風電箱變絕緣油綜合故障診斷方法及其界面化程序開發

文 | 李丹，胥永利，王鳳軍

隨著風電技術的成熟，風電成本也逐漸下降，成為目前頗具規模的新能源發電方式。風電35kV箱變是連接風電機組并網端和風電場主變壓器的電力樞紐，一旦在運行中出現故障，不論對風電場設備，還是風電場發電量都會造成一定影響。絕緣油色譜分析法是發現變壓器故障的有效方法，但該方法只能分析出絕緣油溶解氣體含量，如果要診斷出風電箱變的潛在故障，則需要風電場人員擁有較高水平。 據統計，38個風電場1153臺機組中，出現過溶解氣體超標的箱變占到總數的43.3%，個別風電場更是高達67.7%，而風電場的處理方式則是在故障導致箱變無法繼續運行后，再進行維修，大大增加了風電場的維護成本。因此，風電場需要一種操作簡單、診斷迅速的箱變故障診斷系統。

國內在箱變絕緣油色譜故障診斷方面，部分學者提出了基于DS證據理論與模糊集等的人工智能故障診斷法，但其理論依據均為“三比值法”，無法解決該方法自身存在的缺陷。因此，本文提出了一種基于多種方法的風電箱變綜合故障診斷系統，并根據風電場實際情況對該方法進行了界面化編程。

變壓器故障類型與絕緣油溶解氣體組分

變壓器故障從部位上分類，可分為絕緣材料故障、鐵心故障、分解開關故障等。如果對變壓器進行故障診斷更應從其故障的性質入手，從性質上分類，可分為熱性故障和電性故障。故障會導致絕緣油溶解氣體的組分發生變化。

1.熱性故障

熱性故障多是由變壓器內部局部過熱導致，在其非正常運行時，由內部運行的銅損和鐵損造成。據統計，造成熱性故障最常見的原因為分接開關接觸不良，其次則為鐵心多點接地和局部短路。熱性故障按照溫度等級可分為四種：（1）輕微過熱故障，變壓器內部溫度低于150℃；（2）低溫故障，內部溫度在150～300℃；（3）中溫故障，內部溫度在300～700℃；（4）高溫故障，內部溫度大于700℃。

熱性故障時變壓器內部產生的主要溶解氣體為CH4和C2H4，兩者總量占總烴的80%左右，隨著溫度的升高，C2H4的比例也會隨之升高，并會產生少量C2H2。當變壓器熱性故障涉及絕緣材料時，會伴隨產生大量的CO和CO2。

2.電性故障

變壓器產生電性故障主要由絕緣材料的裂化、引線對地閃絡或斷裂以及分接開關飛弧引起。按照能量密度可分為：（1）電弧放電，其能量密度最高；（2）局部放電，屬于低能放電；（3）火花放電，該種放電能量最低。

電弧放電，屬于高能量放電，當出現這種故障時，氣體產生速度較快，且量大，此時絕緣油中的主要成分為C2H2和H2，同時也存在CH4和C2H4。如果出現電弧放電則會對變壓器造成嚴重損害。局部放電，屬于低能放電，該種放電情況比較復雜，成因較多，此時絕緣油中主要氣體為H2，其次為CH4，隨著放電能量密度的增大可能產生C2H2。火花放電，一般為能量密度大于10-6C的數量級時產生，此時絕緣油中的溶解氣體以C2H2和H2為主。

在變壓器電性故障中，這三種故障并不是一定單一出現，一種故障的發生很可能伴隨著另一種或幾種。因此，電性故障較為復雜，需要具體分析。

風電箱變的色譜故障診斷方法

氣相色譜分析法可以檢測出風電箱式變壓器絕緣油中溶解氣體組分含量，對及時發現風電機組箱變的潛伏故障十分有效。本文主要介紹三比值法、無比值法和TD圖法三種基于溶解氣體組分含量的故障診斷方法。

一、三比值法

由于變壓器故障與氣體含量之間的關系比較復雜，難以直接從組分含量判斷故障的具體類型。三比值法是由國際電工委員會（IEC）總結大量經驗整合而成，利用氣體組分的比值范圍、編碼組合進行故障診斷。

GB7252－2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》（以下簡稱“導則”）則推薦改良三比值法（以下簡稱“三比值法”）。

三比值法是用5種氣體的三對比值以不同的編碼表示，編碼規則和故障類型判斷方法見表1和表2。

三比值法雖然可以依據編碼組合來判斷變壓器故障，但使用時也應注意一些問題：

（1）只有氣體含量或者產氣速率超過注意值時，才能利用三比值法對變壓器進行故障診斷；（2）每個編碼組合對應一種故障，當多故障聯合，很可能找不到對應編碼；（3）實際的編碼組合可能在表2中找不到。

二、無比值法

由于三比值法存在上述缺陷，因此有學者提出了無比值法。無比值法僅需要氣體組分的相對含量，利用比值確定故障的具體類型。無比值法的具體判斷過程如下：

（1）當C2H2/C2H4的比值，小于0.1時，為熱性故障；大于0.1時，為電性故障。

（2）當判斷為熱性故障時，C2H4/C2H6的比值，小于1時，為低溫故障（小于300℃）；大于1且小于3時，為中溫過熱（300℃～700℃）；當比值大于3時，為高溫過熱（大于700℃）。

