變壓器故障診斷方法應(yīng)用需求范文

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大型變壓器是電力系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，它的狀況直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。大型電力變壓器的故障以絕緣故障為主，局部放電既是絕緣劣化的原因，又是絕緣劣化的先兆和表現(xiàn)形式。局部放電的檢測能夠提前反映變壓器的絕緣狀況，及時發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的絕緣缺陷，預(yù)防潛伏性和突發(fā)性事故發(fā)生。變壓器在局部放電過程中，總是伴隨著聲發(fā)射信號的產(chǎn)生。通過研究發(fā)現(xiàn)，局部放電產(chǎn)生的這些聲信號與局部放電的程度和類型有著一定的對應(yīng)關(guān)系。

1變壓器故障診斷方法的需求與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1電網(wǎng)設(shè)備老舊主變概況根據(jù)國內(nèi)外資料統(tǒng)計，連續(xù)運(yùn)行時間超過4年的變壓器故障概率為2.5%（每200臺中有5臺故障）。不僅變壓器本體故障帶來損失，故障引起的間接經(jīng)濟(jì)損失更為嚴(yán)重，變壓器作為輸變電傳輸網(wǎng)絡(luò)的上游設(shè)備，事故造成的電力中斷會嚴(yán)重影響人們的工作和生活。本公司某站#1主變型號SFPSZ9-150000/220，河北保定變壓器廠生產(chǎn)，出廠日期1998-05-27，投運(yùn)日期1999-07-01，運(yùn)行已超過15年，屬老舊變壓器，冷卻方式強(qiáng)迫油循環(huán)導(dǎo)向風(fēng)冷（ODAF）。2012年9月#1主變油化試驗發(fā)現(xiàn)油中出現(xiàn)微量乙炔（C2H2），2012年9月為0.3µL/L，2013年4月為0.42µL/L，2014年11月為0.29µL/L，2015年3月為0.25µL/L，近兩年來乙炔含量較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常增長現(xiàn)象。其#2主變型號SFSZ9-150000/220，衡陽變壓器有限公司生產(chǎn)，出廠日期2002-04-01，投運(yùn)日期2002-06-09，冷卻方式自然油循環(huán)風(fēng)冷（ONAF）。2012年9月#2主變油化試驗發(fā)現(xiàn)油中出現(xiàn)微量乙炔，2012年9月為0.16µL/L，2013年4月為0.22µL/L，2014年11月為0.19µL/L，2015年3月為0.18µL/L，近兩年來乙炔含量較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常增長現(xiàn)象。#2主變經(jīng)制造廠校核發(fā)現(xiàn)中、低壓側(cè)抗短路能力不足，被列為隱患主變壓器。本變電站除安裝有避雷器動作次數(shù)及泄漏電流表外（不具備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能），其他設(shè)備未安裝在線監(jiān)測裝置。由于本站#1、#2主變均存在微量乙炔，產(chǎn)氣原因至今未明確，但是由于本站為樞紐變電站，停電計劃安排十分困難，同時也需要保證密切監(jiān)控變壓器運(yùn)行情況，故有必要加裝在線監(jiān)測，以監(jiān)視、跟蹤分析。

