基于聲學特征的變壓器故障診斷方法應用需求分析

蔡禮　朱建武　帥一

摘要：變壓器油介質放電為變壓器內部常見的放電故障，其放電時會伴隨一定的聲信號。基于聲學特征的變壓器故障診斷是一種動態無損檢測方法，在免受電磁干擾的情況下可以對變壓器進行在線實時或連續檢測，根據監測聲信號進行分析處理可及時發現故障，同時利用聲波在變壓器油等介質中的傳播特性可以對局部放電源進行定位。

關鍵詞：聲學特征；變壓器故障；故障診斷；應用需求；放電故障 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM711 文章編號：1009-2374（2016）03-0049-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.03.025

大型變壓器是電力系統的主要設備之一，它的狀況直接關系到電力系統的安全經濟運行。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，及時發現變壓器內部的絕緣缺陷，預防潛伏性和突發性事故發生。變壓器在局部放電過程中，總是伴隨著聲發射信號的產生。通過研究發現，局部放電產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關系。

1 變壓器故障診斷方法的需求與應用現狀

1.1 電網設備老舊主變概況

根據國內外資料統計，連續運行時間超過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，故障引起的間接經濟損失更為嚴重，變壓器作為輸變電傳輸網絡的上游設備，事故造成的電力中斷會嚴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，出廠日期1998-05-27，投運日期1999-07-01，運行已超過15年，屬老舊變壓器，冷卻方式強迫油循環導向風冷（ODAF）。2012年9月#1主變油化試驗發現油中出現微量乙炔（C2H2），2012年9月為0.3?L/L，2013年4月為0.42?L/L，2014年11月為0.29?L/L，2015年3月為0.25?L/L，近兩年來乙炔含量較為穩定，未出現異常增長現象。其#2主變型號SFSZ9-150000/220，衡陽變壓器有限公司生產，出廠日期2002-04-01，投運日期2002-06-09，冷卻方式自然油循環風冷（ONAF）。2012年9月#2主變油化試驗發現油中出現微量乙炔，2012年9月為0.16?L/L，2013年4月為0.22?L/L，2014年11月為0.19?L/L，2015年3月為0.18?L/L，近兩年來乙炔含量較為穩定，未出現異常增長現象。#2主變經制造廠校核發現中、低壓側抗短路能力不足，被列為隱患主變壓器。

本變電站除安裝有避雷器動作次數及泄漏電流表外（不具備數據遠傳功能），其他設備未安裝在線監測裝置。由于本站#1、#2主變均存在微量乙炔，產氣原因至今未明確，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控變壓器運行情況，故有必要加裝在線監測，以監視、跟蹤分析。

1.2 傳統測試方法應用情況

為確保變壓器的長期穩定運行，變壓器的絕緣結構需滿足GB 1094標準規定關于電、機、熱等方面的具體要求。變壓器故障包括外部和內部故障，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；冷卻系統包括油泵、風扇、控制設備等的故障，分接開關傳動裝置及其控制設備的故障；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現的。內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、高低壓繞組間發生接地、短路、斷路、擊穿或者燒毀故障。傳統的變壓器故障測試方法包括在線監測和離線檢測兩種：（1）在線監測主要有介損測量、油色譜監測、超聲監測等方法，這些方法具有很好的實時性等優點，但由于反映絕緣缺陷的宏觀特征量太小，易受現場電場與磁場等的干擾，或者由于變壓器結構復雜，都嚴重影響了測量的精度，使得這些方法的監測結果可信度大打折扣；（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，這些方法能夠發現變壓器絕緣當前的問題，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行安全。因此，現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，導致現有在線監測方法的測量結果存在可信度的問題；（2）絕緣缺陷發展到一定程度具有加速性質，因此預防性試驗并不能保證變壓器能完全安全運行。

