电力变压器故障智能化诊断技术综述

2024-03-08卧龙电气银川变压器有限公司黄银萍

电力设备管理 2024年2期

卧龙电气银川变压器有限公司黄银萍

在电力输配电系统的安全稳定，是确保电力系统正常工作的前提，其中电力变压器发挥着重要作用，电力变压器良好的工作是避免发生重大电网事故的第一道重要防线，电站发生大面积事故，不仅会造成自毁，还会影响电气设备，对人员造成严重伤害，变压器故障智能化诊断在实际工作中具有重要的意义。

1 电力变压器常见的故障类型原因

电力变压器投入运行后，会因多种原因造成一些异常情况，进而影响变压器的正常使用，甚至会在运行中造成安全事故，主要有内部原因和外部原因两种，先来看一下变压器主体的组成结构，如图1所示，变压器主体结构组成。根据变压器的组成结构进一步阐释造成变压器事故的常见类型。

图1 变压器主体结构图

1.1 引起磁路问题

第一，夹紧芯柱及轭叠片的主螺钉绝缘破损，导致叠片之间短路，从而产生较大的局部涡流；第二，变压器夹件之间连接用的拉板结构及其他连接的螺栓在电磁力作用下的振动，会引起铁芯绝缘和叠片的绝缘的移位或者破损；第三，芯柱和轭叠片边缘的毛刺，包括变压器夹件或叠片轻微弯曲都会造成叠片短路；第四，磁路中硅钢片会产生一定的谐波电压或电流；第五，铁芯叠片和包覆硅钢片的绝缘性能劣化，造成金属出现更多的损耗，从而导致变压器的温度升高，损坏铁芯叠片。

1.2 绕组不良

变压器的绕组受潮，主要是空气中或油中的水分导致变压器受潮绕组不良。当负载发生的变化比较快速时，受电磁场影响，变压器的绕组导线会发生膨胀和收缩现象，进而影响变压器的机械绝缘性能减弱和发生绝缘破坏。对于许多相连的绕组，其宽厚之比过大，各段绕组之间的油道太窄产生绕组侧面的热点，热点导致金属的绝缘方面的脆化，因此会出现匝间短路。变压器绕组中的导线在焊接过程中焊接质量把控不到位，导致变压器投入使用过程中接触导线电阻大，使得变压器的绕组在局部产生绝缘碳化，主要是绕阻过热原因导致的。

变压器绕组发生对地短路现象主要有三方面原因：一是当过电压和冲击波（雷电）侵入到变压器时，会发生冲击阻抗变化，（主要是在线路中间与变压器的过渡地方），此时，在变压器线路绕组末端的导线极容易发生传播电压电流。在变压器绕组中有高压电压，绕组绝缘被破坏；二是经常开合，雷击或电弧放电对地会造成功率损失，可能造成匝间短路；三是当一个感应绕组被切断时。从线路上看，或电弧冷断续（特别是半圈），铁芯内的磁通会衰减得很快，变压器就会形成高压。持续超负荷造成的高温会使整个变压器高温，狭窄的油道会增大变压器器身内部的压力，使绝缘变脆、导线短路。

1.3 绝缘缺陷的成因

第一，变压器密封不严，或储油柜的部分泄漏，导致水分进入绝缘油。水分进入绝缘油会导致绝缘油的绝缘性降低，使变压器引线或绕组发生断裂。

第二，变压器引线连接使用的绝缘材料质量不合格，主要是绝缘材料的厚度小，在变压器放电时，绝缘材料起不到保护作用，从而导致变压器损坏。

第三，变压器绝缘油中有颗粒悬浮杂质掺入，杂质不清理干净会导致不同电位的引线之间形成“小桥”，发生电击穿（暂时性）。

第四，电力变压器在长时间超负荷运行过程中，使得绝缘油发生老化。当变压器油温过高时，会使变压器产生潮气和酸液导致变压器损坏。

1.4 结构件中的原因

一是变压器投入使用运行会发生绝缘收缩，变压器的绝缘绕组应采取相应的措施防止绕组装置紧压的部分发生位移和短路情况，在此情况下及时调整变压器的抗压强度。

二是变压器在运输过程中焊接不良、装配不良、不断起吊、坠落，造成变压器油箱漏油。应当及时对油继电器进行检查并注油，避免油继电器发生不正常运行。同时应确保变压器的压力释放阀正常使用，避免出现保护不当造成变压器的严重损坏。

三是油冷却器及介质故障原因。变压器（油浸式）绝缘油受潮会发生氧化，从而会使电气设备在绝缘方面的能力降低。油泥出现沉积堵塞导致散热器在散热性能方面降低。内部油位太低导致绝缘油引起闪络放电等。如果变压器使用的冷却介质比较特殊，会因密封不严，漏气、漏水等会导致变压器内部压力下降，导致冷却效果不好，绝缘性能下降，从而无法工作。四是在变压器安装运行后期的维护、检修不当造成的故障。

