变压器故障分析及诊断研究

11绪论11研究背景及意义随着时代的发展与科技的进步，我国国民生活水平指数日益上升，从而对电力的需求量也逐渐增加。因此，解决电力需求量这一问题迫在眉睫。电力需求量推动着我国电网建设规模的发展，大容量、超高压已经成为如今电力系统的发展方向。变压器是电网中不可或缺的一部分，其具有电压变换、电气隔离、稳压及电能传输的作用，因此，它的正常运行将会保证电力系统安全、稳定、优质、可靠的运行。随着工业发展的加快与人口增长直线上升，我国的用电需求也在不断的提高，所以对同阶段配备的电力设备的要求也越来越高，变压器发生故障的可能性也越来越大；除此之外，由于变压器受制造材料、规格、环境等因素的影响，其运行状态就变得比较复杂且难以确定。如果变压器发生故障，情况稍稍严重一些就会造成部分电力系统的瘫痪，从而大大影响了工业生产以及人们的日常生活。2001年，由于变压器绝缘老化严重而造成电网公司非计划停运次数多至216次；据相关部门指标，虽然近几年我国的供电可靠率已经挺高了，但与欧美国家9999的供电可靠率仍存在着一定的差距。因此，为了保证工业发展和人们的日常生活，我们必须不断的深入研究，对变压器进行故障分析进行汇总，并根据相应的故障进行诊断研究，提高自身素养，积累相关经验，在遇到突发事件时，能够尽早检测并了解出变压器中的潜伏性故障，从而提升变压器运行的稳定性。12国内外研究现状及发展动态目前，世界各国各地对变压器故障诊断的方法多种多样，但归根结底，可分为两大类。其一是传统方法，该方法包括变压器的预防性电气试验和特征气体判别法，及其给予特征气体的比值法；其二则是较为智能的方法，类似模糊逻辑方法、人工神经网络、专家系统、支持向量机和遗传算法等。以下是对于上述两种诊断方法的具体介绍。121变压器故障诊断传统方法及其研究现状2（1）变压器预防性电气试验3预防性试验是确保电网可靠运行的有效方法之一，是电力设备正常运行和维护工作中的重要环节。根据相关规定，主要包括绕组直流电阻的检测、线圈绝缘的吸收比、绝缘油检测、色谱的分析和铁芯绝缘电阻的检测等。（2）特征气体判别法判断变压器故障类型时常常还会采用特征气体判别法。变压器在出现故障时，一般会产生H2、CH4、C2H4、C2H2、CO、CO2等特殊气体，这些气体遇到变压器油会发生溶解。因此，可以根据油中溶解的气体种类和含量判断出故障类型，但气体量很少的时候，不太会使用这种方法。（3）基于特征气体的比值法此处所说的比值法主要包括三比值法、四比值法、改良的三比值法、无编码比值法等。它们的判据简单明了，但有一定的局限性，只能判断单一的问题，多种故障问题叠加在一起时就无法做出准确判断，因此使用的并不多。122变压器故障诊断智能方法及其研究现状（1）模糊逻辑方法由于故障征兆与原因之间的关系难以确定，模糊逻辑方法便很好的利用了这一点来进行故障诊断，它建立在逻辑运算、模糊关系以及模糊理论的基础上1。文献2中的变压器故障诊断是基于模糊数学和概率论的，它建立在故障特点和故障发生前的预兆之间存在的因果关系上，使模型的诊断结果更加精准。文献3中变压器的故障诊断是基于三对比值法模糊隶属度函数的，它解决了区间划分时，原有的三比值法因为边界点的不确定性而导致的误判问题，这样可以提高诊断的准确性。文献4将模糊模式识别与气相色谱结合在一起进行故障诊断，得到了同样的效果。文献5基于变压器各部件的诊断，运用模糊理论来搭建诊断模型，而且举例证实该模型的实用性。（2）专家系统专家系统结合了如今大热的AI和PC技术，运用专家的知识和经验推理，然后进行模拟做出决策。