（农业电气化与自动化专业论文）基于labview平台变压器故障状态监测系统开发与研究.pdf

摘要 基于l a b v le w 平台变压器故障状态监测系统开发与研究 摘要 本文主要研究了电力变压器状态监测与故障诊断的现状以 及存在的问题，利用d g a ( 油中溶解气体色谱分析法) 诊断变压器 故障是一种早期潜在性故障分析，两次分析之间的故障不能确 定；局部放电监测虽然对放电信号能进行实时监测，但由于现场 的干扰复杂，有时对故障的性质和严重程度难以判断，从而提出 了结合油气量和电气量两个方面对变压器故障状态进行监测。通 过油气量在线监测，判断其故障类型和性质；通过电气量在线监 测，对变压器故障进一步确诊和定位。利用l a b v i e w 平台设计电 力变压器状态监测数据处理系统，提出了相应的诊断流程和综合 故障诊断模型。最后，在数据采集方面给出了初步的设计方案。 全文的主要内容有： 1 分析了d g a 电力变压器状态检测的现状，结合l a b v i e w 平台，设计电力变压器d g a 故障诊断的系统。 2 研究目前利用局部放电对电力变压器状态进行监测的现 状，结合l a b v i 酬平台，设计局放信号数字滤波处理系统。 。 3 基于变压器运行电气量建立绕组参数在线辨识模型，通过 对绕组参数在线监测判断绕组故障及其严重程度，为变压器状态 监测提供了有效的状态监测量，提高电力变压器故障诊断的准确 性。 4 电力变压器故障在线监测数据处理系统以及数据采集设 计方案的介绍。 关键词：l a b v i e w ；变压器；故障状态监测 a b s t r a c t r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h es t a t em o n i t o r i n g s y s t e mo ft r a n s f o r m e rf a u l tb a so nl a b v i e w a b s t r a c t t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ec u r r e n ts t a t e sa n dt h ep r o b l e m so ft h e t r a n s f o r m e rc o n d i t i o n m o n i t o r i n g a n d d i a g n o s i s f a u l t w i t ht h e a p p l i c a t i o no f d g a t h ee s t i m a t i o no f t h ef a u l to f t r a n s f o r m e ri sak i n do f p o t e n t i a l f a u l t a n a l y s i s a tt h eb e g i n n i n g p ds i g n a l m o n i t o r i n gc a n m o n i t o rt h ed i s c h a r g i n gs i g n a lb u tc a n tb ec a r r i e do u te a s i l ya n d d i a g n o s e dt h et y p ea n dd e g r e eo ff a u l t sf o rt h ec o n s t a n ti n f l u e n c eo f c i r c u m s t a n c e s oam e t h o dt h a tc o m b i n e st h eo i l g a sa n de l e c t r i c q u a n t i t i e s t om o n i t o rt h et r a n s f o r m e ri s p r e s e n t e d u s i n g o n - l i n e m o n i t o r i n go fo i l g a st h ef a u l tt y p ei sc o n f i r m e d t h ef a u l t c a r lb e n o t a r i z e da n dl o c a t e dw i t ho n l i n ee l e c t r i cq u a n t i t i e s w i t hl a b v i e wa f a u l td i a g n o s i ss y s t e ma n dc o r r e s p o n d i n gd i a g n o s i sf l o wa r ep r o p o s e d f i n a l l yap r o j e c to fd a t aa c q u i s i t i o ni sp u tf o r w a r d t h et h e s i sc o n s i s t so f t h ef o l l o w i n gp a r t s ： ， 1 t h es y s t e mo fo i l g a sd a t ap r o c e s s i