礦用干式變壓器綜合檢修策略綜述

王剛，田慕琴中車沈陽機車車輛有限公司資產管理部；太原理工大學

礦用干式變壓器綜合檢修策略綜述

王剛1，田慕琴2
1中車沈陽機車車輛有限公司資產管理部；2太原理工大學

干式變壓器因其良好的運行特性，在煤礦井下供電系統中占據著十分重要的地位。目前礦用干式變壓器運行環境惡劣，工作現場存在諸多復雜和不確定性因素，一旦發生故障，將嚴重威脅到煤礦安全生產。為保證煤礦井下供電系統的安全可靠運行，亟需有效的綜合檢修策略及相關技術。基于以上問題，本文分析了煤礦井下的常見故障，從礦用干式變壓器的絕緣故障診斷、運行狀態評估以及絕緣壽命評估等方面進行了闡述，綜述了國內外近年來在礦用干式變壓器絕緣診斷研究領域內的最新進展，并預測了礦用干式變壓器檢修策略未來的發展趨勢。

礦用干式變壓器；故障診斷；狀態評估；壽命評估

引言

近年來，煤炭需求量不斷增長，煤炭事業日益發展，干式變壓器由于其防火、無油等優勢得到了廣泛的應用[1]。礦用干式變壓器作為煤礦井下供電系統的動力中心[7]，其安全與可靠運行顯得尤為重要，一旦發生故障，將嚴重影響工作人員的人身安全與生產安全。然而，井下環境極其惡劣，工作現場存在著多種復雜和不確定因素，這些因素將加速設備的老化，相關的故障率也隨之上升，亟需有效的綜合檢修策略與相關技術[2]。

在一個合理有效的礦用干式變壓器檢修方案中，需要綜合考慮干式變壓器運行的可靠性和經濟性。在達到干式變壓器最低運行可靠性要求的同時，最大限度地節省經濟開支。其中，礦用干式變壓器運行的可靠性內容主要包括故障診斷（確定礦用干式變壓器的故障類型，制定相關檢修決策，防止變壓器在故障下運行；預測變壓器可能發生的故障，制定與其對應的預防措施，防止故障的進一步發展）、狀態評估（對變壓器運行狀態進行實時評估，進而得到檢修策略，保證變壓器運行的可靠性）、絕緣壽命評估（對變壓器絕緣的剩余壽命進行評估，以制定其退役策略）等內容。礦用干式變壓器運行的經濟性主要包括干式變壓器全壽命成本分析（分析計算干式變壓器全壽命期間的運行成本）以及干式變壓器運行風險評估（評估干式變壓器發生故障時造成的損失[2]）。

然而，礦用干式變壓器本身是一個十分復雜的系統，要想建立一個基于實時狀態且兼顧經濟性和可靠性的干式變壓器狀態檢修策略，首先則需要實現對變壓器的絕緣故障診斷、運行狀態評估、絕緣壽命評估等。目前有關煤礦井下特殊運行環境中的礦用干式變壓器運行狀態及壽命評估的研究仍處于初級階段，實現綜合考慮可靠性和經濟性的礦用干式變壓器狀態檢修策略仍存在諸多問題。

1 礦用干式變壓器常見故障分析

根據發生故障部位的不同，干式變壓器的故障可以分為繞組故障和鐵芯故障。

1.1 繞組故障

礦用干式變壓器發生故障的主要原因為機械強度和絕緣性能的降低，兩者主要是因過熱所致，因此在繞組處發生故障較多。造成繞組故障的原因主要有：1）因浸漆不良而導致繞組匝間絕緣存在氣隙，繞組匝間絕緣長期受到局部放電的影響，進而導致匝間短路；2）繞組在電動力作用長期工作，匝間絕緣發生磨損，加之在機械應力下的振動使繞組互相摩擦，使繞組絕緣磨損破壞；3）煤礦井下供電線路常常發生過負荷和短路，線圈在其額定電流的幾倍甚至幾十倍的作用下溫度迅速升高，絕緣老化，導致繞組短路；4）礦用干式變壓器繞組受損時仍然繼續運行，絕緣缺陷使得場強分布不均勻，引起局部放電，進一步損壞繞組絕緣；5）繞組表面不可避免地存在毛刺，導致表面電場集中，引起電暈放電[4]。