近年来，这一方法得到了迅速的发展，有效地解决了单一方法诊断时往往会出现的局限性。文献6将神经网络与模糊理论相结合，构造了一个专家系统，使得故障诊断结果更加准确。但是，这种方法诊断的结果并4不能完全确定，毕竟专家们的知识获取、表述很难做到完全一致。（3）人工神经网络人工神经网络的依据是人类大脑处理信息的快速化以及高度的集成化，将神经节点互相关联，然后用来处理信息，这种方法具有并行处理、学习和记忆、非线性映射和自适应能力等特点。人工神经网络的原理是基于一种非线性映射，而变压器故障所产生的特征气体与故障类型刚好与之相符，所以，人工神经网络可以应用到变压器故障诊断中。在国外，将人工神经网络应用于故障诊断的实用性越来越高，效果普遍较好。（4）支持向量机支持向量机就是通常所说的SVM，SVM是当今社会较为先进的一种机器学习方法，能够有效解决变压器故障问题。它最开始是用来解决模式识别这方面问题的，经过研究者的学习和探索，才得以应用到解决变压器故障的领域。SVM在处理变压器采集到的数据和技术样本时具有明显优势，其原因是在样本数量很少时，SVM具有很强的适应能力，能快速对数据进行分类并且提高对数据的计算能力，这一点在解决变压器问题上极为方便。（5）遗传算法遗传算法基于生物进化理论，它能够进行全局搜索，特别是解决全局优化的问题。它常常会和神经网络结合在一起来解决变压器的故障诊断问题，能够有效提高诊断的速度和精度。13本文主要内容本文主要介绍变压器常见故障类型及原因分析，变压器故障的诊断方法研究，同时运用了MATLAB对变压器故障进行仿真。具体安排如下第1章介绍本论文的研究背景和意义，阐述国内外变压器故障与诊断的发展现状。第2章介绍变压器常见故障及原因分析。第3章介绍变压器故障的诊断方法研究。第4章利用MATLAB搭建变压器区内故障和区外故障的模型，通过对波形的分析验证已知结论的正确性。5最后进行总结，概括说明了本文的情况和价值，阐明了其优点，并指出了存在的问题和改进方向。2变压器常见故障及原因分析油浸式变压器发生的故障不外乎油箱内部外部两种。在变压器油箱的内部发生的各种故障就是内部故障，而在变压器油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障就是外部故障。本章会具体阐述现在较为常见的变压器故障，并会对其产生原因进行分析说明。21短路故障此处所说的短路故障指的是在变压器出口处由于各种原因而发生的短路，下面会进行具体论述。1短路电流引起绝缘过热故障变压器在正常运行过程中，如果突然出现了短路问题，绕组中会流过很大的短路电流，其值约为额定值的数十倍，随后会散发很多热量，使变压器温度升高。如果此时变压器的性能不够稳定的话，变压器的绝缘材料就会受到影响，轻则影响绝缘性能，重则发生击穿事故。单相接地短路、两相接地短路、两相短路和三相短路都是如今较常见的出口短路形式，其中，三相短路的短路电流最大。2短路电动力引起绕组变形故障变压器在运行中发生短路时，如果短路电流很小，电力系统中的继电保护装置便会正确动作从而保护电路，此时绕组会发生轻微的形变；相反的，短路电流很大的话继电保护不能立即动作，此时绕组会严重变形，甚至有所损坏8。绕组发生轻微变形时，需要及时进行检修，不然的话，受短路电流长期影响，在一次又一次的冲击下也会损坏变压器。因此，为了提高变压器抗短路能力，需要诊断绕组变形程度、制订合理的变压器检修周期。分析发生故障或事故的变压器可知，绕组变形会直接引起变压器故障。