煤礦井下變壓器故障診斷研究

郇毅旋

（西山煤電集團有限責任公司電力公司， 山西 太原 030053）

引言

在煤礦生產作業中，變壓器是井下供電系統中的重要一環，其運行狀態和穩定性直接影響企業安全生產。即使變壓器設計性能優良、電氣強度足夠，在生產制造和投產使用環節依然存在一些難以避免的缺陷，導致變壓器運行故障，進而影響礦區生產，導致火災和人員傷亡事故。因此，分析和研究煤礦井下變壓器常見故障及其診斷方法及其重要。

1 煤礦井下變壓器常見故障分析

1）鐵芯故障。變壓器鐵芯故障主要分為局部發熱以及緊固螺桿對地絕緣不良兩種，其中以局部發熱較為多見，導致鐵芯局部發熱的原因主要是鐵芯多點接地、繞組短路、絕緣膜老化、輸入電壓幅值偏高、外部短路、負載諧波以及電源頻率不穩等等。為解決緊固螺桿對地絕緣不良問題，首先應規范開展絕緣電阻測試，細致檢查絕緣管，確認有無接觸不良問題[1]。

2）繞組故障。繞組易導致相間短路、繞組接地、匝間短路和斷線等故障問題，此類故障可能是制造或檢修操作環節遺留的內部絕緣老化引發，他可能是運行期間絕緣老化所致。變壓器制造環節，壓制不緊可引起短路沖擊，進而導致繞組變形以及絕緣受損問題；運行狀態下，變壓器內部熱量不斷積聚，侵蝕繞組絕緣并致其逐漸老化；長時間過載運行有較大幾率損壞變壓器繞組絕緣；大面積接觸空氣、油內進水同樣會引起油的酸價偏高，大大削弱繞組絕緣水平，易引起絕緣擊穿事故；受潮會導致繞組絕緣膨脹，進而堵塞油道，導致局部過熱問題；而在絕緣擊穿狀態下，繞組易發生接地故障或短路；出現匝間短路故障的變壓器自身過熱，油溫亦會明顯升高。應注意的是，輕微故障易誘發瓦斯保護動作，情況嚴重則會導致電源側過電流保護以及差動保護動作。如果明確有匝間短路故障，檢修人員應第一時間處理，以免導致相間短路以及單相接地等故障。

3）套管故障。套管故障并非變壓器常見故障，但屬于嚴重故障，可威脅變壓器運行，甚至引起著火、爆炸事故，危險性極高。爆炸、閃絡和漏油是比較常見的幾種套管故障，其發生既與套管設計存在密切關聯，同時也容易受到人為因素的影響。設計因素主要包括設計不合理、瓷質不良、裂紋/沙眼引起密封不嚴而漏油等等；人為因素主要在于安裝檢修環節，譬如保管、運輸過程中缺乏經驗，套管積垢較多，易引起閃絡、爆炸[2]。

4）瓦斯保護故障。瓦斯保護分為兩種，一種為輕瓦斯，另一種為重瓦斯。輕瓦斯僅有信號提示而無跳閘動作，主要原因在于變壓器內部匝間短路、絕緣劣化、鐵芯發熱以及油面下降等因素；繞組接頭彼此接觸不良可引起發熱和少量氣體；環境溫度短時間內急劇下降，油面較氣體繼電器輕瓦斯浮筒更低；冷卻、加/濾油系統密封不嚴，導致空氣混入變壓器內部。重瓦斯動作的因素主要包括內部多相短路、鐵芯故障、繞組與外殼/鐵芯短路、套管內部故障；穿越性短路故障、分接開關接觸不良等等。

2 煤礦井下變壓器故障的常規診斷

1）觀察。對于出現故障的變壓器，檢修人員首先應確認儀表和套管是否處于正常工作狀態，細致觀察有無冒煙異臭、有無保護動作信號等現象。

2）分析。這里主要是指油中溶解氣體分析法，按照《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》相關內容，變壓器異常發熱或放電狀態下可產生甲烷、乙烷、乙炔、氫氣、二氧化碳、一氧化碳等氣體，并對這些氣體的含量與比值做了明確規定，檢修人員可通過特征氣體法、改良三比值法以及羅杰斯比值法來診明故障原因[3]。

