融合多元數據的變壓器故障嚴重度分析模型

陳 淼，萬 元，唐 偉，潘平衡，曹 旺，李橙橙

（湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長沙 410000）

油浸式變壓器是電力系統關鍵設備，其運行的可靠性關乎到電力系統供電的可靠性，當變壓器發生故障時，由于內部結構復雜，其故障定位、內部故障嚴重程度判別專家知識庫難度很大，即是否需要立即停電檢修或還具備帶病運行條件，這給變壓器設備管理者帶來較大的困惑，亦給變壓器后續的運行、檢修策略的制定帶來較大的難題，因此有必要研究其故障定性、故障嚴重程度的分析與判斷方法，從而有利于制定合理、有效、針對性強的運行或檢修策略[1，2]。

為了監視變壓器的運行狀況，大多數變壓器配置有變壓器油中溶解氣體在線監測系統，鐵心、夾件電流在線監測系統，各系統數據均能對變壓器內部故障進行判斷，如當變壓器內部出現故障時，通過油中各類氣體的三比值可判斷變壓器內部的性質，如低溫過熱、高溫過熱、局部放電、電弧、短路等故障，并通過CO 和CO2的含量可判別故障是否涉及到固體絕緣，同時單位時間的增氣量能對故障的發展趨勢進行判斷，但仍然無法對故障的嚴重程度、是否具備帶病運行的條件等進行精確判斷[3，4]。

鑒于此，本文提出了融合多元數據的油浸式變壓器內部故障嚴重程度分析模型，通過融合計算機監控系統中變壓器電壓、電流、有功、油溫等的工況數據，油中溶解氣體濃度數據，鐵心、夾件電流數據，結合構建的專家知識庫，采用簡單推理方式，實現了變壓器內部故障的嚴重程度的準確診斷，經現場故障變壓器的數據分析，該模型具有較高的準確性。

1 變壓器內部故障判別機理

變壓器內部結構較為復雜，但歸納起來，可由電路與磁路組成。變壓器電路主要承載系統電流，包括高低壓繞組（或高中低壓繞組），無載調壓開關，引出線等，主磁路主要承載系統主磁通，主要包括鐵心及固定鐵心的夾件。漏磁通回路主要承載系統漏磁通，主要包括繞組、紙絕緣，油及油箱壁等。

根據薛華[3]的研究，變壓器的高、低壓側的電壓由（1）、（2）計算[2]。

式（1）、（2）中，N1與N2分別表示低壓側與高壓側線圈匝數，f為交流電基波頻率，取50 Hz，EL和EH分別表示低壓側、高壓側電壓，φm為變壓器勵磁磁通（即主磁通），當變壓器負載運行時，高、低壓側的負載電流產生的磁通互相抵消，變壓器鐵心中磁通不變，因此變壓器高、低壓側的電壓基本不變。

當變壓器繞組中通有高的負載電流時，該電流在其周圍產生磁通，因此，對于油浸式變壓器，其磁通包括主磁通和漏磁通，其中主磁通主要是指激磁電壓在鐵心中產生的磁通，主磁通同時交鏈一次繞組與二次繞組，由（1）可知，該磁通的大小與電壓密切相關，漏磁通主要是指繞組周圍由負載電流產生的磁通，漏磁通只交鏈一次繞組或二次繞組，顯然該磁通的大小與負載電流的大小成線性關系。在數量上，由于主磁通主要通過鐵心等導磁元件，磁阻小，占總磁通99%以上，漏磁通主要通過油、紙等磁阻比較大的元件，占總磁通1%以下。由此可得出如下結論：

（1）變壓器內部若磁路出現故障，由于其連接電力系統的電壓一般比較穩定，運行電壓不變，其主磁通不變，變壓器空載運行與負載運行時，故障的演變過程一般不變，故障與變壓器負荷關聯性不大；

（2）變壓器內部若電路出現故障，變壓器繞組電流的大小與故障演變過程密切相關，故障與變壓器負荷直接相關，一般電流越大，故障演變越快，劣化趨勢越快，部分故障與電流的平方成正比；

（3）變壓器內部若出現漏磁故障，由于漏磁通與繞組電流的大小成線性關系，故障與變壓器負荷直接相關，一般電流越大，故障演變越快，劣化趨勢越快，相當于直接電路故障，由于漏磁通一般比較小，其故障嚴重程度較低，即使電流較大，故障亦發展較為緩慢。

因此，可有效集成變壓器多元監測數據，包括負荷、電流、電壓、變壓器油中溶解氣體數據等，實現變壓器內部故障嚴重程度的分析。

2 變壓器故障嚴重度判別專家知識庫

由文獻可知，對于油浸式變壓器，若鐵心疊片絕緣受損、電渦流過大、局部短路等故障時，一般會產生過熱現象，對于該類故障，除非出現大面積的渦流，一般嚴重程度不高，不需要立即停運，可監視運行，并分析變壓器的日產氣速度；若高、低壓繞組發生短路、斷股、電弧放電等故障時，其危害程序一般較大，嚴重時，繞組迅速燒毀或產生巨大的電動力使繞組嚴重變形，同時，產生的巨大能量導致變壓器絕緣油快速分解，可能在很短的時間內導致變壓器重瓦斯動作甚至爆炸，需立即停運，若發生漏磁導致局部過熱，無載開關接觸不好等故障時，其故障發生一般比較緩慢，短時間內應監視運行。當鐵心夾件出現多點接地時，在交變的主磁通作用下，在鐵心接地點之間，或夾件接地點之間，或鐵心與夾件不同的接地點之間形成環流，導致鐵心夾件局部過熱。本文將變壓器故障的嚴重度劃分為較低、一般、嚴重3 個等級，構建了變壓器故障嚴重度判別專家知識庫，具體見表1 所示。

