（通信与信息系统专业论文）基于dga的变压器运行状态模糊模型识别方法研究.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 电力变压器是电力系统中最重要的电气设备之一，其工作状态对于 电力系统的正常运行有直接的影响。变压器油中溶解气体分析( d g a ) 是 其内部故障诊断的重要手段，实践证明应用变压器油中溶解气体分析技 术诊断变压器故障是非常有效的。变压器故障是变压器本身及其应用环 境综合作用和长期积累的结果，因而变压器故障的征兆多种多样，故障 征兆与故障机理间的联系也错综复杂，这就给建立通用的变压器故障诊 断方法造成了很大的困难。论文将以油中溶解气体组成含量为特征量， 运用模糊模型及其推理技术，开展变压器运行状态识别研究。 由于当前大量保存的油中溶解气体组成含量是实值样本，为提高了 模糊模型在变压器运行状态识别中的应用能力，首先需要解决面向实值 样本时模糊模型的获取问题，为此在系统分析面向实值样本数据时各种 模糊推理系统的获取过程和主要获取技术的基础上，提出了基于g a b p 混 合智能学习策略的t s k 模糊模型，并论述了与之相关的问题，包括模糊模 型种群编码、进化策略及其适应值评估策略，推导了在进化过程中模糊 模型前件和后件参数的b p 算法，通过函数近似和典型分类问题说明混合 智能学习策略有效性。 系统分析了基于d g a 数据的变压器各种诊断方法，提出了基于t s k 模 糊模型的变压器d g a 数据预测方法和变压器运行状态识别方法，建立了变 压器运行状态模型，表现了较好的精确性和推理能力。在变压器运行状 态模型建立过程中，分析了状态特征的构造和预处理方法。利用d g a 数据 预测模型验证d g a 单步预测的有效性和根据d g a 单步预测数据作为变压器 预防性故障诊断的能力。 关键词运行状态识别，油中溶解气体分析，t s k 模糊模型，g a - b p 混合学 习 硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t p o w e rt r a n s f o r m e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te l e c t r i c a le q u i p m e m si n t h ee l e c t r i c s y s t e m i t s o p e r a t i n g s t a t ea t t a c h e si m p o r t a n c et os y s t e m s o p e r a t i n gs a f e t yd i r e c t l y d i s s o l v e dg a s e sa n a l y s i s ( d g a ) i sa ni m p o r t a n t m e t h o dt od i a g n o s et h ei n t e r n a lf a u l to ft r a n s f o r m e r ；i th a sb e e np r o v e di n p r a c t i c et h a td g at e c h n o l o g yi sv e r ye f f e c t i v et od i a g n o s et h et r a n s f o r m e r f a u l t t r a n s f o r m e rf a u l ti st h er e s u l to ft h el o n g - t e r ma c c u m u l a t i o na n dt h e c o o p e r a t i o no ft h et r a n s f o r m e ri t s e l fa n di t sa p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t ，s ot h e s y m p t o m so ft r a n s f o r m e rf a u l t a r ev a r i e t y , a n dt h er e l a t i o no ft h ef a u l t s y m p t o ma n df a u l tm e c h a n i s m si sc o m p l i c a t e ，t h e ni t sv e r yd i f f i c u l tt ob u i l d u pac o m m o nt r a n s f o r m e rf a u l td i a g n o s i sm e t h o d t h i sp a p e rw i l l u s e d i s s o l v e dg a s e si no i la st h ec h a r a c t e rf o rf a u l td i a g n o s i s ；a d