1.2傳統(tǒng)測試方法應(yīng)用情況為確保變壓器的長期穩(wěn)定運(yùn)行，變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)需滿足GB1094標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定關(guān)于電、機(jī)、熱等方面的具體要求。變壓器故障包括外部和內(nèi)部故障，其中變壓器的外部故障主要是變壓器油箱及其附件焊接不良、密封性能不好，造成滲漏油故障；冷卻系統(tǒng)包括油泵、風(fēng)扇、控制設(shè)備等的故障，分接開關(guān)傳動裝置及其控制設(shè)備的故障；其他附件如套管、儲油柜、測溫元件、凈油器、吸濕器、油位計及氣體繼電器和壓力釋放閥等的故障。外部故障類型雖多，但通過巡視檢查是可以發(fā)現(xiàn)的。內(nèi)部故障主要包括鐵芯故障、繞組故障和放電故障，其中鐵芯故障包括鐵芯多點(diǎn)接地故障、鐵芯過熱等故障；繞組故障主要包括繞組變形、絕緣老化、繞組受潮及繞組層間、匝間、相間、高低壓繞組間發(fā)生接地、短路、斷路、擊穿或者燒毀故障。傳統(tǒng)的變壓器故障測試方法包括在線監(jiān)測和離線檢測兩種：（1）在線監(jiān)測主要有介損測量、油色譜監(jiān)測、超聲監(jiān)測等方法，這些方法具有很好的實時性等優(yōu)點(diǎn)，但由于反映絕緣缺陷的宏觀特征量太小，易受現(xiàn)場電場與磁場等的干擾，或者由于變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，都嚴(yán)重影響了測量的精度，使得這些方法的監(jiān)測結(jié)果可信度大打折扣；（2）離線檢測主要有油色譜檢測、空載損耗、短路損耗、耐壓等試驗，這些方法能夠發(fā)現(xiàn)變壓器絕緣當(dāng)前的問題，但每次檢測周期長，考慮到絕緣老化非線性和加速性等特性，很難保證兩次檢測之間變壓器能運(yùn)行安全。因此，現(xiàn)有的測試方法存在的主要問題歸納如下：（1）反映絕緣缺陷的宏觀特征量太小，測量信號易受干擾，導(dǎo)致現(xiàn)有在線監(jiān)測方法的測量結(jié)果存在可信度的問題；（2）絕緣缺陷發(fā)展到一定程度具有加速性質(zhì)，因此預(yù)防性試驗并不能保證變壓器能完全安全運(yùn)行。

2基于聲學(xué)特征的變壓器故障測試方法

隨著狀態(tài)檢修的應(yīng)用與在線監(jiān)測手段的不斷豐富，現(xiàn)階段逐步拓展建立了以動態(tài)測試技術(shù)為基礎(chǔ)的在線監(jiān)測技術(shù)，基于振動、聲信號、光、溫度、電磁等信號進(jìn)行分析，并以此為基礎(chǔ)發(fā)展了光譜診斷技術(shù)、振動診斷技術(shù)、聲學(xué)診斷技術(shù)、紅外和熱成像診斷、無損檢測技術(shù)、鐵譜診斷技術(shù)等。其中聲音是一種機(jī)械波，聲信號蘊(yùn)含著大量的振動信息。設(shè)備在正常運(yùn)行時，零件之間、零件本身、固件與機(jī)身之間均會產(chǎn)生聲信號，運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化時聲信號也隨之變化。變壓器內(nèi)部繞組和鐵芯在高壓和強(qiáng)磁場的環(huán)境下出現(xiàn)故障，產(chǎn)生的聲音也會發(fā)生變化，這種通過聲信號分析變壓器故障的診斷方法稱為聲學(xué)特征診斷技術(shù)。目前利用變壓器內(nèi)部聲學(xué)信號檢測變壓器內(nèi)部故障已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，其中較常用的方法為噪聲分析法、超聲波分析法和振動分析法。噪聲分析法需要在噪聲比較小的環(huán)境中進(jìn)行，現(xiàn)階段實例僅應(yīng)用于電抗器；超聲檢測法主要是針對20kHz聲波信號，但超聲波傳播速度會隨著絕緣老化變化，數(shù)據(jù)一致性較差；振動分析法中耦合在設(shè)備上的導(dǎo)體會對設(shè)備絕緣造成損壞。以上方法中，較少涉及可聽聲段的變壓器內(nèi)部放電故障檢測，因此將可聽聲段的聲波信號作為一種新的故障檢測手段。變壓器由于電磁力而引起機(jī)械震動，從而產(chǎn)生聲信號，正常運(yùn)行情況下，變壓器的振動大體上包括本體振動、冷卻裝置振動以及切換有載調(diào)壓分接開關(guān)產(chǎn)生的振動等。其中變壓器本體振動、冷卻裝置振動為穩(wěn)態(tài)振動，分接開關(guān)切換振動為瞬態(tài)產(chǎn)生的振動。這些振動信號中，本體振動信號包含了變壓器運(yùn)行狀態(tài)的重要信息，且具有十分明顯的聲學(xué)特征，而其余振動的聲學(xué)特征不能反映變壓器的絕緣特性。因此，在變壓器外殼安裝傳感器，通過將本體振動的聲學(xué)特征辨識出來，對測量的聲波信號進(jìn)行消噪處理，再提取其概貌和頻譜特征，可以提升變壓器內(nèi)部放電模式的識別準(zhǔn)確度。變壓器油放電聲信號多為脈沖信號，信號的奇異點(diǎn)處能量占有相當(dāng)大比例，信號在突變點(diǎn)處的能量可有效表現(xiàn)波形的聲學(xué)特征。聲學(xué)特征量的診斷技術(shù)具有非接觸設(shè)備、信號獲取簡單、傳感器安裝靈活、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。

