1 绪论1.1 研究背景及意义随着时代的发展与科技的进步，我国国民生活水平指数日益上升，从而对电 力的需求量也逐渐增加。因此，解决电力需求量这一问题迫在眉睫。电力需求量 推动着我国电网建设规模的发展，大容量、超高压已经成为如今电力系统的发展 方向。变压器是电网中不可或缺的一部分，其具有电压变换、电气隔离、稳压及 电能传输的作用，因此，它的正常运行将会保证电力系统安全、稳定、优质、可 靠的运行。随着工业发展的加快与人口增长直线上升，我国的用电需求也在不断的提 高，所以对同阶段配备的电力设备的要求也越来越高，变压器发生故障的可能性 也越来越大；除此之外，由于变压器受制造材料、规格、环境等因素的影响，其 运行状态就变得比较复杂且难以确定。如果变压器发生故障，情况稍稍严重一些 就会造成部分电力系统的瘫痪，从而大大影响了工业生产以及人们的日常生活。 2001 年，由于变压器绝缘老化严重而造成电网公司非计划停运次数多至 216 次； 据相关部门指标，虽然近几年我国的供电可靠率已经挺高了，但与欧美国家 99.99%的供电可靠率仍存在着一定的差距。因此，为了保证工业发展和人们的日 常生活，我们必须不断的深入研究，对变压器进行故障分析进行汇总，并根据相 应的故障进行诊断研究，提高自身素养，积累相关经验，在遇到突发事件时，能 够尽早检测并了解出变压器中的潜伏性故障，从而提升变压器运行的稳定性。1.2 国内外研究现状及发展动态目前，世界各国各地对变压器故障诊断的方法多种多样，但归根结底，可分 为两大类。其一是传统方法，该方法包括变压器的预防性电气试验和特征气体判 别法，及其给予特征气体的比值法；其二则是较为智能的方法，类似模糊逻辑方 法、人工神经网络、专家系统、支持向量机和遗传算法等。以下是对于上述两种 诊断方法的具体介绍。1.2.1 变压器故障诊断传统方法及其研究现状（1）变压器预防性电气试验4预防性试验是确保电网可靠运行的有效方法之一，是电力设备正常运行和维 护工作中的重要环节。根据相关规定，主要包括绕组直流电阻的检测、线圈绝缘 的吸收比、绝缘油检测、色谱的分析和铁芯绝缘电阻的检测等。（2）特征气体判别法 判断变压器故障类型时常常还会采用特征气体判别法。变压器在出现故障时，一般会产生 H2 、 CH4 、 C2 H4 、 C2 H2 、 CO 、 CO2 等特殊气体，这些气体 遇到变压器油会发生溶解。因此，可以根据油中溶解的气体种类和含量判断出故 障类型，但气体量很少的时候，不太会使用这种方法。（3）基于特征气体的比值法 此处所说的比值法主要包括三比值法、四比值法、改良的三比值法、无编码比值法等。它们的判据简单明了，但有一定的局限性，只能判断单一的问题，多 种故障问题叠加在一起时就无法做出准确判断，因此使用的并不多。1.2.2 变压器故障诊断智能方法及其研究现状（1）模糊逻辑方法 由于故障征兆与原因之间的关系难以确定，模糊逻辑方法便很好的利用了这一点来进行故障诊断，它建立在逻辑运算、模糊关系以及模糊理论的基础上1。 文献2中的变压器故障诊断是基于模糊数学和概率论的，它建立在故障特点和 故障发生前的预兆之间存在的因果关系上，使模型的诊断结果更加精准。文献3 中变压器的故障诊断是基于三对比值法模糊隶属度函数的，它解决了区间划分 时，原有的三比值法因为边界点的不确定性而导致的误判问题，这样可以提高诊 断的准确性。文献4将模糊模式识别与气相色谱结合在一起进行故障诊断，得 到了同样的效果。文献5基于变压器各部件的诊断，运用模糊理论来搭建诊断 模型，而且举例证实该模型的实用性。（2）专家系统专家系统结合了如今大热的 AI 和 PC 技术，运用专家的知识和经验推理， 然后进行模拟做出决策。近年来，这一方法得到了迅速的发展，有效地解决了单 一方法诊断时往往会出现的局限性。文献6将神经网络与模糊理论相结合，构 造了一个专家系统，使得故障诊断结果更加准确。