o p tf u z z ym o d e l a n df u z z yr e a s o n i n gt e c h n o l o g y ；a n ds t u d yt h er u n n i n gc o n d i t i o nr e c o g n i t i o n o ft r a n s f o r m e r t h ec o m p o s i t i o no fc u r r e n tl a r g en u m b e rd i s s o l v e dg a sa n a l y s i si st h e r e a ls a m p l e s ，i no r d e rt oe n h a n c et h ea p p l i c a t i o na b i l i t yo ft h ef u z z ym o d e li n t h er u n n i n gc o n d i t i o nr e c o g n i t i o no ft r a n s f o r m e r , f i r s tt h ep r o b l e mo f o b t a i n i n gt h ef u z z ym o d e lf o rr e a ls a m p l e sn e e d t ob er e s o l v e d ，b a s e do nt h e o b t a i n i n gp r o c e s sa n dt h em a i no b t a i nt e c h n o l o g yo ft h ev a r i e t yo ff u z z y r e a s o n i n gs y s t e mw h e nt h es y a e m sa n a l y s i si nt h ef a c eo f r e a ls a m p l e sd a t a ， t h et s kf u z z ym o d e lb a s e do ng a - b ph y b r i di n t e l l i g e n c el e a r n i n gs t r a t e g y i sp r o p o s e d s o m ep r o b l e m sr e l a t e dt oas p e c i e sc o d i n gm e a n sf o rt h em o d e l s t r u c t u r e ，e v o l u t i o na n df i t n e s se v a l u a t i o ns t r a t e g ya r ed i s c u s s e d t h ee r r o r b a c kp r o p a g a t i o na l g o r i t h m ( b p ) f o rt r a i n i n gt h ea n t e c e d e n ta n dc o n s e q u e n t p a r a m e t e r sd u r i n gt h ep r o c e s so fe v o l u t i o ni s i n f e r r e d t h ev a l i d i t yo ft h e m e t h o dh a sb e e nd e m o n s t r a t e db yt h ee x a m p l eo ff u n c t i o na p p r o x i m a t i o na n d t h ep r o b l e mo ft y p i c a lc l a s s ，a n dt h es t r a t e g yh a sb e e na p p l i e di nt h e t r a n s f o r m e rc o n d i t i o nc l a s s i f i c a t i o n t h i sp a p e ra n a l y s i sv a r i o u sd i a g n o s t i cm e t h o d sb a s e do nt h ed g ad a t a o ft r a n s f o r m e r , p r o p o s e sam e t h o do fp r e d i c t i n gt h ed g ad a t ao ft r a n s f o r m e r a n das t r a t e g yo fr e c o g n i z i n gt h er u n n i n gc o n d i t i o no ft r a n s f o r m e rb a s e do n t s kf u z z y , a n db u i l d su pam o d e lo ft r a n s f o r m e rc o n d i t i o nr e c o g n i t i