变压器内部过热缺陷故障自适应诊断系统设计

韩中杰，李传才，周刚，戚中译

（国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司，浙江嘉兴 314000）

变压器是一种相对静止的电气应用设备，可将某一固定数值的交流输入电压转换成频率相同的一种或几种直流输出电压。当交流电压通过绕组设备时，所产生的物理磁通量即为交变磁通；而当直流电压通过绕组设备时，所产生的物理磁通量即为直行磁通[1-2]。随着外界输电压力的改变，变压器交变磁通、直行磁通接连出现，不仅能够实现对应用电能的稳定传输，也可将设备结构体自身的电阻容量水平固定在平稳的特征参数区间之内。

由于外部环境、工作时长、处理材料等外界因素的改变，变压器内部结构会产生明显的发热情况，从而导致电力资源的严重浪费。传统示数监控型诊断系统通过实时采集的方式，对变压器内部的温度示数信息进行提取，再借助远方终端，实现对缺陷故障行为的诊断与排查。然而此系统对于变压器设备内部过热问题的解决能力有限，并不能完全满足实际应用需求。为避免上述情况的发生，设计新型变压器内部过热缺陷故障自适应诊断系统，在信号源装置、故障指示器等多个硬件设备结构的支持下，对设备过热原因进行准确分析，再联合变压器负荷量数值，实现诊断信息存储数据库软件的实时连接。

1 自适应诊断系统硬件设计

自适应诊断系统的硬件执行环境由信号源装置、故障指示器、诊断服务器三部分共同组成，具体搭建方法如下。

1.1 信号源装置

信号源装置连接在变压器结构的高压电量输出端，可在一组接地电阻元件的作用下，实现对温度控制设备的全面协调，从而使自适应诊断系统的实际应用需求得到较好满足。在单位传输时间内，两个不同的接地电阻元件分别与控制开关和信号源波段相连，前者可在感知变压器内部温度变化情况的同时，对剩余自适应电流进行集中性消耗，后者则主要负责对输出的电量信号源进行精准调试，从而使系统内部的电子传输环境时刻保持相对稳定的应用状态[3-4]。信号源装置右侧集中分布着多个输出波段结构体，且随着变压器设备所承担电压值水平的提升，这些物理波段的振荡行为也会逐渐趋于明显，直至变压器设备的内部温度实值达到额定量标准数值。信号源装置示意图如图1 所示。

图1 信号源装置示意图

1.2 故障指示器

自适应诊断系统的故障指示器由直流型、交流型、交感变化型3 种形式共同组成。其中，直流型故障指示器的连接适应性相对较弱，仅能负载直流型的变压器应用设备，当元件内的物理表现稳定值不断提升时，该类型设备极易出现熔断变化状态，从而加剧热缺陷行为的表现强度[5-6]。交流型故障指示器的连接适应性具备一定的可更改能力，但仅能负载交流型的变压器应用设备，当元件内的物理表现稳定值不断提升时，该类型设备则能够长期保持相对稳定的连接状态，因此可对热缺陷行为的表现强度进行一定的抑制性影响，从而为自适应诊断系统提供更多的可参考信息条件。故障指示器分类标准如表1 所示。

表1 故障指示器分类标准

1.3 诊断服务器

在变压器内部过热缺陷故障自适应诊断系统中诊断服务器始终以主机集群的形式存在，可联合故障指示器，对变压器设备的内表面温度值进行精准确定，再借助信号源装置，实现对诊断执行指令的判别与处理[7]。一般情况下，客户端主机作为诊断服务器模式的顶层执行结构，可根据已记录的变压器内部温度值水平，对自适应诊断权值进行设置，再借助输入网络信道，维护整个网络内的信息诊断环境，从而使得系统内的待处理数据信息能够具有较强的实用性价值[8-9]。底层服务器的连接则必须完全遵照自适应诊断网络的实际规划需求，一方面记录客户端内的数据传输需求，另一方面将未完全消耗的温度值信息反馈至其他系统诊断元件之中。诊断服务器结构图如图2 所示。

图2 诊断服务器结构图

2 自适应诊断系统软件设计

在相关硬件执行结构的支持下，按照变压器内部过热原因分析、变压器负荷量计算、诊断信息存储数据库连接的处理流程，完成系统的软件执行环境搭建，两相结合，实现变压器内部过热缺陷故障自适应诊断系统的顺利应用。