n gi s p r e s e n t e dw i t hl a b v i e w a f t e ra n a l y z i n gt h ec u r r e n ts t a t e so ft r a n s f o r m e rm o n i t o r i n gb a s eo n d g a 一 2 s e a r c ht h es t a t e so fp a r t i a ld i s c h a r g eo n - l i n em o n i t o r i n gi np o w e r t r a n s f o r m e r t h es y s t e mo f d i g i t a lf i l t e ro np a r t i a ld i s c h a r g ei sp r o p o s e d w i t ht h ea d o p t i o no fd i f f e r e n td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u ef o r s u p p r e s s i n gd i f f e r e n ti n t e r f e r e n c ea n dp i c k i n gu pt h ep ds i g n a l 3 w i t ht h ee l e c t r i cq u a n t i t i e so f t r a n s f o r m e ri t sw i n d i n g sp a r a m e t e r sc a n b eo n - l i n ee s t i m a t e da n dj u d g ew h e t h e ro c c u r r i n gf a u l to n w i n d i n g sa n d t h e d e g r e eo ff a u l t s c a nb ej u d g e d t h e na ne f f e c t i v ec o n d i t i o n m o n i t o r i n gq u a n t i t yi sp r o v i d e ds ot h a tt h ea c c u r a c yo fd i a g n o s i n gt h e t r a n s f o r m e rf a u l tw i l lb ee n h a n c e d a b s t t a c t - - _ - _ _ _ _ 。- - _ _ _ _ _ _ _ _ - - 。_ _ - _ _ - - 。_ _ - 。- - _ 。_ 。_ 。- 。_ - _ 。_ 。 4 t h i sp a p e ra l s op r o v i d e st h er e a l i z a t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo n t h ed a t aa c q u i s i t i o n k e y w o r d s ：l a b v i e w ；p o w e rt r a n s f o r m e r ；f a u l tc o n d i t i o nm o n i t o r i n g i i l 擎箩 n 鼍 v 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解广西大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 广西大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中包 括：( 1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文；( 2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆、资 料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏览部分内 容。 本人保证遵守上述规定。 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 第1 章绪论 第一章绪论 1 1大型变压器状态监测与故障诊断的意义 近年来，随着大型变压器制造容量和电压等级不断提高，变压器能否安 全运行直接影响到系统的安全稳定。因此，人们对变压器的可靠性要求也越来 越高。对于运行部门人们更加关注变压器状态运行维护。传统的定期维修及预 规试验，对多数完好设备而言，不仅直接造成人力物力浪费，而且这种过度维 修还可能引入新的故障隐患；同时还存在可能因一些产品性能缺陷包括绝缘缺 陷未能得到及时发现检修而发展成严重故障的可能。因此，变压器的实时维护 直接关系到电网的安全运行，生产单位经济效益。在线监测是设备状态维护的 前提和基础，通过在线监测，在不影响设备运行的前提下提取各种状态参数信 息，根据在线监测数据分析诊断其绝缘状况，识别故障类型和程度，制订实时 维修策略，确定设备退出运行的最佳时间。 