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浙江人学坝| 学位论文火型变雎器状态睦测与故障诊断技术 摘要 人口! 变压器是电力工业中的重要关键设备，其可靠运行涉及电力供应安全与否，对国民 经济发展与人民生活影响重大。开展大型变压器的运行状态监测与故障诊断技术研究和系统 应用，对丁i 保证变压器k 期、安全、可靠及高效运行，具有重要的理论意义和应用前景。 本论文结合嘉兴科技计划重点项目“大型变压器远程在线状态监测与故障诊断网络化技 术与系统研究”( 项目编号：c 2 1 c 4 0 0 3 4 7 0 ) ，开展了基于油中溶解气体分析方法( d g a ) 的变 压器状态监测与故障诊断研究。设计了嵌入式在线采集器获取溶解于油中的特征气体的浓 度，运_ i = j 各种判据监测变压器的状态、诊断变压器是否发生故障及故障类型。在上述工作的 基础上构建了一个状态监测与故障诊断系统。 第一章分析了大型变压器状态监测与故障诊断的研究现状，论述了其发展趋势，结合具 体的项目提出了本论文的主要研究任务。 第二章分析了变压器的特征气体产生的原因及其与故障之间的关系，给出了基于d g a 的变压器监测与故障诊断的方法，设计了一个基于d g a 技术变压器状态监测与故障诊断系 统。 第三章介绍了大型变压器状态监测与故障诊断中常用特征传感器的原理，分析各种传感 器的特点，给出了传感器的选择与应用的建议。设计了氢敏气体传感器预处理电路，实现多 通道，高精度特征气体采样数模转换接口电路。 第四章设计一个基于$ 3 c 4 5 1 0 b 处理器的嵌入式数据采集器。移植u c o s i i 操作系统和 l w i pt c p i p 协议，实现了系统特征气体浓度数据采集功能和网络互联功能，扩展了l w i p 的应用层，使嵌入式数据采集器拥有w e b 服务器功能和f r p 客户端访问功能。 第五章给出结合遗传算法和b p 算法的同时优化诊断网络结构和权重的改良的方法，应 用于基于d g a 的变压器故障诊断。对实际变压器特征气体数据进行了仿真验证，说明这种诊 断方法的可行性。最后设计分析变压器状态监测与故障诊断的系统的总体方案，给出了 m a t l a b 环境下综合运用多种基于d g a 技术的故障诊断方法的编程实现。 第六章给出了全文的结论和后续工作的展望。 关键字；变压器，状态监测，故障诊断，嵌入式系统，数据采集 浙江久学坝十学位论文大型变压器状态j 瓿测与故障诊断技术 a b s t r a c t t h i sp a p e rb a s e do n t h ej i a x i n gs c i e n c e t e c h n o l o g yd e p a r t m e n t sk e yp r o j e c t “t h et r a n s f o r m e rs t a t em o n i t o ra n df a u l td i a g n o s i st h r o u g hw e br e m o t ev i s i t ” b a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h el a r g es c a l et r a n s f o r m e rf a u l tk i n d sa n dp r o c e s s m e t h o d s w ea d o p tt h ec o m m o n l yu s e dm e t h o d “d i s s o l v e dg a sa n a l y s isi nt h e 0 i l ( s h o r t e nf o rd g a ) ”f i r s t l y ，w eg i v et h ed e t a i l e da n a l y s iso fd g at h e o r y ，t h e n ， a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fs a m p l ek e yg a si nt h eo i i ，w ed e s i g nad a t as a m p l e a p p a r a t u sb a s e do nt h ee m b e d d e ds y s t e m f i n a l l y ，w ed e v e l o paf a u l td i a g n o s i s p r o g r a m m e ru s i n gt h eb a c kb pa r i t h m e t