硕士学位论文-神经网络在变压器油色谱故障诊断上的研究.pdf

Y84576分类号职73UD0密级公开编号学位论文THESISFORDEGRE：E神经网一络在变压器漉色谱放障诊所上的研究作者孙世权申请学位级别甄专业名称电力皂子与电力焦动LIAONINGTECHNICALUNIVERSITY摘要电力变压器的可靠性直接关系到电网的安全，而依据油色谱诊断变压器故障是有效的方法之一，本文引入人工神经网络，通过对变压器油中气体含量的研究，以及神经网络的学习，提出了标准BP网络与改进型BP网络的诊断模型，进而对同一样本进行多种训练，并通过对误差仿真结果的比较进一步证实了改进型算法的可行性与优越性。将BP人工神经网络诊断结果与IEC三比值法诊断结果和实际故障结果进行了分析比较，实践证明，神经网络诊断法比采用其他几种判断准则对同一故障性质进行判断的准确率有显著的提高，从而对变压器的故障诊断提供了更为科学的方法。关键词：变压器故障油中溶解气体神经网络BP网络IIAbstractThereliabilityofpowertranserhasadirectrelationshipwiththesafetyofelectricnetwork，accordingtooilcolorspectrumisausefulwaytodiagnosethemalfunctionofpowertranserThispaperintroducesmanualneuralnetworkbasesthepercentagecompositionofgasintranseroilandthelearningofneuralnetwork，thispaperpresentsthediagnosemodelofstandardBPnetworkandimprovedBPnetwork，thentrainingthesamesample，comparingtheresultofsimulationerrorsinordertoprovethefeasibilityandthesuperiorityofimprovedalgorithmWhencompareddiagnoseresuitmadebyIECandBPmanualneuralnetworkwithfact，itprovesthatthediagnoseresultofBPmanualneuralnetworkhasthehigheraccuracycomparethesamemalfunction，andthisprovidestherealfunctionoftransertootheridentificationcriterionsastoamorescientifictodiagnoseKeywords：malfunctionoftranser；solventgasintheoil；neuralnetwork；BPnetwork创新点声明本人声明所提交的学术论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。本文是通过分析变压器油中溶解气体的含量和故障的关系引入神经网络，提出了标准BP网络与改进型BP网络的诊断模型，通过运用标准BP算法、附加动量法、自适应学习速率法和LM规则这四种不同方法对同一样本进行训练，并通过对误差仿真结果的比较，说明了标准算法与改进算法各自的优缺点，进一步证实了改进型算法的可行性与优越性，确定了采用改进型算法进行训练。并对不同隐含层神经元个数下的学习收敛情况及采用BP人工神经网络诊断结果与IEC三比值法诊断结果和实际故障结果进行了分析比较，该比较结果表明，采用神经网络诊断法比采用其他几种判断准则对同一故障性质进行判断的准确率有显著的提高。尽我所知，到目前国内外外文献末见报道。当荆陆枷濞弓舟fp日辽宁工程技术大学硕土学位论文1绪论11电力变压器故障诊断的重要意义随着国民经济的持续发展，我国的电力工业已进入一个新的发展阶段。在电力系统向超高压、大电网、大容量、自动化方向发展的同时，提高电力设备的运行可靠性显得尤为重要。电气设备是组成电力系统的基本元件，电力生产的设备投资占企业投资的6070以上，设备是保证供电可靠性的基础，是安全生产的最大保证。无论是大型关键设备如发电机、变压器，还是小型设备如电力电容器、绝缘子等，一旦发生失效必将引起局部以致全部地，区的停电。大量资料表明导致设备失皴的主要原因是其绝缘性能的劣化。例如我国19841996年间110kV及以上等级电力变压器事故统计分析表明，由于绝缘劣化引起事故台次占事故总台次的68和总事故容量的74，而1990年的统计允别为76和65。国外的统计结果也类似，例如美国某地区48kV配电系统对19801989年间失效电容器的统计分析指出其中92，是因为绝缘劣化引起失效。电力设备特别是大型电力设备故障所造成的经济损失是非常巨大的。有些非大型设备虽自身价值并不昂贵，但故障后果严重，例如以往互感器、电容器、避雷器常因绝缘故障发生爆炸和起火，不仅会波及邻近设备，且由于故障的突发性会因爆炸而造成人员伤亡。所以运行序电气设备的绝缘状态对电力系统的安全运行至关重要，要求电业人员必须加强电气设备绝缘的监测与诊断，及时发现隐患以确保电力设备和人身安全。