2.1 变压器内部过热原因分析

变压器内部过热是一个极为复杂的反应过程，而引发其温度值上升的原因主要包括电耗能量过高、潜油泵发热量过大、信号色谱数据变化三类。其中，电耗能量过高是引发变压器内部过热的最主要原因，由于变压器元件常与高压电网线路相连，传输电子可在压降行为下，在传输导线中大量堆积，故随着后续消耗指令的产生，这些电子量会直接进入变压器设备内部，并在其中形成高水平的电子运行流场[10-11]。潜油泵发热量过大则属于较难触发的变压器内部过热原因，由于变压器结构体的主体受热相对较为均匀，所以若不存在多点接地或铁芯接地电流过大的情况，则不会导致该项事件的产生。信号色谱数据变化则是由于CO 与CO2增幅过大所引起的变压器内部过热问题，由于其反应能力极强，因此由该项条件所引发的变压器内部过热问题最为严重[12-13]。设E1、E2、E3分别代表3 个不同的变压器发热原因系数，i代表发热量引发条件，联立上述物理量，可将变压器内部过热缺陷故障情况下的发热量极值表示为：

其中，M代表电子量传输系数，β代表热量能耗指标，Kmin、Kmax代表变压器设备所具备的最小和最大热量承载力系数值。

2.2 变压器负荷量

变压器负荷量是指变压器设备元件在单位时间内所能承载的最大发热量数值，一般情况下，该项物理指标的数值水平越高，其外部所负载的传输电压值也就越大，反之则越小。变压器作为一种恒定型电子量消耗设备，其内部阻值水平基本能够长时间保持相对平衡的存在状态，且随着外部传输电压与传输电流值的增大，该项物理量的数值水平也并不会出现明显改变[14-15]。规定在一个电量传输周期内，r0代表最小的变电器发热量诊断系数，rn代表最大的变电器发热量诊断系数，n代表自适应评估权限值。联立式（1），可将变压器负荷量计算结果表示为：

上式中，代表变压器设备在单位时间内的发热量均值。

2.3 诊断信息存储数据库

诊断信息存储数据库负责存储与变压器发热量相关的自适应数据信息，并可借助输出信道，将这些信息指令反馈至相关电子量应用元件之中[16]。在常规运行情况下，客户端1、客户端2 始终保持同步开启的连接状态，且在存储服务器设备的作用下，所有已执行的电量信息文件都可在服务器主机中进行短暂存储，且最终一定会生成较为完整的热量信息文件，以用于系统相关设备主机的调取与应用。至此，实现各项软硬件执行环境的搭建，在不出现其他干扰条件的情况下，完成变压器内部过热缺陷故障自适应诊断系统设计。诊断信息存储数据库示意图如图3 所示。

图3 诊断信息存储数据库示意图

3 实验分析与研究

以三相五柱式变压器（如图4 所示）作为实验设备，分别将其接入自适应诊断系统与示数监控型诊断系统应用环境中，其中前者作为实验组、后者作为对照组。

图4 变压器设备元件

已知变压器直阻均值、电流攀升量数值均能反映系统主机所能承载的变压器内部温度值情况，一般情况下，直阻均值量与电流攀升量数值水平越高，变压器内部温度值的上升趋势也就越明显（在配电网环境中，变压器内部过热现象越明显，其引发的电力资源浪费问题也就越严重）[17-18]。

表2 记录了实验组、对照组变压器直阻均值量在不同电压值水平下的具体变化情况。

表2 变压器直阻均值量对比

以表2 中所示数值作为分析条件可知，随着变压器所负载电压量水平的增大，实验组、对照组的直阻均值基本保持相同的数值变化趋势，但实验组的整体数值水平始终低于对照组。从极限数值的角度来看，实验组的阶段性最大值77.875 03 Ω远低于对照组的阶段性最大值89.946 71 Ω。

基于此可认为，自适应诊断系统的应用能够较好控制变压器直阻均值量的上升变化趋势，对稳定变压器内部的温升变化，具有较强的可行性作用能力。

表3 记录了实验组、对照组电流攀升量数值在不同电压值水平下的具体变化情况。

表3 电流攀升量数值对比

以表3 中所示数值作为分析条件可知，随着变压器所负载电压量水平的增大，实验组电流攀升量数值在实验前期的大幅上升状态后，开始逐渐趋于相对稳定的存在形式；而对照组电流攀升量数值则始终保持连续上升的变化状态。从极限值角度来看，实验组最大值43.2 A 低于对照组54.9 A，且能够存在一段时间的数值稳定状态。

基于此可认为，自适应诊断系统的应用，实现了对电流攀升量数值上升趋势的较好抑制，能够较好维持变压器设备内部的平衡性温度变化状态。

4 结束语

变压器内部过热缺陷故障自适应诊断系统可在信号源装置、故障指示器、诊断服务器三类硬件设备结构的作用下，针对变压器内部的过热原因进行准确分析，再通过变压器负荷量计算的方式，实现对诊断信息存储数据库的平衡与稳定。实验结果显示，变压器直阻均值量与电流攀升量数值的下降，能够较好抑制变压器设备内部的温升变化行为，实现对电力消耗资源的合理保护。