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变压器在线监测与故障诊断技术分析
1 引言
作为电力系统中电压转换与电能分配的重要设备，变压器的运行状态关系着整个电网运行的安全与经济性[1-2]。近年来，随着对电力需求的快速增长，我国“东电西送”等政策下的超、特高压以及高压输电工程如雨后春笋般的展开建设，为了满足电网建设需要，变压器也朝着大容量方向发展。新的不同种类、容量的变压器投入，对变压器的稳定可靠运行，尤其是能否及时发现故障并解决之提出了更高要求。电力工作者的关注点主要集中在电力变压器故障检测与诊断方法技术、故障类型以及解决措施等方面。学者们对也对应进行了大量的探究。文献[3]总结阐述了变压器常见的故障诊断与检测方法，并指出要科学合理的运用诊断技术。文献[4]指出能及时发现并掌握变压器的故障来源、类型与故障程度，能一定程度上预防并减少电力安全事故的发生，文章分析总结了电力变压器故障的综合分析原则与方法。文献[5]在总结电力变压器故障类型时，指出变压器故障形式多样，要迅速掌握故障类型就要求从业人员熟悉变压器的内部构造并进行理论化学习。因此，研究变压器的故障监测与诊断技术，分析总结故障类型并提出相应解决措施十分必要。
2 变压器组成原理及分类
2.1 变压器的组成
变压器是电力系统中华用来进行电压和电流转换、电能传输的一种设备。其最基本结构部件包括铁芯、绕组、绝缘以及引线等部分。此外，为了运行的安全经济与可靠，还装设有散热冷却装置和保护装置。其中，铁芯是变压器中磁力线的通路，由表面涂有绝缘漆的硅钢片组成，一方面集中并加强磁通作用，另一方面来支持绕组。绕组是变压器中电流的通路，通过绕组形成电流通路，再由电磁感应作用产生感应电动势，绕组通常为两个或两个以上。变压器套管是一种绝缘装置，它将高压绕组和低压绕组的引线接到油箱外部，并承担着引线对地的绝缘。此外，还可以固定引线。冷却装置：冷却装置是对运行中的变压器进行了冷却的设备，是用来散发运行中绕组等产生的热量的。
2.2 变压器的原理
变压器是变换交流电压、电流以及阻抗的设备，其绕组是由线圈和铁芯组成，其中接电源的绕组叫一次绕组，其余的绕组叫二次绕组。当一次绕组中通入交流电流时，铁芯中便产生交流磁通，交变磁通的频率和外加电压频率一致，根据电磁感应定律，当交变磁通通过二次绕组时，使二次绕组产生感应电动势，从而向负载供电，实现电能转换，改变一、二次绕组线圈匝数，即可实现电压变化，这就是变压器的基本工作原理。简单说变压器就是一种利用电磁互感应作用达到电压，电流和阻抗变换的设备。其原理图如附图所示。
2.3 变压器的分类
变压器按相数可分为单相变压器和三相变压器。单相变压器主要用于单相负荷和三相变压器组，而三相变压器主要用于三相系统的升、降电压。按照变压器绕组形式可归为双绕组变压器（用于连接电力系统中的两个电压等级）、三绕组变压器（用于电力系统区域变电站中）和自耦变电器（用于连接不同电压的电力系统）三类。根据变压器的按冷却方式的不同，主要有干式变压器和油浸式变压器：干式变压器以空气冷却和绝缘，通过空气自然对流或者装有风机冷却系统，一般为容量较小，体积较大，噪声严重。二油浸式变压器主要用绝缘油作为冷却何绝缘介质，包括自然油循环冷却和强迫油循环冷却方式等。具有散热好、容量大、损耗低、价格低等特点，并能很好地解决“油流带电”及“噪音”等问题，多用于变电站主变。
3 变压器故障类型及现象分析