电力设备故障常引起电网故障，甚至导致系统崩溃和瓦解，其危害极大。在实现现代化生产的同时，预防和减少设备事故，将是一件头等重要的大事，对电力工业来讲就具有更为突出的重要意义。故障诊断就是以一定的准确度来确定诊断对象的状态，并对其作出结论，这些结论包括指明故障发生的地点、类型、程度、趋势和原因等，为故障的预报和控制服务，并为设备的性能评价、合理使用、剩余寿命估计等提供依据。故障诊断包括以下四个环节：(1)采集被诊断对象的状态量；辽宁：r程技术大学硕士学位论文一2(2)对采集到的信息进行加工整理；(3)通过逻辑思维，将掌握到的信息与各种外界条件和诊断对象的历史相联系，对诊断对象的问题作出实质性的判断；(4)有针对性她提出故障预防措施，并在实旄中加以观察验证。故障诊断的准确性和可信性，主要依赖于监测的状态量与故障问的关系程度，这种关系越密切，则故障诊断的准确性和可信性就越高。状态量的选取，是油浸电力设备故障诊断最为关键的一步，直接影响到诊断效果、装置研制等后续环节。油浸电力设备在运行过程中有许多状态量可以反映其运行状况，但反映程度有所不同。常用的诊断方式有以下几种：(1)绝缘油击穿电压的监测；(2)tg艿(介质损耗角正切)的监测：(3)局部放电的监测；(4)变压器油中溶解气体的监测；(5)油面水平的监测；(6)微水量的监测；，(7)温度的监测；(8)油中金属的监测；以上各种方法中，以变压器油中溶解气体的监测方法最为有效，而采用电气试验方法很难发现某些局部故障。这是因为变压器和互感器等油浸电力设备是以变压器油作为绝缘介质和冷却介质的，另外还有一些固体绝缘材料作为绝缘介质，整个器身浸泡于变压器油中，当设备投入运行后，如果其内部某个部位存在过热性或放电性故障，则必然导致变压器油和油浸固体绝缘材料分解产气。故障初期，产气速度慢，产气量小，产出的气体形成气泡在油中通过对流、扩散溶解于油中，使油中溶解气体不断增加，这样，分析此时油中溶解气体，就可把早期的故障发现出来。随着传感技术、微电子技术以及计算机技术的广泛采用，变压器绝缘在线监测、结合神经网络、模糊理论和专家系统的故障诊断技术得到了更为迅猛的发展并成为电气工程学科研究中新的热点。据有关资料表明，对电力变压器等设备运行状态实施在线监测及故障诊断技术，可使每年的维修费用减辽宁翻到支术大学硕士学位论文一3一少2550，故障停电时间减少75。因此，对电力变压器等设备采用在线监测和故障诊断技术可促进状态维修的有效实施，收到巨大的经济效益，研究开发对电力变压器等设备的故障诊断技术可以有效地了解设备的运行状况，及时发现设备的潜伏性故障，避免突发事故的发生，这不仅对电力工业的科技进步有重要的科学价值，而且对提高电力系统运行的可靠性和科学管理水平也具有十分重要的意义。12国内外研究现状及主要存在问题实测和研究表明，采用油中溶解气体的气相色谱分析法(DissolvedGasAnalysis)简称DGA，根据变压器溶解气体的组分和含量来分析变压器的潜伏性故障是监视变压器安全运行的最洧效的措施之一，已成为国内外诊断充油电气设备故障的一种最为有效的手段。基于溶解气体分析(DGA)的变压器故障诊断各国己研究了多年，并提出了具有实用价值的判断准则。如；Dorncnbung，Duval，Rogcrs，HAE法和西德的四比值法。日本的电协研法和IEC(国际电工委员会)的三比值法。在利用常规的离线气相色谱法检测变压器油中溶解气体时，首先要在现场从被检测的变压器提取试验油样并送到分析室，然后由分析人员在气相色谱仪上进行油样的色谱分析，并由专家对分析的结果进行评定。在取油样一油气分离一色谱分析的全过程中存在着环节多、操作手续繁琐、试验周期长等弊病，不仅不可避免地会引起较大的试验误差，而且实践证明难以发现类似匝间绝缘缺陷等故障和不能及时检测出相对发展较快的故障。为了实现变压器油中溶解气体的实时或定时监测，及时发现故障近10年来，国内外都致力于在线监测原理的研究或装置的研制，相继研制出了一些有实用价值的油中溶解气体在线监测及诊断装置。但目前广泛介绍的变压器油气敏检测仪在检测气体时首先未能先将混合气体逐次分离，再针对每一种气体分别进行检测。其次，该检测仪是将混合气体通过同一气敏组件，再经多路开关分别测出气敏组件两端的电压和流经气敏组件的电流，然后用计算出的电阻值去对应算出混和气体的浓度。可见以往的这种气体在线监测装置，其结构复杂，且检测的灵敏度和装置本身的可靠性都存在着需要改进的辽宁工程技术大学硕士学位论文一4问题。鉴于此，本文着重以重庆大学高电压与电工新技术实验室研究的MQ型系列传感器为核心的油中多种溶解气体在线监测装置。该装置首先通过分离膜将油、气分离得到混合气体；再将混合气体通过复合色谱柱逐一分离出所要检测的各种气体；最后将各种气体逐次通过复合分布式传感器，该传感器是将多个具有不同工艺和不同材料组成的金属氧化物传感器构成一个传感器数组，当给出混合气体后，不同传感器单元分别响应各自的特征气体，这种检测方法充分利用了不同气体传感器分辨气体的能力。这种装置监测原理简单，检测灵敏度高，可以满足工程实际的要求，是变压器油中六种溶解气体在线监测技术的发展方向。另外，变压器的故障诊断是一个技术和经验相结和的过程，很难用一个简单的数学模型把变压器的故障和各氕体联系起来。