o n 1 1 1 e m o d e lb e h a v e sw e l li na c c u r a c ya n dg e n e r a l i z a t i o n t h et r a n s f o r m e r c o n d i t i o nf e a t u r e sa n dt h e i rp r e v i o u sh a n d l i n gw a ya r ea n a l y z e dd u r i n gt h e t t 硕士学位论文 a b s t r a c t b u i l d i n gu p o f t h er u n n i n gc o n d i t i o nm o d e lo f t r a n s f o r m e r t h e v a l i d i t yo f t h e d g as i n g l e s t e p p r e d i c t i v e h a sb e e nd e m o n s t r a t e db yt h ed g ad a t a p r e d i c t i v em o d e la n dt h ed g as i n g l e s t e pp r e d i c t i v ed a t aa st h ec a p a b i l i t yo f t h et r a n s f o r m e rp r e v e n t i v ef a i l u r ed i a g n o s i n g k e yw o r d s r u n n i n gc o n d i t i o nr e c o g n i t i o n ，d i s s o l v e dg a sa n a l y s i s ，t s k f u z z ym o d e l ，g a - b ph y b r i dl e a r n i n g i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：垂主季 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学 位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 作者签名： 翩签名趔嗍世豆月辱日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早珀t 匕 大型电力变压器是电力系统中至关重要的电气设备，也是导致电力系统事故最 多的设备之一，其运行状态直接影响电力系统的安全水平。采用预防性试验是变压 器运行维护、状态评估及跟踪最主要方法。根据1 9 9 6 年颁布的电力设备预防性试 验规程n 1 规定，电力变压器试验项目近3 0 项( 主要包括油中溶解气体分析、绝缘试 验、油务试验、局部放电试验及其它预防性试验) 。其中有些试验项目是在变压器 解体后才能进行；有些项目是与其它项目同时进行或附带进行的；有些项目是变压 器投运前或投运后的例行检查；有些只有特殊情况才执行的破坏性试验项目；有些 项目对试验设备要求高，对现场条件也要求较高，一般很难满足。通过各种有效的 试验，获取可靠、准确的试验数据，对各试验数据采取合适的分析处理方法是对变 压器运行状态诊断的基本前提。 在电力系统中运行的电力变压器主要采用的是油一纸绝缘结构，当变压器内部发 生不同的故障时，在电应力和热应力作用下，绝缘油、绝缘纸等绝缘材料将分解产 生各种气体( 主要包括氢、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、一氧化碳、二 氧化碳) n 忉。这些气体以某种程度溶解于变压器油中，从油样中分离出这些溶解气 体，并利用色谱分析技术对其进行定量测试，这就是油中溶解气体分析过程。变压 器不同的内部故障，各气体的含量和比例有所不同眨田。油中溶解气体分析( d g a ) 是 目前电力系统对充油变压器常规试验中最重要的检查方式，同时也被国内外公认为 是监测和诊断充油电力变压器早期故障、预防灾难性事故有效方法。d g a 技术能够在 无需停电的情况下进行，且不受外界电场和磁场因素的影响，可以对变压器内部状 况进行诊断，我国电网中有近6 0 的变压器故障是通过该试验结果检查出来的。 油中溶解气体分析方法源于h a l s t e a d 的试验发现脚，h a l s t e a d 对油中分解的碳氢 气态化合物的产生过程进行了热动力学理论分析，认为对应于不同温度下的平衡压 力，一种碳氢气体相对于另一种碳氢气体的比例取决于热点的温度。h a l s t e a d 同时 指出：在不同能量作用下，油和绝缘材料中烃类分解次序为氢气( h 。) 、甲烷( c h 4 ) 、 乙烷( c 2 h 6 ) 、乙烯( c 2 h 。) 和乙炔( c ：h ：) ；h a l s t e a d 的工作还论述了在故障温度与溶解气 体含量之间存在着对应关系。