1.2 鐵芯故障

鐵芯故障分為鐵芯多點接地和鐵芯硅鋼片短路故障。

鐵芯多點接地的原因主要包括以下幾種：1）鐵芯夾板穿心螺栓套管發生損壞而造成多點接地；2）金屬異物或金屬粉末的存在會形成“金屬橋”，導致多點接地；3）絕緣受潮也會導致鐵芯和夾板之間出現低電阻多點接地的現象[3]。鐵芯多點接地會導致鐵芯局部過熱，從而對線圈的絕緣造成破壞。

鐵芯硅鋼片短路：由于硅鋼片的絕緣漆因受潮或自然老化而使絕緣性能下降，進而產生渦流損耗而導致鐵芯發熱，最終引起變壓器繞組發生絕緣擊穿短路而燒毀[3]。

2 運行可靠性檢測與評估發展現狀

2.1 絕緣故障診斷

在電力變壓器絕緣故障診斷方法的研究發展中，主要經歷了傳統和智能兩個階段[8]。

傳統的故障診斷技術分為兩個階段。第一個階段是根據檢測隨故障出現的各物理及化學現象來對故障進行判斷。包括利用聲、光、熱、振動等手段，觀測其變化的規律和特征。第二個階段是根據故障所對應的征兆來進行故障診斷，這是目前最為成熟的方法。

隨著各種人工智能理論的提出與應用，電力變壓器的故障診斷也逐漸進入了智能化階段。相應的研究內容和實現途徑發生了許多變化，以知識處理為核心的過程取代了以數據處理為核心的過程。通過人工智能技術，用微處理器經過推理、決策、學習、抽象思維等方法完成變壓器的故障診斷。人工智能方法包括了小波分析、神經網絡、專家系統等。目前智能診斷技術已經成為變壓器故障診斷技術的發展方向[5]。

然而，國內外對礦用干式變壓器故障診斷的相關研究還屈指可數，目前僅僅是用熱繼電器等儀器對變壓器進行過熱保護，檢測參數較為單一，并不能精準地預測故障。美國、加拿大、日本等對礦用隔爆型干式變壓器局部放電的檢測多是采用手持式檢測儀離線測試，其在線監測的技術還不夠成熟[6]。對于基于多傳感器信息融合技術的移動變電站中隔爆型干式變壓器的故障診斷系統更是少有研究。在我國，太原理工大學針對煤礦井下的特殊環境，設計了礦用干式變壓器故障診斷專家系統，利用故障樹建立了故障模型，解決了專家系統知識表達的問題。利用模糊理論構造了隸屬函數，解決了專家系統知識獲取和推理的不確定性問題。初步建立起了干式變壓器故障診斷專家系統框架。為干式變壓器故障診斷提供了思路，為進一步的研究奠定了基礎。

2.2 運行狀態評估

礦用干式變壓器運行狀態是否正常是保障變壓器本身及煤礦井下其他設備安全運行必要條件。實時監測礦用干式變壓器的工作狀態，一則能夠有效地反映變壓器的絕緣健康狀態，二則能夠降低因停電而帶來的經濟損失。

變壓器的運行狀態與許多影響因素有關，如是否存在故障、負荷大小、周圍運行環境等。這些因素的變化都會引起變壓器的運行狀態發生改變。只采用單一的特征量來評估變壓器的運行狀態，會使得評估結果與真實的運行狀態相差甚遠。因此，只有融合多種影響因素才能使變壓器運行狀態的評估結果更為準確。目前，國內對于電力變壓器運行狀態評估的相關研究已取得了部分成果，同時也存在著一些缺陷與不足。比如，V.Sokolov等研究人員提出了變壓器領域的狀態評估的體系，但并沒有提供明確的狀態指標及相應的評估方法[9]。ABB公司根據負載能力、絕緣劣化、電氣性能等可能影響變壓器運行狀態的因素來評估變壓器的性能，該方法目前已投入使用多年[10]。日本和波蘭的專家學者致力于對變壓器的運行狀態進行等級劃分，以實現變壓器的狀態評估。在我國，創造性地將未確知數學理論與變壓器的評估相結合，建立了評估指標體系，同時提高了評估結果的可靠性[11]。臺灣的Hongtzer Yang等研究人員應用FLVQ網絡，其結果比BP神經網絡及模糊評估的結果有著明顯的優勢，但同時也存在著參數分析不足的劣勢[12]。