如果变压器发生了严重变形，但是由于没有检测到而处于持续运行的状态，很有可能引发事故，比如说停电，严重的话会使得变压器烧毁。引起绕组变形的原因多种多样，比如绕组机械结构强度不足，或者是不能承受内部和外部的冲击力，其中电动力的影响最大。22放电故障6发生放电故障时，放电的能量大小会有所不同，所以便有了局部放电、火花放电和高能量放电。221变压器局部放电故障局部放电的定义为在电压作用下，绝缘内部气隙、油膜或者导体边缘发生的非贯穿性的放电现象10。它初期是一种低能量的放电，由于变压器中主要的绝缘介质是气体和油，依据这点来划分，有气泡局部放电和油中局部放电；除了绝缘介质不同外，绝缘部位也会有所不同，所以它又可以分为电极尖端、油角间隙、固体绝缘中空穴等局部放电。由于放电能量大小并不相同，产生的气体也会有所不同。目前，电测法、超声测法、化学测法是比较常见的测量局部放电的方法。222变压器火花放电故障当放电能量密度106C数量级时，变压器会发生火花放电。它的起因有两种，一是悬浮电位，另一则是油中杂质。下面会对其进行具体阐释（1）悬浮电位引起的火花放电电网中的某些设备，它们的部分金属结构在生产过程中可能就存在一定的问题，再加上设备的运输还有长期机械运转，极有可能会接触不良，失去接地，从而处于在高、低压电极之间，此处对地的电位就是悬浮电位。这种部件四周存在着密集的场强，附近的固体介质会因此而烧坏或是炭化，绝缘油分解出大量特征气体。悬浮放电有可能发生在处于高电位的金属部件，也有可能发生在处于低电位的部件。（2）油中杂质引起的火花放电油中存在杂质而引起火花放电故障的概率要比悬浮电位大得多，此处所说的杂质是指水分、纤维质等。根据相关资料可知，水的介电常数要比变压器油大得多。在电场中，最先发生极化现象的是油中的杂质，这些杂质在电场力的吸引下会往电极的方向靠近，并且有序排列，又因为其排列方式类似于桥，故而称之为杂质“小桥”，其介电常数大于变压器油，导电率也比变压器油好，油中的电场会因此而畸变。同样的，油中的电场会因为纤维较大的介电常数而变大，此时的变压器油在场强作用下处于游离状态，在此状态下会产生气体，从而又导致大量气泡的产生，由于这些气泡的存在，油的游离更加厉害，就这样一直循环，变压器油箱中便含有大量的气泡和油，气泡会形成气体通道，油分子之间因此存在间隙，这种情况下很容易发生火花放电。由此可见，在电压较低的情况下有可能发生火花放电故障。按理来说，火花放电故障是比较容易被发现的，处理起来也相对容易，但是需要时刻注意它的发展程度，以免发生绝缘击穿。223变压器电弧放电故障电弧放电又可称为高能量放电，它产生的能量密度很大。目前常见的电弧放7电有对地闪络、绕组匝层间绝缘击穿等。电弧放电故障时，由于能量高度集中，会迅速产生气体，气体又会导致放电，大量的电子便会形成电子崩，并且会以此形式对电介质进行冲击，固体纸绝缘无法承受这样的冲击便会被烧坏，金属材料同样会受其影响而有所损伤，故障严重时还会烧损设备，甚至引起爆炸事故，因为难以预测，所以常常会突然爆发。综合上述三种放电故障可以看出，它们之间既有联系又有区别。区别是故障发生时，三者放电的能量密度有所不同，除此之外，它们产生的气体成分种类和多少也不相同。联系则是火花放电和电弧放电是从局部放电发展而来的，它们之间有着一定的因果关系。变压器发生的故障并不是瞬间的，而是慢慢发展而来的，所以通常一个时刻内存在着好几种故障，但也不排除只有一种故障的情况。因此，我们需要根据具体情况然后做出相应的判断。