但是，这种方法诊断的结果并 不能完全确定，毕竟专家们的知识获取、表述很难做到完全一致。（3）人工神经网络 人工神经网络的依据是人类大脑处理信息的快速化以及高度的集成化，将神经节点互相关联，然后用来处理信息，这种方法具有并行处理、学习和记忆、非线性映射和自适应能力等特点。人工神经网络的原理是基于一种非线性映射，而 变压器故障所产生的特征气体与故障类型刚好与之相符，所以，人工神经网络可 以应用到变压器故障诊断中。在国外，将人工神经网络应用于故障诊断的实用性 越来越高，效果普遍较好。（4）支持向量机支持向量机就是通常所说的 SVM，SVM 是当今社会较为先进的一种机器学 习方法，能够有效解决变压器故障问题。它最开始是用来解决模式识别这方面问 题的，经过研究者的学习和探索，才得以应用到解决变压器故障的领域。SVM 在处理变压器采集到的数据和技术样本时具有明显优势，其原因是在样本数量很 少时，SVM 具有很强的适应能力，能快速对数据进行分类并且提高对数据的计 算能力，这一点在解决变压器问题上极为方便。（5）遗传算法 遗传算法基于生物进化理论，它能够进行全局搜索，特别是解决全局优化的问题。它常常会和神经网络结合在一起来解决变压器的故障诊断问题，能够有效 提高诊断的速度和精度。1.3 本文主要内容本文主要介绍变压器常见故障类型及原因分析，变压器故障的诊断方法研 究，同时运用了 MATLAB 对变压器故障进行仿真。具体安排如下：第 1 章介绍本论文的研究背景和意义，阐述国内外变压器故障与诊断的发展 现状。第 2 章介绍变压器常见故障及原因分析。第 3 章介绍变压器故障的诊断方法研究。第 4 章利用 MATLAB 搭建变压器区内故障和区外故障的模型，通过对波形 的分析验证已知结论的正确性。最后进行总结，概括说明了本文的情况和价值，阐明了其优点，并指出了存 在的问题和改进方向。2 变压器常见故障及原因分析油浸式变压器发生的故障不外乎油箱内部外部两种。在变压器油箱的内部发 生的各种故障就是内部故障，而在变压器油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的 各种故障就是外部故障。本章会具体阐述现在较为常见的变压器故障，并会对其 产生原因进行分析说明。2.1 短路故障此处所说的短路故障指的是在变压器出口处由于各种原因而发生的短路，下 面会进行具体论述。1 短路电流引起绝缘过热故障 变压器在正常运行过程中，如果突然出现了短路问题，绕组中会流过很大的短路电流，其值约为额定值的数十倍，随后会散发很多热量，使变压器温度升 高。如果此时变压器的性能不够稳定的话，变压器的绝缘材料就会受到影响，轻 则影响绝缘性能，重则发生击穿事故。单相接地短路、两相接地短路、两相短路 和三相短路都是如今较常见的出口短路形式，其中，三相短路的短路电流最大。2 短路电动力引起绕组变形故障 变压器在运行中发生短路时，如果短路电流很小，电力系统中的继电保护装置便会正确动作从而保护电路，此时绕组会发生轻微的形变；相反的，短路电流 很大的话继电保护不能立即动作，此时绕组会严重变形，甚至有所损坏8。绕 组发生轻微变形时，需要及时进行检修，不然的话，受短路电流长期影响，在一 次又一次的冲击下也会损坏变压器。因此，为了提高变压器抗短路能力，需要诊 断绕组变形程度、制订合理的变压器检修周期。分析发生故障或事故的变压器可知，绕组变形会直接引起变压器故障。如果 变压器发生了严重变形，但是由于没有检测到而处于持续运行的状态，很有可能 引发事故，比如说停电，严重的话会使得变压器烧毁。引起绕组变形的原因多种 多样，比如绕组机械结构强度不足，或者是不能承受内部和外部的冲击力，其中 电动力的影响最大。2.2 放电故障发生放电故障时，放电的能量大小会有所不同，所以便有了局部放电、火花 放电和高能量放电。