因为各气体的组成是变压器的形式、容量、电压等级、绝缘油的化学性能、变压器的运行环境及方式等因素的多维函数，即使是同样的变压器，在同样的条件下用不同的诊断方法也可能得出不同的结论。且常规的DGA诊断法属于单故障、渐发性故障的简单诊断技术，诊断结果的准确性主要依赖于经验的积累程度，如油中溶解气体组分含量及比值与故障类型及性质之间的关系来源于大量的统计结果。实际上，电气设备的内部故障往往是由某一故障引发多故障或前期征兆信号微弱的潜伏性多故障引发突发性故障，因此，传统的IEC三比值法或改良电协研诊断法所诊断的结果准确率并不高。近二十年来，国内外在油中溶解气体分析诊断技术上作了大量的工作；(1)在测量装置方面，离线检测得到了比较快的发展，但是变压器溶解气体的在线监测的研究除日本等少数国家有报道外，国内的在线监测研究还比较少。文献45介绍了重庆大学研究成功的一种变压器油中溶解气体在线监测装置，图11为其在线监测原理框图。该装置将监测到的7种溶解气体组分信息自动传送主计算机，可实现实时分析和长期的存储管理。辽r1程技术大学硕士学位论文商分f气蜜电磁六邋嘲图l一1变压器油中六种气体在线监测装置图(2)在故障诊断方面，对IEC三比值法提出了一些改进办法，如改进电协研法等。但人们在长期的使用中发现，这些改进方法虽比三比值法的诊断准确率有所提高，但不管是离线检测或在线监测得到的气体含量数据用IEC三比值法或改良电协研法进行故障判断时，由于y-0断区间不灵活，导致有些故障判断不出或误判：对于编码为000的情况，IEc三比值法等传统方法不能作出判断，这可能会因此掩盖了真实故障；另外，对不同地区、不同制造厂生产的、运行在不同电压等级下的变压器所监测到的数据可能会不一样，不一样的条件用同个判断标准，难免要出一些差错。因此，现在需要有一种新的方法来对监测到的变压器油中溶解气体的数据进行分析，以便进一步提高对故障诊断的准确率。(3)神经网络是在现代生物神经系统研究的基础上建立的一种网络结构，它以其信息的并行分布式处理、联想记忆、自组织及自学习能力在设备故障诊断中显示了极大的应用潜力。神经网络用于故障诊断有以下优点：训辽宁l：程技术大学硕士学位论文一6练过的神经网络能存储有关过程的知识，能直接从定量的、历史的故障信息中学习：可以根据对象的正常历史数据训练网络，然后将此信息与当前测量数据进行比较，以确定故障：神经网络具有滤出噪声及在有噪声的情况下得出正确结论的能力，可以训练神经网络来识别故障信息，使其在噪声环境中有效地工作，这种滤出噪声的能力使人工神经网络适于在线监测和诊断：神经网络具有分辩故障原因和类型的能力，这为实现故障智能诊断奠定了基础。因此，神经网络结构对故障诊断具有很好的效果。13主要研究内容目前国内外都认为对油浸电力变压器比较有效的在线检测方法，主要为，油中溶解气体的色谱分析(DGA)及局部放电(FD)试验，DGA并且不仅对快速发展的PD监测仍然有效，而且还可发现一些用tg6、Pf)法不能发现的潜伏性故障，实践证明，变压器油中溶解气体分析技术对于发现变压器内部的潜伏性故障及其发展程度是很有效的，其有效率可达85以上，并得到了广泛应用PD法只是为了弥补DGA，对突发性快速局部放电故障不灵敏的局限性的一种辅助办法，因而在1997年起执行的电力设备预防性试验规程中已把它列在对变压器进行预试时的首要位，油色谱分析法虽然比局部放电法等判断故障的可靠性高，但常规的油色谱分析法存在，一系列不足之处不仅脱气中可能存在较大的人的误差，而且检测曲线的人工修正也会加大误差从取油到实验室分析作业程序复杂花费时间和费用较高，在技术经济上不能适应电力系统发展的需要，检测周期长，不能及时发现潜伏性故障和有效的跟踪发展趋势，因受其设备费用和技术力量的限制，不可能每个变电站都配备常规油气色谱分析仪，运行人员无法随时掌握和监视本站变压器的运行状况，从而会加大事故率。因此变压器油中溶解气体色谱分析的在线监测就成为运行部门极为关心的研究课题。不管是离线的色谱分析还是在线监测油中溶解气体，最关键的是可靠性有效性和正确率，这取决于所采取的故障分析诊断技术，对变压器每一种故障类型的主要诊断参数和故障信息，运用先进的理论和方法，研究确定变压器故障诊断模型，当获得了故障诊断模型以后，就可以用来进行实际的变压辽宁工程技术大学硕士学位论文一7一器故障诊断，因此研究能识别以变压器油中溶解气体为特征的多种故障的诊断模型，一般根据色谱分析数据进行内部故障诊断时，应包括下述内容：(1)判定有无故障及故障的类型，如过热、电弧放电、火花放电和局部放电等。(2)判断故障的状况，如热点温度、严重程度以及发展趋势等(3)判断故障的原因及其部位，如热性故障、电路和磁路故障的原因及其部位。(4)提出相应的处理措施，如能否继续运行，以及运行期间的技术安全措施和监视手段或是否需要吊罩检修等。由此得到相应的故障诊断软件包是变压器油中溶解气体，在线监测技术研究中的一个最基本的，也是最重要的研究课题，通过对大量文献的调查研究本文拟从以下几个方面着手研究：1、深入分析变压器油中溶解气体的产生原因，气体种类及含量，以及故障情况与气体含量的比值对应关系；2、深入分析以油中溶解气体为特征量诊断内部故障的原理，并对油中溶解气体分析的比值诊断法存在的问题进行分析，研究以油中气体为特征组分比值诊断故障的方法，如三比值法、改良电协法等；3、提出了标准BP网络与改进型BP网络的诊断模型，通过运用标准BP算法、附加动量法、自适应学习速率法和LM规则这四种不同方法，对同一样本进行训练，并通过对误差仿真结果的比较，说明了各种算法的优缺点，进一步证实了改进型算法的可行性与优越性，确定了采用改进型算法进行训练。