（3）當判斷故障為電性故障時，CH4/H2的比值，小于1時，為純放電；大于1時，為放電兼過熱。

經過多臺次故障變壓器診斷以及驗證，無比值法的準確率比三比值法更高，然而無比值法故障定位精度低于三比值法，因此將兩種方法結合起來使用能夠更好地進行變壓器故障診斷。

三、TD圖故障診斷

當變壓器內部發生高溫過熱和電性故障時，此時絕大部分變壓器內部C2H4/C2H6＞3，將CH4/H2和C2H2/C2H4分別作為縱坐標與橫坐標，組成了TD圖，其中T代表過熱，D代表放電，如圖1所示。利用TD圖法進行變壓器故障診斷，其特點如下：

（1）TD圖法不僅能進行絕緣油色譜故障診斷，同時可以將同一變壓器的多組追蹤色譜檢測結果加入TD圖，觀察其內部故障變化趨勢，掌握其故障變化方向。

（2）TD圖法相對“比值法”更加直觀。

（3）TD圖法僅適用于變壓器內部出現嚴重故障時的故障診斷，C2H4/C2H6＞3為其限制條件。

表1 編碼組合規則

表2 故障類型判斷方法

風電箱變絕緣油色譜故障診斷程序設計

風電場35kV箱變是風電機組并網不可或缺的一部分，在我國，每臺風電機組必須配備一臺箱變，一般風電場擁有幾十臺，甚至上百臺機組，如果僅憑人工對風電箱變絕緣油色譜進行計算與故障診斷，將耗費大量的時間，不利于風電場發電生產。

一、程序界面與功能

本文將采用Visual Basic，進行風電箱變絕緣油色譜故障診斷程序設計，其界面如圖2所示。其左側為絕緣油色譜檢測指標，一般包括CO、CO2、H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、總烴共8項，對于使用氬氣作為載氣的色譜報告，則額外包含了O2和N2。右側則采用三比值法、無比值法等多種方法進行故障診斷。當色譜分析結果中C2H4/C2H6＞3，則可以采取TD圖方法，該界面如圖3所示。

圖1 TD圖

圖2 程序主界面

圖3 TD圖故障診斷界面

表3 實例1風電機組35kV箱變絕緣油色譜檢測結果

二、絕緣油色譜綜合故障診斷方法

絕緣油色譜綜合故障診斷方法綜合了三比值法、無比值法、TD圖法以及TD圖追蹤診斷，其邏輯如圖4所示。根據《導則》，當絕緣油色譜分析結果中C2H2、H2、總烴有任何一項超標時，先將各項溶解氣體含量輸入界面之中，通過《導則》中的三比值法、無比值法進行故障診斷，對比兩者結果。在使用三比值法進行故障診斷時，有時會發生找不到編碼的情況，則此時以無比值法的結果為準。當C2H4/C2H6＞3，則此時可以同時使用TD圖法進行故障診斷，在必要時可以將故障箱變的多組追蹤數據輸入程序，進行TD圖追蹤診斷。

三、界面化程序故障診斷實例

（一）實例1

某企業省公司下屬一風電場，2017年3月某1.5MW風電機組35kV箱變絕緣油色譜檢測結果，如表3所示，該機組仍正常并網運行。根據《導則》，該色譜中C2H2超過標準規定值，該箱變可能存在潛在故障，需進一步診斷。

將色譜檢測結果輸入程序界面中，其故障診斷結果如圖5所示。

從診斷結果看，三比值法與無比值法的診斷結果一致，該箱變同時出現了電性故障與熱性故障，建議風電場對該箱變的繞組及引線的絕緣材料老化情況進行檢查，并對分接開關進行檢修。C2H4與C2H6含量比值未超過3，不需要進行TD圖故障診斷。

（二）實例2

圖4 絕緣油色譜綜合故障診斷方法

圖5 實例1界面化程序故障診斷結果

表4 實例2風電機組35kV箱變絕緣油色譜檢測結果

某企業省公司下屬一風電場，2016年9月1.5MW風電機組35kV箱變絕緣油色譜檢測結果，如表4所示。從色譜檢測數據來看，該箱變內絕緣油存在嚴重故障，C2H2和總烴均嚴重超標。

將色譜檢測結果輸入程序界面中，其故障診斷結果如圖6（a）所示，同時，該組色譜結果C2H4與C2H6含量比值超過3，符合使用TD圖診斷的條件，應使用TD圖進一步診斷,如圖6（b）所示。

從綜合了三種方法的診斷結果來看，該箱變以熱性故障為主，同時存在低能放電，建議風電場對該箱變分接開關和引線及引線與開關接頭處進行檢查，查看引線與繞組、引線與開關的接頭處是否存在短路、斷路以及接觸不良的情況。該箱變色譜檢測結果溶解氣體超標嚴重，風電場應停止使用，返廠送修。

圖6 實例2界面化程序故障診斷結果

結論

針對適用于風電場箱變絕緣油色譜故障診斷方法單一、風電場人員技術實力不足等現狀，本文提出了一種基于多種方法的風電場箱變的綜合故障診斷系統，并對其進行了界面化程序開發。該綜合故障診斷系統有助于彌補風電場在35kV箱變故障預測和安全隱患排查技術方面的不足，同時界面化程序診斷迅速、操作簡單，方便風電場工作人員使用。該故障診斷系統對風電場安全生產以及經濟效益提升都具有重要意義。