王刚，田慕琴中车沈阳机车车辆有限公司资产管理部；太原理工大学
矿用干式变压器综合检修策略综述
王刚1，田慕琴2
1中车沈阳机车车辆有限公司资产管理部；2太原理工大学
干式变压器因其良好的运行特性，在煤矿井下供电系统中占据着十分重要的地位。目前矿用干式变压器运行环境恶劣，工作现场存在诸多复杂和不确定性因素，一旦发生故障，将严重威胁到煤矿安全生产。为保证煤矿井下供电系统的安全可靠运行，亟需有效的综合检修策略及相关技术。基于以上问题，本文分析了煤矿井下的常见故障，从矿用干式变压器的绝缘故障诊断、运行状态评估以及绝缘寿命评估等方面进行了阐述，综述了国内外近年来在矿用干式变压器绝缘诊断研究领域内的最新进展，并预测了矿用干式变压器检修策略未来的发展趋势。
矿用干式变压器；故障诊断；状态评估；寿命评估
引言
近年来，煤炭需求量不断增长，煤炭事业日益发展，干式变压器由于其防火、无油等优势得到了广泛的应用[1]。矿用干式变压器作为煤矿井下供电系统的动力中心[7]，其安全与可靠运行显得尤为重要，一旦发生故障，将严重影响工作人员的人身安全与生产安全。然而，井下环境极其恶劣，工作现场存在着多种复杂和不确定因素，这些因素将加速设备的老化，相关的故障率也随之上升，亟需有效的综合检修策略与相关技术[2]。
在一个合理有效的矿用干式变压器检修方案中，需要综合考虑干式变压器运行的可靠性和经济性。在达到干式变压器最低运行可靠性要求的同时，最大限度地节省经济开支。其中，矿用干式变压器运行的可靠性内容主要包括故障诊断（确定矿用干式变压器的故障类型，制定相关检修决策，防止变压器在故障下运行；预测变压器可能发生的故障，制定与其对应的预防措施，防止故障的进一步发展）、状态评估（对变压器运行状态进行实时评估，进而得到检修策略，保证变压器运行的可靠性）、绝缘寿命评估（对变压器绝缘的剩余寿命进行评估，以制定其退役策略）等内容。矿用干式变压器运行的经济性主要包括干式变压器全寿命成本分析（分析计算干式变压器全寿命期间的运行成本）以及干式变压器运行风险评估（评估干式变压器发生故障时造成的损失[2]）。
然而，矿用干式变压器本身是一个十分复杂的系统，要想建立一个基于实时状态且兼顾经济性和可靠性的干式变压器状态检修策略，首先则需要实现对变压器的绝缘故障诊断、运行状态评估、绝缘寿命评估等。目前有关煤矿井下特殊运行环境中的矿用干式变压器运行状态及寿命评估的研究仍处于初级阶段，实现综合考虑可靠性和经济性的矿用干式变压器状态检修策略仍存在诸多问题。
1 矿用干式变压器常见故障分析
根据发生故障部位的不同，干式变压器的故障可以分为绕组故障和铁芯故障。
1.1 绕组故障
矿用干式变压器发生故障的主要原因为机械强度和绝缘性能的降低，两者主要是因过热所致，因此在绕组处发生故障较多。造成绕组故障的原因主要有：1）因浸漆不良而导致绕组匝间绝缘存在气隙，绕组匝间绝缘长期受到局部放电的影响，进而导致匝间短路；2）绕组在电动力作用长期工作，匝间绝缘发生磨损，加之在机械应力下的振动使绕组互相摩擦，使绕组绝缘磨损破坏；3）煤矿井下供电线路常常发生过负荷和短路，线圈在其额定电流的几倍甚至几十倍的作用下温度迅速升高，绝缘老化，导致绕组短路；4）矿用干式变压器绕组受损时仍然继续运行，绝缘缺陷使得场强分布不均匀，引起局部放电，进一步损坏绕组绝缘；5）绕组表面不可避免地存在毛刺，导致表面电场集中，引起电晕放电[4]。
1.2 铁芯故障
铁芯故障分为铁芯多点接地和铁芯硅钢片短路故障。
