Abstract: Transformer plays an important role in the power transmission and distribution system, the reliability of its operation seriously affected the safe and economical operation of the electric power system. In the operation of the transformer, multiple types of faults prone to occurrence as the impact of a variety of single and complex factors, With new large-capacity transformer put into use, It is very important to judge fault types and location in timely and accurately is very important. Based on the theory of transformer, this paper analyzes and summarizes the fault type and causes of fault, and probes into the technology of fault monitoring, so as to provide reference for the operation, maintenance and fault diagnosis of transformers.
Keywords: Electric power system; Transformer; Fault diagnosis; On-line Monitoring
【中圖分類號(hào)】TM711.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【文章編號(hào)】1561-0330（2018）06-0000-00
1 引言
作為電力系統(tǒng)中電壓轉(zhuǎn)換與電能分配的重要設(shè)備，變壓器的運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系著整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行的安全與經(jīng)濟(jì)性[1-2]。近年來(lái)，隨著對(duì)電力需求的快速增長(zhǎng)，我國(guó)“東電西送”等政策下的超、特高壓以及高壓輸電工程如雨后春筍般的展開(kāi)建設(shè)，為了滿足電網(wǎng)建設(shè)需要，變壓器也朝著大容量方向發(fā)展。新的不同種類、容量的變壓器投入，對(duì)變壓器的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，尤其是能否及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并解決之提出了更高要求。電力工作者的關(guān)注點(diǎn)主要集中在電力變壓器故障檢測(cè)與診斷方法技術(shù)、故障類型以及解決措施等方面。學(xué)者們對(duì)也對(duì)應(yīng)進(jìn)行了大量的探究。文獻(xiàn)[3]總結(jié)闡述了變壓器常見(jiàn)的故障診斷與檢測(cè)方法，并指出要科學(xué)合理的運(yùn)用診斷技術(shù)。文獻(xiàn)[4]指出能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并掌握變壓器的故障來(lái)源、類型與故障程度，能一定程度上預(yù)防并減少電力安全事故的發(fā)生，文章分析總結(jié)了電力變壓器故障的綜合分析原則與方法。文獻(xiàn)[5]在總結(jié)電力變壓器故障類型時(shí)，指出變壓器故障形式多樣，要迅速掌握故障類型就要求從業(yè)人員熟悉變壓器的內(nèi)部構(gòu)造并進(jìn)行理論化學(xué)習(xí)。因此，研究變壓器的故障監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)，分析總結(jié)故障類型并提出相應(yīng)解決措施十分必要。
2 變壓器組成原理及分類
2.1 變壓器的組成
變壓器是電力系統(tǒng)中華用來(lái)進(jìn)行電壓和電流轉(zhuǎn)換、電能傳輸?shù)囊环N設(shè)備。其最基本結(jié)構(gòu)部件包括鐵芯、繞組、絕緣以及引線等部分。此外，為了運(yùn)行的安全經(jīng)濟(jì)與可靠，還裝設(shè)有散熱冷卻裝置和保護(hù)裝置。其中，鐵芯是變壓器中磁力線的通路，由表面涂有絕緣漆的硅鋼片組成，一方面集中并加強(qiáng)磁通作用，另一方面來(lái)支持繞組。繞組是變壓器中電流的通路，通過(guò)繞組形成電流通路，再由電磁感應(yīng)作用產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，繞組通常為兩個(gè)或兩個(gè)以上。變壓器套管是一種絕緣裝置，它將高壓繞組和低壓繞組的引線接到油箱外部，并承擔(dān)著引線對(duì)地的絕緣。此外，還可以固定引線。冷卻裝置：冷卻裝置是對(duì)運(yùn)行中的變壓器進(jìn)行了冷卻的設(shè)備，是用來(lái)散發(fā)運(yùn)行中繞組等產(chǎn)生的熱量的。