23绝缘故障231固体纸绝缘故障绝缘垫、绝缘绑扎带、绝缘卷、绝缘板、绝缘纸等构成了固体纸绝缘，油浸式变压器最不能缺少的就是固体纸绝缘。它主要由纤维素（C6H10O6）N构成，其中N为纤维素的聚合度。新纸的N通常是一千三百左右，当N变为二百五十左右时，它的机械强度会大大降低，大概低于新纸的一半，当N为150200时则表示纸极度老化。绝缘纸老化后，会生成水、一氧化碳、二氧化碳，其次还有糠醛。这些大多会损伤电气设备，甚至腐蚀设备中的金属材料。纤维材料长期使用后，难免会出现聚合度下降、收缩或是脆裂的情况，这些都会导致纸纤维劣化。固体绝缘的老化不可逆转，绝缘材料的寿命决定了变压器的使用年限，因此在对变压器进行选择时，要从多方面考虑，不仅机械性能要好，还得考虑其电绝缘性，除此之外还得有良好的老化特性。232液体油绝缘故障液体绝缘指的是变压器油绝缘。如今使用的油浸式变压器，基本具备以下特点电气绝缘强度高，设备的体积小质量轻；热传递性和散热能力好，具有较高的冷却降温水平；变压器内部氧化速度慢，使用寿命长。变压器油是有一定要求的，除了众所周知的传热能力以及绝缘性能要求良好外，还需达到如表21所示的标准通常变压器中的绝缘油是将石油一步一步提取炼制而得到的，但是制取得到8的绝缘油并不是纯净的，还含有很多杂质，除去杂质主要成分为各种碳氢化合物、树脂、酸等，这些成分均具有不稳定性，在外部因素的影响下不断发生氧化。绝缘油的氧化过程一般来说比较缓慢，如果好好维护可以使用二十年且不老化，但油中通常会混入金属、杂质、气体等，这些都会加快油的氧化速度，使油劣化。变压器油质在发生改变的过程中会经历污染和劣化两个阶段。变压器油会因为混入了水分和杂质而被污染，但它与油的氧化毫无关系。油受到污染后首先会受到影响的就是绝缘性能，它会有所降低，同样会有所降低的是油的击穿场强，而此时的介质损失角则会变大。油发生氧化后很快就会到劣化阶段，此处的氧化除了指纯净的油中碳氢化合物发生的氧化反应，还有油中的杂质导致的氧化反应速率急剧上升的情况，此处所说的杂质主要是一些金属粉屑。如今使用的全封闭式变压器其实并不能达到理想状态，它的内部仍然存在着极少量的氧，氧特别容易溶解，所以它在油溶解的气体中占比很高。3变压器故障的诊断方法研究31变压器故障油中气体色谱检测技术311DGA技术分析现如今，在变压器诊断故障的过程中，某些局部故障和发热缺陷若只是靠电气试验的方法通常很难发觉。大量故障诊断的实践证明，如果想更快更好地发现变压器的异常，使用DGA的方法是一个很好的选择，除此之外，DGA还能针对故障的发展程度做出相应的判断及挽救措施。当温度发生变化时，任一烃类气体的产生速率都会随之变化，当温度一定时，某一气体的产生速率可能会达到最大值，这就是油色谱分析的原理。温度升高的过程中，产生速率最快的的气体依次为甲烷、乙烷、乙烯、乙炔。这说明了在故障温度与溶解气体含量有关。油浸纸绝缘故障特征气体产生的主要原因是局部过热、电晕和电弧。变压器油和固体绝缘在整个机械运转的过程中会发生老化、变质的情况，并且分解出少量气体。表31展示的便是变压器发生故障时，气体成分以及含量的变化。由上表可以看出，油中气体成分的变化及其变化程度大小取决于故障的类型和程度。所以在变压器运行过程中，我们每隔一段时间固定期限就要对油中溶解9的气体成分和含量进行测量，此类操作能够让我们尽早发现油浸式变压器中潜伏的故障，并据此做出相应的措施。利用DGA的数据来诊断变压器内部故障类型时，需要注意以下几点第一点，要对气体产生的原因及种类变化进行分析汇总；第二点，要判断变压器中是否存在故障，若存在则需弄清故障的类型；第三，要对故障的状况进行判断；最后应提出与之相对应的处理措施。