变压器常见故障以本体划分，可分为内部故障和外部故障，内部故障是指变压器本体内部绝缘或绕组出现的故障，例如各绕组间的相间短路、匝间短路等；外部故障是指变压器辅助设备出现的故障，例如绝缘套管闪络放电等。对于油浸式变压器，按其结构可分为绕组故障、油质故障、铁芯故障以及附件故障；按其回路可分为磁路故障、电路故障和油路故障；按其故障发生的部位可分为分接开关故障、套管故障、绝缘故障和铁芯故障等。
3.1 响声异常
变压器正常运行发出的是均匀稳定的“嗡嗡”声。当发生其它响声时，说明出现故障，应及时查找。如果是较高且深沉的“嗡嗡”声，可能是因为长时间过负荷导致；如果有“吱吱”声，说明内部出现放电可能，或者绝缘老化；如果有水沸腾声音，说明内部可能有短路等绕组严重故障导致过热或者使油气化产生气体；如果听到大的爆裂声，这可能是由于内部绝缘击穿引起。此时，应立即停止运行并检查维修。例如某电站在巡检时发现35kV箱变有放电声，经查询发现高压侧A相接线处有电火花，及时报告停运检修，避免了安全事故的发生。
3.2 温度及油位异常
在外界条件不变条件下，如果负荷并没有增加，而出现绕组或绝缘油温度持续升高，这可能原因有：内部出现短路等，铁心涡流异常，绝缘老化，长时间过负荷运行，三相不平衡的负载、冷却装置损坏、散热器堵塞等方面造成；当然也有可能是测温装置损坏导致误报。常见的油位异常有假油位和油位下降。假油位可能由于呼吸器或者防爆管通气孔堵塞造成，低油位最大的可能是渗漏油，渗漏油一般是由内部压力过大、胶垫较密封不合格等引起的。
3.3 绝缘及套管故障
电力设备故障一半以上都与绝缘故障有关。变压器主要的绝缘包括内部绕组、铁芯及绝缘油，外部主要为套管，内部绝缘问题主要是由于绝缘材料老化或者机械磨损，以及绝缘油发生反应降低绝缘性能导致；密封不严，导致绝缘受潮也会引起此类故障。外部套管可能由于积污发生闪络，套管破裂等导致绝缘故障出现。绝缘问题引起的电力事故损失往往较大，如若能及早的发现并解决，可将电力事故风险或损失降低到最小。因此，为保证绝缘材料的性能，在日常运行维护中，要特别注意绝缘性能方面的监测。
3.4 短路及放电故障
短路故障是电力变压器使用中最常见的故障。引起它的原因是多方面的：绝缘材料的老化击穿、内部电磁环境影响等自身因素，材质不好、设计工艺质量差等质量问题，接地线断路、异常电压等外部环境以及运行维护不当等人为因素。放电现象多是由于绝缘材料老化损坏绝缘性能下降、或者接线断裂，链接不良等等造成放电。例如上述例子变压器就是由于高压侧未拧紧的接线螺丝掉落，导致放电，最终导致绝缘套管破裂。短路、放电故障还会引起其它更为严重的故障。
3.5 多点接地故障
变压器铁心发生多点接地也是多方面引起的。安装技术不过硬 ，使铁芯或者套管引线碰到外壳；穿心螺栓钢座套过长，与硅钢片短接；铁芯绝缘部分受潮或者遇到损伤、潜油泵轴承磨损以及铁锈与焊渣，使铁芯或者箱底多点接地；接地片质量不好造成短路等。铁芯多点接地将会造成铁心的局部过热，气体继电器频繁动作，严重时会造成铁心的局部烧损，酿成事故。因此，能否及时检测到此类故障，并采取相应的措施排除故障显得尤为重要。
3.6 瓦斯保护故障
瓦斯保护是变压器的主保护，轻瓦斯时发出信号，重瓦斯时则跳闸。轻瓦斯保护动作后发出信号的主要原因为：变压器内部存在轻微的故障；二次回路出现故障；变压器内部出现空气等。此时工作人员应立即展开排查，发现异常现象，及时解决；反之，则进行气体取样分析。重瓦斯保护动作跳闸原因：变压器内部可能出现严重故障，造成绝缘油分解出大量气体，或者可能因为二次回路故障等。此时，应先将备用变压器投入，之后开展外部检查，排查顺序油枕防爆门、各焊接缝是否裂开，变压器外壳有无变形，气体的可燃性如何。当变压器自动跳闸时，同样应先将备用变压器投入，并进行变压器外部检查（包括油枕，防爆管，各焊接缝是否裂开，变压器外壳有无变形，气体的可燃性情况），查明保护动作情况。