另一方面，我国电网中运行的变压器尚有一批已接近或超过3 0 年，绝缘寿 命已进入晚期，对这类大型关键变压器，尤其需要能做到故障早期报警，以便 有效及时地采取措施并进行检修维护，防止故障发生、发展和扩大，以避免突 发性事故的发生。 在当前我国大力发展电力生产和己有设备日趋老化的具体情况下，大型变 压器的状态监测系统具有相当广阔的市场前景。人们结合变压器的结构参数、 运行工况和环境因素，研究了各种状态监测和故障诊断的方法和技术手段，以 期对可能发生的故障进行预测，对已经发生的故障确定其故障的性质、类型和 严重程度目前局部放电试验( p a t r i m o n i a ld i s c h a r g e ) 和油中溶解气体分析 ( d i s s o l v e do a sa n a l y s i s 简称d g a ) 以及绝缘油的特性试验等，在变压器状念监 测中得到广泛的研究和应用。这些方法和技术对于发现变压器的早期故障或故 障趋势，防止事故发生起着很重要作用。虽然变压器的状态检测与故障诊断技 术已经取得了一定的进展，但还不能很好地满足实际送变电安全的需要，因此， 利用现代科技发展的最新成果，进一步研究丌发大型变压器的状态监测技术与 系统，保证变压器以及电网的长期、安全、可靠、高效运行，具有重要的意义。 第1 章绪论 1 2 目前国内外研究现状 国外对电气设备状态监测的研究，始于6 0 年代，但直到7 0 8 0 年代， 随着传感器、计算机、光纤等高新技术的发展与应用，设备在线诊断技术才真 正得到迅速发展。 。 国外以大型变压器状态监测为内容的机构，其中如c i g r e ( i n t e m a t i o n a l c o u n c i lo nl a r g ee l e c t r i cs y s t e m s ) ，i e e et r a n s f o r m e rc o m m i t t e e ，国际电工与电 子标准化组织变压器委员会等。g i g r e 是一个非赢利的民间组织，成立于1 9 2 1 年，总部设在法国，有一个负责变压器的专门委员会( s c l 2 - t h ea i mo ft h e t r a n s f o r m e rc o m m i t t e e ) 。 加拿大s y p r o t e c 公司于1 9 7 4 年推出h y d r a n 2 0 1 r 型在线变压器故障 监测系统。该系统是国际上最早变压器故障在线监测系统，其原理是油中溶解 气体可选择性地经渗透膜进入电化学传感器，与空气中的氧气发生化学反应产 生一个与反应速率成反比的电信号，从而测出其浓度，其后该公司又在h 2 0 1 r 的基础上开发出智能型的h 2 0 1 i 系统。加拿大m e q 公司研制了包括电信号和油 中气体组分监测两部分组成的监测系统。美国t r u eg a s 公司研制的变压器油中 气体组分监测装置，其监测效果反映良好日本东京电力公司，东芝公司等研 制了电脉冲和超声波两种检测方法的自动在线局部放电监测系统“1 。 我国6 0 年代就提出了不少带电试验的方法，8 0 年代以来，随着高新技术的 发展，电气设备在线诊断技术也得到了迅猛发展早期的电气设备在线监测系统 经现场试用考验，出现长期运行稳定性较差，寿命短，维护工作量大等问题。 但这些研究成果为近二十年来持续研究变压器状态在线监测课题，提供了有益 的经验。 目前，基于油中溶解气体在线检测技术逐渐成熟。如电科院研制的氢气在 线监测装置。北京理工大的t r a n b 型在线监测仪可以检测油中h e 、c o 、c 2 h 2 、 c 2 h 4 等组分。中分3 0 0 0 色谱在线测试系统，可以监测油中h 2 、c h 4 、c 2 h e 、c 2 h a 、 c 2 h 6 、c o 、c 0 2 等七组分。该装置采用吹扫一集脱气技术进行油气分离，油中 + 气体经过反复萃取，1 5 m i n 即可完成自动进油，脱气、并将样品迅速吹扫到色谱 柱中进行色谱分析的全过程。实质上该装置也是传统的实验室色谱分析仪的微 缩。重庆大学研制的b s z 3 w 型变压器油中六种溶解气体在线监测装置，已在 多个变电站应用嘲。 电一声联合定位法以局部放电的电脉冲作为触发基准信号，同时记录电脉 2 第1 章绪论 冲信号和多路超声信号，以电信号与各超声波信号的时差作为局部放电点到达 各传感器的传播时日j ，根掘方程组算得放f 乜位置。 对于故障诊断技术的研究，我国和国际上是同步发展的，处于相同的水平。 目前，在变压器故障诊断中应用较多的是传统的油中溶解气体分析法( d g a ) ，即 通过对变压器油中溶解气体的分析来判断变压器存在的故障。国内外众多专家 对d g a 方法的研究取得了许多有价值的成果，形成了一些实用性算法，如i e c 推荐的三比值法、r o g e r s 法、d o m e r b u r g 法等。它们的共同特点是对变压器油中 溶解的h 2 、c h 4 、c 2 u s 、c 2 h 4 、c 2 h 6 、c o 、c 0 2 的比值进行编码，然后由相应 的编码查出对应的故障。 为了弥补这些方法存在的“编码盲点”问题，一些学者又在这些方法的基 ， 础上，引入专家系统、人工神经网络、模糊数学、进化遗传算法等方法来对变 压器故障进行判别，取得了一定的进展。