312基于DGA变压器故障类型的判断1特征气体法特征气体法是根据产生气体特征的不同来进行判断的。如果产生的气体中总烃含量不高的话，说明此时不是局部放电故障就是低能放电故障。做进一步分析，如果氢气含量超过100LL，且甲烷含量也较高的话，则说明此时是局部放电故障，在这种情况下，产生的气体中还有少量的乙烯和乙烷。如果总烃中大部分是乙炔，氢烃中大部分是氢气且含有少部分乙烯和乙烷的话，则表明出现了低能放电故障。如果产生的气体中总烃含量高的话，则是高能放电故障或是过热故障。高能放电故障时，产生的氢气含量高，乙炔更是占了总烃的绝大多数。过热故障又有三种，它们所产生的气体有一个共同点，即总烃中含有大量的甲烷和乙烯。而它们的区别在于，低温过热时甲烷的含量相较于乙烯来说更多一些，而乙炔的含量微乎其微甚至没有；中温过热时甲烷含量是氢气的好几倍，乙烷通常含量要少于乙烯；高温过热时乙烷的含量远远少于乙烯，乙炔含量不超过乙烯含量的百分之十。2改良三比值法现阶段所使用的改良三比值法，相较于之前所使用的三比值法以及四比值法，判断故障的准确率更高，能够达到百分之八十以上。表32和表33分别展示了编码规则和故障类型判断的判断方法。32电力变压器绝缘老化检测技术变压器固体绝缘的主要成分纤维素老化后会生成部分无机物和有机物，无机物主要包括一氧化碳和二氧化碳，有机物则是糠醛，所以可以通过测量该无机物10以及有机物的含量和绝缘纸的聚合度等方法，并查阅相关数据，从而对变压器绝缘老化缺陷进行诊断。由于纤维素（C6H10O6）N是绝缘纸的主要构成部分，而其大分子是D葡萄糖基单体聚合，这便是测量油中糠醛浓度的依据。当绝缘纸发生老化时，纤维素进行了这样的一个变化过程D葡萄糖聚合物在高温、水解和氧化的影响下会发生解聚，这样便会生成D葡萄糖单糖，但是它并不稳定，会继续水解，这样便得到了很多氧环化合物。糠醛就是其中一种主要成分，它能够在绝缘油中溶解。在一些外部因素的影响下，（C6H10O6）N将发生裂解，此时便会得到糠醛，它是主要特征液体。高效液相色谱法又可称为HPLC，是HIGHPERFORMANCELIQUIDCHROMATOGRAPHY的缩写。根据HPLC来测定油中糠醛的含量，将诊断结果分为以下三类第一类，如果已知存在内部故障，那么可以判断它是否与固体绝缘有关；第二类，是否产生了低温过热现象，且存在绝缘局部老化的情况；第三类，可以对设备绝缘老化的老化程度做出判断。利用HPLC测出油中糠醛的含量，从测量结果可以推断出绝缘纸的是否老化以及老化的情况，另外，可以根据糠醛的产生速率进一步推断老化速率。糠醛分11析的优点有提取样本的方法较为简单，样本的所需量少，保存也较方便；分析过程中变压器不需要停电；样本不会轻易散失；糠醛并不是油老化得到的产物。它的缺点是，在对油进行处理时，如脱气或者再生处理，糠醛有部分会损失，不过损失较小。在进行糠醛含量检测时，可以根据表34作出相应判断。如果糠醛含量超过表中的数据，则视为其老化速度有问题，因此必须连续检测，并且注意糠醛含量的增长率。当糠醛量样本值大于4MGL时，表明绝缘老化严重，此时需检测绝缘纸的聚合度N，然后进行综合判断。不过，不同的研究有不同的观点，有研究表明，当糠醛量为12MG经不起作用。L时，绝缘便劣化严重；而超过35MGL时，变压器绝缘已通过对绝缘纸的聚合度的测量可以推断出变压器的剩余使用寿命，这种方法很早就得以应用。