2 基于聲學特征的變壓器故障測試方法

隨著狀態檢修的應用與在線監測手段的不斷豐富，現階段逐步拓展建立了以動態測試技術為基礎的在線監測技術，基于振動、聲信號、光、溫度、電磁等信號進行分析，并以此為基礎發展了光譜診斷技術、振動診斷技術、聲學診斷技術、紅外和熱成像診斷、無損檢測技術、鐵譜診斷技術等。其中聲音是一種機械波，聲信號蘊含著大量的振動信息。設備在正常運行時，零件之間、零件本身、固件與機身之間均會產生聲信號，運行狀態發生變化時聲信號也隨之變化。變壓器內部繞組和鐵芯在高壓和強磁場的環境下出現故障，產生的聲音也會發生變化，這種通過聲信號分析變壓器故障的診斷方法稱為聲學特征診斷技術。目前利用變壓器內部聲學信號檢測變壓器內部故障已經成為研究熱點，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境中進行，現階段實例僅應用于電抗器；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，數據一致性較差；振動分析法中耦合在設備上的導體會對設備絕緣造成損壞。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械震動，從而產生聲信號，正常運行情況下，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壓分接開關產生的振動等。其中變壓器本體振動、冷卻裝置振動為穩態振動，分接開關切換振動為瞬態產生的振動。這些振動信號中，本體振動信號包含了變壓器運行狀態的重要信息，且具有十分明顯的聲學特征，而其余振動的聲學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特征辨識出來，對測量的聲波信號進行消噪處理，再提取其概貌和頻譜特征，可以提升變壓器內部放電模式的識別準確度。變壓器油放電聲信號多為脈沖信號，信號的奇異點處能量占有相當大比例，信號在突變點處的能量可有效表現波形的聲學特征。聲學特征量的診斷技術具有非接觸設備、信號獲取簡單、傳感器安裝靈活、無電磁干擾等優點。

3 變壓器聲學診斷系統設計分析

變壓器聲學在線診斷保護系統是基于變壓器聲學特征辨識原理研制的電力變壓器在線監測系統，由高精度聲學傳感器、聲學特征數據庫和專家系統組成。由于每種內部故障所產生的聲音都有其固有的聲學特征，通過聲學信號奇異性的特征值能有效檢測變壓器內部鐵芯多點接地與鐵芯過熱、繞組變形、火花放電與電弧放電等故障，解決了常規電力變壓器檢測中測量精度低、可信度低及實時性差等關鍵技術難題。其系統組成為：

傳感器：傳感器一般選用高精度1Hz～10kHz振動傳感器，可用于工業現場的在線監測，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?？钩睗?、抗粉塵、抗有害氣體、現場安裝簡單方便。

數據采集與處理系統：數據采集系統的主要功能是對傳感器的輸出信號進行調理，然后通過高速ADC轉換為數字信號。其采集的實時現場數據是建立特征數據庫的基礎數據。

特征數據庫：在大量模擬試驗及現場測試的基礎上，建立變壓器工作狀態聲學特征數據庫，其中包含變壓器正常工作和不同故障狀態下的聲學特征，是專家診斷系統判斷的重要依據。

專家系統：對比分析數據采集與處理系統采集到的現場數據與變壓器聲學特征庫，判斷出變壓器運行狀態。

報警及保護輸出：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）發出故障信息和保護控制信號。

采用聲學特征診斷方法可預期實現的效果與相關技術參數：（1）絕緣故障漏報率小于0.5%；（2）故障率小于0.05次/（臺·年）；（3）數據準確率達到97%以上；（4）完全實現免維護；（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行，對變壓器機構不構成損害，操作簡單成本低，可以方便地實現目標信號的離線采集和在線監測。變壓器一旦發生內部絕緣故障，特別是發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重故障。由于變壓器正常運行有固有的聲學特征，每種故障有其固有的聲學特征，基于聲學特征變壓器監測方法來測量變壓器運行中的各種聲音，再通過數據處理與分析，并與數據庫數據進行比對，可有效實現變壓器故障在線智能診斷?；诼晫W特征的變壓器故障診斷方法的優點明顯：一是測量信號完全不受電力系統電磁干擾的影響；二是監測診斷系統完全不影響系統的正常運行；三是由于不同種類的聲音都有其固有的聲學特征，使得監測診斷系統辨識精度高，具有完全的可信度。

參考文獻

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（責任編輯：陳 潔）