专家系统在解决难以建立数学模型， 较多依赖专家经验知识的问题有独特的优势。文献 3 提出了一种变压器故障诊， 断专家系统知识库形成的粗糙集方法，以解决专家系统较难获取完备知识的瓶。 颈问题。文献 4 介绍了专家系统作为一种先进技术在变压器油状态监测中的应 用，阐述了专家系统的结构、性能及特点，说明了该系统实现部分的各模块功。 能。人工神经网络是模拟人脑组织和人类认知过程的信息处理系统，具有强大 的自学能力和数据处理功能，能映射高度非线性的输入、输出关系文献 5 介 绍了自组织神经网络在变压器故障诊断中的应用；文献 6 采用了进化神经网络。 用于变压器故障诊断，进化网络能自动调整网络参数以达到最优；文献 7 指出 具有单隐层的神经网络分析最优，它具有最小运算量，同时完全满足故障现象 和故障原因之间的非线性映射；文献 8 提出了一种既能利用粗糙集理论对大量 数据的分析挖掘，又能发挥神经网络的精确分类和学习能力的变压器故障诊断 方法。模糊理论主要模仿人脑的逻辑思维，具有较强的结构性知识表达能力， 能将不确定性知识和定性知识转化为定量表示。文献 9 采用模糊逻辑技术束解 决三比值等方法只能判断一种故障，而不能判断多种故障并存的情况；文献 1 0 迸一步采用模糊逻辑方法编制了基于油色谱分析进行诊断的程序；文献 1 1 研 究了反映变压器固体绝缘和裸金属故障部位的特征量，利用模糊数学原理进行 故障点部位综合诊断。 其中最重要也最主要的是以基于b p 算法的神经网络理论，事实上有许多征 对b p 算法不足通过改良的神经网络和模糊诊断技术o ”、专家系统理论“”、模糊 第1 章绪论 数学理论“”以及综合各种理论的改良方法对于即基于d g a 的在线系统也有许多 探讨；变压器寿命分析是变压器状态监测的另一个重要的方面。 ， 其它一些利用d g a 结果分析变压器故障的方法在现场也得到了广泛的应 用，如以c 8 4 、c 2 h 4 、c 2 h 2 三组分相对含量为基础的三角图形法；以h 2 、c h 4 、 c 2 h 6 、c 2 h 4 和c 2 h 2 相对浓度比为基础的气体主导型图法等。文献 1 4 通过对实 际变压器油中溶解气体的分析研究提出了用“无编码比值法”分析和判断变压 器故障性质的诊断方法。该方法用某些气体的含量和他们之问的相互比值来鉴 别变压器中存在的不同类型的故障，不需要对比编码，而直接由两个比值确定 一个故障性质，使分析判断方法大为简化，可操作性强。文献 1 6 中通过对充 油电力变压器产氢气机理的分析，根据油中溶解的不同气体组分之间的伴生增 长情况，提出了一种动态识别氢气主导型故障的方法。该方法克服了以往静态 分析方法受故障累积效应及测量误差等因素的影响，大大提高了对该类故障诊 断的准确度。文献 t 7 3 详细地分析了变压器的过热故障，说明应用气体图示法 和比值能够对故障性质做出判断导出了油中气体的产气速率对变压器的负荷电 流或电源电压的依赖关系，由此能对变压器过热故障的部位判断提供依据。 随着网络的逐渐普及，大型变压器状态监测与故障诊断也日渐向远程故障 诊断方向发展。1 9 9 7 年1 月，基于因特网的首届工业远程诊断研讨会由美国斯 坦福大学和麻省理工学院联合主办，有3 0 家公司和研究机构参加了研讨会，并 很快建立了一个限于合作者之间的远程诊断示范系统。另外许多国际组织和公 司也纷纷通过网络进行设备故障诊断咨询和技术推广工作，并制定了一些信息 交换格式和标准n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司在其虚拟仪器产品中增加了与因特网 连接的接口，可以通过w w w ，e m a i l ，f t p 方式发送测试信息，实现了远程 的设备状态监测与诊断。远程诊断在电力设备的应用研究目前在国内刚开始。 如西南交通大学的童晓阳等人提出了用w e b 技术来实现“”；山东电力研究院辜 超等人开发了基于i n t e m e t 的远程变压器专家系统软件；清华大学的何航卫等人 通过在现有的系统基础上加入网络通讯组件来实现远程诊断。 1 3目前电力变压器在线故障监测诊断系统存在的问题 1 ) 油气在线分离系统是d a g 在线监测系统面临的一个关键技术问题。一 般的检测装置只能检测到的气体组分很少如h 2 ，c o ，而不能测量特征气体全组 4 第1 章绪论 分，不能完全代替实验室的色谱分析。多组分气体检测装置存在价格昂贵，长 期运行稳定性差，安装维护工作量大等问题。 2 ) 使用在线油色谱分析仪，在线监视油中气体含量的变化，该诊断系统根 据在线气相色谱分析数据进行综合分析，可以更好地进行故障诊断分析，提高 状态检测的准确性，其重要性是其它试验不可代替的。但此法只能定性地发现 变压器内部的异常，同时也是一种事后故障分析诊断，因为产生的气体溶解到 油中达到饱和需要一个时间过程。也不能定量地判断故障具体部位和程度。 3 ) 局放检测装置中传感器的特性是在线监测的关键。目| j 大量采用罗可斯 基线圈传感器，为了追求小信号大灵敏度多采用软磁芯，其磁性易受外界条件 ( 如温度、压力、冲击) 的影响，甚至因被测信号的大小不同也会影响到传感器 自身的角差。