过热、电晕和电弧是导致油、油浸纸绝缘中故障特征 气体产生的主要原因。这是目前利用油中溶解气体含量诊断变压器故障类型的理论 基础，也就是说变压器内部的发热和放电的程度不同变化，所产生的气体种类、溶 解气体的浓度、各气体的相对比例是不同的，因此，油中溶解气体的组合比例和含 量在一定程度反映出变压器绝缘老化和故障程度，通过油中溶解气体进行气相色谱 硕士学位论文第一章绪论 分析，便可发现变压器内部的发热和放电性故障。利用该理论基础，先后提出了多 种以油中特征气体为依据的判断变压器故障的方法n 4 吲( 称之为d g a 经验诊断法) ， 常用的有罗杰斯四比值、特征气体法、i e c 的三比值法、电协研法、i e c 新的d g a 导则 等。然而在实际应用中，这些方法本身存在一定程度的不完善性，d g a 分析结果落在 编码或者条件之外，对某些情况无法进行诊断；对于同一组试验数据，采用不同的 方法，有时会出现得到不同诊断结果的现象。这些d g a 诊断方法很难在溶解气体含量 较小的情况下对故障进行分析，只有当某些特征气体含量超过“注意值 时，才有 诊断结果。出现这些问题主要原因是变压器故障和事故多数是由各种综合因素引起 的，非常复杂，同一故障的现象呈现多样性，不同故障的各种现象具有模糊相似性， 直接利用相似或者相近等不确定性表现特征来精确判断和区分不同的故障类型是有 困难的，因此，对变压器故障检测和诊断的研究是保证电力系统安全运行的重要研 究领域。 1 2 基于d g a 的变压器故障诊断方法 1 2 1 变压器故障描述 变压器内部故障方式主要是机械的、热的和电的三种类型，而又以后面两种为 主，且机械性故障常以热的或电。的故障形式表现出来。这些变压器故障特征与油中 溶解气体的关系将在下章分析。 ( 1 ) 热性故障 产生热性故障的主要原因是：分接开关接触不良引起、铁芯多点接地和局部短 路或漏磁环流、导线过热和接头不良或紧固件松动、局部油道堵塞造成局部散热不 良。 ( 2 ) 电性故障 在电应力作用下造成的绝缘劣化，电性故障按能量不同可分为不同故障类型： 高能电弧放电 其原因包括绕组短路、绝缘击穿、引线断裂、分接开关飞弧等故障模式。其特 点是产气急剧、大气量，引起继电器动作，尤其是短路、层间绝缘击穿，因无先兆 现象，一般难以预测诊断。 火花放电 原因包括引线局部接触不良、套管导电杆与引线接触不良、铁芯接地片接触不 良、分接开关拨叉电位悬浮。 局部放电 包括冲片棱角和冲片之间局部放电、金属尖端之间局部放电。 ( 3 ) 受潮 ， 硕士学位论文 第一章绪论 当变压器内部受潮时，油中水分和含湿气的杂质易形成“小桥 ，能引起局部 放电而产生h 。，水分在电磁场的电解作用下与铁发生化学反应，也可产生大量h ：。故 障受潮设备中h ：在氢烃总量中占比例更高。 1 2 2 基于d g a 的变压器诊断方法研究和应用现状 按d g a 数据的处理方式、诊断及推理过程，可将基于d g a 诊断变压器方法分为两 类：d g a 数据经验诊断方法和基于d g a 数据的智能诊断方法。 。( 1 ) d g a 数据经验诊断方法睁1 0 】 目前在我国，d g a 经验诊断方法有以下两种： 特征气体法 特征气体法是根据油中溶解气体含量大小进行故障判定的一种重要方法，其具 体描述如表卜1 所示。 表1 - 1 特征气体经验诊断法 故障性质特征气体的描述 一般过热故障总烃较高，c ：h 2 5 ，且c 2 h 2 不是主要成分，h 。含量较高 局部放电总径不高，h 。 1 0 0 ，c n , 是总烃主要成分 火花放电总烃高，c ：h 。 l o h ：含量较高 电弧放电 总烃高，c 。h 。高并构成总烃主要成分，h ：含量较高 木总烃包括：c h , 、c 2 h 2 、c ：i t , 、c ：h 6 。 在表1 - 1 中，出现无度量概念的语言值，难以给出一个清晰、量化的诊断概念， 不利于明确判定，诊断结果依赖于实验人员的经验。 三比值法 三比值法是i e c 推荐的一种方法，通过计算粥彬猫、础，亿撼三种比值， 根据己知的编码规则和分类方法，查表确定故障性质。编码规则和分类方法及相关 列表分别如表1 - 2 和表1 - 3 所示。 表1 - 2i e c - - - b 5 值法编码规则 特征气体 比值编码 比值 c 2 h 2 c 2 h 4c h 4 h 2c e h 4 c e h 6 322 2 3 硕士学位论文第一章绪论 9 9 年i e c 颁布新的l e a 导则，修改了原有的编码方式和故障的分类方法h 1 ，新导则 比三比值法更为灵活。由于变压器故障特征及其表现形式的多样性，故障现象与气 体之间的客观不确定性，采用比值编码方式进行故障分类，一组编码对应一种故障， 建立非此即彼的关系。这种方式过于绝对化，边界过于分明，少许误差得到完全不 同的诊断结果；在实际应用过程中也发现，有时一组编码可以在不同程度上反映某 几种故障，同一故障在不同状态下可以由几种不同的编码综合表示，而且比值编码 不是各种比值的全覆盖集，有些比值没有对应的编码，导致无法判断故障类型。虽 然l e a 比值法存在各种缺陷，但其诊断正确率接近8 0 n 1 1 ，在我国电力系统得到广泛 应用。 