电力变压器故障诊断技术研究
贾颖
（山西省电力公治供电分公司，山西长治046011）
摘要：文章主要对电力变压器故障的诊断技术问题进行了研究。
首先概述了变压器油中溶解气体特征和变压器故障诊断基本原理，然后分析了基于变压器油中气体产气率的故障诊断，最后探讨了基于模糊理论的故障诊断问题。
关键词：电力变压器；故障诊断技术；绝缘系
统；溶解气体；模糊故障检测
一、电力变压器故障诊断概述
（一）变压器油中溶解气体特征
变压器的内部故障有若干种，各种故障产生的气体有相同的也有特殊的，既有其普遍性也有其特殊性。一般认为对于判断变压器故障有特定意义的主要气体有：H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2、O2、N2等9种气体，总烃是指CH4、C2H6、C2H4和C2H2这4种气体的总量。下面将分别就导致变压器故障的特征气体按烃类气体、乙炔、氢气、一氧化碳和二氧化碳分别论述。
1．烃类气体。由于分接开关接触不良、铁心多点接地和局部短路、导线过电流和接头焊接不良等变压器内部裸金属过热引起裂解
的特征气体。主要是甲烷、乙烯，其次是乙烷，乙烯是在大约500℃（高于甲烷和乙烷的生成温度）下生成的（虽然在较低的温度时也有少量生成）。
2．乙炔。由于线圈匝、层间绝缘击穿、引线断裂或对地线裸露和分接开关飞弧等电弧放电、火花放电等变压器内部放电性故障产生的特征气体。乙炔的生成一般在800℃～1200℃的温度，而且当温度降低时，反应迅速被抑制，作为重新化和的稳定产物而积累。因此，大量乙炔是在电弧的弧道中产生的，当然在较低的温度下（低于800℃）也会有少量的乙炔生成。因此，乙炔的出现必定有故障源的存在。国际大电网会议（CIGRE）在1976年将乙炔的“注意值”定为0.5ppm，以及日本将乙炔的浓度定位“即使只能检测到微量”便可判断变压器异常，因为正常变压器油中不含有这种气体组分。
3．氢气。变压器内部发生各种性质的故障都要产生氢气，当氢气含量偏高时，可能是变压器中进水。
4．一氧化碳和二氧化碳。变压器内的固体绝缘材料在高温下裂解，要产生大量的一氧化碳和二氧化碳，根据现有的统计资料，固体绝缘的正常老化过程与故障情况下的劣化分解，表现在油中CO和CO2含量上，一般没有严格的界限，规律也不明显。这主要是由于从空气中吸收的CO2、固体绝缘老化及油的长期氧化形成CO和CO2的基
值过高造成的。开放式变压器溶解空气的饱和量为10%，设备里可以含有来自空气中的300μl/L的CO2。在密封设备里空气也可能经泄漏而进入设备油中，这样，油中的CO2浓度将以空气的比率存在。
（二）变压器故障诊断基本原理
变压器的绝缘系统是变压器安全运行的关键，包括绝缘油和固体绝缘材料。绝缘油是由不同分子量的碳氢化合物分子组成的混合物，分子中含有碳氢化学基团并由碳碳键键合在一起。由于电或热故障的结果可以使某些碳氢和碳碳键断裂，伴随生成少量活泼的氢原子和不稳定的碳氢化合物的自由基，这些氢原子或自由基通过复杂的化学反应迅速重新化合，形成氢气和低分子烃类气体，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，也可能生成碳的固体颗粒及碳氢聚合物，故障初期，所形成的气体溶解于油中。纸、层压板或木块等固体绝缘材料分子内含有大量的无水右旋糖环和弱的碳氧键及葡萄糖贰键，它们的热稳定性比油中的碳氢键要弱，并能在较低的温度下重新化合。聚合物裂解的有效温度高于105℃，完全裂解和碳化高于300℃，在生成水的同时生成大量的CO和CO2以及少量烃类气体和呋喃化合物，
同时油被氧化。绝缘油和固体绝缘材料由于热或电故障分解出的气体形成气泡在油里经对流、扩散、不断地溶解在油中，这些故障气体的组成和含量与故障的类型及其严重程度有密切关系。因此，
分析溶解于油中的气体，就能尽早发现变压器内部存在的潜伏性故障并可监视故障的发展情况。
二、基于变压器油中气体产气率的故障诊断 （一）油中气体产气速率