在此基础上，讨论了基于神经网络模式识别的混合气体组分与浓度的检测，并结合实例讨论了如何对训练样本进行预处理，且针对标准算法在收敛速度和训练精度方面的不足，采用改进的算法对混合气体进行了对比识别，同时给出了训练的仿真结果。该结果表明，改进的算法显著提高。了解网络的收敛速度及训练精度。最后，以气体浓度为输入，以故障性质为输出，给出了利用神经网络进行变压器故障诊断的实例。BP人工神经网络诊断结果和IEC三比值法诊断结果和实际故障结果进行了分析比较，该比较结果表明，采用神经网络诊断法比采用其它几种判断准则对同一故障性质进行判辽1卜1程技术大学硕士学位论文8断的准确率有显著的提高。14小结提出了变压器故障诊断的意义，变压器故障诊断是对设备的性能评价、合理使用、剩余寿命估计提供依据；预防和减少设备事故，根据多中监测变压器的故障中，提出以变压器油中溶解气体最有效，对国内外研究现状进行分析，以重庆大学高工所与电工技术实验室提供的MQ型系列传感器为依托，为故障监测提供技术保障，同时对多种故障诊断方法进行分析，提出神经网络故障诊断的可行性和实用性，以及其优越性，并就自己的工作内容进行剖析。辽1程技术大学硕士学位论文断的准确率有显著的提高。14小结提出了变压器故障诊断的意义，变压器故障诊断是对设备的性能评价、合理使用、剩余寿命估计提供依据；预防和减少设备事故，根据多中监测变压器的故障中，提出以变压器油中溶解气体最有效，对国内外研究现状进行分析，以重庆大学高工所与电工技术实验室提供的MQ型系列传感器为依托，为故障监测提供技术保障，同时对多种故障诊断方法进行分析提出神经网络故障诊断的可行性和实用性，以及其优越性，并就自己的工作内容进行剖络故障诊断的可行性和实用性，以及其优越性，并就自己的工作内容进行剖析。辽宁工程技术大学硕士学位论文92变压器油中溶解气体的产生、含量与故障的关系21变压器内部故障产生气体对于大型电力变压器，目前几乎都是用油来绝缘和散热，变压器油与油中的固体有机绝缘材料、纸和纸板等，在运行电压下随运行时间的增加，因放电和热的作用会逐渐老化和分解，产生少量的各种低分子烃类及CO、C02气体，而变压器的内部绝缘故障却伴随着局部过热和局部放电现象，使油或纸或油和纸分解产生C2H6、C2H4、C2H2、H2、CO和C02等气体，当故障不太严重，产气量较少时，所产生的气体形成的气泡在油里经对流、扩散、不断地溶解于绝缘油中，当设备内部存在潜伏性过热或放电故障时，就会加快这，些气体的产生速度，当产生速率大于溶解速率时，在变压器里会有一部分气体进入气体继电器，此外发热和放电的产生程度不同，所产生的气体种类，油中溶解气体的浓度，各种气体的比例关系也不相同，而与绝缘油的种类与牌号无关，因此油中溶解气体的组分和含量在一定程度上反映出变压器绝缘老化或故障的程度，通过对油中溶解气体进行气相色谱分析，便可发现变压器内部的发热和放电性故障。然而，变压器内部故障并不限于发热和放电这两类故障，还有如螺丝松动、导体接触不良等机械类故障和油中混入导电性杂质等其它故障。这些原因无法检测出来，但是这类初始原因往往是变压器向伴随发热或放电故障发展的一个阶段，例如，内部电气触头接触不良会引起局部发热，导电杂质会引起局部放电，故障发展到发热或放电阶段便可检测出来，不管它的起始原因是什么。当固体绝缘发生故障时，cO和C02会明显增长，但目前的统计资料还得不出规律性的结论，固体绝缘在正常老化过程中，也分解CO现在还找不到它与故障时分解产生的cO的严格界限。C02含量的规律更不明显，一般要结合变压器结构特点和运行情况进行判断。由此可见，油中溶解气体的组分和含量可以作为反映电气设各电气异常的特征量。辽宁工程技术大学硕士学位论文一1022变压器油中气体的产生和溶解及正常运行时的含量221气体的产生在运行变压器内部气体形成的两个主要原因是热和电的故障，由于导体损耗加重油和固体绝缘受热分解而产生气体，油和绝缘受到电弧温度的影响也会分解产生气体，通常，分解气体的形成主要由于离子的碰撞，低能放电或电晕时有少量或没有热量产生。(1)纤维素的分解绝缘纸、绝缘纸板的主要成份是纤维素，它是由许多葡萄糖基配键连结起来的大分子，其化学通式为(C6H1005)n，具有很大的强度和弹性，机构性能良好。由于油和油浸纤维绝缘的过热或热解产生碳的氧化物(CO、C02)和一些氢或甲烷H2、CH4、C02是不可燃气体，它们产生的比率取决于温度指数和在该温度下材料的体积。由于体积效应，中等温度下，一个较大体积的绝缘材料受热将会和一个较高温度下较小体积的绝缘材料受热产生同样数量的气体。模拟试验结果表明，绝缘纸在120l50。c长期加热时，产生cO和C02且C02为主，在200800。C下热分解时除产生CO、C02外，还含有氢烃类气(CH4、C2H4)等，且C0C02比值越高，说明热点温度越高，纤维素在高温下的分解可参看表21。