表1 - 3 三比值法故障类型的判断 编码表示 、 故障类型 c ：h 2 c 。h 4c h 。h 2c 。h 。c 。h 6 无故障 00o 低能量密度的局部放电 o l o 高能量密度的局部放电 110 低能量的放电 1 2o l 一2 高能量放电 l02 低温过热( 7 0 0 。c ) o22 ( 2 ) 基于l e a 数据的智能诊断方法研究现状 由于油中溶解气体分析能够在无需停电的情况下进行且不受外界电场和磁场因 素的影响，己被世界各国公认为是监测和诊断充油电力变压器早期故障、预防灾难 性事故有效方法。采用各种智能计算工具对油中溶解气体数据进行分析和诊断，在 国内外进行了广泛的研究，归纳起来，大致有以下几个方面。 基于专家系统的变压器故障诊断 专家系统( e s ) 是一种基于专门知识的计算机程序系统，它根据多个专家提供的 专业知识进行推理，解决通常需要专家才能解决的复杂问题。变压器故障诊断专家 系统是一个基于规则的专家系统。它通常由知识库、数据库、推理机、知识获取系 统、解释系统和人机接口等6 部分组成。 变压器故障诊断的专业性、经验性和复杂性，采用专家系统诊断是一种有效方 法，电力变压器故障诊断专家系统最早由r i e s e 在1 9 8 6 年公布的t o g a 系统n 2 1 ，其后有 很多类似的系统被应用到实际工程中。所开发出的专家诊断系统大都是依据l e a 数 据、理化数据、电气实验数据等，通过专家领域知识或者故障机理分析，获取诊断 4 硕士学位论文第一章绪论 推理规则，实现对变压器的故障诊断n 钔。实用的变压器故障诊断专家系统应该是模 块化、多诊断层次，并可自我扩充与完善。 对于变压器故障来说，其发生的原因涉及到多个因素；各因素与故障之间的具 有不确定性，导致专家诊断知识及其描述困难、容易引起知识不完备，出现匹配冲 突等问题，这些问题有待于进一步解决。 基于模糊逻辑的变压器故障诊断 在变压器故障诊断系统中，以往专家判断及作出解释的依据是先验知识及标准。 三比值法和改良电协研法的判断规程中，编码与故障类型之间规定了严格的对应关 系，某一种编码唯一地从属于某一类故障。但是由于故障分类本身存在模糊性，区 间的划分不可能非常清晰。在故障诊断中，不确定知识表现为两个方面：一方面是 数值不确定性，大量变压器预防性和其它临时检修试验数据，以及可直接量化表示 的专家经验和国家规程的不确定性处理。另一方面是语义值不确定性：大量变压器运 行或检修规程和专家经验中不确定性处理，这些不确定性问题是用语义程度来表示 的，难以直接量化。模糊技术应用到变压器故障诊断中，研究者提出了各种方法， 归纳起来大致有三种：其一是采用模糊聚类的方法；其二是对规程中规则边界的模 糊化处理；其三是建立故障现象和故障原因之间的模糊关系方程。 宋斌n 5 3 采用模糊聚类技术分析电力变压器油中溶解气体，按照特征气体的模糊 距离大小划分类别，c h e n 采用主成分分析提取特征气体的主特征n 副，再对主特征模 糊聚类等到变压器故障类型：张鸣柳在对传统比值法的编码组合进行模糊化处理和 统计及分析的基础上得到了编码一故障模糊关系矩阵n ，并用常规色谱方法检测到 的特征气体比值所对应的编码组合的隶属度作为特征输入矢量，通过综合评判求得 故障输出矢量，从而确定故障类型：y a n g 研究了基于模糊学习矢量量子化网络方法， 该方法是通过训练学习矢量量子化网络，然后对故障进行分类n 引；钱政将模糊数学 与覆盖集理论相结合引入到变压器的故障诊断中，建立了基于模糊覆盖集理论的变 压器故障诊断模型n 钔。 模糊逻辑作为一种处理不精确信息的有效工具，毫无疑问它将有助于提高诊断 系统的准确性和稳定性，也应该注意到其在电力变压器故障诊断应用过程的不足之 处，当前着重体现了变压器故障本身的认知不确定性，各种隶属函数或者隶属度基 本是凭经验得到，缺乏令人信服的客观依据，在电力变压器故障现象、故障原因及 其机理之间的内在联系尚未研究清楚的情况下，d g a 数据模糊模型非线性预测也是值 得研究的问题，总之模糊技术及理论在变压器故障诊断中还有进一步研究的价值。 基于神经网络的变压器故障诊断 神经网络具有联想、记忆、自适应、自学习、容错性等优点，成为了最有前途 的故障诊断知识的获取途径，不少研究者将其应用于电气设备的故障诊断。神经网 络不包含具体的诊断规则，而是将诊断规则隐含于其权值矩阵中，主要通过对己知 5 硕士学位论文第一章绪论 故障样本的学习，来获得对未知故障进行诊断的能力。目前在变压器故障诊断的研 究中常常采用的是b p 网络。z h a n g 研究了两层b p 网络结构对色谱诊断结果的影响汹1 ， 在比较了具有不同隐层层数和相同输入、输出节点数的网络的收敛速度及训练误差 后，认为具有单隐层的神经网络在变压器故障分类时效果最理想：徐文将基于遗传 算法的多层前馈网络应用于变压器故障诊断中瞄u ，在全解空间中搜寻代表映射知识 的权值矩阵的最优解，然后以此作为初始权值进行网络训练；e s p 利用k o h o n e n 自组 织网络对英国n g c 约6 0 0 台变压器的色谱数据进行了聚类分析，结果表明通过对原始 数据进行适当的变换可以将电弧性故障和过热性故障地分离出来啪1 。 