油浸式变压器故障类型与故障诊断技术研究

2021-07-18白忠雄张启龙通讯作者

电子制作 2021年12期

白忠雄，张启龙(通讯作者)

（六盘水师范学院物理与电气工程学院，贵州六盘水，553000）

1 概述

变压器是常见的电力设备，电压的转换和功率的传输都需要变压器的配合才能实现。变压器工作环境复杂多变，会因诸多因素的不当发生不同的潜伏性故障。若不及时发现故障并处理就会使故障的影响扩大。电力变压器故障诊断技术，顾名思义，其可以检测故障和准确诊断故障。变压器是一种基于电磁感应原理的电力设备，正常的运行对电力系统安全稳定至关重要，其关系到人们正常生产的工作效率和国民经济的稳定增长。因此，需要关注变压器的故障类型和原因，利用各种手段找出解决方案才能保障变压器的稳定运行。目前，国内外学者对变压器故障诊断技术的研究往往只注重诊断的速度，而忽略故障诊断的精度，且对设备故障诊断的具体应用缺乏研究。

因此，故障诊断技术就显得十分重要。文章主要以油浸式变压器为例，总结其故障类型及诊断方法，为判断变压器的故障情况及维修技术的发展提供有效的依据。

■1.1 油浸式变压器的故障类型

油浸式变压器在运行过程中电场和磁场长时间持续交错，相互干扰，量的积累发生质的飞跃，即持续的内部性能堆积会导致变压器发生故障。油浸式变压器的故障主要分为热故障、电气故障[1]。其常见的故障类型很多，有内部故障和外部故障，大致列举如表1 所示。

表1 油浸式变压器具体故障类型

■1.2 油浸式变压器故障的演变过程

油浸式变压器故障并不是瞬间完成的，而是先在内部产生处于潜伏期的不良影响，经过时间积累，不良影响逐步扩大最终演变为变压器故障。其故障演变过程如图1 所示。

图1 变压器故障的演变过程

由图1 可知，变压器故障在初期并不能被检测。当故障发展到P 点时，故障才能被检测装置检测。如果在状态检测这段时间里，并没有检测出故障所在点，就会到达F点使变压器故障并引起其他严重后果。若故障能够在此期间内被检测出来，并进行合理的维修就能避免变压器故障的发生。

■1.3 油浸式变压器故障诊断的方法

油浸式变压器的故障诊断方法是通过对获取的变压器故障信息进行数据分析，以数据分析的结果来判断变压器的故障类型。这一过程中，采集信息的精度对故障诊断的准确性起着至关重要的作用。实际工程中对于变压器状态的诊断方法有油色谱分析法、局部放电法、红外测温法、电气试验法、油化试验法和绕组变形试验法六类[2]。Algorithms[3]提出最基础的是油色谱分析法，这种方法是判断变压器故障的有效方法。其余方法都基于油色谱分析法来拓展分析和研究的。文章讲述油色谱分析法在变压器故障诊断中的应用以及由此方法延伸的三种试验方法。

2 油色谱分析法

气体溶解法（Dissolved gas analysis，DGA）是目前认可度最高的对变压器进行实时在线故障诊断的方法[4]。范松海等[5]采用油气分离的方法将变压器油中因故障而产生的各种气体分离，再对特征气体进行数据分析，根据气体的含量特征和类别判定故障类别。汤杰[6]运用油色谱分析法对变压器的各种故障类型进行诊断分析并给出相应故障的诊断结果，从而验证油色谱分析法的正确性和有效性。

变压器长期运行中，内部的有机物受热，气体内部的C−H键和C≡H键会断裂生成小分子量的有机物（CH4、C2H2、C2H4、C2H6等等）、含氮化合物、小分子气体（CH4、CO、CO2等等）。总体来说，油中溶解的气体种类繁多，选择具有明显特征的气体进行数据分析，才能得出变压器故障的类型[7]。变压器正常运行中也产生上述气体，但数量有限，如表2 所示。故障潜伏期，变压器油分离各种类型不同浓度的特征气体如表3 所示。

表2 变压器正常运行时油中烃类气体的含量（µL /L）

表3 变压器发生不同故障时分解的气体[7]

■2.1 油气分离的技术

对变压器油中的气体进行数据分析，首先要对变压器油中的气体油气分离，这个过程又称脱气。脱气的方法有真空法、半透膜法、顶空法等。

2.1.1 真空法脱气

真空脱气法是在密闭空间中利用抽真空的方法将油中气体油气分离。使用真空法脱气耗时很短，但会使用到大量的变压器油，数次脱气后，波纹管的凹槽中会残留废油。废油会影响下次脱气油样的数据。另外，一些气体的含量很低并易溶于油，很难通过真空法脱气。张又文等[8]说明真空脱气法更适用于实验室或者是离线检测实验。

