油中溶解气体浓度的注意值和产气速率注意值，是判断变压器有无故障的主要标准。表1为变压器油中溶解气体组分含量的注意值标准[4]。

表1 变压器油中溶解气体组分含量的注意值表

仅仅根据各种特征气体组分含量的绝对值是很难对故障做出正确判断的，还需考虑故障点的产气速率，当绝对产气速率达到或超过注意值时，应当缩短设备的检测周期。另外，当∑CH的相对产气速率达到或大于10%时也应引起注意。

2.2 三比值法

目前，判断变压器内部故障类型较适用的方法便是三比值法[5]。三比值法是将C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6这三组特征气体含量的比值范围以不同的编码表示，通过不同的编码组合来确定变压器故障类型的一种方法。编码规则和常见故障类型的判断方法分别见表2和表3[4]。

表2 三比值法编码规则表

运用三比值法来判断变压器的内部故障类型时应遵循以下原则：

1)只有判断设备可能存在故障时，特征气体的比值和三比值法才有意义；

表3 变压器常见故障类型的判断方法表

2)必要时，应从分析值减去上次的分析值计算结果。因为故障是非稳态的，严重程度可能随时间推移而增加。

2.3 研究内容

2.3.1 研究对象

对各地历年的变压器DGA数据进行总结与分析，从中筛选出可能判断变压器存在故障的数据，利用三比值法分别计算三组特征气体的比值，再次筛选出过热故障的DGA数据(三比值编码为0，0/1/2，2)进行统计，得到电路过热与磁路过热的DGA数据，以这些数据为对象，进行分类研究，发现利用CH4/H2这组特征气体的比值可简易区分电路过热故障与磁路过热故障。

2.3.2 数据处理

建立平面直角坐标系x0y，假设电路过热的CH4/H2比值在坐标系中表示为(x，Dx)，磁路过热的CH4/H2比值在坐标系中表示为(x，Cx)，x为任意实数，Dx和Cx分别代表电路过热和磁路过热的CH4/H2比值，可做出图1。

图1 电路过热与磁路过热CH4/H2比值散点图

利用最小二乘法分别对电路过热与磁路过热的CH4/H2比值Dx和Cx进行分析，假设存在一条直线y=A(定义A∈Z)可将两组的CH4/H2比值范围区分开，则可建立式(1)。

(1)

随机代入同等组数的电路过热与磁路过热的CH4/H2比值Dx和Cx进入式(1)来计算，解得当A=2时，E趋于最小值，即存在一条直线y=2可简单将电路过热与磁路过热的CH4/H2比值范围区分开。

那么，由数据处理结果可得，存在一个比值CH4/H2=2时，可简单将过热故障中的电路过热和磁路过热区分开，即可提出以下猜想：

对于三比值编码为0、0/1/2、2的变压器过热故障。

1)当CH4/H2>2时，所发生过热故障为电路过热故障，即故障位置发生在电路；

2)当CH4/H2<2时，所发生过热故障为磁路过热故障，即故障位置发生在磁路。

2.3.3 实例分析

1)某电厂变压器油色谱数据见表4。

表4 变压器油色谱数据表

对表4中数据进行分析，虽然H2与∑CH含量均在注意值以内，但对比前两组数据，间隔41 d(按1.5个月计算)，算出其∑CH的相对产气速率已达到24.9%，明显增长较快，初步判断该变压器可能存在内部故障。再利用三比值法计算，得：

C2H2/C2H4=0.1/54.2=0.001 8；

CH4/H2=61.2/25=2.448；

相对定位主要依靠内部传感器，包括里程计(odometry)、陀螺仪等。通过测量相对于机器人初始位姿的平面距离和转动方向，从而估计机器人位置。该方法计算量小 [3]，但有累加特性。

C2H4/C2H6=54.2/15.2=3.566；

查表可知三比值编码为0、2、2，对应故障类型为高温过热(>700℃)；

又因CH4/H2=61.2/25=2.448>2，故判断该过热故障位于电路，属于电路过热故障。

经检查发现，该变压器内部绕组导线有虚焊缺陷点，该部位绝缘纸已爆开、且有较明显的过热炭化痕迹，证明该故障确属于电路过热故障。

2)另有某电厂的变压器油色谱数据见表5。

表5 变压器油色谱数据表

C2H2/C2H4=0.37/132.2=0.002 8；

CH4/H2=126/84=1.5；

C2H4/C2H6=132.2/28.9=4.574；

查表可知三比值编码为0、2、2，对应故障类型为高温过热(>700℃)；

又因CH4/H2=126/84=1.5<2，故判断该过热故障位于磁路，属于磁路过热故障。

该变压器经电气试验后发现铁芯接地电流、夹件接地电流均异常；现场采用电容冲击法进行处理后铁芯与夹件之间的绝缘电阻反而降低；对其内部检查后发现铁轭硅钢片有两处鼓出与夹件接触，其中一片有轻微烧焦痕迹，证明该故障确属于磁路过热故障。

3 结 语

以DGA数据来诊断变压器过热故障的类型仍需大量的数据来分析、研究，不同故障类型所对应DGA数据必然存在差异，通过研究这种差异，可以找到规律来有效区分变压器故障类型。结合电气试验，在实际变压器检修工作中，可简化变压器过热故障的排查流程。