白忠雄，張啟龍(通訊作者)

（六盤水師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，貴州六盤水，553000）

1 概述

變壓器是常見的電力設(shè)備，電壓的轉(zhuǎn)換和功率的傳輸都需要變壓器的配合才能實(shí)現(xiàn)。變壓器工作環(huán)境復(fù)雜多變，會因諸多因素的不當(dāng)發(fā)生不同的潛伏性故障。若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并處理就會使故障的影響擴(kuò)大。電力變壓器故障診斷技術(shù)，顧名思義，其可以檢測故障和準(zhǔn)確診斷故障。變壓器是一種基于電磁感應(yīng)原理的電力設(shè)備，正常的運(yùn)行對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定至關(guān)重要，其關(guān)系到人們正常生產(chǎn)的工作效率和國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定增長。因此，需要關(guān)注變壓器的故障類型和原因，利用各種手段找出解決方案才能保障變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行。目前，國內(nèi)外學(xué)者對變壓器故障診斷技術(shù)的研究往往只注重診斷的速度，而忽略故障診斷的精度，且對設(shè)備故障診斷的具體應(yīng)用缺乏研究。

因此，故障診斷技術(shù)就顯得十分重要。文章主要以油浸式變壓器為例，總結(jié)其故障類型及診斷方法，為判斷變壓器的故障情況及維修技術(shù)的發(fā)展提供有效的依據(jù)。

■1.1 油浸式變壓器的故障類型

油浸式變壓器在運(yùn)行過程中電場和磁場長時(shí)間持續(xù)交錯(cuò)，相互干擾，量的積累發(fā)生質(zhì)的飛躍，即持續(xù)的內(nèi)部性能堆積會導(dǎo)致變壓器發(fā)生故障。油浸式變壓器的故障主要分為熱故障、電氣故障[1]。其常見的故障類型很多，有內(nèi)部故障和外部故障，大致列舉如表1 所示。

表1 油浸式變壓器具體故障類型

■1.2 油浸式變壓器故障的演變過程

油浸式變壓器故障并不是瞬間完成的，而是先在內(nèi)部產(chǎn)生處于潛伏期的不良影響，經(jīng)過時(shí)間積累，不良影響逐步擴(kuò)大最終演變?yōu)樽儔浩鞴收?。其故障演變過程如圖1 所示。

圖1 變壓器故障的演變過程

由圖1 可知，變壓器故障在初期并不能被檢測。當(dāng)故障發(fā)展到P 點(diǎn)時(shí)，故障才能被檢測裝置檢測。如果在狀態(tài)檢測這段時(shí)間里，并沒有檢測出故障所在點(diǎn)，就會到達(dá)F點(diǎn)使變壓器故障并引起其他嚴(yán)重后果。若故障能夠在此期間內(nèi)被檢測出來，并進(jìn)行合理的維修就能避免變壓器故障的發(fā)生。

■1.3 油浸式變壓器故障診斷的方法

油浸式變壓器的故障診斷方法是通過對獲取的變壓器故障信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以數(shù)據(jù)分析的結(jié)果來判斷變壓器的故障類型。這一過程中，采集信息的精度對故障診斷的準(zhǔn)確性起著至關(guān)重要的作用。實(shí)際工程中對于變壓器狀態(tài)的診斷方法有油色譜分析法、局部放電法、紅外測溫法、電氣試驗(yàn)法、油化試驗(yàn)法和繞組變形試驗(yàn)法六類[2]。Algorithms[3]提出最基礎(chǔ)的是油色譜分析法，這種方法是判斷變壓器故障的有效方法。其余方法都基于油色譜分析法來拓展分析和研究的。文章講述油色譜分析法在變壓器故障診斷中的應(yīng)用以及由此方法延伸的三種試驗(yàn)方法。

2 油色譜分析法

氣體溶解法（Dissolved gas analysis，DGA）是目前認(rèn)可度最高的對變壓器進(jìn)行實(shí)時(shí)在線故障診斷的方法[4]。范松海等[5]采用油氣分離的方法將變壓器油中因故障而產(chǎn)生的各種氣體分離，再對特征氣體進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)氣體的含量特征和類別判定故障類別。湯杰[6]運(yùn)用油色譜分析法對變壓器的各種故障類型進(jìn)行診斷分析并給出相應(yīng)故障的診斷結(jié)果，從而驗(yàn)證油色譜分析法的正確性和有效性。

變壓器長期運(yùn)行中，內(nèi)部的有機(jī)物受熱，氣體內(nèi)部的C?H鍵和C≡H鍵會斷裂生成小分子量的有機(jī)物（CH4、C2H2、C2H4、C2H6等等）、含氮化合物、小分子氣體（CH4、CO、CO2等等）?？傮w來說，油中溶解的氣體種類繁多，選擇具有明顯特征的氣體進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，才能得出變壓器故障的類型[7]。變壓器正常運(yùn)行中也產(chǎn)生上述氣體，但數(shù)量有限，如表2 所示。故障潛伏期，變壓器油分離各種類型不同濃度的特征氣體如表3 所示。