所以研制高精度、高稳定、零角差的传感器仍是一个重要的研究 课题。 4 ) 干扰问题一直是影响在线监测系统安全可靠运行的重要因素。由于高压 变电站复杂的电磁干扰环境，使微弱信号的检测( 如局部放电) 难度增加。在已， 开发的变压器局放在线测量装置中，大多采用宽带检测系统获取局放信息，人 们在硬件上采取了许多抑制干扰的措施，但在实际应用中效果不佳，现场环境 中局放信号的提取较为困难，由于局部放电是窄脉冲信号，频谱范围很宽，丽 外部的电晕放电、电弧放电等干扰脉冲信号，其特征与变压器内部局部放电信 号相似，且这些脉冲型干扰和连续的周期型干扰以及白噪声可能比内部放电信 号强得多，干扰有时比局放脉冲信号强2 3 个数量级，在线情况下提取局放信 号较为困难。因此，如何有效地识别和抑制干扰，获得可靠局放信号就成为局 放在线监测中的重要研究课题。近年来，随着计算机技术及数字信号处理技术 的发展，人们广泛采取软件抗干扰技术进行处理，比如相关分析法，干扰自适 应抑制法、傅立叶变换等时频域的分析方法，近年来发展起来的小波分析因其 具有的多分辨率特性，更适合于处理具有瞬态突变特性的信号，在故障诊断技 术中有很大的应用前景。 5 ) 测量精度影响基于变压器运行电气特征量对故障的分析。目i j 变压器的 电压、电流信号大多是从p t 、c t 的二次侧抽取，其自身的精度以及饱和特性是 测量误差的主要来源。这些因素使得基于变压器运行时的电压、电流电气量对 绕组状态( 变压器阻抗保护) 进行在线监测的精度降低。而电气量理想状态时 是变压器绕组状态的直接反映，如绕组的有功和无功损耗以及变压器的附加损 第1 章绪论 耗。在变压器离线常规试验中，这些电气量是对变压器故障确诊的基本试验。 6 ) 故障模型难以用准确的数学模型加以描述，同时缺乏在线积累运行经验 和建立专家系统和报警值以及相应的监测标准。由于目前运行经验缺乏，所以 往往使报警阈值无法确定，如同预防性试验标准的制定，需要不断总结运行经 验。 。 7 ) 电气特征量和非电气特征量相关性问题。由于电力变压器故障的多样 性，再加上引发这些故障的原因非常复杂且不明显，使得要准确地判断电力变 压器故障性质及故障发生部位变得相当困难。因此，充分利用交压器运行电气 特征量和非电气特征量来对变压器故障进行诊断，可以得到更为详尽的故障信 息。 总之，电力变压器故障监测和诊断系统是个复杂的问题，需要系统丌发者 和现场工程技术人员积累经验知识，结合在线的、离线的多种检测手段，对变 压器运行状况进行综合分析，判断其运行状况、故障类型、故障可能部位，并 做出合适的建议。虚拟仪器是当前测控领域的技术热点，它代表了未来仪器技 术的发展方向，而l a b v i e w 是世界上最优秀的虚拟仪器开发平台。虚拟仪器技 术用于电力设备状态监测，不但可以实现传统仪器的功能，而且还具有智能化 的用户交互界面、灵活的扩展性和方便快捷的常用功能“州”，其使用者是各个 领域的工程技术人员。本文正是基于这一思想提出利用l a b v i e w 平台开发一个 面向工程技术人员的变压器状态监测系统。 ， 1 4 课题研究的主要内容 。 根据国内外关于大型变压器故障监测与诊断研究的现状与发展趋势，提出 了结合油气量和电气量两部分的电力变压器故障状态监测的方法。本论文基于 虚拟仪器技术，利用l a b v i e w 平台开发一套变压器状态监测系统。主要的研究 内容包括： ( 1 ) 在已有的标准基础上，进行溶解气体的成份、气体含量及其产生速率 分析，建立变压器故障的油中溶解气体特征库。 ( 2 ) 在前人对变压器局部放电研究的基础上，根据分层处理的思路，研究 了针对各种不同干扰信号的数字处理方法，结合l a b v i e w 系统强大得到数字信 号处理分析功能，比较分析了各种方法的优劣，从中选取最优滤波方法，实现 6 第l 章绪论 从强电磁干扰中提取局部放电信号的任务。 ( 3 ) 系统辨识是一门新学科，变压器的输入输出为实时状态量，如果能通 过在线辨识绕组的参数，将充实变压器状态信息，提高故障诊断率。基于这一 思想，本监测系统初步设计了双绕组变压器绕组参数在线辨识系统。 ( 4 ) 在变压器故障诊断中引入变压器的原始资料，如变压器的容量、电压 等级、型号、投运时间以及维修使用情况等，同时加强历史原始资料( 预防性 试、检修常规试验记录) 的管理，很大程度上有益于对故障严重程度、故障发 展趋势的判断和推理。 本课题以机理研究为基础，以系统开发为手段以求建立一个多信息处理的 变压器状态监测平台。利用实际数据对运行变压器进行应用研究，条件成熟时， 对整个系统进行实验研究，逐渐完善本系统的功能和性能。 7 第2 章电力变压器油气故障分析系统 第二章电力变压器油气故障分析系统 2 1变压器内部故障类型与油中气体含量的关系 变压器的内部故障，就其故障现象来看，主要有热性故障和电性故障。至 于机械故障，除运输不慎受震，使某些紧固件松动，线圈位移或引线损伤等之 外，也可能由于电应力的作用，如过励磁震动而造成，但最终仍将以热性故障 形式表现出来o ”变压器内部进水受潮也是一种内部潜伏性故障，除非早期发 现，否则最终也会发展成电性故障，甚至造成事故。 