2 电力变压器故障机理

发电机在运行过程中，由于内部发热、放电等故障，绝缘油在变压器内部发生分解，会释放出比较多的气体，称为“故障气体”。因此，溶解在油中的成分和含量可以作为判断变压器是否存在潜在过热和放电故障的特征值。变压器故障征兆的早期发现和处理对于变压器的可靠运行非常重要[1]。

3 电力变压器故障智能化诊断技术

3.1 机械检测与诊断

瓦斯气体继电器：该继电器广泛应用于带油保护的变压器中，当变压器发生小故障时，由于变压器油击穿而产生的油储存在继电器上部的气室中，迫使其油水平下降，浮子随后下降到某个极限状态。其上的磁铁使干簧触点闭合，接通信号电路并发出警报。如果由于油箱漏油导致变压器内油位下降，也会影响信号电路并发出报警。当变压器内部发生严重故障时，油箱内压力瞬间升高，造成油流冲击，继电器接点动作，此时接通跳闸回路。防爆装置：防爆装置是变压器的一种压力保护装置，当变压器内部有严重故障时，分解产生大量气体，导致内部压力升高，会导致油箱破裂。防爆装置及时打开排出部分变压器油，降低油箱内压力，从而保护油箱的密封。变压器瓦斯继电器保护电路，如图2所示。

图2 变压器瓦斯继电器保护电路

3.2 电子测试和诊断

差动继电器：差动继电器的工作原理是：安装根据变压器一次侧和二次侧的变化而选择的电流互感器，变压器用于执行差动电流保护动作。因此，如果变压器运行时差动继电器动作，通常是线路短路等局部故障。过流继电器：这是电气设备或线路发生短路或过载时的保护措施。如果外部电源没有出现相间短路或过载的情况，则需要判断变压器是否短路。检查开关故障的其他方法包括检查油位、检查温度度数是否异常或检查仪器是否发出异常声音。

3.3 使用仪器检查诊断

保护继电器工作时或从外部看是否有异常，喷油量的高低，噪声的大小和位置，保护继电器的动作，任务的拖延工作和当前的状态必须在使用前进行测试。同时，通过对变压器的电气试验、绝缘油试验等进行分析，找出故障的部位和程度，都必须用专用设备进行检测和测试[2]。

3.4 智能神经网络故障诊断

由于电力变压器故障检测的复杂性和许多非线性问题，开发故障模型非常困难。神经网络通过创建大量神经元来智能地识别路径，这表明它具有自适应和自组织特性，还具有良好的泛化能力。神经网络算法在错误检测方面有很大的应用。在实际检测应用中，利用神经网络构建电力变压器故障检测模型通常有两种方式：神经网络模型和混合测试模型。对于错误检测，神经训练可以更有效地工作并增加检测模型的学习时间[3]。

3.5 采用智能计算方法进行故障诊断

遗传算法、粒子群算法等智能算法广泛应用于变压器故障检测中，在智能检测中发挥着重要作用。基于理论的技术计算具有良好的强度，在并行工作中非常有用，并且可以在故障分析中获得高性能。通过优化智能算法，提高收敛速度，提高变压器故障诊断精度。人工智能算法因其在通用优化和自学习方面的明显应用优势而得到迅速发展。

3.6 变压器在线监测技术

在线监测的目的是通过记录和分析变压器信号的特征来识别变压器状态，检查变压器的初始故障，并监测故障状态的演变。例如，局部放电（PD）监测系统。当变压器在极端条件下运行时，内部或外部可能会发生局部放电。局部放电程度的变化和增加表明变压器的某些部位发生了变化，如变压器内部叠片绝缘干燥不完全而留下气泡，或者绝缘材料受潮、老化。油浸变压器吸水后，电极上会出现压力点，产生气泡等。局部放电测试可以证明变压器绝缘的有效性或隐藏长期运行中绝缘老化的危险。

4 变压器故障智能诊断识别应用

设备情况：选用大型电站的变压器作为研究设备。变压器工作一天后，检查设备变化情况，抽取变压器油样，变压器工作正常，无异常。投入使用后，变压器出现故障。通过对故障的检查分析，发现B相油中含油量异常，然后对变压器中部和底部进行检查和试验。

故障分析：通过采集多种故障变量，并根据特征类型进行分类，选取该变量的6个不同变量，分为50组进行实验，采用变压器状态监测系统，对采集到的数据进行特征信息的提取，采样结果的分类显示变压器的工作状态，即可完成变压器故障判断，同时，可以通过误差反向传播法（BP）网络、PNN网络、自组织等多种方法实现故障检测，BP 网络模型的有效全局视觉业务网络的成功率不断提高，优化步骤减少，网络处理时间缩短。因此，自主开发的网络模型提高了基于变压器分类的识别精度[4]。

分析表明，对变压器故障的识别主要是分析和检查总烃含量是否高于标准值，如果变压器故障趋势较大，则根据监测数据提供预警信息，及时提醒管理及维护人员进行处理。变压器故障的发生受温度和环境的影响很大，根据IEEE 相关数据的分析，在大型变压器的日常运行中，发生故障的概率为1%～2%。因此，变压器故障智能诊断系统在变压器运行维护方面的重要作用。