i ca n dg e n e r a li n h e r i ta r i t h m e r i c t h e f o ll o w i n gp a r a g r a p h sg i v et h em a i nc o n t e n t so ft h is p a p e r c h a p t e ro n ef i r s t l yi n t r o d u c e dt h es i g n i f i c a t i o no fm o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g n o s i so fl a r g es c a l et r a n s f o r m e r ，t h e nd i s c u s st h et r a n s f o r m e rd i a g n o s i st r e n d s b a s e do nt h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t h er e s e a r c ht a s ki se x p r e s s e d ， c h a p t e rt w oa n a l y s i st h ed g ab a c k g r o u n da n di t si n n e rt h e o r y ，a n dt a s k ，t h e n as y s t e mf r a m ei ss h o wu p c h a p t e rt h r e eg i v e st h es i g n i f i c a t i o no ft h es e n s o ro fm o n i t o r i n ga n d f a u l t d i a g n o s iso ft r a n s f o r m e rs y s t e m b a s e do nt h er e q u i r e m e n to ft h em o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g n o s iss y s t e m ，c h a p t e ra n a l y z e dt h es e l e c t i o na n dt h es e n s o ra dc i r c u i t c h a p t e rf o u rd e s i g n e dt h ed a t aa c q u i r ee q u i p m e n to ft h em o n i t o r i n ga n d f a u l t d i a g n o s i ss y s t e m t h ed a t aa c q u i r ee q u i p m e n ta c t u a l i z et h ef o l l o w i n gf u n c t i o n ：u n d e r t h eo p e r a t i n gs y s t e mu c o s i is u p p o r t i n g ，a c t u a l i z et h ed a t as a m p l i n g ：m i g r a t et h e l w i pp r o g r a m m e rg i v et h es y s t e mh a v i n gt h et c p i pp r o t o c o lf u n c t i o n ，a n de x t e n d t h ea p if u n c t i o ns u c ha sw e bs e r v e r ，t h e f t pc u s t o mv i s i t c h a p t e rf i v et h i sc h a p t e rm a i n l yg i v e sat r a n s f o r m e rd i a g n o s i sn e wm e t h o d ：g a b p a r it h m e t i c w ew a n tt oi m p l e m e n tt h en e tf r a m ea n dc o n n e c tr a t i oo p ti m iz e t h e n e m u l a t o rt h i sd i a g n o s ep r o g r a m m e ra n du s i n gt h ep r a c t i c a ld a t av e r