3變壓器聲學(xué)診斷系統(tǒng)設(shè)計分析

變壓器聲學(xué)在線診斷保護(hù)系統(tǒng)是基于變壓器聲學(xué)特征辨識原理研制的電力變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)，由高精度聲學(xué)傳感器、聲學(xué)特征數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)組成。由于每種內(nèi)部故障所產(chǎn)生的聲音都有其固有的聲學(xué)特征，通過聲學(xué)信號奇異性的特征值能有效檢測變壓器內(nèi)部鐵芯多點(diǎn)接地與鐵芯過熱、繞組變形、火花放電與電弧放電等故障，解決了常規(guī)電力變壓器檢測中測量精度低、可信度低及實時性差等關(guān)鍵技術(shù)難題。其系統(tǒng)組成為：傳感器：傳感器一般選用高精度1Hz～10kHz振動傳感器，可用于工業(yè)現(xiàn)場的在線監(jiān)測，采用雙層屏蔽殼封裝可有效抑制電磁場對傳感器信號的影響。抗潮濕、抗粉塵、抗有害氣體、現(xiàn)場安裝簡單方便。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能是對傳感器的輸出信號進(jìn)行調(diào)理，然后通過高速ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。其采集的實時現(xiàn)場數(shù)據(jù)是建立特征數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。特征數(shù)據(jù)庫：在大量模擬試驗及現(xiàn)場測試的基礎(chǔ)上，建立變壓器工作狀態(tài)聲學(xué)特征數(shù)據(jù)庫，其中包含變壓器正常工作和不同故障狀態(tài)下的聲學(xué)特征，是專家診斷系統(tǒng)判斷的重要依據(jù)。專家系統(tǒng)：對比分析數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)與變壓器聲學(xué)特征庫，判斷出變壓器運(yùn)行狀態(tài)。報警及保護(hù)輸出：一旦判斷出故障，立即通過報警燈顯示，同時向控制室（有線或無線方式）發(fā)出故障信息和保護(hù)控制信號。采用聲學(xué)特征診斷方法可預(yù)期實現(xiàn)的效果與相關(guān)技術(shù)參數(shù)：（1）絕緣故障漏報率小于0.5%；（2）故障率小于0.05次/（臺•年）；（3）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率達(dá)到97%以上；（4）完全實現(xiàn)免維護(hù)；（5）檢測頻率0.5小時1次；（6）單臺平均無故障時間≥5年。

4結(jié)語

基于可聽聲頻段聲和振動信號的診斷方法不會影響變壓器正常在線運(yùn)行，對變壓器機(jī)構(gòu)不構(gòu)成損害，操作簡單成本低，可以方便地實現(xiàn)目標(biāo)信號的離線采集和在線監(jiān)測。變壓器一旦發(fā)生內(nèi)部絕緣故障，特別是發(fā)展到火花放電及電弧放電階段，如果不及時報警和處理，極有可能引起變壓器燒毀的嚴(yán)重故障。由于變壓器正常運(yùn)行有固有的聲學(xué)特征，每種故障有其固有的聲學(xué)特征，基于聲學(xué)特征變壓器監(jiān)測方法來測量變壓器運(yùn)行中的各種聲音，再通過數(shù)據(jù)處理與分析，并與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，可有效實現(xiàn)變壓器故障在線智能診斷。基于聲學(xué)特征的變壓器故障診斷方法的優(yōu)點(diǎn)明顯：一是測量信號完全不受電力系統(tǒng)電磁干擾的影響；二是監(jiān)測診斷系統(tǒng)完全不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行；三是由于不同種類的聲音都有其固有的聲學(xué)特征，使得監(jiān)測診斷系統(tǒng)辨識精度高，具有完全的可信度。

作者：蔡禮 朱建武 帥一 單位：國網(wǎng)江西省電力公司南昌供電分公司