3）繞組直流電阻測量法。檢修人員可采用繞組直流電阻測量法對分接開關接觸不良、繞組斷路、繞組匝間短路、導線接觸不良等故障加以判斷，同時適用于評估各相繞組電壓比平衡與否、調壓開關檔位正確與否。該方法也是檢修人員評估變壓器縱絕緣的一種主要手段，并對電流回路連接狀態做出直觀反映。

4）空載與短路試驗、阻抗測量。繞組變形是引起變壓器故障及事故的一個直接因素，并有較大幾率引起內部磁路結構異常變化，對空載電流、短路損耗和阻抗產生影響。檢修人員利用分相電壓短路試驗可明確繞組變形引起的繞組股間放電與匝間放電問題。

3 煤礦井下變壓器故障的智能診斷

1）神經網絡技術。神經網絡技術擺脫了人工干預和建立物理模型的支持，屬于簡單非線性函數的多次復合，將樣本輸入與主機故障狀態二者聯系起來。檢修人員可通過人工神經網絡技術開展油中溶解氣體分析與診斷，然而該技術方法缺陷較多。主要表現在過于復雜的輸入輸出關系以及數量眾多的學習樣本數目會減慢標準BP神經網絡算法的收斂速度，或存在發散現象。此外，標準BP算法常常為陷入局部極小值、對初值要求嚴格等事件所困擾。

2）支持向量機。研究表明，支持向量機優勢主要表現在樣本量少、可解決非顯性、維數較高等方面，檢修人員可通過支持向量機來識別煤礦井下變壓器故障類別，明確該故障模式。采用支持向量機的方法來診斷變壓器故障，其操作主要是整理收集數據樣本，并將其分訓練集與測試集。歸一化處理樣本數據后分析最優參數值，然后收集樣本數據，驗證計算得到的數值，以此對診斷正確率做出評估判斷[4]。

3）專家系統。該系統通常分為知識庫、人機接口、推理機、解釋系統和數據庫等幾大部分，其中知識庫主要是存儲專家輸入的專業知識，人機接口主要是利用下拉式菜單來轉換系統關于提問和推理的答復/結果，向用戶展示系統的解釋說明，確保這種人機交互模式最終為用戶所接受。

4）信息融合。在現代化信息浪潮下，信息自動綜合處理成為各領域各行業關注的焦點，信息融合技術主要包括三個層次：數據層融合、特征層融合與決策層融合。其中數據層融合主要是指處理采集整理的原始數據，可視為信息的傳感器級融合；特征層融合則是對加工處理數據后產生的特征信息加以融合；決策層融合主要是融合不同渠道結果以及決策信息。檢修人員可以結合實際情況選擇獨立使用這三種融合技術，當然也可以組合使用。關于煤礦井下變壓器故障的信息融合診斷方法如下。如圖1所示，數據層主要融合局部放電測試以及油中溶解氣體檢測兩個單元的初步信息，確保原始信息量盡可能多，并實現糾正誤差的目的；特征層基于D-S證據理論進行信息融合，選擇特征數據提供證據支持；決策層主要接收來自特征層的數據輸出，并結合輸出數據、SCADA數據、檢修記錄、離線故障狀態試驗以及專家建議進行數據信息融合，最終明確變壓器故障。該模式有效提高了診斷準確性，不確定性被最大限度減小[5-6]。

圖1 煤礦井下變壓器故障的信息融合診斷方法

4 結語

煤礦變壓器在運行過程中，經常發生各種事故，為了減少和防止變壓器出現故障，應做到以下幾點：首先，必須細心觀察，對變壓器進行定期檢查，對變壓器外觀進行定期巡檢，發現異?，F象立即采取措施；其次，要對變壓器進行科學的診斷，根據檢測結果綜合分析，初步判斷變壓器是否正常。通過上述方式，能夠有效地對煤礦變壓器進行故障診斷，保證煤礦井下供電安全。