i f i e si t b a s e o nt h em a t l a bp r o g r a me n v i r o n m e n t ，t a k es e v e r a l a n a l y s ism e t h o d si n t o f a u l t d i a g n o s i s u s i n gp r a c t i c ed a t af o rt e s t r e s u l ts h o wt h a tt h ed i a g n o s iss y s t e mi s a v a i l a b l e i nt h el a s tc h a p t e r ，a 1 1o ft h ew o r k si nt h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m e du p t h e n 浙江大学坝小学位论文 大型变压器状态监测与故障诊断技术 f u t u r er e s e a r c ho fm o n i t o r i n ga n d f a u i td i a g n o s i si sp r o s p e c t e d k e y w o r d s ：t r a n s f o r m e r ，s t a t em o n i t o r i n g ，f a u l td i a g n o s is ，e m b e d d e ds y s t e m ，d a t a a c q u i r e m e n t 浙江大学颂l 学位论文 大型变压器状态监测与故障诊断技术 第一章绪论 1 1 大型变压器状态监测与故障诊断的意义 变压器是整个电力系统的发、变、送、用环节中最重要、最昂贵的设备之一，其运行的 安全性和可靠性赢接影响搀个电力系统的运行链完整性、关系到变电企业，广大用户利盘和 人民群众的生活。因此，研究和应用大型变压器的状态监测与故障诊断技术，保证变压器安 全可靠运行，保障送变电的安全，这不仅仅是局部的经济问题，也是社会公共利益问题，必 然成为学术界和产业界关注的重大课题。“十五”期间，国家电力公司计划投产机组8 1 3 0 万 千瓦，开工8 9 0 0 万千瓦；计划新增2 2 0 千伏及以上直流输电线路6 3 万公里，新增2 2 0 干 伏以上交直流变电容量2 2 6 亿干伏安。为落实这一目标，国电公司需投资5 0 0 0 亿元，其中 资本金1 0 6 2 亿元。相应的考虑到今后几年城乡电网改造的延续，以及城网中限制3 5 k v 电压 等级等因素，1 2 6 2 5 2 k v 产品仍将保持较高增长速度。 长期以来，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 r t i o n a ld i s c h a r g e ) “”、油中溶解气 体分析( d i s s o l v e dg a sa n a l y s i s 简称d g a ) “1 8 ”以及绝缘油的特性试验等”。在变压器状态 监测和故障诊断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监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，进一步研究开发大型变压器的状态监测与故障诊断技术与系统，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。 随着我国经济发展对电能需求的不断提高，一些大型、特大型的变压器不断投入使用， 相应地，要求与其配套的监测和故障诊断设备不断跟上去；另一方面，我国电网中运行的变 骶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，以避免恶性事故的发生。在当前我国大力发展电力生产和已有设备日趋老化的具体情 况下，大型变压器的状态监测与故障诊断系统具有相当广阔的市场前景”1 。 1 2 变压器状态监测与故障诊断的现状与发展 状态监测与故障诊断技术的困难主要是：干扰的抑制( 主要征对放电试验方法) ：正确确 立故障判据( 主要征对油中溶解气体分析方法简称d g a 方法) 。状态监测与故障诊断技术除需 浙江人学t i m i d ：学位论文 大型变压器状态监测与故障诊断技术 对设备本身结构及失效机理有深入了解外，也需要应用倍感器、微电子等商新技术，需要利 用有效敬障理论以期抽取故障特征，是具有交叉学科性质的一门新兴技术，有重大的学术意 义和显著的经济价值。 绝缘是变压器的关键，包括绝缘油和固体绝缘材料。