铁芯多点接地的原因主要包括以下几种：1）铁芯夹板穿心螺栓套管发生损坏而造成多点接地；2）金属异物或金属粉末的存在会形成“金属桥”，导致多点接地；3）绝缘受潮也会导致铁芯和夹板之间出现低电阻多点接地的现象[3]。铁芯多点接地会导致铁芯局部过热，从而对线圈的绝缘造成破坏。
铁芯硅钢片短路：由于硅钢片的绝缘漆因受潮或自然老化而使绝缘性能下降，进而产生涡流损耗而导致铁芯发热，最终引起变压器绕组发生绝缘击穿短路而烧毁[3]。
2 运行可靠性检测与评估发展现状
2.1 绝缘故障诊断
在电力变压器绝缘故障诊断方法的研究发展中，主要经历了传统和智能两个阶段[8]。
传统的故障诊断技术分为两个阶段。第一个阶段是根据检测随故障出现的各物理及化学现象来对故障进行判断。包括利用声、光、热、振动等手段，观测其变化的规律和特征。第二个阶段是根据故障所对应的征兆来进行故障诊断，这是目前最为成熟的方法。
随着各种人工智能理论的提出与应用，电力变压器的故障诊断也逐渐进入了智能化阶段。相应的研究内容和实现途径发生了许多变化，以知识处理为核心的过程取代了以数据处理为核心的过程。通过人工智能技术，用微处理器经过推理、决策、学习、抽象思维等方法完成变压器的故障诊断。人工智能方法包括了小波分析、神经网络、专家系统等。目前智能诊断技术已经成为变压器故障诊断技术的发展方向[5]。
然而，国内外对矿用干式变压器故障诊断的相关研究还屈指可数，目前仅仅是用热继电器等仪器对变压器进行过热保护，检测参数较为单一，并不能精准地预测故障。美国、加拿大、日本等对矿用隔爆型干式变压器局部放电的检测多是采用手持式检测仪离线测试，其在线监测的技术还不够成熟[6]。对于基于多传感器信息融合技术的移动变电站中隔爆型干式变压器的故障诊断系统更是少有研究。在我国，太原理工大学针对煤矿井下的特殊环境，设计了矿用干式变压器故障诊断专家系统，利用故障树建立了故障模型，解决了专家系统知识表达的问题。利用模糊理论构造了隶属函数，解决了专家系统知识获取和推理的不确定性问题。初步建立起了干式变压器故障诊断专家系统框架。为干式变压器故障诊断提供了思路，为进一步的研究奠定了基础。
2.2 运行状态评估
矿用干式变压器运行状态是否正常是保障变压器本身及煤矿井下其他设备安全运行必要条件。实时监测矿用干式变压器的工作状态，一则能够有效地反映变压器的绝缘健康状态，二则能够降低因停电而带来的经济损失。
变压器的运行状态与许多影响因素有关，如是否存在故障、负荷大小、周围运行环境等。这些因素的变化都会引起变压器的运行状态发生改变。只采用单一的特征量来评估变压器的运行状态，会使得评估结果与真实的运行状态相差甚远。因此，只有融合多种影响因素才能使变压器运行状态的评估结果更为准确。目前，国内对于电力变压器运行状态评估的相关研究已取得了部分成果，同时也存在着一些缺陷与不足。比如，V.Sokolov等研究人员提出了变压器领域的状态评估的体系，但并没有提供明确的状态指标及相应的评估方法[9]。ABB公司根据负载能力、绝缘劣化、电气性能等可能影响变压器运行状态的因素来评估变压器的性能，该方法目前已投入使用多年[10]。日本和波兰的专家学者致力于对变压器的运行状态进行等级划分，以实现变压器的状态评估。在我国，创造性地将未确知数学理论与变压器的评估相结合，建立了评估指标体系，同时提高了评估结果的可靠性[11]。台湾的Hongtzer Yang等研究人员应用FLVQ网络，其结果比BP神经网络及模糊评估的结果有着明显的优势，但同时也存在着参数分析不足的劣势[12]。
