變電站電氣設備故障類型分析與監測系統設計

趙星云 冉明皓

（1 國網天津市電力公司檢修公司 天津 300000 2 廣西大學電氣工程學院 廣西南寧 530004）

電氣設備在變電站中被譽為“輸電心臟”，其運行可靠程度對電力系統的正常工作有著十分重要的作用。我國以前采用定期計劃檢修和預防性試驗的方式來保障電氣設備的正常運行，而且大多檢修是離線進行的，工作時必須停電、停機。但是由于設備在運行中與停運后的狀態有一定的差別，最終可能會導致維修不足或者過度維修的情況出現，缺乏科學性和針對性。這不僅會產生一定程度上的資源浪費，還可能使機器運行出現故障，甚至導致部分甚至大規模的電力系統故障。

因此利用現代計算機技術實現對變電站設備的在線故障監測便成為了現在解決變電站故障的主流手段［1］。通過實時數據的采集與分析，與故障診斷技術相結合，來預測設備未來的運行趨勢。隨著監測手段的不斷發展，具有人工智能的專家系統成為了國內外研究的熱點。

專家系統是一種綜合應用人工智能技術和計算機技術的程序系統，由于其知識與經驗較為豐富，往往能夠根據某領域的相關內容，進行推理和決策，通過模擬人類專家解決實際問題，從而使維修的技術和理念進一步發展和完善，也就是實現狀態維修，實現在前期發現更多的故障，并且得到解決。同期，電氣設備的定期檢修管理制度會隨著監測技術及計算機數據處理等技術的不斷進步，逐漸轉變成以可靠性為中心的狀態檢修模式［2］。

本文以兩種電氣系統的一次設備為例，論述設備的故障種類、診斷流程和檢測系統的設計，成功建立起故障診斷數據庫，為專家系統實現狀態維修打下堅實的基礎。

1 變壓器故障種類、診斷流程和檢測系統

1.1 變壓器故障樹的構建

從變壓器的結構和故障類型上來看，變壓器有7 種類型的故障［3-5］，構建的故障樹如圖1 所示。其故障類型、主要表現形式和故障原因的內在聯系如圖2 所示。

圖1 變壓器故障樹

圖2 變壓器故障類型、主要表現形式以及故障原因

1.2 變壓器在線監測系統組成

電氣設備在線監測系統組成如圖3。變壓器數據采集主要包括油中溶解氣體數據和局部放電數據，如果變壓器油中出現溶氣含量發生異常，就說明變壓器中出現了故障。這種方法叫做油中溶解氣體分析法［4-6］，是目前變壓器監測系統中較為主流的方法之一，實用性較高，一般情況下的變壓器潛在故障可及時檢測得到。不同特征氣體與故障的對應關系如圖4 所示。

圖3 電氣設備實時監測系統結構圖

圖4 變壓器相關氣體特征與故障類型的對應關系圖

1.3 變壓器故障診斷流程及方法

診斷流程圖如圖5 所示。在故障監測的全部過程中，數據的實時采集和專家系統的診斷是關鍵。通過實時收集有效的數據，再通過專家系統整理分析收集到的數據。變壓器健康情況及運行狀態是否正常就可以通過這兩個過程來判斷了，其發展趨勢或許也可進行故障預測。

圖5 變壓器故障診斷流程圖

故障診斷的常用方法是IEC 三比值法，即通過計算C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6幾種氣體的比值，查表判斷具體故障類型［6］。表1 即為編碼規則的對照表。主要故障類型及現象見表2。

表1 編碼規則

表2 氣體比值及對應故障

三比值法的應用原則如下：

（1）氣體各組分含量異常或氣體增長率有變化，發現設備有可能出現故障時，才能確定氣體比值是否有效。反之，則是無效的。

（2）如果出現氣體的比值與以前不同的情況，可能是由新老故障數據重疊造成的。通過計算最后兩次數據結果的差值得到與之對應的新故障的氣體比值。

（3）在進行比較時，一定要在相同的負荷和溫度條件下，在相同的位置測量氣體比值才是有效的。

根據多年的實驗結果可證實，該方法是變壓器潛伏性故障的檢測中最有效的方法之一。

2 斷路器故障種類、診斷流程和檢測系統

2.1 斷路器故障樹的構建

構建的斷路器故障樹如圖6 所示。圖7 是主要故障類型、現象及原因。

圖6 斷路器故障樹

圖7 斷路器主要故障類型、表現形式與原因

2.2 斷路器監測系統設計

斷路器的故障監測系統主要結構和處理流程都與變壓器的監測系統類似，主要組成部分如圖8 所示。

圖8 斷路器故障監測系統的結構流程圖

2.3 斷路器故障的診斷

通過前面的故障監測分析可知，專家系統對斷路器進行故障診斷的主要方法是對其監測信號與正常信號進行對比分析，再采用相似波形辨識技術或指紋波識別技術這兩種主要手段進行故障診斷［7-9］。

2.3.1 相似波形辨識技術

雖然歐氏距離即二階距離可以表征兩組數據的差異，進而可以用來衡量振動波形的相似度，但在斷路器在線監測系統中，通常采用一種表征相似性的方法。定義辨識比（RR）計算公式為［7］式1。

式中：B（n）為基準值；R（n）為參考值；T（n）為待檢值。

把計算得出的RR 與標準狀態下的值進行比較，即可確定斷路器是否出現故障。

2.3.2 指紋波識別技術

這種方法的原理是在斷路器無機械故障運行時，把斷路器觸頭動作的行程等分成N 段，采用離散法收集分析每一小段的電氣數據，按時間序列排列后將其作為標準數據。長期的積累后就可以生成一個故障指紋數據庫。使用匹配診斷法，用實時監測獲取的數據與數據庫作對比分析。如果出現無機械故障，那么實測數據與標準數據不會出現太大差異；反之，必然與正常數據有所偏差，那么肯定與某組故障數據最接近，這樣就可以對斷路器運行是否正常以及故障類型進行判斷和識別。

3 結語

（1）鐵芯、一二次繞組及管道鐵圈等部件較易出現故障，故障的主要表現形式以過熱故障和放電故障為主，故障的核心原因是絕緣問題。

（2）斷路器的主要故障表現在電磁機構和操動機構拒動、拒分和誤動。引起故障的根本原因是不良的制作工藝和檢修的不到位。數據監測的內容是收集振動信號、觸頭動作的信號和合閘線圈中的電流信號。

（3）診斷變壓器故障的方法主要是應用IEC 三比值法，但是面對少部分臨界性故障可能會漏判、誤判。如何更加準確收集氣體數據和怎樣發展三比值法使其判斷的更加精確是以后的改進目標。

（4）斷路器的故障診斷方法主要是信號分析法，通過相似波形辨識和指紋波識別來確定故障類型。但是實際測量中往往存在著一定程度的干擾，從而導致診斷的不精確，如何避免信號的干擾和更精確的診斷故障都需要進一步改進。