分解产物重量，分解产物重量，CO420水3550C021040醋酸140CH4O27丙酮007C2H4O17焦油420焦碳3959其他520表2一l纤维素在470。C时热分解的产物可见，纤维素热分解生成的气体中，碳氢化合物很少，而CO、C02很多，辽宁：程技术大学硕士学位论文一11见图21，当油纸绝缘遇电弧作用等，还会分解更多的乙炔C2H2等气体，而且同样在电弧作用下，不同材料裂解出的气体组分和相对数量也不同。图2一l纤维绝缘材料高温下的产气规律(2)油的分解矿物变压器油是许多不同碳氢化合物分子的混合物，包括烷烃、环烷烃芳香烃、烯烃等，在热或电气故障复杂情况下，这些碳氢化合物的分解过程主要是碳、氢和碳一碳链的破裂，生成活泼的氢原子和短链碳氢化合物。这些游离的原子因可相互结合生成气体H2、CH4、C2H6等等，也可化合成新的缩聚的分子，进一步的分解和重排会形成比如C2H4及C2H2这样的产物，直至生成中碳链的碳氢化合物分子。根据模拟实验的结果发生故障时油分解出的气体为：1)300800。C时，热分解产生的气体主要是低分子烷烃(CH4、C2H5)和低分子烯烃(C2H4、C3H6)也含有氢气H2；2)当绝缘油暴露于电弧中时，分解气体大部分是H2和C2H2，并有一定量的CH4、C2H4；3)发生局部放电时，绝缘油分解出的气体主要是H2和少量CH4，发生火花放电时，则还有较多的C2H2。由上可知，利用形成的气体组分浓度的相对比值，可用以推测此处的油或油纸绝缘所处的裂解条件，这就是目前在油中溶解气体色谱分析中被广泛采用的比值法的依据。222气体在油中的溶解辽宁工程技术大学硕士学位论文12油、纸等绝缘材料所产生的气体能溶解于油中，也有释放到油面上，每种气体在一定的温度，压力下达到溶解和释放的油平衡，即最终将达到溶解的饱和或接近饱和状态，油中气体溶解度可用奥斯特瓦尔德(Ostwald)系数K值表示。奥斯特瓦尔德系数定义为：。，液相中气体的浓度(Coi)K2可丽眄两丽丽即：当气、液两相达到平衡时、对某特定气体来说：Co；=墨Cgi式中：Co，在平衡条件下，溶解在油中组分的浓度PPMCv在平衡条件下，气相中组分i的浓度PPM：t组分i的奥斯特瓦尔德系数：各种气体在矿物绝缘油中的奥斯特瓦尔德系数见表22标准温度H2COC02CH4C2H2C2H4C2H6GBT17623一199850006O12O92O3910214623020005O12108O43120170240IEC60599一199950O05012100040O90140180表22各种气体在矿物绝缘油中的奥斯特瓦尔德系数ki值ki用于表示i组分气体溶于油中的溶解度，它和温度有关，溶解度低的气体如H2、cO、N2随温度上升而增加，CH4和溶解度高的C02、C2H2、C2H4、C2H6则随温度上升而下降。当变压器内部存在潜伏性故障时，若产气速率很慢则热分解产生的气体仍以气体分子形态扩散并溶解于周围油中，只要油中气体尚未达到饱和就不会有自由气体释放出来，若故障存在时间较长，油中气体已达到饱和，即会释放出自由气体，进入气体继电器中。若产气速率很高，热分解的气体除一部份溶于油中外，还会有一部份成为气泡，气泡上浮，过程中把溶于油中的氧、氮置换出来，置换过程和气泡上升速度有关，故障早期阶段，产气量少，气泡小，上升慢，与油接触时间辽宁1二程技术大学硕士学位论文一13长，置换充分，特别对于尚未被气体溶解饱和的油，气泡可能完全溶于油中，进入气体继电器内的就几乎只有空气成份和溶解度低的气体如H2、CH4而溶解度高的气体则在油中含量较高。反之，若是突发性故障，产气量大，气泡大，上升快，与油接触时间短，溶解和置换过程来不及充分进行，热分解的气体就以气泡形态进入气体继电器中，使气体继电器中积存的故障气体反比油中含量高得多，从而还可能引起报警这就是通常采用色谱分析判断故障的一个较大的局限性，捕捉不到突发性故障的痕迹，因而无能为力实施在线监测。可以在一定程度上得到改善，在监测过程中有可能观察到并非瞬间发生的故障先兆，如能在积累运行经验的基础上采取必要的措施，可以减少一部分事故的损失，当然，对于有些突发性故障，如短路引起的故障，可以在几秒钟内导致严重的绝缘击穿事故，在线监测同样无能为力作用。223正常运行时变压器油中气体含量正常运行的变压器，油中气体含量很少，主要是氧和氮，尤其可燃性气体H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO更低，占总量(TCG)的00l01之间，新油更低，正常变压器含氧量稍比空气大些为2030，但含氮量比空气少，这和变压器保护结构形式有关，氮封变压器含氧气占5左右，薄膜密封变压器要小于3，而一般开放型变压器占30左右。正常变压器油中的cO和C02分布比空气含量大一数量级，运行年限越长其数值越大，这是绝缘材料老化的象征。正常变压器可燃性气体总量为01以下，而有轻度故障的变压器在0105之间，故障变压器可燃性气体总量在05以上，所以按可燃性气体总量来判别变压器运行状态是可行的。气体组分H2CH4C2H6C2H4C2H2C1+C2【正常极限值l504535655l50表2-3正常变压器油中氢和烃类气体含量限值PPM表中总烃是指甲烷(简写为c1)、乙烷、乙烯、乙炔(简写为C2的总辽宁工程技术大学硕士学位论文14和)，用Cl+C2表示，表中限制不适用于从气体继电器的取样。