2.2 變壓器的原理
變壓器是變換交流電壓、電流以及阻抗的設(shè)備，其繞組是由線圈和鐵芯組成，其中接電源的繞組叫一次繞組，其余的繞組叫二次繞組。當(dāng)一次繞組中通入交流電流時(shí)，鐵芯中便產(chǎn)生交流磁通，交變磁通的頻率和外加電壓頻率一致，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)交變磁通通過(guò)二次繞組時(shí)，使二次繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而向負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換，改變一、二次繞組線圈匝數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)電壓變化，這就是變壓器的基本工作原理。簡(jiǎn)單說(shuō)變壓器就是一種利用電磁互感應(yīng)作用達(dá)到電壓，電流和阻抗變換的設(shè)備。其原理圖如附圖所示。
2.3 變壓器的分類
變壓器按相數(shù)可分為單相變壓器和三相變壓器。單相變壓器主要用于單相負(fù)荷和三相變壓器組，而三相變壓器主要用于三相系統(tǒng)的升、降電壓。按照變壓器繞組形式可歸為雙繞組變壓器（用于連接電力系統(tǒng)中的兩個(gè)電壓等級(jí)）、三繞組變壓器（用于電力系統(tǒng)區(qū)域變電站中）和自耦變電器（用于連接不同電壓的電力系統(tǒng)）三類。根據(jù)變壓器的按冷卻方式的不同，主要有干式變壓器和油浸式變壓器：干式變壓器以空氣冷卻和絕緣，通過(guò)空氣自然對(duì)流或者裝有風(fēng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，一般為容量較小，體積較大，噪聲嚴(yán)重。二油浸式變壓器主要用絕緣油作為冷卻何絕緣介質(zhì)，包括自然油循環(huán)冷卻和強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻方式等。具有散熱好、容量大、損耗低、價(jià)格低等特點(diǎn)，并能很好地解決“油流帶電”及“噪音”等問(wèn)題，多用于變電站主變。
3 變壓器故障類型及現(xiàn)象分析
變壓器常見(jiàn)故障以本體劃分，可分為內(nèi)部故障和外部故障，內(nèi)部故障是指變壓器本體內(nèi)部絕緣或繞組出現(xiàn)的故障，例如各繞組間的相間短路、匝間短路等；外部故障是指變壓器輔助設(shè)備出現(xiàn)的故障，例如絕緣套管閃絡(luò)放電等。對(duì)于油浸式變壓器，按其結(jié)構(gòu)可分為繞組故障、油質(zhì)故障、鐵芯故障以及附件故障；按其回路可分為磁路故障、電路故障和油路故障；按其故障發(fā)生的部位可分為分接開(kāi)關(guān)故障、套管故障、絕緣故障和鐵芯故障等。
3.1 響聲異常
變壓器正常運(yùn)行發(fā)出的是均勻穩(wěn)定的“嗡嗡”聲。當(dāng)發(fā)生其它響聲時(shí)，說(shuō)明出現(xiàn)故障，應(yīng)及時(shí)查找。如果是較高且深沉的“嗡嗡”聲，可能是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間過(guò)負(fù)荷導(dǎo)致；如果有“吱吱”聲，說(shuō)明內(nèi)部出現(xiàn)放電可能，或者絕緣老化；如果有水沸騰聲音，說(shuō)明內(nèi)部可能有短路等繞組嚴(yán)重故障導(dǎo)致過(guò)熱或者使油氣化產(chǎn)生氣體；如果聽(tīng)到大的爆裂聲，這可能是由于內(nèi)部絕緣擊穿引起。此時(shí)，應(yīng)立即停止運(yùn)行并檢查維修。例如某電站在巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)35kV箱變有放電聲，經(jīng)查詢發(fā)現(xiàn)高壓側(cè)A相接線處有電火花，及時(shí)報(bào)告停運(yùn)檢修，避免了安全事故的發(fā)生。
3.2 溫度及油位異常
在外界條件不變條件下，如果負(fù)荷并沒(méi)有增加，而出現(xiàn)繞組或絕緣油溫度持續(xù)升高，這可能原因有：內(nèi)部出現(xiàn)短路等，鐵心渦流異常，絕緣老化，長(zhǎng)時(shí)間過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，三相不平衡的負(fù)載、冷卻裝置損壞、散熱器堵塞等方面造成；當(dāng)然也有可能是測(cè)溫裝置損壞導(dǎo)致誤報(bào)。常見(jiàn)的油位異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氣孔堵塞造成，低油位最大的可能是滲漏油，滲漏油一般是由內(nèi)部壓力過(guò)大、膠墊較密封不合格等引起的。
3.3 絕緣及套管故障