神经网络在变压器故障诊断中取得了较好的研究成果，但也有其自身的局限。 神经网络具有黑箱性，缺乏对输出结果的解释能力，在故障诊断中具有可理解和可 解释性常常是应用者所期待的；另外对奇异值( 或者奇异故障模式) 的反应能力较 差，而且调整和完善网络过程复杂。 因变压器故障诊断的复杂性、加之大量的不确定因素，其它各种理论和技术在 变压器故障中得到应用。如郑海平采用灰色关联理论对故障现象与油中溶解气体数 据之间进行了分析田1 ；m a o 利用小波函数具有良好的时一频域特性，选取适当的母小 波，并通过离散小波变换而获得一系列体现原始信号谱局部特性的小波，构造变压 器故障诊断小波神经网络瞳4 1 。 1 3 研究内容及章节安排 在基于d g a 数据的变压器故障诊断系统中，以往专家判断及作出解释的依据是过 去的知识、经验及标准。传统的三比值法和改良电协研法的判断规程中，编码与故 障类型之间规定了严格的对应关系，某一种编码唯一地从属于某一类故障。但是由 于故障分类本身存在模糊性，区间的划分不可能非常清晰。在故障诊断中，不确定 知识表现为两个方面嘲：数值不确定性，大量变压器预防性和其它临时检修试验数 据，以及可直接量化表示的专家经验和国家规程的不确定性处理；语义值不确定性， 大量变压器运行或检修规程和专家经验中不确定性处理，这些不确定性问题是用语 义程度来表示的，难以直接量化。目前处理这样的问题，归纳起来大致有三种方法： 其一是采用模糊聚类的方法；其二是对规程中规则边界的模糊化处理；其三是建立 故障现象和故障原因之间的模糊关系方程。这些方法存在的主要问题是对边界参数 或者模型结构采用硬性处理和主观确定，导致基于模糊逻辑的变压器故障诊断系统 泛化能力不高，课题就是在这一背景下利用d g a 数据开展基于模糊模型的变压器故 障诊断的研究，试图通过研究模糊模型的学习方法，自动获取面向d g a 数据的变压器 故障诊断模糊模型，提高变压器故障诊断的精确性和推广能力。具体来说论文的主 要研究内容和章节安排如下： 6 硕士学位论文第一章绪论 第二章系统介绍变压器溶解气体产生的机理，阐明气体与故障之间的定性关系， d g a 技术存在的主要问题。 第三章系统总结和分析了模糊模型基础理论和建模技术。包括的模糊逻辑理论 基础和模糊推理系统的基本概念和推理过程，特别分析了面向实值样本数据时各种 模糊推理系统的获取过程和主要获取技术。 一 第四章针对当前大量保存的d g a 数据是实值样本，为提高了模糊模型在变压器运 行状态识别中的应用能力，提出了基于g a b p 混合智能学习策略的t s k 模糊模型，论 述了与之相关的问题，包括模糊模型种群编码、进化策略及其适应值评估策略，推 导了在进化过程中模糊模型前件和后件参数的b p 算法，通过函数近似和典型分类问 题说明其有效性。 第五章提出了基于t s k 模糊模型的变压器d g a 数据预测方法和变压器运行状态识 别方法，建立了变压器运行状态模型，表现了较好的精确性和推广能力，弥j b i e c 方 法的不足。在本章还分析了状态特征的形成以及特征数据的预处理技术，同时验证 了根据d g a 单步预测数据作为变压器预防性故障诊断的可能性。 第六章为结束语，对全文进行了总结。 硕士学位论文第二章d g a 产生的原因与特征分析 第二章d g a 产生的原因与特征分析 2 1 变压器油中气体的产生及正常运行特征 变压器油主要起绝缘、冷却散热和熄灭电弧的作用。变压器在带负荷运行时， 由于线圈和铁芯中的涡流损失和磁滞损失皆会转化为热量，这些热量在正常情况下 主要是利用油的热传导和热的对流作用，依靠油在变压器和散热装置内不断循环流 动而散掉，若这些热量不及时散掉，有相当大部分热量使变压器油、纤维素材料分 解，断开油或纤维素的分子键，形成分子量较小的碳氢化合物气体和氢气，在放电 时，还能起到熄灭电弧的等作用。若存在潜伏性故障，变压器油与油中的固体有机 绝缘材料在运行电压下因电、热、氧化和局部电弧等多种因素作用会逐渐变质，裂 解成低分子气体，当热量得不到及时散发，则会加快产气速率，随着故障的缓慢发 展，裂解出来的气体形成气泡在油中经过对流、扩散作用，就会不断地溶解在油中。 同一性质的故障，其产生的气体量随故障的严重程度而异，而与绝缘油的种类和牌 号无关。由此可见，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，可以作为反映电气设备异常的特征量。 2 1 1 变压器油中气体的产生 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，它是由多葡萄糖基连结起来的大分子， 其化学通式为( c 6 且。0 5 ) 。，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( c o 、c 0 2 ) 和一些氢或 甲烷( 皿、c h 4 ) ( c 0 2 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n 9 1 ，绝缘纸在1 2 0 - 1 5 0 。