设备名称气体组分体积含量(PPM)变压器总烃乙炔氢1505150表24油中溶解气体的应注意值应当指出，表中列出的“注意值”而不是“故障值”或“允许值”也就是说，“注意值”是指当气体浓度到该值时，应注意跟踪分析，查明原因，由于各种变压器的结构、材料、工艺及运行条件都有很大差异，因此根据我国19个省市6000多台次变压器测试结果而得出的“注意值”见表2-5，并非就可以判断被测变压器就有某种故障。设备名称气体组分注意值(PPM)6000台次中超过注意值所占比例变压器总烃乙炔氢1505150565736表25在表24中应注意值的统计依据经验证明，有时虽来达到“注意值”而某些气体增长很快，也应引起重视，相反，即使略有超过“注意值”，而历年来很少增长，则危险程度就小得多，因而必须考虑故障的发展趋势，即故障点(如果存在的话)的产气速率，产气速率是与故障消耗能量大小、故障部位、故障点的温度等情况直接有关的，在不考虑气体损失下产气速率按如下方法进行计算：(i)绝对产气速率每运行日产生某种气体的平均值为：乞：导一m_-(2-3)。出P。2一。式中，为绝对产气速率，mLd；Ci2为第二次取样测得油中某气体浓度，pLLCil为第一次取样测得油中某气体浓度，uLLAt为二次取样时间间隔中的实际运行时间，dm为设备总油量，t；辽宁工程技术大学硕士学位论文15P为油的密度，r矾3。变压器和电抗器绝对产气速率的注意值如表2-6所示气体组分开放式隔膜式总烃612乙炔0102氢5lO一氧化碳50100二氧化碳100200表2-6绝对产气速率的注意值(mLd)当产气速率达到注意值时，应缩短检测周期，进行追踪分析。(2)相对产气速率每运行月(m)，某种气体含量增加原有值的百分数的平均值，即按下式计算：栅，2警古枷式中，为相对产气速率，d；Ci2为第二次取样测得油中某气体浓度，LL：Cil为第一次取样测得油中某气体浓度，uLL；t为=次取样时间间隔中的实际运行时间，m。相对产气速率也可用来判断充油电气设备内部的状况。总烃的相对产起速率大于10时，应引起注意。23变压器内部故障类型与油中气体含量的关系变压器内部故障模式主要是机械的、热的和电的三种类型，而又以后两种为主，且机械性故障常以热的或电的故障形式表现出来，变压器油和固体绝缘材料在热和电磁的作用下，将产生各种气体，这些气体要溶解于油中，对油中各种气体进行分析，就可判断变压器故障，现对其故障原因与气体特辽宁工程技术大学硕士学位论文一16征进行分析。(1)热性故障产生热故障的原因有：1)导线过电流；2)铁芯局部短路，多点接地，形成环流；3)分接开关接触不良：4)接线焊接不良；5)电磁屏蔽不良，使漏磁集中：6)油道堵塞，影响散热；热性故障的气体特征：1)当固体材料局部过热时，会产生大量CO和C02，且C0C0210：2)当油局部过热时，会产生大量乙烯C2H4和甲烷CH4随着温度升高则乙烷(C2H6)和氢(H2)增加，当油严重过热时，才产生少量乙炔(C2H2)：(2)电性故障：产生电性故障的原因有：1)绕组匝间、层间、相间绝缘击穿：2)引线对地闪络或断裂；3)分接开关飞弧；电气故障产生的气体，主要是氢(H2)和乙炔(C2H2)，其次是乙烯(C2H4)和甲烷(CH4)；电气故障形成按能量大小可分为三种：即高能量的电弧放电、低能量的间隙火花放电和最低能量的局部放电。1)高能量电弧放电原因：a严重的绕组故障，如绕组短路、绝缘大面积击穿：b严重的铁芯失火，大面积铁芯短路。由于突发爆炸，能量大，时间短，气体来不及溶于油中，气流直接进入气体继电器中，可从放气嘴中取出气样化验，这种气种主要是氢气(H2)和乙炔(C2H2)；2)造成火花放电的原因有：辽宁工程技术大学硕士学位论文a引线接触不良：b不稳定的铁芯接地：C分接开关触头接触不良：d套管导电杆与引线接触不良：这种故障因能量不大所以总烃含量不高，气体主要是H2和C2H2。3)造成局部放电原因有：a冲片棱角或冲片问局部放电：b金属尖端之间局部放电：这时产生的主要气体是H2和CH4。无论哪种放电，只要有固体绝缘介入，都会产生CO、C02。(3)进水受潮：变压器受潮时，油中水份和含湿气的杂质易形成“小桥”，能引起局部放电而产生H2，水份在电场作用下的电解作用和水与铁的化学反应，也可产生大量H2，故受潮设备中H2在氢烃总量中占比更高，有时局放和受潮同时存在，且特征气体基本相同，故单靠油中气体分析结果尚难加以区分，必要时要根据外部检查和其它试验结果(如局放检测量和微水分析)加以综合判断。(4)固体绝缘材料故障分析：固体绝缘材料产生故障时，会产生CO和C02气体，正常开放式变压器的CO含量不大于003，如果总烃含量超限，而CO不超过003，可认为变压器固体绝缘材料有过热的可能，如果总烃值未超限虽CO超过003，还可认为变压器是正常的，发现C0超限时，要综合分析。(5)变压器故障类型与气体组分关系；由上可看出，变压器故障原因，类型与油中所含气体组分和数量有关系表27，给出不同的变压器故障类型和产生气体的组分关系。