当绝缘油受热时分解成碳氢化合物， 如h 2 c h 4 ，c 2 h 6 ，c 2 h 4 ，c 2 h 2 气体；固体绝缘材料则分解成碳氧化合物，如c o 、c 0 2 ； 岩绝缘材料是合成树脂材料( 苯酚一甲酚树脂，p h e n o l f o r m a l d e h y d er e s i n ) ，所分解的气 体以c 3 ( 丙烷、丙烯) 、c 4 ( 丁烯) 气体为主“。通过选择不同的气体以及不同气体之间 的组合方式，将某两种气体之间的比值进行编码，就形成各种不同的故障诊断判据。其中主要 有r o g e r s ，i e c 三比值法，四比值法，电协法等”“。 e u 力变压器的故障原因相当复杂，存在大量不确定因素，某些故障现象、原因及机理的 复杂性和模糊不确定性使得对变压器的故障模型难以用准确的数学模型加以描述，也难以完 全依靠确定性的判据诊断故障，因此各种各样的诊断理论应用于电力变压器的故障诊断中。 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“2 。”。“1 ，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“6 ”42 ；有专家系统理论”。”“2 。2 ”；有模糊 数学理论”。” “；以及综合各种理论的改良方法“”3 3 “”1 。 对于基于d g a 的在线系统也有许多探讨。“”。”“1 。 变压器寿命分析是变压器故障诊断另一个重要的方面。一个大型变压器花费几百万美 金，工作寿命一般3 0 4 0 年，因此采用一些技术手段来确定甚至延长变压器的工作寿命有着 重要的意义“1 。绝缘是直接影响变压器寿命的一个主要因素。人们开发出许多的方法来确定 绝缘纸的绝缘性能其中具有代表性的是通过测试所谓的d p ( d e g r e eo fp 0 1 y m e r i z a t i o n 一 聚合度) 1 4 a lo 在纸张中有许多代表分子链长度的分子聚合物，分子链会随着绝缘的老化程度 而断裂。测定方法是先把纸张溶入特定的溶剂里，接着计算溶液流过细管的时间，通过计算 转换就可以获得分子链的长度。 国内外以大型变压器状态监测与故障诊断为内容的机构，其中如c i g r e ( i n t e r n a t i o n a l c o u n c i lo r l 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 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 一t h ea i mo ft h et r a n s f o r m e rc o m m i t t e e ) ”： i e e e 每年都会发布在电力设备故障诊断方面的论文集“；我国这个方面的出版物也很多“。 近些年来，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 院联台主办有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a 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 推广一i ：作，并制定了一些信息交换格式和标准。n a t i o n a l l n s t r u m e n t s 公司在其虚拟仪器产 5 浙江大学硕：l 学位论文 大型变压器状态监测与故障诊断技术 品中增加了与因特网连接的接口，可以通过w 硼、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。如琶南交 通人学的童晓阳等人提出了用w e b 技术米实现“；山东电力研究院辜超等人开发了基于 i n t e r n 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。 国乡卜对电气设备状态监测与故障诊断技术的研究，始于6 0 年代，但盲到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。 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 在线诊断技术义得到了迅猛发展。可以认为我国电气设备状态监测与故障诊断技术的研究和 国际上是同步发展的处于，l 乎相同的水平。 1 3 变压器故障类型和分类 由于变压器受结构，运行工况，气候环境因素的影响，并且变压器受强电流，电磁场力 作用，以及内部非常复杂的物理化学作用，使得变压器的故障表现形式非常多样化，提取 故障的特征非常难。