c 长期加热时，产生c o 和c 0 2 i c 0 2 为主，在2 0 0 - - 8 0 0 。c 下热分解时除产生c o ，c 0 2 外，还含有氢烃类气体( c h 4 、c 2 凰 等) ，且c 0 c 0 2 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2 1 。 8 硕士学位论文 第二章d g a 产生的原因与特征分析 表2 1 纤维素在4 7 0 。c 时热分解的产物 分解产物重量( ) 分解产物重量( ) c o 4 2 0 水 3 5 5 0 c o ： 1 0 4 0 醋酸 1 4 0 c h 4 o 2 7 丙酮 0 0 7 c 2 h i 0 1 7 焦油 4 2 0 焦炭 3 9 5 9 其它5 2 0 ( 3 ) 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 一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：必、c h 4 、c 2 也等等。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c 2 凰及c 2 鸽，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汹3 ，发生故障时油分解出的气体为： 3 0 0 8 0 0 。c 时热分解产生的气体主要是低分子烷烃( c h 4 、c i - 1 5 ) 和低分子 烯烃( c h 4 、c 3 风) ，也含有氢气1 - 1 2 ； 当绝缘油暴露于电弧中时，分解气体大部分是马和c 2 峨，并有一定量的c 也、 c 2 只； 发生局部放电时，绝缘油分解出的气体主要是皿和少量c 2 马。发生火花放电 时，则还有较多的c 皿。 因此，c h 4 、c 2 风、c 2 风、c 2 1 4 2 、1 - 1 2 等这些气体就成为检测变压器潜伏性 故障的主要对象，判断出故障是否涉及到固体绝缘材料。 2 1 2 气体在油中的溶解 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，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( 0 s t w a l d ) 系数k 表示，当气、液两相达 到平衡时，对某特定气体： g = k ( 2 1 ) 式中：g 一平衡条件下，液相中组分i 的浓度，p p m ； 岛一平衡条件下，气相中组分i 的溶度，p p m ； k 一组分i 的奥斯特瓦尔德系数。 9 硕士学位论文 第二章d g a 产生的原因与特征分析 各种气体在矿物绝缘油中的k 见表2 2 ，用于表示油中气体的溶解度，它和温 度有关，溶解度低的气体如马、c o 、2 随温度上升而增加，c h 4 和溶解度高的c q 、 c 2 致、c 2 以、c 2 风等则随温度上升而下降。式( 2 1 ) 也是亨利( h e n r y ) 定律的表达 式。 气体组分 2 0 5 0 h 20 0 5 0 0 5 c h 40 4 3o 4 0 c 2 h 62 4 01 8 0 c 2 h 4 1 7 0 1 4 0 c 2 h 21 2 0o 9 0 c o0 1 20 1 2 c 0 21 0 81 0 0 n 2o 0 90 0 9 0 2 0 1 7 0 1 7 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，油中气体己达到饱和，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凰、c h 4 。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征迹，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测到 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。 2 1 3 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( 哎、 1 0 硕士学位论文第二章d g a 产生的原因与特征分析 c h 4 、c 2 风、c 2 以、c 2 马、c o ) 更低，占总量( t c g ) g o 0 1 - - 0 1 之间，新油更 低。正常变压器含氧量稍比空气大些为2 0 - - 3 0 。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j 薄膜密封变压器要小于3 9 6 ，而一般 开放型变压器占3 0 左右。 