辽宁工程技术大学硕士学位论文18故障类型产生的主要气体组分产生的次要气体组分油过热CH4C2H4H2C2H6油和绝缘纸过热H2CH4C2H2C0C2H6C02油中有电弧12C2H2CH4C2H4C216油和绝缘纸中电弧H2C2H2C02C0CH4C2H4C2H6油中局部放电H2C2H2油和纸中局部放电H2CH4C2H2C0C2H6C02油中火花放电C2H2H2进水受潮或油中气泡H224小结表27变压器故障类型与气体组分关系本章是通过对变压器内部故障，引起油或纸或油和纸分解产生C2H6、C2H4、C2H2、H2、CO、和C02等气体，对气体的产生进行了分析，以及对产生的速率的研究，对变压器正常运行时的气体含量的分析，来掌握变压器故障类型与油中气体含量的对应关系。辽宁工程技术大学硕士学位论文193以油中特征气体组分比值诊断故障的方法根据DLT7222000导则中总结的不同故障类型产生的油中特征气体组分，只能粗略地判断充油电力变压器内部是否可能有早期的故障存在，不能确定故障的牲质和状态。因此，国内外通常以油中溶解的特征气体组分含量来诊断充油电力变压器的故障的性质。变压器油中溶解的特征气体可以反映故障点引起的周围油、纸绝缘的热分解本质。气体组分特征随着故障类型、故障能量及其涉及的绝缘材料的不同而不同，即故障点产生烃类气体的不饱和度与故障源的能量密度之间有密切关系。因此，特征气体判断法对故障性质有较强的针对性，比较直观、方便，缺点是没有明确量的概念。31故障诊断的原理变压器油中溶解的特征气体可以反映故障点引起的周围油、纸绝缘的热分解本质。气体组分特征随着故障类型、故障能量及其涉及的绝缘材料的不同而不同，因此特征气体判断法对故障性质有较强的针对性，比较直观、方便。序号故障性质特征气体的特点l一般过热性故障总烃较高，C2H2(5uLL2严重过热性故障总烃高，C2H2)5uLL，但C2H2未构成总烃的主要成分，H2含量较高。3局部放电总烃不高，H2100uLL，CH4占总烃的主要成分4火花放电总烃不高，C2H2710uLL，H2较高5电弧放电总烃高，c2H2高并构成总烃的主要成分，H2含量高表3一l判断变压器故障性质的特征气体法依表3一l所统计的结果可知：低能量的局部放电并不产生C2H2，或仅仅辽宁工程技术大学硕士学位论文一20一产生很少量的C2H2。同时，虽然每种故障产生的特征气体都有C2H2，但热故障和电故障产生的特征气体中C2H2的含量差异较大；因而可以将C2H2的含量作为区分过热和放电两种故障性质的主要指标。由于大部分过热故障，特别是出现高温热点时也会产生少量C2H2，因此不能认为凡有C2H2出现的故障，都视为放电性故障。例如：1000。C以上时，会有较多的C2H2出现，但1000。C以上的高温既可以由能量较大的放电引起，也可以由导体过热而引起；又如分接开关出现热故障时也会有C2H2产生，实际上一般只是由高温过热点产生C2H2，不应该因有C2H2而认为裸金属过热并伴有放电。H2是油中发生放电分解的特征气体，但是H2的产生又不完全由放电引起，当H2含量增大而其它组分不增加时，有可能是由于变压器进水或有气泡引起水和铁的化学反应。或在高电场强度的作用下，水或气体分子的分解或电晕作用所至。如果伴随H2含量超标，CO、C02含量较大，即是固体绝缘受潮后加速老化的结果。在充油电力变压器中，主要的绝缘材料是绝缘油和绝缘纸、纸板等，它们在运行中将受到多种因素的作用将逐渐老化，绝缘油分解产生的主要气体是氢和烃类气体，绝缘纸等固体绝缘材料分解产生的主要气体是cO和C02。因此可将CO和C02作为油纸绝缘系统中固体材料分解的特征气体。主要成分异常情况具体情况H2主导型局部放电绕组层间短路，绕组击穿；分接电弧放电开关触点间局部放电，电弧放电短路。CH4、C2H4主过热分接开关接触不良，连接部位松导型接触不良动，绝缘不良。C2H2主导型电弧放电绕组短路，分接开关切换器闪络表32特征气体中主要成分和变压器异常情况的关系32以油中气体总烃及c0、C02为特征量的故障诊断方法通过大量故障变压器色谱分析数据与故障类别的统计分析，在表31列出了油中溶解气体组分含量变化与内部故障的关系。从表3一l可知：总烃与辽宁工程技术大学硕士学位论文一21故障类型总有一定关联性；同时，设备种类、负荷状况、绝缘材料的体积及老化程度与产气速率也有很大的关系：当变压器内部故障处于早期发展阶段时，气体的产生比较缓慢，产气的速率随故障的发展而增大：变压器内绝缘纸等固体绝缘材料在运行中承受多种因素作用，将逐渐老化而分解产生的主要气体是CO和C02。因此，国内外都相继把色谱分析得到的总烃和CO、C02作为特征气体来诊断运行中变压器的故障。主要特征气体故障类型主要特征气体故障类型H2高，总烃不高，油中电晕(火花放C2H4、H2、CO、C02绝缘局部过热或CH4为总烃的主要电时总烃高)及总烃均较高固体绝缘散热不成分，有微量C2H2良C22高，总烃和高温电弧放电总烃高，H2和C2H2油中裸金属过热，H2较高，C2H2为，均较高并有电弧放电，固总烃的主要成分体绝缘损伤总烃及H2较高，向温热点甄局邵。总烃不高，局部放电但C2H2未构成总高温过熟H2100CH4占总烃的主要成分。烃主要成分表33特征气体与变压器内部故障的关系以总烃为特征量诊断故障1)根据总烃含量及产气速率诊断通常认为绝对产气速率能较好地反映出故障性质和发展程度，不论纵比(与历史数据比)、横比(与同类产品比)，均有较好的可比性。