3.7 其他故障
变压器故障的分类方法很多，又互有交叉。常见的变压器故障还有绕组故障、铁芯故障、接线故障、二次侧故障等其他故障，但是每种故障的出现原因并不是单一的，且各种故障之间相互影响，互为原因。故不在此一一赘述。
相关资料[6]也表明：短路故障是故障率最高，对变压器影响最严重的故障，同时还伴随着油渗漏故障、油流带电故障或者保护误动故障等多种故障；事故影响最大的是绝缘类故障，而且其故障率是随时间变化的。
4 故障检测与诊断方法
作为电力系统重要设备的变压器，如若发生故障，将对电网造成很大损害。为了防止和减少这类事故，变压器的故障检测和诊断也就显得尤为重要。变压器故障检测与诊断就是对变压器运行状态和异常做出实施监测与判断。变压器故障检测与诊断的方法可分为基于观察、试验的传统方法，基于数学模型理论诊断法（也可归为人工智能法）和基于计算机人工智能的智能方法。
4.1 传统故障诊断法
传统方法包括: 直接观察法、特征气体判别法、变压器预防性电气试验、变比测量法等。
（1）直接观察法。观察法主要是通过人们的感觉器官，用眼看油颜色是否变浑浊，套管是否破裂或者碳化，油箱是否渗油，用耳听声音是否正常，有无放电声，用鼻子闻是否有异常气味，用手摸变压器是否严重发热，但这种方法必须要求工作人员具有丰富的实践经验，一旦发现有这些情况，及时进行维护处理。
（2）特征气体判别法。特征气体判别法是判断变压器故障类型的重要方法。变压器产生故障时，可能引起故障点周围油的热裂解，产生和某种故障相关的如H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H4、CO等气体，这些气体会部分或全部溶解在绝缘油中。因此，可根据油中气体的类型和含量来判断故障的类型。这种方法有利于发现变压器的早期潜伏性故障且针对性强，具有比较直观、方便的特点，但在气体含量很小的情况下这种方法无法做出的判断。
（3）变压器预防性电气试验法。电气试验通常可以确定故障部位及性质，主要包括针对绝缘故障的绝缘试验、判断绕组故障的电阻试验、绝缘油简化试验。该方法是保证电力系统安全运行的有效手段之一，是电力设备运行和维护工作中的一个重要环节。预防性试验主要包括对设备进行检查、取气样或油样 ，实验项目主要包括油中溶解气体的色谱分析、绕组绝缘电阻及吸收比、绕组直流电阻检测、绝缘油检测、铁芯绝缘电阻检测和交流耐压检测等。
（4）变比测量。通过变比测量，可以检查出变压器绕组匝数比的正确性、分接开关的情况和是否存在匝间短路等。
4.2 数学模型诊断法
（1）基于模糊理论的故障诊断法。变压器在运行中发生故障时，其故障现象、原因和机理之间存在大量的由于排中律缺失而引发的不确定性，然而通过模糊理论即可对其准确描述。该方法是在专家经验的基础上，通过隶属度函数来描述状态变量的变化规律，因此，其主观性较强。
（2）基于粗糙集理论的故障诊断法。该理论是由Pawlak于1982年提出，其可对不精确、不一致、不完整等各类不完备信息进行有效分析和处理，并通过揭示数据间隐藏的规律，提取有效的信息。
4.3 人工智能方法