電力設(shè)備故障一半以上都與絕緣故障有關(guān)。變壓器主要的絕緣包括內(nèi)部繞組、鐵芯及絕緣油，外部主要為套管，內(nèi)部絕緣問(wèn)題主要是由于絕緣材料老化或者機(jī)械磨損，以及絕緣油發(fā)生反應(yīng)降低絕緣性能導(dǎo)致；密封不嚴(yán)，導(dǎo)致絕緣受潮也會(huì)引起此類故障。外部套管可能由于積污發(fā)生閃絡(luò)，套管破裂等導(dǎo)致絕緣故障出現(xiàn)。絕緣問(wèn)題引起的電力事故損失往往較大，如若能及早的發(fā)現(xiàn)并解決，可將電力事故風(fēng)險(xiǎn)或損失降低到最小。因此，為保證絕緣材料的性能，在日常運(yùn)行維護(hù)中，要特別注意絕緣性能方面的監(jiān)測(cè)。
3.4 短路及放電故障
短路故障是電力變壓器使用中最常見(jiàn)的故障。引起它的原因是多方面的：絕緣材料的老化擊穿、內(nèi)部電磁環(huán)境影響等自身因素，材質(zhì)不好、設(shè)計(jì)工藝質(zhì)量差等質(zhì)量問(wèn)題，接地線斷路、異常電壓等外部環(huán)境以及運(yùn)行維護(hù)不當(dāng)?shù)热藶橐蛩?。放電現(xiàn)象多是由于絕緣材料老化損壞絕緣性能下降、或者接線斷裂，鏈接不良等等造成放電。例如上述例子變壓器就是由于高壓側(cè)未擰緊的接線螺絲掉落，導(dǎo)致放電，最終導(dǎo)致絕緣套管破裂。短路、放電故障還會(huì)引起其它更為嚴(yán)重的故障。
3.5 多點(diǎn)接地故障
變壓器鐵心發(fā)生多點(diǎn)接地也是多方面引起的。安裝技術(shù)不過(guò)硬 ，使鐵芯或者套管引線碰到外殼；穿心螺栓鋼座套過(guò)長(zhǎng)，與硅鋼片短接；鐵芯絕緣部分受潮或者遇到損傷、潛油泵軸承磨損以及鐵銹與焊渣，使鐵芯或者箱底多點(diǎn)接地；接地片質(zhì)量不好造成短路等。鐵芯多點(diǎn)接地將會(huì)造成鐵心的局部過(guò)熱，氣體繼電器頻繁動(dòng)作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成鐵心的局部燒損，釀成事故。因此，能否及時(shí)檢測(cè)到此類故障，并采取相應(yīng)的措施排除故障顯得尤為重要。
3.6 瓦斯保護(hù)故障
瓦斯保護(hù)是變壓器的主保護(hù)，輕瓦斯時(shí)發(fā)出信號(hào)，重瓦斯時(shí)則跳閘。輕瓦斯保護(hù)動(dòng)作后發(fā)出信號(hào)的主要原因?yàn)椋鹤儔浩鲀?nèi)部存在輕微的故障；二次回路出現(xiàn)故障；變壓器內(nèi)部出現(xiàn)空氣等。此時(shí)工作人員應(yīng)立即展開(kāi)排查，發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，及時(shí)解決；反之，則進(jìn)行氣體取樣分析。重瓦斯保護(hù)動(dòng)作跳閘原因：變壓器內(nèi)部可能出現(xiàn)嚴(yán)重故障，造成絕緣油分解出大量氣體，或者可能因?yàn)槎位芈饭收系取４藭r(shí)，應(yīng)先將備用變壓器投入，之后開(kāi)展外部檢查，排查順序油枕防爆門、各焊接縫是否裂開(kāi)，變壓器外殼有無(wú)變形，氣體的可燃性如何。當(dāng)變壓器自動(dòng)跳閘時(shí)，同樣應(yīng)先將備用變壓器投入，并進(jìn)行變壓器外部檢查（包括油枕，防爆管，各焊接縫是否裂開(kāi)，變壓器外殼有無(wú)變形，氣體的可燃性情況），查明保護(hù)動(dòng)作情況。
3.7 其他故障
變壓器故障的分類方法很多，又互有交叉。常見(jiàn)的變壓器故障還有繞組故障、鐵芯故障、接線故障、二次側(cè)故障等其他故障，但是每種故障的出現(xiàn)原因并不是單一的，且各種故障之間相互影響，互為原因。故不在此一一贅述。
相關(guān)資料[6]也表明：短路故障是故障率最高，對(duì)變壓器影響最嚴(yán)重的故障，同時(shí)還伴隨著油滲漏故障、油流帶電故障或者保護(hù)誤動(dòng)故障等多種故障；事故影響最大的是絕緣類故障，而且其故障率是隨時(shí)間變化的。
4 故障檢測(cè)與診斷方法
作為電力系統(tǒng)重要設(shè)備的變壓器，如若發(fā)生故障，將對(duì)電網(wǎng)造成很大損害。為了防止和減少這類事故，變壓器的故障檢測(cè)和診斷也就顯得尤為重要。變壓器故障檢測(cè)與診斷就是對(duì)變壓器運(yùn)行狀態(tài)和異常做出實(shí)施監(jiān)測(cè)與判斷。變壓器故障檢測(cè)與診斷的方法可分為基于觀察、試驗(yàn)的傳統(tǒng)方法，基于數(shù)學(xué)模型理論診斷法（也可歸為人工智能法）和基于計(jì)算機(jī)人工智能的智能方法。
4.1 傳統(tǒng)故障診斷法
傳統(tǒng)方法包括: 直接觀察法、特征氣體判別法、變壓器預(yù)防性電氣試驗(yàn)、變比測(cè)量法等。