据统计，在2 5 9 台故障变压器中，过热性故障为2 2 6 台，占故障台数的6 3 ； 高能放电故障为6 5 台，占故障台数的1 8 1 ；过热兼高能放电故障为3 6 台，占 故障台数的1 0 ；火花放电故障为2 5 台，占故障台数的7 ；其余7 台为受潮 或局部放电故障，占故障台数的1 9 。 l 、热性故障 在过热性故障中，属于分接开关接触不良而引起的热性故障约占5 0 ，铁 芯多点接地和局部短路或漏磁环流所引起的过热性故障约占3 3 ；导线过热和 接头不良或紧固件松动引起的过热故障占1 4 4 ；其余2 2 则为局部油道堵塞， 导致局部散热不良而造成的热性故障。 热性故障是由于有效热应力所造成的绝缘加速劣化，具有中等水平的能量 的密度，如果热应力只引起热源处绝缘油分解时，所产生的特征气体主要是甲 烷和乙烯二者之和一般占烃的8 0 以上，而且随着故障点的温度升高，乙烯所 占的比例将增加。 通常热性故障是不产生乙炔，一般低于5 0 0 的过热时，c 2 h 2 的含量不会超 过总烃的2 ，而严重过热时，c 2 1 t 2 的最大含量也不超过烃总量的6 。当过热 涉及固体绝缘材料时，除产生上述气体外，还产生大量的一氧化碳和二氧化碳。 2 、电性故障 电性故障时在高电应力作用下所造成的绝缘劣化，由于能量的密度不同， 而分高能放电，低能放电，亦即火花放电和局部放电等不同的故障类型。高能 放电将导致绝缘电弧击穿。火花放电是一种间歇性放电。局部放电的能量密度 最低，并常常发生在气隙和悬浮带电体的空间内。 8 第2 章电力变压器油气故障分析系统 ( 1 ) 电弧放电以线圈匝、层间绝缘击穿为多见，其次为引线断裂或对地闪 烙和分族开关飞弧等故障。这种故障产气急剧，产气量大，尤其足匝层问绝缘 故障，因无先兆现象，一般难以预测，最终以突发性故障暴露出来，其故障特 征气体主要是乙炔和氢气，其次是大量的乙烯和甲烷。因为这种故障发展速度 很快，往往气体来不及溶于油中就释放到气体继电器内，所以实际测定到的油 中气体含量往往与故障点的位置，油流速度和故障的持续时间有很大关系。乙 炔一般占总烃量的2 0 7 0 ，氢占氢烃总量的3 0 9 0 ，且在绝大多数情况 下，乙烯含量高于甲烷。 ( 2 ) 火花放电常见于如下情况：1 ) 引线或套管储油柜对电位未固定的套 管放电；2 ) 引线局部接触不良或铁芯接地片接触不良而引起的放电；3 ) 分接 开关操作杆电位悬浮而引起的放电等。其特征气体也是以乙炔和氢气为主，但 因故障能量小，一般烃总量不太高。油中溶解的乙炔在烃总量中的比例可达 2 5 9 0 ，乙烯含量约占烃总量的2 0 以下，氢气亦占氢烃总量的3 0 以上。 ( 3 ) 局部放电产生气体的特征，主要依据放电能量的密度不同而不同，一 般烃总量不高，其主要成分是氢气，其次是甲烷。通常氢气占氢烃的总量9 0 以上，甲烷与烃总量之比大于9 0 ，当放电能量密度增高时也可出现乙炔，但 乙炔在烃总量中的比例一般不超过2 ，这是与上述两种放电现象区别的主要标 志。 3 、受潮 当变压器内部进水受潮式，油中水分和含湿杂质易形成“小桥”或绝缘中 含有气隙均能引起局部放电，而产生氢气，还因为水分在电场的作用下的电解 作用和水与铁的化学反应，也可产生大量的氢气。因此，进水受潮的设备里， 氢气含量在氢总量中所占的比例更高，由于变压器正常劣化时也产生少量的甲 烷，所以受潮的变压器油中，也有甲烷，但比例有所下降。 局部放电和受潮两种异常现象有时同时存在，且特征气体基本相同，因此， 目前从油中气体分析结果还很难加以区分，应根据外部检查和其它试验结果综 合判定，如局部放电。变压器不同的故障类型产生的主要和次要气体组分如表 2 1 所示。 9 第2 章电力变压器油气故障分析系统 。 表2 1 不同类型故障产生的气体组分 t a b 2 - 10 1 一g a sc o m p o n e n t su n d e rd i f f e r e n tf a u lt s 故障主要气体次要气体故障 主要气体 类型组分组分类型组分 次要气体组分 油中 c h 4 ，c 2 h 4 、 油过热 c h 4 、c 2 h i 1 2 、c 2 h 6c 2 h 2 、h 2 电弧 c 2 h 6 油和纸 c h t 、c 2 h 4 、 油和纸 c 2 h 2 、h 2 、 c h 4 、c 2 h 4 ， 过热c 0 、c 0 2 h 2 ，c 2 h 6 中电弧c o 、c 0 2 c 2 h 6 油纸中油纸中 局部放h 2 、c h 4 、c oc 2 h 6 、c 0 2局部放h 2 电电 油中火 受潮或 花放电 c 2 h 2 、h 2 ， 油中气 泡 2 2g a s 故障诊断步骤 2 2 1 诊断流程 油中溶解气体分析的目的是7 解设备的现状，了解发生异常和故障的原因， 预测设备未来的状态，以便将设备维修方式由传统的定期预防性维护，改革为 设备状态检测维修，即预知维修。因此，通过油中溶解气体分析来检测设备内 部潜伏性故障，了解故障发生的原因，不断地掌握故障的发展趋势，提供故障 严重程度的信息，即时报警，作为编制合理维护措施的重要依据，是油中气体 分析的主要任务。g a s 故障诊断步骤如图2 1 所示： 1 、判定有无故障； 2 、判定故障类型：如过热，电弧、火花放电和局部放电等； 。 + 3 、诊断故障的状况：如热点温度、故障功率、严重程度、发展趋势； ，4 、提出相应的反事故对策：如能否继续运行，继续运行期间的技术安全措 施和监测手段，或是否需要内部检查维修等。 