但在实际应用中往往难以得到绝对产气速率，因而多数采用相对产气速率进行分析诊断。当变压器油经过真空滤油脱气后，宜及时作好绝对产气速度率的测量，并可利用如下经验进行诊断。(1)总烃的绝对值小于注意值，总烃产气速率小于注意值。可诊断为变压器运行正常。(2)总烃大于注意值，但不超过注意值的3倍：总烃产气速率小于注意值。可诊断为变压器有故障，但发展缓慢，还可继续运行并注意观察。(3)总烃大于注意值，但不超过注意值的3倍：总烃产气速率为注意值的卜2倍。可诊断为变压器有故障，应缩短试验周期，密切注意故障发展趋势。(4)总烃大于注意值的3倍：总烃产气速率大于注意值的3倍。可诊断为变压器有严重故障，发展迅速，应立即采取必要的措施，有条件时可进行吊辽宁工程技术大学硕士学位论文一22一罩检修。同时，还应当指出，对放电性为主的变压器故障，一旦确诊，应立即停运检修，不要求进行产气速率的追踪，追踪产气速率只能适用于过热性为主的变压器故障。我国现行的DLT722-2000导则给出了绝对产气速率的注意值。同时，追踪分析时间间隔应适中，太短不便于考察：太长又无法保证变压器正常运行，一般以间隔卜3个月为宜，而且必须采用同一方法进行气体分析：在追踪产气速率期间，变压器不得停运，并且负荷应保持稳定：如果要追踪产气速率与负荷的相互关系时，可有计划地改变负荷进行追踪分析：为便于分析和判断，新投入运行的变压器应有投运前的色谱分析测试数据。实际上，对于220kV及以上的所有变压器、容量在120MVA及以上的发电厂主变压器，在投运后的1，10，30天(500kV变压器应在投运l天后增加1次)均要进行色谱分析，并记录分析结果。以CO，C02为特征量诊断故障当大型变压器发生低温过热性故障时，因温度不高，往往油的分解不剧烈，烃类气体含量并不高，而cO和C02含量变化却较大。因此，可用cO和c0的产气速率和绝对值来诊断变压器固体绝缘老化状况，若再以油的糠醛分析相配合，完全可能发现一些绝缘老化、低温过热故障。例如，一台1981年9月投入运行的SFPS7240000220型升压变压器，正常运行时的负荷率为90左右，上层油温一般不超过70。c。投运以来的糠醛分析结果列于表34中。根据糠醛分析，变压器绝缘有老化现象。1992年又进行油中溶解气体的色谱分析(表35)。年份1988198919901991糠醛(mgL)16714l138179表34糠醛分析结果时间H2CH4C2H6C2H4C2H2C1十C2COC021992424O27824430O无8221589526395生月5339365315393无10722412047201月辽宁工程技术大学硕士学位论文一23表35色谱分析结果(uLL)我国现行DLT7222000导则指出，当故障涉及到固体绝缘时，会引起CO和C02含量的明显增长，但固体绝缘正常老化过程与故障情况下的劣化分解相比，油中CO和C02的含量一般没有严格界限，规律也不明显。其原因主要是经泄漏而进入变压器油中被吸收的C02，固体绝缘老化及油的长期氧化形成CO和C02的基值过高。因此，IEC导则和我国DLT7222000导则以油中C02和cO的比值为参考量诊断变压器固体绝缘老化引起的故障。33以三比值法诊断变压器内部故障的原理及方法大量的实践证明，采用特征气体怯结合可燃性气体含量法，可做出对，故障性质的判断，但还必须找出故障产气组分含量的相对比值与故障点温度或电场力的依赖关系及其变化规律。为此，人们在用特征气体法等进行充油电气设备故障诊断的过程中，经不断的总结和改良，国际电工委员会(IEC)在热力动力学原理和实践的基础上，相继推荐出了三比值法及改良三比值法。我国现行的DLT7222000导则推荐的也是改良的三比值法。三比值法的原理通过大量的研究证明，充油电气设备的故障诊断也不能只依赖于油中溶解气体的组分含量，而应取决于气体的相对含量：通过绝缘油的热力学研究结果表明，随着故障点温度的升高，变压器油裂解产生烃类气体按CH4一C2H6一C2H4一C2H2的顺序推移，并且H2是低温时由局部放电的离子碰撞游离所产生。基于上述观点，产生了以CH4H2，C2H6CH4，C2H4C2H6，C2H2C2H4的四比值法。由于在四比值法中C2H6CH4的比值只能有限地反映热分解的温度范围，于是IEc将其删去而推荐采用三比值法。随后，在人们大量应用三比值法的基础上，IEC对与编码相应的比值范围、编码组合及故障类别进行了改良，得到了目前推荐的改良三比值法(以下简称三比值法)。由此可见，三比值法的原理是：根据充油电气设备内油、纸绝缘在故障下裂解产生气体组分含量的相对浓度与温度的相互依赖关系，从五种特征气体中选用两种溶解度和扩散系相近的气体组分组成三对比值，以不同的编码表示：根据表36的编码规则和表37的故障类型判断分法作为诊断故障性辽宁：程技术大学硕士学位论文24质的依据。这种方法消除了油的体积效应影响，是判断充油电气设备故障类型的主要方法，并可以得出对故障状态较可靠的诊断。比值范围的编码气体的比值范围C2H2c2H4CH4：H2C2H4c2H6700oC)0，10，1，2火花放电引线对电位未固定的部件之2火花放电间的油中火花放电，或悬浮电2O，l，2兼过热位之间火花放电等。0，l0，l，