表2 變壓器正常運(yùn)行時(shí)油中烴類氣體的含量（μL /L）

表3 變壓器發(fā)生不同故障時(shí)分解的氣體[7]

■2.1 油氣分離的技術(shù)

對變壓器油中的氣體進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，首先要對變壓器油中的氣體油氣分離，這個(gè)過程又稱脫氣。脫氣的方法有真空法、半透膜法、頂空法等。

2.1.1 真空法脫氣

真空脫氣法是在密閉空間中利用抽真空的方法將油中氣體油氣分離。使用真空法脫氣耗時(shí)很短，但會使用到大量的變壓器油，數(shù)次脫氣后，波紋管的凹槽中會殘留廢油。廢油會影響下次脫氣油樣的數(shù)據(jù)。另外，一些氣體的含量很低并易溶于油，很難通過真空法脫氣。張又文等[8]說明真空脫氣法更適用于實(shí)驗(yàn)室或者是離線檢測實(shí)驗(yàn)。

2.1.2 半透膜法脫氣

采用半透膜法進(jìn)行油氣分離的原理是基于氣體分子的擴(kuò)散作用。使用特殊材質(zhì)制作而成的聚合半透膜有只讓氣體通過的性質(zhì)。蔣張楠等[9]講述了半透膜脫氣的整個(gè)過程。在進(jìn)氣裝置的入口處有半透膜，兩側(cè)是油和進(jìn)氣裝置。由于兩側(cè)的氣壓不一致，油中的各種氣體就會通過半透膜進(jìn)入進(jìn)氣裝置。經(jīng)過一定的時(shí)間會平衡膜兩側(cè)的氣壓，達(dá)到動態(tài)平衡。隨著聚合材料研究的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)特氟隆PTFE 聚合物在分離油氣的過程中有較好的實(shí)用性。反應(yīng)僅需一到兩小時(shí)[10]。

2.1.3 其余脫氣法

對變壓器油進(jìn)行油氣分離的技術(shù)有很多，前兩小節(jié)介紹的是廣泛應(yīng)用的兩種脫氣方法。此外，還有譚建敏等[11]所提及的“潮汐式”頂空法，李宗博等[12]研究的磁力攪拌法，楊廷方[13]提到毛細(xì)管萃取法?！俺毕健表斂辗ńY(jié)構(gòu)簡單并且性能穩(wěn)定，但只能針對部分特征氣體脫氣。磁力攪拌法作為新型油氣分離技術(shù)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜涉及各種器件，成本造價(jià)較高。毛細(xì)管萃取法油樣接觸面積大并且萃取效果好，但其造價(jià)也較高昂。

■2.2 特征氣體的數(shù)據(jù)分析

對變壓器故障類型以及出現(xiàn)的特征氣體含量進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，歸納和總結(jié)判斷變壓器故障類型的幾種方法如下。

2.2.1 特征氣體法

變壓器內(nèi)部氣體的組成與故障類型有著密切的關(guān)系。特征氣體法根據(jù)氣體的組成含量直接與故障類型相對應(yīng)。對應(yīng)關(guān)系如表4 所示。這種方法非常簡單直接，但沒有科學(xué)的定量分析，需要大量經(jīng)驗(yàn)，不確定性較大。

表4 氣體組成與故障類型的對應(yīng)關(guān)系[14]

2.2.2 氣體成分超值法

如果在檢測中，某一氣體的檢測值遠(yuǎn)大于導(dǎo)則中所規(guī)定的數(shù)值，就判定為變壓器故障。例如，在檢測當(dāng)中發(fā)現(xiàn)H2的含量超標(biāo)，很有可能是變壓器內(nèi)部設(shè)備受潮所致[15]。針對某一氣體進(jìn)行數(shù)據(jù)分析更加簡單，但也需要大量人為經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)確性較差。

2.2.3 大衛(wèi)三角法

大衛(wèi)三角法以三種特征氣體的含量作為三角形三邊刻度，每種氣體極限含量為100%。將三角形劃分為7 個(gè)故障類型區(qū)域。檢測三種氣體的數(shù)據(jù)后，將氣體數(shù)據(jù)在三角域內(nèi)定點(diǎn)。定點(diǎn)落在哪塊區(qū)域，就判別變壓器是何種故障類型[16]。大衛(wèi)三角形以及各氣體的極限區(qū)域含量如圖2 和表5 所示。

圖2 大衛(wèi)三角法

表5 各故障區(qū)域內(nèi)的氣體極限含量[16]