（1）直接觀察法。觀察法主要是通過(guò)人們的感覺(jué)器官，用眼看油顏色是否變渾濁，套管是否破裂或者碳化，油箱是否滲油，用耳聽(tīng)聲音是否正常，有無(wú)放電聲，用鼻子聞是否有異常氣味，用手摸變壓器是否嚴(yán)重發(fā)熱，但這種方法必須要求工作人員具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一旦發(fā)現(xiàn)有這些情況，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)處理。
（2）特征氣體判別法。特征氣體判別法是判斷變壓器故障類型的重要方法。變壓器產(chǎn)生故障時(shí)，可能引起故障點(diǎn)周圍油的熱裂解，產(chǎn)生和某種故障相關(guān)的如H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H4、CO等氣體，這些氣體會(huì)部分或全部溶解在絕緣油中。因此，可根據(jù)油中氣體的類型和含量來(lái)判斷故障的類型。這種方法有利于發(fā)現(xiàn)變壓器的早期潛伏性故障且針對(duì)性強(qiáng)，具有比較直觀、方便的特點(diǎn)，但在氣體含量很小的情況下這種方法無(wú)法做出的判斷。
（3）變壓器預(yù)防性電氣試驗(yàn)法。電氣試驗(yàn)通常可以確定故障部位及性質(zhì)，主要包括針對(duì)絕緣故障的絕緣試驗(yàn)、判斷繞組故障的電阻試驗(yàn)、絕緣油簡(jiǎn)化試驗(yàn)。該方法是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的有效手段之一，是電力設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)工作中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。預(yù)防性試驗(yàn)主要包括對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查、取氣樣或油樣 ，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要包括油中溶解氣體的色譜分析、繞組絕緣電阻及吸收比、繞組直流電阻檢測(cè)、絕緣油檢測(cè)、鐵芯絕緣電阻檢測(cè)和交流耐壓檢測(cè)等。
（4）變比測(cè)量。通過(guò)變比測(cè)量，可以檢查出變壓器繞組匝數(shù)比的正確性、分接開(kāi)關(guān)的情況和是否存在匝間短路等。
4.2 數(shù)學(xué)模型診斷法
（1）基于模糊理論的故障診斷法。變壓器在運(yùn)行中發(fā)生故障時(shí)，其故障現(xiàn)象、原因和機(jī)理之間存在大量的由于排中律缺失而引發(fā)的不確定性，然而通過(guò)模糊理論即可對(duì)其準(zhǔn)確描述。該方法是在專家經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)隸屬度函數(shù)來(lái)描述狀態(tài)變量的變化規(guī)律，因此，其主觀性較強(qiáng)。
（2）基于粗糙集理論的故障診斷法。該理論是由Pawlak于1982年提出，其可對(duì)不精確、不一致、不完整等各類不完備信息進(jìn)行有效分析和處理，并通過(guò)揭示數(shù)據(jù)間隱藏的規(guī)律，提取有效的信息。
4.3 人工智能方法
上述方法雖可有效分析變壓器的故障類型，但需要工作人員的專業(yè)素質(zhì)較高，且比較復(fù)雜繁瑣，易受人為因素等影響，變壓器的故障類型繁多，故障原因復(fù)雜多變，且相互轉(zhuǎn)化，上述診斷方法均存在滯后甚至需要的停電。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者實(shí)現(xiàn)變壓器的在線監(jiān)測(cè)，可在不停電的狀態(tài)下及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并預(yù)防事故的發(fā)生。人工智能方法以可分為模糊邏輯、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、進(jìn)化算法、遺傳算法等。
（1）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模擬大腦行為和活動(dòng)過(guò)程的非線性動(dòng)力學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的智能分析方法。它具有大規(guī)模并行處理信息的能力，還具有極強(qiáng)的容錯(cuò)性及自學(xué)習(xí)功能，能映射高度非線性，可有效處理不完全和不精確的信息。目前，該技術(shù)在各類大型發(fā)輸配電氣設(shè)備上廣泛應(yīng)用。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前饋網(wǎng)絡(luò)，能夠建立任意的非線性模型，對(duì)輸入和輸出之間實(shí)現(xiàn)非線性映射，可實(shí)時(shí)全工況地對(duì)電氣參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算，其有明顯，但單一的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法仍然有缺陷，其極易陷于局部收斂和收斂速度慢的弊端。