2.2.1 变压器局部放电故障局部放电的定义为在电压作用下，绝缘内部气隙、油膜或者导体边缘发生的 非贯穿性的放电现象10。它初期是一种低能量的放电，由于变压器中主要的绝缘 介质是气体和油，依据这点来划分，有气泡局部放电和油中局部放电；除了绝缘 介质不同外，绝缘部位也会有所不同，所以它又可以分为电极尖端、油角间隙、 固体绝缘中空穴等局部放电。由于放电能量大小并不相同，产生的气体也会有所 不同。目前，电测法、超声测法、化学测法是比较常见的测量局部放电的方法。2.2.2 变压器火花放电故障当放电能量密度10-6 C 数量级时，变压器会发生火花放电。它的起因有两 种，一是悬浮电位，另一则是油中杂质。下面会对其进行具体阐释：（1）悬浮电位引起的火花放电：电网中的某些设备，它们的部分金属结构 在生产过程中可能就存在一定的问题，再加上设备的运输还有长期机械运转，极 有可能会接触不良，失去接地，从而处于在高、低压电极之间，此处对地的电位 就是悬浮电位。这种部件四周存在着密集的场强，附近的固体介质会因此而烧坏 或是炭化，绝缘油分解出大量特征气体。悬浮放电有可能发生在处于高电位的金 属部件，也有可能发生在处于低电位的部件。（2）油中杂质引起的火花放电：油中存在杂质而引起火花放电故障的概率要 比悬浮电位大得多，此处所说的杂质是指水分、纤维质等。根据相关资料可知， 水的介电常数e要比变压器油大得多。在电场中，最先发生极化现象的是油中的 杂质，这些杂质在电场力的吸引下会往电极的方向靠近，并且有序排列，又因为 其排列方式类似于桥，故而称之为杂质“小桥”，其介电常数大于变压器油，导 电率也比变压器油好，油中的电场会因此而畸变。同样的，油中的电场会因为纤 维较大的介电常数而变大，此时的变压器油在场强作用下处于游离状态，在此状 态下会产生气体，从而又导致大量气泡的产生，由于这些气泡的存在，油的游离 更加厉害，就这样一直循环，变压器油箱中便含有大量的气泡和油，气泡会形成 气体通道，油分子之间因此存在间隙，这种情况下很容易发生火花放电。由此可 见，在电压较低的情况下有可能发生火花放电故障。按理来说，火花放电故障是 比较容易被发现的，处理起来也相对容易，但是需要时刻注意它的发展程度，以 免发生绝缘击穿。2.2.3 变压器电弧放电故障电弧放电又可称为高能量放电，它产生的能量密度很大。目前常见的电弧放 电有对地闪络、绕组匝层间绝缘击穿等。电弧放电故障时，由于能量高度集中，会迅速产生气体，气体又会导致放电， 大量的电子便会形成电子崩，并且会以此形式对电介质进行冲击，固体纸绝缘无 法承受这样的冲击便会被烧坏，金属材料同样会受其影响而有所损伤，故障严重 时还会烧损设备，甚至引起爆炸事故，因为难以预测，所以常常会突然爆发。综合上述三种放电故障可以看出，它们之间既有联系又有区别。区别是故障 发生时，三者放电的能量密度有所不同，除此之外，它们产生的气体成分种类和 多少也不相同。联系则是火花放电和电弧放电是从局部放电发展而来的，它们之 间有着一定的因果关系。变压器发生的故障并不是瞬间的，而是慢慢发展而来的， 所以通常一个时刻内存在着好几种故障，但也不排除只有一种故障的情况。因此， 我们需要根据具体情况然后做出相应的判断。2.3 绝缘故障2.3.1 固体纸绝缘故障绝缘垫、绝缘绑扎带、绝缘卷、绝缘板、绝缘纸等构成了固体纸绝缘，油浸 式变压器最不能缺少的就是固体纸绝缘。它主要由纤维素（C6 H10O6）n 构成，其中 n 为纤维素的聚合度。新纸的 n 通常是一千三百左右，当 n 变为二百五十左右时，它的机械强度会大大降低，大概低于新纸的一半，当 n 为 150200 时则表示纸 极度老化。绝缘纸老化后，会生成水、一氧化碳、二氧化碳，其次还有糠醛。这 些大多会损伤电气设备，甚至腐蚀设备中的金属材料。纤维材料长期使用后，难 免会出现聚合度下降、收缩或是脆裂的