l o 第2 章电力变压器油气故障分析系统 图2 1g a s 故障诊断流程 f i g 2 1f l o wc h a r to fg a sf a u l td i a g n o s i s 2 2 2 有无故障的判断 d l t 7 2 2 - - - 2 0 0 0 根据全国各地统计分析结果，对出厂和新投运的变压器和 电抗器提出要求为：出厂试验前后的两次分析结果不应有明显的区别。规定了 各种运行设备内部油中溶解气体含量注意值如表2 2 所示。 某些非故障原因也会使设备油中存在一定量的特征气体，有时这种非故障 原因所产生的特征气体浓度甚至远远大于表2 - 2 所示的注意值。因此，判定设备 内部有无故障时，应特别注意防止这些非故障气体的干扰而造成错误判定。首 先应将油中溶解气体分析结果的几项主要指标( 总烃、甲烷、乙炔、氢) 与表 2 - 2 所列的注意值作比较。但此推荐标准只是指导性的，最终判定有无故障还应 跟踪分析，考察特征气体的增长速率。1 。有时即使特征气体低于注意值，但突然 增长，仍应跟踪分析。有时设备因某种原因使气体含量基值较高，超过注意值， 也不能立即判定有故障存在，而必须与历史数据比较。如果增长速率低于产气 注意值，仍可认为是正常设备 第2 章电力变压器油气故障分析系统 表2 - 2d l t 7 2 2 2 0 0 0 推荐变压器油中溶解气体浓度注意值 t a b 2 - 2a d v e r t e n tv a l u eo fo i l 一g a sc o n c e n t r a t i o nr e c o m m e n db yd l t 7 2 2 - - 2 0 0 0 含 量( p l ) 出厂或新 设备气体组分 3 3 0 k v 以上2 2 0 k v 以上投运时 总烃 1 5 01 5 0 2 1 0 乙炔 15o 变压器氢气 1 5 0 1 5 0 o 1ol o 0 1 l l0o 1 一 所有的窄带信号( 系统高次谐波，载波通讯、无线电通讯和高频保护) 、线 路和绝缘子电晕放电、其他电器设备内部放电、开关设备动作产生的脉冲性放 电或各种冲击波( 雷电波、操作波) 产生的高频电流脉冲等主要通过高压线路以传 导方式进入变压器。 ( 2 ) 可控硅整流、换流器和静止无功补偿器中的电力电子器件动作等引起的 强大的周期性脉冲干扰和电弧炉等产生的随机噪声和脉冲干扰主要从变压器的 低压侧以传导的方式引入。 ( 3 ) 可控硅或其它开关类器件动作产生的脉冲信号、各种电机产生的电弧放 电及配电线路中存在的大量随机噪声等通过风机、潜油泵和变压器控制柜的动 力电缆或各种信号电缆以电容耦合或直接传导引入。这些干扰统称为由变压器 配电线路引入的二次干扰。 ( 4 ) 当变压器多点接地时，各接地线构成环形天线，耦合引入各种空间干扰、 地网干扰等。 深入了解干扰进入电力设备的途径，对于选择最佳的监测点具有较大的参 考价值，对某些干扰也可通过切断干扰途径来抑制嘲当然对绝大多数干扰来 1 6 第3 章局部放电信号处理系统 说，仍主要靠有效的抗干扰措施来抑制。局部放电测量中的干扰信号是多种多 样的，按频带可分为窄带干扰和宽带干扰伪种，向按其时域波形特征通常可分 为连续的周期性干扰、脉冲型干扰和白噪声三类。 连续的周期性干扰包括： ( 1 ) 电力系统载波通讯和高频保护信号引起的干扰i ( 2 ) 无线电干扰。此类干扰的波形通常是高频正弦波，有固定的谐振频率和频 带宽度。 脉冲型干扰信号包括： ( 1 ) 供电线路或高压端的电晕放电； ( 2 ) 电网中的开关、可控硅整流设备闭合或开断引起的脉冲干扰； ( 3 ) 电力系统中其它非检测设备放电引起的干扰； ( 4 ) 试验线路或邻近处的接地不良引起的干扰； ( 5 ) 浮动电位物体放电引起的干扰； ( 6 ) 设备的本机噪声和其它的随机干扰。此类干扰在时域上是持续时间很短的 尖冲信号，而在频域上是包含多种频率成分的宽带信号，具有与局部放电信号 相似的时域和频域特征 一 。 白噪声包括各种随机噪声，如变压器绕组的热噪声、配电线路及变压器继 电保护信号线路中由于耦合进入的各种噪声以及监测线路中的半导体器件的散 粒噪声等。理论上，白噪声干扰的功率谱为恒定常数，分布在整个频段上；而 在实际应用中，若其频谱在较宽频段上为连续平缓的，即可认为是白噪声。外 部放电等随机脉冲干扰与变压器内部的局放在时域、频域上的特征几乎一样， 要剔除此类干扰，必须在硬件及软件上均采取措施，才可能抑制外部放电干扰。 3 2 变压器局部放电在线监测中的抗干扰技术 局部放电在线监测的干扰抑制研究目前还处于初级阶段。随着当今科学技 术的发展，许多新技术和新方法”矧，被不断地采用到局放在线监测的信号处 理当中。从现有的研究成果来看，这些技术主要有硬件滤波技术、数字滤波技 术和时频联合分析技术。 硬件具有软件无法比拟的实时和快速特性，因而被广泛地用作数据采集系 统和信号的预处理。目前已有的硬件去干扰技术主要有： 1 7 第3 章局部放电信号处理系统 1 时域开窗法 对一些已知的且相位固定的干扰，运用电子技术采集或置零，从而达到去 除干扰的目的。如用于局部放电测试的椭圆显示仪就是在时域开窗的。 。