油中产气率是衡量油中故障气体单位时间内产生速度的一项重要指标，作为判断充油设备中产气性故障危害程度的重要参数，对分析故障性质和发展程度（包括故障源的功率、温度和面积等）都很有价值。运行实践表明，仅从分析结果的绝对值还是很难确认故障的存在和判断其严重程度。可以设想，当故障从无到有，只是绝对含量的增长过程，但在其虽未达到含量的“注意值”，如果在此过程中发现其有较快的增长速率，就有可能提早发现故障，这对于新投运的变压器故障判断可能更为有效，不同的变压器由于故障情况不尽相同，加之各种误差的因素，因此产气速率的范围可能很大。即使对于同一设备，影响因素也很多。诸如故障源的发展、衰减活动较小时；运行工况的变动（变压器本身或冷却器的起、停，负载的变动，环境温度的变化等）；开始考察产气速率时的基准值不同，气体的浓度越大，分压差越小，也影响溶解量；在各个测试环节中的操作和累计误差等。虽然有时所反映的情况是真实的，但由于这些因素混杂在一起，对故障的判断上将会造成一定的困难。因此在
使用判据时，应尽量做到多方面分析并注意设备的运行史和其他方面的经验。另外，在对其考察期间最好能做到运行工况基本不变（或变动较小），因此测试周期不能太长。并行联合测试过程中的随机误差变为不影响产生速率值的系统误差，即固定操作人员、仪器、取样方法和部位、脱气方法及样品放置的时间等等。测试结果最好采用多次平行试验的平均值，或在一般连续监测过程中将测试结果用回归分析方法求出平均值，总之，影响因素排除的越好，判断依据的可靠性就越高。
（二）故障诊断分析
变压器故障的起始到出现是一个很快的过程，对于电性故障：包括局部放电，火花放电和电弧放电，由于其产生时间只有几个小时，对于它们的诊断，现有的监测仪器的监测因为采样周期普遍为一天24小时采样一次，所以不能很好的监测此类故障。而对于热性故障：包括一般过热和严重过热，由于故障从起始到结束发生的时间较长，则有较好的效果。通过以上分析，我们可以得出：产气率作为唯一的故障监测手段到目前为止，由于设备的局限和故障的特点还不能很好的起到实际的监测意义；但作为一项故障注意指标，依然有其独特的重要性，特别是其反映了故障的发展变化的快慢，对于故障初期的热性故障诊断还是具有积极的意义。
三、基于模糊理论的故障诊断
（一）模糊诊断的原理
一般模糊系统的结构与专家系统的结构类似，由模糊知识库、模糊推理机和人机界面等几部分组成。随着模糊理论的发展及完善，模糊理论的一些优点逐步被重视，如模糊理论可适应不确定性问题；其模糊知识库使用语言变量来表述专家的经验，更接近人的表达习惯；模糊理论能够得到问题的多个可能的解决方案，并可以根据这些方案的模糊度的高低进行优先程度排序等。其处理不确定性问题的方法目前主要有两种，即基于概率理论的方法和基于模糊理论的方法。模糊数学作为一种处理不精确信息的有效工具，毫无疑问它将有助于提高诊断系统的准确性和稳定性。故障诊断是搜索各种各样的征兆，进而对这些征兆的原因做出解释的过程。在故障诊断中存在着大量的不确定因素，并表现为随机性和模糊性，随机性主要反映客观上的不确定性，它是由试验数据的分散性和故障因果关系的不确定性造成的，常用统计方法加以研究。模糊性主要是人为主观解释上的不确定性，它表现在边界的不确定性。在电器设备的故障诊断，由于这两种不确定现象的同时存在，现有的绝对化的诊断规则（如三比值法）都不能很好的适合，导致在故障诊断中误判率的始终存在以及不能对故障进行定位分析，在故障诊断中不能够有
效地处理不精确性、不完全性和不确定性信息。模糊诊断的基本流程：（1）油中溶解气体分析原始数据的模糊化处理；（2）计算模糊集上面的相似关系；（3）动态分类求取最优分类结构。
（二）故障诊断分析
模糊故障检测是为了解决判断电力变压器是否有故障的问题。由于产气率作为单一故障诊断依据不能完全的表征故障的发生，根据以前的故障检测技术只考虑各种特征气体的注意值的情况，将产气率引入故障诊断系统，通过综合考虑特征气体和气体产气率，提高故障检测精度。故障辨别主要是在判断电力变压器有故障的情况下辨别产生故障的类型。可以采用国家标准《变压器油中溶解气体分析和判断导则》（GB/T7252-2001）中的比值法为基础来构建模糊故障辨别模块。直接采用导则的比值法有两点不足：（1）比值区间划分过于绝对化，会导致误判；（2）反映故障不够全面，对于复合故障的诊断准确度不是很高。针对这种情况，采用模糊诊断技术，以克服不足，提高诊断准确率。
参考文献
[1]周少金．变压器故障的统计分析及预防方法[J]．工业安全与环保，2005，（8）．
[2]闫志军，岑云峰．浅谈变压器故障的分析[J]．内蒙古石油化工，2005，（8）．
[3]江伟．变压器故障分析及防护措施[J]．安防科技，2006，（1）．
[4]杜中杰，张燕，何宏群．浅谈如何应用溶解气体分析法诊断变压器故障[J]．变压器，2002，（3）．
[5]杨振勇《． 变压器油中溶解气体分析和判断导则》判断变压器故障的探讨[J]．变压器，2008，（10）．