假設(shè)C2H2為A、C2H4為B、CH4為C。C2H2、C2H4、CH4的氣體百分比含量如下公式所示。

2.2.4 比值判定法

油中氣體含量會隨著變壓器運(yùn)行時(shí)間的增長而增加。第一、二種方法都只能簡略分析故障類型，具體還需要實(shí)地檢測。由此推出比值判定法。比值判定法是對幾種特征氣體的比值進(jìn)行分析，利用比值來判定故障類型。四比值法由于反映的溫度范圍并不全面被排除成為三比值法。最后，優(yōu)化三比值法在編碼、比值范圍方面的缺陷，得到改良后的三比值法，是國際上最為推薦的比值判定法[17]。

3 局部放電法

變壓器在長期運(yùn)行當(dāng)中，變壓器油會裂解產(chǎn)生氣體，形成的氣隙絕緣強(qiáng)度并不高，有可能被運(yùn)行電壓擊穿從而放電。此外，也有可能是絕緣老化或設(shè)備的缺陷，造成絕緣能力的減弱，使變壓器部分區(qū)域承受不住運(yùn)行電壓從而發(fā)生擊穿放電現(xiàn)象。

局部放電會產(chǎn)生許多現(xiàn)象，具體表現(xiàn)在光、熱、聲音和電磁輻射等現(xiàn)象?；诂F(xiàn)象，局部放電的檢測技術(shù)包括：脈沖電流法、超聲波檢測法、超高頻檢測法和絕緣油檢測法。目前最常用的是前三種方法。戴煒等[18]采用Rogowski 線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而成的高壓脈沖電流傳感器，利用電磁耦合對接地鐵芯的局部放電進(jìn)行檢測。此舉操作簡單，不與變壓器直接電氣連接，簡單、直接的檢測變壓器的絕緣情況。馬波等[19]介紹超聲波檢測法的基本原理并采用三維定位技術(shù)輔助獲取故障位置。試驗(yàn)表明，超聲波檢測法在變壓器局部放電的檢測和定位具有實(shí)用性，為設(shè)備檢修提供有效的依據(jù)。

4 紅外測溫法

由前面故障類型的介紹得知，變壓器故障中有部分屬于熱故障。由于人為因素、環(huán)境問題以及設(shè)備缺陷等，在變壓器運(yùn)行過程中造成部分器件過熱。而過熱現(xiàn)象就是變壓器絕緣故障的前兆。黃新波等[20]詳細(xì)介紹變壓器器件過熱的類型及處理方法。針對紅外圖像的模糊、邊緣不清楚等問題，劉釗[21]提出均衡化算法和小波變換進(jìn)行處理，將紅外圖像中的邊緣細(xì)節(jié)信息得以加強(qiáng)并有一定的降噪作用。李鎧[22]展示利用紅外測溫法對各個(gè)電力設(shè)備檢測的詳細(xì)情況說明。

5 繞組變形法

變壓器在長期運(yùn)行當(dāng)中，難免會受到短路故障的電流沖擊。短路故障會在瞬間產(chǎn)生巨大的電動力使繞組受熱，由于過熱會使變壓器繞組變形、扭曲甚至是鼓包。林琳等[23]詳細(xì)介紹基于諧波分析的變壓器繞組變形檢測方法。利用奇異值分解、總體最小二乘旋轉(zhuǎn)不變信號參數(shù)估計(jì)技術(shù)、擴(kuò)展Prony 算法來定階、濾波、確定諧波頻率并計(jì)算各諧波的幅值和初相角。這種方法可以很好的運(yùn)用于在線檢測的設(shè)計(jì)上。

6 結(jié)語

變壓器在電力系統(tǒng)當(dāng)中起著重大作用，保障變壓器的安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行是電力網(wǎng)中最重要的任務(wù)之一。文章針對變壓器故障診斷的常用方法進(jìn)行總結(jié)和歸納。具體如下：

（1）基于油色譜分析法，延伸出局部放電法、紅外測溫法以及繞組變形法并對以上三種方法做粗略簡介。為更好的確保變壓器的安全運(yùn)行與穩(wěn)定，應(yīng)該更加重視對變壓器的日常維護(hù)以及變壓器運(yùn)行故障的診斷工作。

（2）有色譜分析法仍然是廣泛使用的故障診斷技術(shù)，但在操作上并不簡單。局部放電法基于不同的放電現(xiàn)象所采取的各類檢測方法雖然適用范圍不如有色譜分析法，但會比油色譜分析法更有前景。

（3）紅外測溫法和繞組變形法更多是種輔助檢測的手段，并不能具體檢測故障原因。

目前來說，實(shí)際運(yùn)用中油色譜分析法和局部放電法廣泛使用，而剩余方法在應(yīng)用上都存在一定問題。進(jìn)一步研究更好更快更準(zhǔn)確的診斷變壓器故障的方法，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。