2 脉冲极性鉴别法嘶1 它是一种用于抑制电晕放电，与局部放电有类似波形和 频带的脉冲干扰的方法。 3 差动平衡法唧 利用变压器内外局放电流脉冲在传感器上感应电流的方向相反，通过适当 选择频率( 带宽) ，对来自两个传感器的信号进行比较，可以对外部电晕干扰加 以抑制。 硬件在一定程度上可以抑制某些类型的干扰，但由于干扰的复杂性，单靠 硬件滤波远远不能达到满意的结果豳1 嘧町。随着现代数字信号处理技术的发展。 局放在线监测去干扰的手段开始向软件的方向发展，软硬件结合进行信号处理 这些数字处理方法有： t ( 1 ) f f t 阂值滤波器侧：傅立叶分析是现代信号处理的基础。这种方法一 般是先把采集到的含有干扰的局放信号运用快速傅立叶( f f t ) 技术变换到频域， 通过局放信号和干扰信号的在频域的不同幅度，设置阙值曲线将干扰成分置零， 再将其转换到时域，从而达到滤波的目的。如快速傅立叶( f f t ) 阈值曲线法。 傅立叶分析的方法仅适用于平稳缓变信号的分析，无法反映持续时间远小于时 窗宽度的短时突变信号。f f t 阈值滤波器存在着通带选择的不确定性、闽值大小 影响着滤波效果等问题。 ( 2 ) 有限冲击响应f 1 r 滤波器m 蛐1 ：有限冲击响应数字滤波器的特点是稳 定性好，容易实现多个阻带，较多地运用于连续的周期性干扰的抑制。但有限 冲击响应滤波器抑制能力有限，在干扰很强的情况下难以达到预期的效果。 ( 3 ) 卡尔曼滤波器：卡尔曼滤波是在递推滤波的同时利用观测数据提供的 信息，不断地由滤波本身在线估计模型参数和噪声的统计特性，提高滤波精度， 减小状态估计误差的一种现代滤波器。 ( 4 ) 自适应滤波器】：这种技术能根据信号特征的变化，自动调节滤波系 数，从而达到最佳滤波。对信号和干扰的先验知识要求少，目前研究最多的是 最小均方误差l m s 自适应滤波器。但自适应滤波本质上是对局放信号和噪声去 相关来提高信噪比的，其系数如时延收敛因子的选择对滤波器的影响很大，滤 波效果不稳定。局放信号为非平稳信号，其自协方差矩阵的特征值的分散度很 1 8 第3 章局部放电信号处理系统 大，有时难以收敛。参考时延与信号的相关性关系密切。在单频干扰情况下， 参考时延的选择比较容易，但现场一般足多种频率的周期型干扰迭加在一起， 每种频率波的相关性各不相同，则参考时延的选择必须兼顾各单频信号。在 这种情况下，要想通过计算获得较佳值很困难。同时，自适应参数的选择 也十分重要。太小，收敛过程很慢，一太大，可能导致发散。以上因子若选 择不当会使自适应滤波效果不够理想，有时甚至不收敛。 ( 5 ) 二阶级联无限冲击响应( i i r ) 格型滤波器圳啪1 ：通过对各种数字滤波 器的综合比较和评判，指出自适应滤波器稳定性差，提出了一种信号失真小抑 制能力强、滤波时间短的非自适应滤波器结构，无限冲击响应工i r 非自适应格 型陷波器，用于抑制连续的周期性干扰效果非常明显。 ( 6 ) 相关消去法：对周期性脉冲干扰而言，它们是在电压周波的固定相 位处发生的周期信号，其周期就是工频周期。这种干扰在频域内同局部放电信 号严重重叠，因此只有在时域内设法去除。信号x ( t ) 和y ( t ) 的相关函数反映了信 号x ( t ) 和y ( t ) 的相似程度，把某一族周波内的脉冲信号同不含局放信号的参考周 波的信号求相关，可得一族相关函数，从而确定周期性干扰的位置，即检测到 了脉冲性干扰。文献 3 6 将检测到的周期脉冲建立模型，然后在输入信号中峨， 去模型数据，从而达到去除干扰的目的。 ( 7 ) 基于人工神经网络( a n n ) 结构与算法的滤波技术啪1 ：人工神经网络 具有良好的非线形和自适应性，可以处理环境信息十分复杂、背景不清楚的问， 题，类似一个黑匣子。基于人工神经网络的滤波是通过大量的样本来训练网络， 使其输出为输入的某种非线形映射，保留其中的有用信号，去除噪声。显然， 样本的质量直接决定了滤波效果的好坏。文献 3 7 采用基于b p 网络的结构与算 法成功地从干扰中提取了局放信号。人工神经网络在局部放电在线监测中目前 较多地用于放电模式的识别，在去干扰方面只起辅助性作用。在局放的信号处 理中，人工神经网络对已获得的准确局放信号进行甄别，分析出放电类型，即 进行所谓的模式识别。神经网络分析的优点是不需要建立准确的数学模型，只 须把已有数据交给网络，网络将自行选择模型，且它比以上方法更能容忍噪声。 小波分析是近年来发展很快的信号处理工具，小波变换的尺度伸缩性能够 局部化地分析信号的特征( 显微镜作用) ，其窄时窗反映信号的高频成分，能捕 捉到非平稳的奇异瞬变信号，并将其放大，而宽时窗则反映信号的低频成分即 信号的趋势。这是传统的离散傅立叶变换无法做到的。近年来许多学者在应用 1 9 第3 章局部放电信号处理系统 小波技术解决抗干扰问题上做了一系列探索性研究工作嘲洲，取得了不少有价 值的成果。小波变换为局部放电信号的处理开辟了一个新的途径，它在电力设 备的在线监测及故障诊断中有着良好的应用前景。 总的看来，用于局部放电在线监测干扰抑制的信号处理技术多种多样，各 有特点，并且都取得了一定的成果。但是，一方面由于局部放电的信号中掺杂 了大量的非确定性信息；另一方面对局放信号中所包含信息的内涵及规律还不 是很明了，现有的抑制干扰的方法在实际运用中还不能达到令人满意