如按引起故障的原因来分，变压器主要有热性故障和电性故障；如按处 理方法来分，叉可分为在线处理方式和离线方式。以下按故障处理方式的不同，把变压器的 常见故障归纳如下： 在线方法 ( 1 ) 油中关键气体在线监测 ( 2 ) 局部放电监测和定位 ( 3 ) 变压器绕组变形监测 ( 4 ) 变压器铁心接地电流在线监测 ( 5 ) 泄漏电流和电容量的测量 ( 6 ) 容性设备介质损耗测量 ( 7 ) 断路器和( g i s ) 气体绝缘组合电器 ( 8 ) 避雷器全电流及阻性电流分量监测 f ( 9 ) d g a 的色谱分析 l 离线方法 局部放电试验：暑：笔；曩藉萋 i 对上述常见故障作简要如下说明。 ( 1 ) 油中关键气体在线监测“5 ”；关键气体是指当变压器发生故障时，出现某种特有 的气体成份或是引起原有的气体成份的溶度的大量增加。通过分析特征气体，就可以初步判 断变压器发生的故障类型。通过在软件中对关键气体的检测或是规定其极限，可以及时掌管 变压器的运行状态信息。 ( 2 ) 局部放电监测和定位“；当变压器有制造缺陷时，如接触不良等，在变压器内部就 会有局部放电现象产生，同时，如果油或是纸中有气泡也会有局部放电产生。局部放电分为 浙江大学硕十学位论文大型变压器状态监测与敞障诊断技术 低能量的火花放电和高能量的电弧放电。 ( 3 ) 变压器绕组变形监测同1 ：变压器运行的工况条件是非常恶劣的，往往承受着高负载 的电流冲击，特别是发生短路时，线圈内部承受着强大的电流应力，容易引起绕组的变形， 通过对绕组变形的分析可以发现变压器是否存在故障。绕组变形分析主要运用传递函数方 法。 ( d ) 变压器铁芯接地电流在线监测”“；变压器在运行中只允许一点接地。如果发生多点 接地时，会形成环流，使变压器油温升高。 ( 5 ) ： f l f 漏电流和电容量的测量”“：变压器是磁电共生系统，当其工作在正常状态时，系 统是平衡的，通过测定泄漏电流和电容量也能提示出变压器系统是不是有故障发生。 ( 6 ) 介质损耗测量”；对介质损耗因数t a 9 6 测定，一股运行中电容型设备的介质大多 在0 0 0 i o 0 2 之间。 ( 7 ) 断路器和气体组合电气“”；高压断路器是电力系统中最重要的开关设备，担负着控 制与保护的双重任务。一般测量其合、分闸线圈电流；行程、速度；振动信号。 ( 8 ) 避雷器“；对其主要测试阻性电流。 o 局部放电脉冲电流法“”；脉冲电流法和超声波般相互结合起来共同使用，以确定 故障发生的部位。 局部放电超声法； 2 ，油中气体分析法( d g a ) ： d g a 由于能够在变压器运行的过程中进行故障诊断，不受外界电场和磁场的影响，其结 果反映变压器的潜伏性故障比较灵敏，并且易于在线实现，己被公认为监测和诊断充油电力 变压器早期故障、预防灾难性事故发生的最有效的方法，因而得到了广泛的应用。 油中溶解气体分析方法( 简称d g a ) ，是变压器故障诊断中最主要，也是最普遍采用的 方法。通过定期采样油中气体的含量，与一些常用的判据，如i e c 三比值法，r o g e r s 比值 法等加以比较可以提示或者发现运行中的变压器是否存有故障，故障的严重程度，预测变 压器的故障趋势，能够发现一些变压器的潜伏性故障，对后续处理提供依据。工程中常用色 谱仪来分析处理油中溶解气体的含量，其优点是技术成熟，精度较高；缺点是操作复杂，需 要严格遵守操作守则；处理分析周期长，不易做成在线。常用的d g a 方法只能做到发现故障， 不能解决故障的定位问题。 在建立故障判据时，如果采用编码方式，如i e c 编码、r o g e r s 编码或者采用直接比值 法，有可能出现没有故障类型与编码的某种组合相搭配或是当数据落在比值的边界，出现这 种情况时，就使判据失效，因此有必要对边界进行模糊化处理。 由于变压器故障的复杂性，常规的状态监测与故障诊断系统诊断能力依然较弱，八十年 代以来，随着人工智能技术的发展，特别是专家系统技术的发展和在实际中的成功应用，故 障诊断出现了以专家系统技术为特征的第二代发展阶段。专家系统诊断技术是在常规诊断的 7 浙江人学硕l 学位论文大型变压器状态监测与故障诊断技术 基础上，戍用人j ：智能及其相关基础科学的研究成果，发展形成的以知识处理为核，0 的智能 型诊断技术。专家系统技术的发展和在故障诊断领域的应用，为故障诊断的研究开辟一条崭 新的路子。专家系统从理论上讲，可以集中领域专家在长期学习、实践中积累起来的关于诊 断领域丰富的专门知识并能像专家们一样工作，从而正确地解决设备运行中出现的各种异 常、故障现象。 然而从目前已经投入运行的或正在研制的各种专家系统的实际运行情况来看，虽然在故 障诊断中取得了一些成就，但多数系统仍然处于开发阶段，并不能像领域专家样有效地。