目前，以上方法多适用于油浸式电力变压器，而有关矿用干式变压器运行状态评估方面的研究则少有报道。由于矿用干式变压器在其运行环境、绝缘材料及绝缘结构上同油浸式电力变压器存在着本质上的区别，上述针对油浸式变压器设计的运行状态评估方法并不能套用在矿用干式变压器的状态评估中。太原理工大学的在监测矿用干式变压器基本运行状态信息的基础上，融合了影响其运行状态的可靠性参数、运行环境参数以及预防性试验参数等，采用层次分析法对各评估指标进行权重分配，对矿用干式变压器运行状态进行了整体评估，但整体系统还有待完善。
2.3 绝缘寿命评估
随着干式变压器工作时间的增加，其运行状态会也会不断地恶化。变压器的绝缘寿命评估即从一些相关的因素出发，对其运行状态进行整体上的评估，从而预测出变压器绝缘系统的剩余寿命，并制定出有效的策略来延长其寿命，以获取更高的效益。
近年来，各国专家学者在电气设备的寿命评估研究方面展开了大量的研究，并取得了一定的成果，可在矿用干式变压器剩余寿命评估中用以借鉴。目前的绝缘寿命评估模型主要有三类，分别为：
（1）基于聚合度的寿命评估模型
在变压器绝缘的寿命研究中，聚合度的是反映绝缘材料机械强度最为有效的化学特征参量。通过纤维素的聚合度来对变压器匝间绝缘的绝缘纸的老化状态进行判断是最为有效方法之一，即采用粘度法对绝缘纸的聚合度进行测量与计算，以对绝缘材料的老化状态进行判断。
（2）基于热点温度的绝缘寿命损失模型
变压器的热点温度对其绝缘寿命有着显着的影响，温度过高就会使绝缘材料的老化加速，甚至会引起绝缘击穿，最终使得变压器利用率降低，运行年限缩短。《干式电力变压器负载导则》表明，干式变压器绝缘寿命损失的主要原因为热点温度对其绝缘的热老化作，并采用L%来标定这种寿命损失。
（3）基于可靠性的寿命评估模型
变压器的运行可靠性随其绝缘性能的下降而下降，当变压器的可靠性下降到50%时，即达到其寿命终点。由于目前的检测技术手段还不够成熟，许多绝缘参量尚未实现在线测量，致使该方法仍不能得到广泛的应用。
在矿用干式变压器的绝缘寿命评估方面，太原理工大学以监测干式变压器的基本运行状态信息为基础，构建了矿用干式变压器综合健康指数与故障概率之间的关系模型，实现了对变压器运行风险的诊断。
3 发展趋势与展望
目前，虽然国内外对矿用隔爆型干式变压器的绝缘故障诊断、运行状态评估与绝缘寿命评估的研究已经有了一定的进展，但是由于煤矿井下的特殊环境，工作现场会遇到诸多复杂与不确定的因素，仍需进行更全面的探索与研究。
（1）矿用隔爆型干式变压器故障诊断系统的最终目的是要实现故障的精确诊断。但是，由于专家库目前建立的还不够丰满，及故障信息库还需要继续建立，添加内容，如果能更好的添加维修信息，将会达到更好的诊断效果。因此，故障诊断部分的精确实现需要更深层次的研究。
（2）故障诊断中运用的专家系统是在线监测技术的发展方向，提高和完善专家系统，才能使系统具有更高的实用价值。
（3）研究矿用干式变压器绝缘中同时存在多类缺陷情况下局部放电的分离方法，可将诊断系统用于煤矿现场。
（4）实现基于局部放电特征参量的干式变压器绝缘局部缺陷风险评估，需要大量的不同类型、不同阶段的绝缘缺陷处的局部放电试验数据，以提高诊断结果的准确性。因此，需要充实不同缺陷类型、不同放电阶段的绝缘缺陷处的局部放电试验数据，以提高模型诊断的准确率。
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王刚（1965-），男，辽宁辽阳人，高级工程师，工学学士，从事设备电气管理工作，包括企业供电运行技术及管理，设备电气电控大修；
田慕琴。