目前，以上方法多適用于油浸式電力變壓器，而有關礦用干式變壓器運行狀態評估方面的研究則少有報道。由于礦用干式變壓器在其運行環境、絕緣材料及絕緣結構上同油浸式電力變壓器存在著本質上的區別，上述針對油浸式變壓器設計的運行狀態評估方法并不能套用在礦用干式變壓器的狀態評估中。太原理工大學的在監測礦用干式變壓器基本運行狀態信息的基礎上，融合了影響其運行狀態的可靠性參數、運行環境參數以及預防性試驗參數等，采用層次分析法對各評估指標進行權重分配，對礦用干式變壓器運行狀態進行了整體評估，但整體系統還有待完善。

2.3 絕緣壽命評估

隨著干式變壓器工作時間的增加，其運行狀態會也會不斷地惡化。變壓器的絕緣壽命評估即從一些相關的因素出發，對其運行狀態進行整體上的評估，從而預測出變壓器絕緣系統的剩余壽命，并制定出有效的策略來延長其壽命，以獲取更高的效益。

近年來，各國專家學者在電氣設備的壽命評估研究方面展開了大量的研究，并取得了一定的成果，可在礦用干式變壓器剩余壽命評估中用以借鑒。目前的絕緣壽命評估模型主要有三類，分別為：

（1）基于聚合度的壽命評估模型

在變壓器絕緣的壽命研究中，聚合度的是反映絕緣材料機械強度最為有效的化學特征參量。通過纖維素的聚合度來對變壓器匝間絕緣的絕緣紙的老化狀態進行判斷是最為有效方法之一，即采用粘度法對絕緣紙的聚合度進行測量與計算，以對絕緣材料的老化狀態進行判斷。

（2）基于熱點溫度的絕緣壽命損失模型

變壓器的熱點溫度對其絕緣壽命有著顯著的影響，溫度過高就會使絕緣材料的老化加速，甚至會引起絕緣擊穿，最終使得變壓器利用率降低，運行年限縮短。《干式電力變壓器負載導則》表明，干式變壓器絕緣壽命損失的主要原因為熱點溫度對其絕緣的熱老化作，并采用L%來標定這種壽命損失。

（3）基于可靠性的壽命評估模型

變壓器的運行可靠性隨其絕緣性能的下降而下降，當變壓器的可靠性下降到50%時，即達到其壽命終點。由于目前的檢測技術手段還不夠成熟，許多絕緣參量尚未實現在線測量，致使該方法仍不能得到廣泛的應用。

在礦用干式變壓器的絕緣壽命評估方面，太原理工大學以監測干式變壓器的基本運行狀態信息為基礎，構建了礦用干式變壓器綜合健康指數與故障概率之間的關系模型，實現了對變壓器運行風險的診斷。

3 發展趨勢與展望

目前，雖然國內外對礦用隔爆型干式變壓器的絕緣故障診斷、運行狀態評估與絕緣壽命評估的研究已經有了一定的進展，但是由于煤礦井下的特殊環境，工作現場會遇到諸多復雜與不確定的因素，仍需進行更全面的探索與研究。

（1）礦用隔爆型干式變壓器故障診斷系統的最終目的是要實現故障的精確診斷。但是，由于專家庫目前建立的還不夠豐滿，及故障信息庫還需要繼續建立，添加內容，如果能更好的添加維修信息，將會達到更好的診斷效果。因此，故障診斷部分的精確實現需要更深層次的研究。

（2）故障診斷中運用的專家系統是在線監測技術的發展方向，提高和完善專家系統，才能使系統具有更高的實用價值。

（3）研究礦用干式變壓器絕緣中同時存在多類缺陷情況下局部放電的分離方法，可將診斷系統用于煤礦現場。

（4）實現基于局部放電特征參量的干式變壓器絕緣局部缺陷風險評估，需要大量的不同類型、不同階段的絕緣缺陷處的局部放電試驗數據，以提高診斷結果的準確性。因此，需要充實不同缺陷類型、不同放電階段的絕緣缺陷處的局部放電試驗數據，以提高模型診斷的準確率。

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王剛（1965-），男，遼寧遼陽人，高級工程師，工學學士，從事設備電氣管理工作，包括企業供電運行技術及管理，設備電氣電控大修；

田慕琴。