上述方法虽可有效分析变压器的故障类型，但需要工作人员的专业素质较高，且比较复杂繁琐，易受人为因素等影响，变压器的故障类型繁多，故障原因复杂多变，且相互转化，上述诊断方法均存在滞后甚至需要的停电。近年来，随着计算机、传感器、人工智能的发展，国内外学者实现变压器的在线监测，可在不停电的状态下及时发现问题，并预防事故的发生。人工智能方法以可分为模糊逻辑、人工神经网络、专家系统、进化算法、遗传算法等。
（1）人工神经网络。人工神经网络是一种模拟大脑行为和活动过程的非线性动力学网络系统的智能分析方法。它具有大规模并行处理信息的能力，还具有极强的容错性及自学习功能，能映射高度非线性，可有效处理不完全和不精确的信息。目前，该技术在各类大型发输配电气设备上广泛应用。BP神经网络作为一种人工神经网络的前馈网络，能够建立任意的非线性模型，对输入和输出之间实现非线性映射，可实时全工况地对电气参数进行动态计算，其有明显，但单一的神经网络方法仍然有缺陷，其极易陷于局部收敛和收敛速度慢的弊端。
（2）遗传算法。遗传算法故障诊断技术是受生物进化的启发而提出的一种智能分析法，它可分为变异、交叉、选择等几个阶段，与人工神经网络相比，其具有可实现全局搜索的优势；而且能够通过动态变异和基因多点交叉方式，选出最优种群，据此优势可构建遗传算法在线诊断系统。任何方法都是有缺陷的，遗传算法就有执行效率低的缺点。
（3）专家系统。专家系统将人工智能技术与专家的知识相结合的计算机程序。其工作方式是以知识库中的相关知识和专家经验为前提，进行推力判断，从而实现帮助用户决策。变压器的故障类型多样，相关专家知识较少，在变压器故障诊断中使用专家系统时，应不断的修改、删除或者增加知识库中相关专家知识，以保持知识库有效性和实时性；因为现实中变压器的类型较多，出现的故障更是多种多样，如若专家知识库相关数据不正确或不完善，必然会影响到准确的决策。该方法虽然效率较高但也存在知识获取的“瓶颈”问题，并且无法自我完善。
综上所述，变压器故障种类繁多且复杂多变，随着计算机技术的发展和人工智能技术的投入，使得对应的故障检测与诊断方法类型多种多样，也提高了在线监测与诊断的水平。但单一的方法局限性仍然较大，为了弥补不足，有学者将遗传算法和人工神经网络算法有效结合起来。通过遗传算法来确定人工神经网络的初值，能很好的克服人工神经网络收敛速度慢和局部收敛的问题。还有学者将粗糙集理论和遗传算法结合的约简算法，可通过全局并行寻优，极大地提高了遗传算法的执行效率。另外，即使作为国内外普遍看好的对油浸变压器在线监测最方便、有效的方法之一的油中溶解气体分析（DGA）技术，目前也随着计算机的快速发展，将智能算法应用到故障诊断中，极大地提高了对运行中变压器故障诊断的能力，同时提高了电力变压器运行的安全可靠性。故合理的将多种方法有效结合，便可在变压器故障监测与诊断上达到优势互补、事半功倍的效果。
5 结束语
变压器在电力系统中承担着重要的角色，变压器故障的发生，也影响着国民经济与生活。因此，为了能够准确、及时、有效的识别出故障类型及故障点甚至做到预防，就需要有更为智能可靠的监测与诊断技术。由于实际运行中的变压器种类多，故障类型更是多样，且复杂多变，而对应的故障监测与诊断方法也五花八门，且各有其优缺点，因此，工作人员需要科学合理的选用合适的故障监测诊断技术，当然工作人员也需要提高自身专业素质。通过采用科学合理的故障监测与诊断方法，利用先进技术，可将多种方法结合以整合其优点对变压器进行监测与诊断，从而提高监测与诊断效率，保证电力系统安全经济的运行。
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