油浸式變壓器故障類型與故障診斷技術研究

白忠雄，張啟龍(通訊作者)

（六盤水師范學院物理與電氣工程學院，貴州六盤水，553000）

1 概述

變壓器是常見的電力設備，電壓的轉換和功率的傳輸都需要變壓器的配合才能實現。變壓器工作環境復雜多變，會因諸多因素的不當發生不同的潛伏性故障。若不及時發現故障并處理就會使故障的影響擴大。電力變壓器故障診斷技術，顧名思義，其可以檢測故障和準確診斷故障。變壓器是一種基于電磁感應原理的電力設備，正常的運行對電力系統安全穩定至關重要，其關系到人們正常生產的工作效率和國民經濟的穩定增長。因此，需要關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定運行。目前，國內外學者對變壓器故障診斷技術的研究往往只注重診斷的速度，而忽略故障診斷的精度，且對設備故障診斷的具體應用缺乏研究。

因此，故障診斷技術就顯得十分重要。文章主要以油浸式變壓器為例，總結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的發展提供有效的依據。

■1.1 油浸式變壓器的故障類型

油浸式變壓器在運行過程中電場和磁場長時間持續交錯，相互干擾，量的積累發生質的飛躍，即持續的內部性能堆積會導致變壓器發生故障。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，而是先在內部產生處于潛伏期的不良影響，經過時間積累，不良影響逐步擴大最終演變為變壓器故障。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。當故障發展到P 點時，故障才能被檢測裝置檢測。如果在狀態檢測這段時間里，并沒有檢測出故障所在點，就會到達F點使變壓器故障并引起其他嚴重后果。若故障能夠在此期間內被檢測出來，并進行合理的維修就能避免變壓器故障的發生。

■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行數據分析，以數據分析的結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確性起著至關重要的作用。實際工程中對于變壓器狀態的診斷方法有油色譜分析法、局部放電法、紅外測溫法、電氣試驗法、油化試驗法和繞組變形試驗法六類[2]。Algorithms[3]提出最基礎的是油色譜分析法，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用以及由此方法延伸的三種試驗方法。

2 油色譜分析法

氣體溶解法（Dissolved gas analysis，DGA）是目前認可度最高的對變壓器進行實時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生的各種氣體分離，再對特征氣體進行數據分析，根據氣體的含量特征和類別判定故障類別。湯杰[6]運用油色譜分析法對變壓器的各種故障類型進行診斷分析并給出相應故障的診斷結果，從而驗證油色譜分析法的正確性和有效性。

變壓器長期運行中，內部的有機物受熱，氣體內部的C?H鍵和C≡H鍵會斷裂生成小分子量的有機物（CH4、C2H2、C2H4、C2H6等等）、含氮化合物、小分子氣體（CH4、CO、CO2等等）。總體來說，油中溶解的氣體種類繁多，選擇具有明顯特征的氣體進行數據分析，才能得出變壓器故障的類型[7]。變壓器正常運行中也產生上述氣體，但數量有限，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 變壓器正常運行時油中烴類氣體的含量（μL /L）

表3 變壓器發生不同故障時分解的氣體[7]

■2.1 油氣分離的技術

對變壓器油中的氣體進行數據分析，首先要對變壓器油中的氣體油氣分離，這個過程又稱脫氣。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很短，但會使用到大量的變壓器油，數次脫氣后，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據。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驗室或者是離線檢測實驗。

2.1.2 半透膜法脫氣

采用半透膜法進行油氣分離的原理是基于氣體分子的擴散作用。使用特殊材質制作而成的聚合半透膜有只讓氣體通過的性質。蔣張楠等[9]講述了半透膜脫氣的整個過程。在進氣裝置的入口處有半透膜，兩側是油和進氣裝置。由于兩側的氣壓不一致，油中的各種氣體就會通過半透膜進入進氣裝置。經過一定的時間會平衡膜兩側的氣壓，達到動態平衡。隨著聚合材料研究的發展，發現特氟隆PTFE 聚合物在分離油氣的過程中有較好的實用性。反應僅需一到兩小時[10]。

2.1.3 其余脫氣法

對變壓器油進行油氣分離的技術有很多，前兩小節介紹的是廣泛應用的兩種脫氣方法。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]提到毛細管萃取法。“潮汐式”頂空法結構簡單并且性能穩定，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，其結構復雜涉及各種器件，成本造價較高。毛細管萃取法油樣接觸面積大并且萃取效果好，但其造價也較高昂。

■2.2 特征氣體的數據分析

對變壓器故障類型以及出現的特征氣體含量進行大量的數據統計分析，歸納和總結判斷變壓器故障類型的幾種方法如下。

2.2.1 特征氣體法

變壓器內部氣體的組成與故障類型有著密切的關系。特征氣體法根據氣體的組成含量直接與故障類型相對應。對應關系如表4 所示。這種方法非常簡單直接，但沒有科學的定量分析，需要大量經驗，不確定性較大。

表4 氣體組成與故障類型的對應關系[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大于導則中所規定的數值，就判定為變壓器故障。例如，在檢測當中發現H2的含量超標，很有可能是變壓器內部設備受潮所致[15]。針對某一氣體進行數據分析更加簡單，但也需要大量人為經驗，準確性較差。

2.2.3 大衛三角法

大衛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 個故障類型區域。檢測三種氣體的數據后，將氣體數據在三角域內定點。定點落在哪塊區域，就判別變壓器是何種故障類型[16]。大衛三角形以及各氣體的極限區域含量如圖2 和表5 所示。

圖2 大衛三角法

表5 各故障區域內的氣體極限含量[16]

假設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行時間的增長而增加。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

變壓器在長期運行當中，變壓器油會裂解產生氣體，形成的氣隙絕緣強度并不高，有可能被運行電壓擊穿從而放電。此外，也有可能是絕緣老化或設備的缺陷，造成絕緣能力的減弱，使變壓器部分區域承受不住運行電壓從而發生擊穿放電現象。

局部放電會產生許多現象，具體表現在光、熱、聲音和電磁輻射等現象。基于現象，局部放電的檢測技術包括：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 線圈結構設計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輔助獲取故障位置。試驗表明，超聲波檢測法在變壓器局部放電的檢測和定位具有實用性，為設備檢修提供有效的依據。

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、環境問題以及設備缺陷等，在變壓器運行過程中造成部分器件過熱。而過熱現象就是變壓器絕緣故障的前兆。黃新波等[20]詳細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行處理，將紅外圖像中的邊緣細節信息得以加強并有一定的降噪作用。李鎧[22]展示利用紅外測溫法對各個電力設備檢測的詳細情況說明。

5 繞組變形法

變壓器在長期運行當中，難免會受到短路故障的電流沖擊。短路故障會在瞬間產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、總體最小二乘旋轉不變信號參數估計技術、擴展Prony 算法來定階、濾波、確定諧波頻率并計算各諧波的幅值和初相角。這種方法可以很好的運用于在線檢測的設計上。

6 結語

變壓器在電力系統當中起著重大作用，保障變壓器的安全、穩定和高效運行是電力網中最重要的任務之一。文章針對變壓器故障診斷的常用方法進行總結和歸納。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行與穩定，應該更加重視對變壓器的日常維護以及變壓器運行故障的診斷工作。

（2）有色譜分析法仍然是廣泛使用的故障診斷技術，但在操作上并不簡單。局部放電法基于不同的放電現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，實際運用中油色譜分析法和局部放電法廣泛使用，而剩余方法在應用上都存在一定問題。進一步研究更好更快更準確的診斷變壓器故障的方法，對電力系統的安全穩定運行意義重大。