正常变压器油中的c o 和c o ：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0 1 以下，而有轻度故障的变压器0 1 _ 0 5 之间， 故障变压器可燃性气体总量在0 5 0 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。 表2 3 给出正常变压器油中含氢和烃类气体的含量限值嘲 表2 3 正常变压器油中氢和烃类气体的含量限值( p p m ) 气体组分4 c h 4c 2 h 6c 2 凰c 2 h 2c l + c 2 正常极限值 1 5 04 53 56 551 5 0 表中总烃是指甲烷( 简称为c 1 ) ，乙烷、乙烯、乙炔( 简写为g ) 的总和，用 c l + c 2 表示。 运行中的变压器油中气体含量超过表2 4 所列数值时，应引起注意。 表2 4 油中溶解气体的应注意值 设备名称气体组分 体积含量( p p m ) 变压器总烃乙炔氢 1 5 051 5 0 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 “注意值旷是指当气体浓度到该值时，应注意跟踪分析，查明原因。 2 2 变压器故障类型与油中溶解气体的定性关系睁伽 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和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征进行分析，就可判断变压器 故障，现对其故障原因与气体特征进行分析。 ( 1 ) 热性故障 当变压器发生低温过热时，有一部分变压器油中氢与氢烃总量之比高于2 7 ：而 中高温过热故障时，氢气占氢烃( 皿+ c l + c 2 ) 总量的2 7 以下：当高温过热( 7 0 0 c ) 时，特征气体主要是乙烯，其次是甲烷，两者之和一般占总烃的8 0 以上。除乙烯、 甲烷之外，还有乙烷和氢气，严重过热时，也会产生微量乙炔，其最大含量不超过 硕士学位论文第二章d g a 产生的原因与特征分析 总烃量的6 。当涉及固体材料时则还会产生大量c o ，c 0 2 。 ( 2 ) 电性故障 电弧放电，其特点是产气急剧、量大，尤其是匝、层间绝缘故障，因无先兆 现象，一般难以预测。故障特征气体主要是c 2 吼，4 ，其次是大量c 2 h 4 ，c h 4 。 火花放电，特征气体也以g 皿，致为主，因故障能量小，一般总烃含量不 高。油中溶解的g 致在总烃中所占比例可达2 5 9 0 c 2 h 4 含量则小于2 0 ，噩占氢烃 总量的3 0 以上。 局部放电，随放电能量密度的不同而不同，一般总烃含量不高，主要成分是 h 2 ，其次c h 4 ，通常l ：占氢烃的9 0 以上，c h 4 占总烃的9 0 以上。放电能量密度增高 时也可出现g 凰，但在总烃中所占比例一般小于2 ，这是和上述两种放电现象区别 的主要标志。 ( 3 ) 受潮 能引起局部放电而产生h ，水分在电场作用的电解作用下与铁发生化学反应， 也可产生大量以。故障受潮设备中且在氢烃总量中占比例更高，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( 如局部放电的测量和油中微量水分分析) 加以综合判 断。 ( 4 ) 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2 5 给出不同的变压器故障类型和产生气体的组分关系： 在应用g d a 故障诊断中，一般只利用h ：、c h 4 、c 。h 2 、c ：h 。和c ：h 。等几种特征气体， 放弃了具有一定故障识别能力的特征气体c 0 和c 0 2 ，原因是c o 和c o ：不仅受绝缘材料局 部过热故障的影响，还受变压器绝缘材料正常老化或者外界渗入等因素的影响。 变压器产生故障时，油中含有气体除上述用于气相色谱分析的几种气体外，还 伴随有原子氧( o ) 、臭氧( 0 3 ) 、一氧化氮( o n ) 、二氧化氮( o n 。) 等，这些气体 的含量很少，不能做为故障的特征气体，但与水作用后产生硝酸和亚硝酸，它们对 绝缘材料有强烈的腐蚀作用，所以变压器故障后，必须对油进行净化和脱气处理。 硕士学位论文 第二章d g a 产生的原因与特征分析 表2 5 变压器故障类型与气体组分关系 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 c h 4 ，c 2 h a h 2 ，c 2 h 6 油和绝缘纸过热 c h 4 ，c 2 凰，c o ，c d 2h 2 ，c 一6 油中有电弧 h 2 ，c 2 h 2c h 4 ，c 2 1 - i , ，c 2 风 油和纸中电弧 皿，c 2 皿，c o ，c o sc h 4 ，c 2 h t ，c 2 h 6 油中局部放电 1 - 1 2 ，c h 4 ，c 2 马 c 2 h 6 油和纸中局部放电 h 2 ，c h 4 ，c 2 h 2 ，c oc 2 域，c d 2 油中火花放电 c 2 h 2 ，h 2 进水受潮或油中气泡 吼 2 3d g a 诊