表1 變壓器故障嚴重度判別專家知識庫

顯然，表1 可以作為變壓器故障嚴重度判別的依據。

3 融合多元數據的變壓器故障嚴重度判別

3.1 多元數據的集成

主要集成三類數據：一是變壓器電壓、負荷等背景工況數據，此類數據主要從計算機監控系統中獲取，為實現統一標準，本文按照公式（3）定義變壓器日負荷率kw（無量綱參數），即折算成滿負荷下的運行時間比。

式中，N表示每日有功數據采樣的總點數，Pw表示變壓器的額定負荷，Pi表示第i 個時刻，變壓器的有功負荷，從（3）可知，當kw為0 時，表明變壓器全天處于空載運行狀態，當kw為1 時，表明變壓器全天帶額定負荷運行。

二是變壓器油中溶解氣體濃度數據，此數據主要從專門的監測系統中獲取，主要獲取變壓器油中溶解氫氣、甲烷、乙炔等七類氣體濃度參數。一般而言，變壓器油中溶解氣體參數的采樣周期遠低于變壓器電壓、負荷等背景工況數據，為了保證時間的同步，且保證分析的一致性，這里選取一個基準，即（3）中在i=0 及i=N時刻，分別獲取變壓器油中溶解各類氣體的濃度，計算氣體的日產氣速度，其中乙炔ΔVC2H2、氫氣ΔVH2、總烴ΔVT的日產氣速度計算方法可參考DL/T 722-2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》。

三是變壓器鐵心、夾件接地電流數據，此數據主要從專門的監測系統中獲取，該數據取1 d 的平均值。

3.2 變壓器故障嚴重度判別模型

該方法構建如下：

（1）以7 d 為分析周期，計算變壓器日負荷率kw，計算變壓器總烴日產氣速度ΔVT，形成相量 [kw，ΔVT]；

（2）繪制變壓器總烴日產氣速度與負荷的關聯曲線，其中橫坐標為kw，縱坐標為ΔVT；

（3）判斷變壓器總烴是否存在間隙性增大，增大的趨勢為階梯型?；蛘吲袛嗫偀N是較為平穩的持續增大；

（4）嘗試按一次曲線與二次曲線的方式關聯曲線進行擬合，計算一次曲線擬合的[k，d]值（其中k為一次曲線斜率，d為截距）與擬合偏差R1值，計算二次曲線擬合的[a，b，c]值與擬合偏差R2值；

（5）若R1遠大于R2，且一次曲線擬合中斜率k很小，擬合曲線幾乎與橫坐標平行，則判斷變壓器內部故障為主磁路故障，同時分析鐵心、夾件接地電流數據，若不超過閾值，則判斷故障嚴重程度為低，若超過閾值，則判斷故障程度為一般，需加密觀測；若變壓器總烴數據為間隙性階梯型增大，判別為鐵心尖端放電；

（6）若R1遠大于R2，且一次曲線擬合中斜率比較小，小于某特定閾值，則判斷變壓器內部故障為漏磁故障或嚴重程度為低；一次曲線擬合中斜率處于兩個特定閾值之間，且總烴平穩增加，判別為無載調壓開關接觸不好或者是繞組有焊點發熱，嚴重程度為一般，應加密運行；

（7）若R1遠大于R2，且一次曲線擬合中斜率較大，或R1遠小于R2，則判斷變壓器內部故障為電路故障，同時結合乙炔的日產氣速度判斷變壓器是否需要立即停運。

4 現場應用

某水電廠主變壓器于2020年02月發現總烴超標，該變壓器低壓側為13.8 kV，高壓側為220 kV，額定容量200 MW，總烴超標后（總烴為162 ppm，但未出現乙炔），分析總烴數據，其平穩增加，并未出現突變數據，由于不具備檢修條件，經排油內檢后未發現明顯缺陷，經討論后投入試運行，并降負荷且加強監視運行，同時啟動變壓器內部故障關聯分析方法進行分析，該變壓器投入試運行后，2020 年03 月05 日～03 月11 日的變壓器日負荷率，總烴日產氣速度見表2 所示。

表2 某水電廠主變壓器總烴日產氣速度表

在二維坐標上繪制曲線見圖1 所示。

圖1 某水電廠主變壓器總烴日產氣速度與日符合率關聯圖

由圖1 可知，變壓器總烴日產氣速度與變壓器日負荷率無關，在變壓器空載運行時，變壓器總烴日產氣速度依然存在，且其值與變壓器帶負荷運行時相差很小，兩者擬合曲線與橫坐標基本平行，本文提出的融合多元數據的變壓器故障嚴重度分析模型的結論為變壓器主磁路故障，故障嚴重度較低，可監視運行。經討論，該故障尚不會造成重大事故，不必立即停運檢修，亦不必限負荷運行。2020 年10 月，將變壓器吊罩檢修，發現上端厄夾件1 緊固螺栓松動，鐵心振動加大，導致鐵心間絕緣磨損，產生渦流發熱，經補絕緣，并緊固夾件螺栓后，變壓器投運，投運后運行各項參數正常。從上述典型案例可知，本文提出的方法是有效的。

4 結語

通過對變壓器磁回路故障、電回路故障的機理進行研究，提出并應用了融合多元數據的變壓器故障嚴重度分析模型，可得出以下結論：

（1）變壓器不同的故障類型，不同位置故障，不同嚴重程度的故障，其日產氣速度與其運行工況存在一定的關聯關系。

（2）有機融合變壓器的背景工況數據，油中溶解氣體數據，鐵心夾件電流數據，構建集成分析模型，能更為準確地對變壓器的故障嚴重度進行確認，可有效地指導變壓器運行與檢修。