（2）遺傳算法。遺傳算法故障診斷技術(shù)是受生物進(jìn)化的啟發(fā)而提出的一種智能分析法，它可分為變異、交叉、選擇等幾個(gè)階段，與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，其具有可實(shí)現(xiàn)全局搜索的優(yōu)勢(shì)；而且能夠通過(guò)動(dòng)態(tài)變異和基因多點(diǎn)交叉方式，選出最優(yōu)種群，據(jù)此優(yōu)勢(shì)可構(gòu)建遺傳算法在線診斷系統(tǒng)。任何方法都是有缺陷的，遺傳算法就有執(zhí)行效率低的缺點(diǎn)。
（3）專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)將人工智能技術(shù)與專家的知識(shí)相結(jié)合的計(jì)算機(jī)程序。其工作方式是以知識(shí)庫(kù)中的相關(guān)知識(shí)和專家經(jīng)驗(yàn)為前提，進(jìn)行推力判斷，從而實(shí)現(xiàn)幫助用戶決策。變壓器的故障類型多樣，相關(guān)專家知識(shí)較少，在變壓器故障診斷中使用專家系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)不斷的修改、刪除或者增加知識(shí)庫(kù)中相關(guān)專家知識(shí)，以保持知識(shí)庫(kù)有效性和實(shí)時(shí)性；因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中變壓器的類型較多，出現(xiàn)的故障更是多種多樣，如若專家知識(shí)庫(kù)相關(guān)數(shù)據(jù)不正確或不完善，必然會(huì)影響到準(zhǔn)確的決策。該方法雖然效率較高但也存在知識(shí)獲取的“瓶頸”問(wèn)題，并且無(wú)法自我完善。
綜上所述，變壓器故障種類繁多且復(fù)雜多變，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和人工智能技術(shù)的投入，使得對(duì)應(yīng)的故障檢測(cè)與診斷方法類型多種多樣，也提高了在線監(jiān)測(cè)與診斷的水平。但單一的方法局限性仍然較大，為了彌補(bǔ)不足，有學(xué)者將遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法有效結(jié)合起來(lái)。通過(guò)遺傳算法來(lái)確定人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初值，能很好的克服人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢和局部收斂的問(wèn)題。還有學(xué)者將粗糙集理論和遺傳算法結(jié)合的約簡(jiǎn)算法，可通過(guò)全局并行尋優(yōu)，極大地提高了遺傳算法的執(zhí)行效率。另外，即使作為國(guó)內(nèi)外普遍看好的對(duì)油浸變壓器在線監(jiān)測(cè)最方便、有效的方法之一的油中溶解氣體分析（DGA）技術(shù)，目前也隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，將智能算法應(yīng)用到故障診斷中，極大地提高了對(duì)運(yùn)行中變壓器故障診斷的能力，同時(shí)提高了電力變壓器運(yùn)行的安全可靠性。故合理的將多種方法有效結(jié)合，便可在變壓器故障監(jiān)測(cè)與診斷上達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、事半功倍的效果。
5 結(jié)束語(yǔ)
變壓器在電力系統(tǒng)中承擔(dān)著重要的角色，變壓器故障的發(fā)生，也影響著國(guó)民經(jīng)濟(jì)與生活。因此，為了能夠準(zhǔn)確、及時(shí)、有效的識(shí)別出故障類型及故障點(diǎn)甚至做到預(yù)防，就需要有更為智能可靠的監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)。由于實(shí)際運(yùn)行中的變壓器種類多，故障類型更是多樣，且復(fù)雜多變，而對(duì)應(yīng)的故障監(jiān)測(cè)與診斷方法也五花八門，且各有其優(yōu)缺點(diǎn)，因此，工作人員需要科學(xué)合理的選用合適的故障監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)，當(dāng)然工作人員也需要提高自身專業(yè)素質(zhì)。通過(guò)采用科學(xué)合理的故障監(jiān)測(cè)與診斷方法，利用先進(jìn)技術(shù)，可將多種方法結(jié)合以整合其優(yōu)點(diǎn)對(duì)變壓器進(jìn)行監(jiān)測(cè)與診斷，從而提高監(jiān)測(cè)與診斷效率，保證電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。