纸聚合度的大小决定了其劣化程度，在温度、水分、氧化作用下，（C6H10O6）N会发生降解，大分子断裂，D葡萄糖单体的数量也会随之减少，这里的D葡萄糖单体的数量即纸的聚合度N。33电力变压器局部放电故障检测技术变压器局部放电检测技术包含多种方式，最常用的是感应加压方式，通常来说，试验电压高于变压器额定电压，电源频率常取150250HZ，这样可以防止铁芯出现过饱和现象。局部放电信号有两种引出方法一种是从高压套管的末屏引出，另一种考虑到没有末屏的情况，用耦合电容器代替。将被测阻抗与测试仪器相连，测试仪器上会显现出其放电量，将此值与校正的放电量进行比较，就可以知道局部放电的放电量。新标准中将延长局部放电试验中电压的持续时间，同时增加了短时工频感应试验电压。12局部放电测试包含多种方法，主要采用的是电气法和超声波法。在使用电气法时，我们要依据相关规定，对测试点加压，使变压器整体绝缘处于高压作用下，这样才能暴露放电缺陷。超声波法是一种新型试验手段，它可以帮助确定放电的位置，不过目前的测试仪器的性能以及技术有限，放电量的具体数值很难确定，故应用范围较小。只有牢记实验的方法步骤以及判断的依据，并且熟知变压器的结构，才能得到准确的诊断结果。并且，这样有利于初步故障分析后更快地找出哪一部分发生了故障，然后针对故障部位做出相应的措施。在进行故障部位检测时，首先检查变压器附件，确定其是否存在故障。若没有故障，我们则可以进行下一步检查，检查变压器本体和分接开关是否存在故障。此时我们可以使用的检查方法有放油进箱和吊罩检查两种。这两种方法各有优势，用放油进箱检查的方法省时省力，相较吊罩检查而言，是检查的不二选择；但是该方法也存在缺点，该方法需要进箱检查人员技术具有很高的素质，且足够细心，检查部位够全面。34电力变压器有载分接开关检测技术目前，有载调压变压器在多个领域得以应用，为使有载调压变压器的运行更加稳定，对于有载分接开关我们要做到勤检测、常维护、快检修。有载分接开关的组成部分有选择开关、切换开关和过度限流装置。选择开关可以选择变压器调压分接头；切换开关是为了在带负载的情况下进行切换从而达到调压的目的；切换开关工作时，过渡电抗或电阻会在触头断开的一瞬间接入到过渡限流装置中，来达到限流的目的，从而阻止短路的发生。过渡电抗器安装位置较为局限，正常放置在变压器油箱内部，如果可以跨桥使用的话，其调压级数便能够增加，不过由于电抗器长期接电，耗电量教大，又难以熄弧，所以逐渐被体积小且质量轻的电阻式所代替。有载分接开关检测以及故障修复后需要进行几个试验检测触头接触压力；测量转动力矩；检测触头接触电阻；检查开关动作顺序、分离角；外施耐压试验；检测过渡时间与三相同期。4变压器仿真本文的模型建立在有双测电源的双绕组变压器上，如图41所示41仿真变压器空载合闸时励磁涌流为了方便观察，可增加一个示波器模块，如图42所示13411仿真参数设置模型窗口参数设置如图43三相电源EM参数设置如图44所示，EN和EM相位相差10，其他设置相同。变压器采用三相两绕组模型，选择饱和铁芯，参数设置如图45所示UM参数设置如图46所示，UN参数与UM一样，它们相当于电压电流互感器，UN的输出信号需改为“VABC_N”，“IABC_N”三相断路器QF1和QF2控制变压器是否投入，FAULT1为系统中的故障模块。在进行仿真时，改变的是仿真时间设置，其他设置均为默认。412仿真波形通过模型仿真变压器空载合闸时，将QF1的切换时间设为0S，仿真时间设为05S，仿真算法为0DE23T。QF2与FAUL