2.1.2 半透膜法脱气

采用半透膜法进行油气分离的原理是基于气体分子的扩散作用。使用特殊材质制作而成的聚合半透膜有只让气体通过的性质。蒋张楠等[9]讲述了半透膜脱气的整个过程。在进气装置的入口处有半透膜，两侧是油和进气装置。由于两侧的气压不一致，油中的各种气体就会通过半透膜进入进气装置。经过一定的时间会平衡膜两侧的气压，达到动态平衡。随着聚合材料研究的发展，发现特氟隆PTFE 聚合物在分离油气的过程中有较好的实用性。反应仅需一到两小时[10]。

2.1.3 其余脱气法

对变压器油进行油气分离的技术有很多，前两小节介绍的是广泛应用的两种脱气方法。此外，还有谭建敏等[11]所提及的“潮汐式”顶空法，李宗博等[12]研究的磁力搅拌法，杨廷方[13]提到毛细管萃取法。“潮汐式”顶空法结构简单并且性能稳定，但只能针对部分特征气体脱气。磁力搅拌法作为新型油气分离技术，其结构复杂涉及各种器件，成本造价较高。毛细管萃取法油样接触面积大并且萃取效果好，但其造价也较高昂。

■2.2 特征气体的数据分析

对变压器故障类型以及出现的特征气体含量进行大量的数据统计分析，归纳和总结判断变压器故障类型的几种方法如下。

2.2.1 特征气体法

变压器内部气体的组成与故障类型有着密切的关系。特征气体法根据气体的组成含量直接与故障类型相对应。对应关系如表4 所示。这种方法非常简单直接，但没有科学的定量分析，需要大量经验，不确定性较大。

表4 气体组成与故障类型的对应关系[14]

2.2.2 气体成分超值法

如果在检测中，某一气体的检测值远大于导则中所规定的数值，就判定为变压器故障。例如，在检测当中发现H2的含量超标，很有可能是变压器内部设备受潮所致[15]。针对某一气体进行数据分析更加简单，但也需要大量人为经验，准确性较差。

2.2.3 大卫三角法

大卫三角法以三种特征气体的含量作为三角形三边刻度，每种气体极限含量为100%。将三角形划分为7 个故障类型区域。检测三种气体的数据后，将气体数据在三角域内定点。定点落在哪块区域，就判别变压器是何种故障类型[16]。大卫三角形以及各气体的极限区域含量如图2 和表5 所示。

图2 大卫三角法

表5 各故障区域内的气体极限含量[16]

假设C2H2为A、C2H4为B、CH4为C。C2H2、C2H4、CH4的气体百分比含量如下公式所示。

2.2.4 比值判定法

油中气体含量会随着变压器运行时间的增长而增加。第一、二种方法都只能简略分析故障类型，具体还需要实地检测。由此推出比值判定法。比值判定法是对几种特征气体的比值进行分析，利用比值来判定故障类型。四比值法由于反映的温度范围并不全面被排除成为三比值法。最后，优化三比值法在编码、比值范围方面的缺陷，得到改良后的三比值法，是国际上最为推荐的比值判定法[17]。

3 局部放电法

变压器在长期运行当中，变压器油会裂解产生气体，形成的气隙绝缘强度并不高，有可能被运行电压击穿从而放电。此外，也有可能是绝缘老化或设备的缺陷，造成绝缘能力的减弱，使变压器部分区域承受不住运行电压从而发生击穿放电现象。

局部放电会产生许多现象，具体表现在光、热、声音和电磁辐射等现象。基于现象，局部放电的检测技术包括：脉冲电流法、超声波检测法、超高频检测法和绝缘油检测法。目前最常用的是前三种方法。戴炜等[18]采用Rogowski 线圈结构设计而成的高压脉冲电流传感器，利用电磁耦合对接地铁芯的局部放电进行检测。此举操作简单，不与变压器直接电气连接，简单、直接的检测变压器的绝缘情况。马波等[19]介绍超声波检测法的基本原理并采用三维定位技术辅助获取故障位置。试验表明，超声波检测法在变压器局部放电的检测和定位具有实用性，为设备检修提供有效的依据。

4 红外测温法

由前面故障类型的介绍得知，变压器故障中有部分属于热故障。由于人为因素、环境问题以及设备缺陷等，在变压器运行过程中造成部分器件过热。而过热现象就是变压器绝缘故障的前兆。黄新波等[20]详细介绍变压器器件过热的类型及处理方法。针对红外图像的模糊、边缘不清楚等问题，刘钊[21]提出均衡化算法和小波变换进行处理，将红外图像中的边缘细节信息得以加强并有一定的降噪作用。李铠[22]展示利用红外测温法对各个电力设备检测的详细情况说明。

5 绕组变形法

变压器在长期运行当中，难免会受到短路故障的电流冲击。短路故障会在瞬间产生巨大的电动力使绕组受热，由于过热会使变压器绕组变形、扭曲甚至是鼓包。林琳等[23]详细介绍基于谐波分析的变压器绕组变形检测方法。利用奇异值分解、总体最小二乘旋转不变信号参数估计技术、扩展Prony 算法来定阶、滤波、确定谐波频率并计算各谐波的幅值和初相角。这种方法可以很好的运用于在线检测的设计上。