| _ ： 作。变压器故障诊断专家系统仍面临蓿许多的问题，包括故障诊断领域方面和专家系统技术 方面的问题。 抽取变压器故障特征知识是故障诊断专家系统工程的核心与基础。知识的质与量是一个 专家系统性能的重要标准，只有领域专家对该领域问题有了深入、透彻的了解，模拟专家进 行的j j 作的专家系统才可能完成正确的诊断。在故障诊断领域方面的问题有；( 1 ) 故障及故 障传播机理不完全确定，缺乏故障诊断所必需的知识。大型变压器为典型的复杂系统，其结 构复杂，影响因素众多，因此难以对故障用数学模型来表示以获取必要的深知识；( 2 ) 领域 专家知识的不精确。领域专家具有丰富的故障诊断经验，但缺乏定量准则，很多知识都表现 为一些不太戒熟的模糊经验：( 3 故障征兆与故障之间的关系复杂。故障之间不存在单一的 确定的因果关系，往往表现为同一故障对应多种故障征兆，而同一故障征兆又对应着多个故 障，因而难以获得典型的征兆，尤其在多故障并发时，使故障诊断交得更加复杂。 故障诊断知识的多渠道获取和正确表示是成功开发智能故障诊断系统成功的关键。但由 于大型变压器本身的复杂性，人工智能技术的不完善，使目前的故障诊断专家系统工程在诊 断知识的表达、组织、推理和获取方面还存在着许多不足：( 1 ) 诊断知识的构成单一。由于 大型变压器故障模型建立复杂，知识难以获得，背景知识有时也难以获得或不被重视而忽略。 因此实际系统中往往只利用了一些模糊的经验性知识。由于在制造、安装过程中存在着差异， 运行历史状态和环境等诸多因素也各不相同，即使同一故障的特征也具有一定的特异性。( 2 ) 不确定知识的表示与推理的理论和方法不完善。知识往往带在大量的不确定性( 随机性、模 糊性、未确定性) 。至今关于各种不确定的分析研究已经取得了一些成果，然而对大型变压 器故障诊断这样多不确定性共存的情况，还有大量理论和方法方面的问题有待解决。( 3 ) 推 理的简单化。对不同类型、层次的知识进行推理本身有低效率，组合爆炸等不可克服的问题。 ( 4 ) 知识获取的“瓶颈”问厨。对诊断知识的多渠道获取，对知识库维护仍缺乏有效的方法。 一个专家系统的生命力在于实际应用中能不断扩充和完善知识。但对诊断知识的多渠道自动 获取以及对知识库完备性、一致性和正确性的维护仍缺乏系统的理论研究和实用有效的方 法。 在变压器故障诊断领域里引入模糊理论是主要是为了解决编码问题。当编码落在边界外 或没有与相对应的编码对应时，直接应用编码方法就会出现失效，针对上述问题，引入模糊 8 浙江人学硕1 7 学位论文大型变压器状态崎测与故障诊断技术 集理论，将不同气体成份相互的比值看作故障类别的模糊现象子集，依据比值法给出的比值 与变压器故障类别之间的定量关系，建立模糊现象子集相对于不同故障类别的隶属函数，从 而进行故障类别的模糊综合评判。 神经网络魁最近几年来发展比较快的领域。神经网络是一门活跃的边缘性交叉学科，研 究它的发展过程和前沿问题具有重要的理论意义。神经网络理论是巨量信息并行处理和大规 模平行计算的基础，神经网络既是高度非线性动力学系统，又是自适应组织系统，可用来描 述认知、决策及控制的智能行为。它的中心问题是智能的认知和模拟。以人工方法模拟这些 功能，毫无疑问，有助于加深对思维及智能的认识。8 0 年代初，神经网络的重新兴起，已 对认知和智力的本质的基础研究乃至计算机产业都产生了空前的刺激和极大的推动作用。近 十年来。神经网络理论与实践有了引入注目的进展，它再一次拓展了计算概念的内涵，使神 经计算、进化计算成为新的学科，神经网络的软件模拟锝到了广泛的应用”“3 。 神经具有高度非线性映射能力能过简单的训练，建立样本与故障类型之间的一一对应 关系，并且网络具有“泛化”能力。基于d g a 的变压器故障诊断中，应用神经网络技术能解 决编码方法固有的缺陷，如没有故障类型相对应等。神经网络还与各种优化方法相结合，如 遗传算法相结合，以改善网络训练时的周期长，易于陷入局部极值问题。通过改良的神经网 络大大的增加了故障的诊断性能。 总之。基于d g a 方法能够最大限度地获得变压器的运行状况信息，而且其不易受外界干 扰的影响，工程上易于实现，因此成为变压器故障诊断的最常用方法。 1 4 课题提出与研究的主要内容 l4 1 课题的提出和方案的选择 本文是在嘉兴科技计划重点项目“大型变压器远程在线状态监测与故障诊断网络化技术 与系统研究”基础上展开的研究。目前变压器向高电压、高容量方向发展，对变压器状态监 测和故障诊断要求的不断提高，在充分分析现有的技术条件和新技术、新理论在故障诊断的 投入运用取得一些的新成果的条件下，自主开发一个变压器故障诊断的综合平台。本课题主 要在以下这些方面展开研究： ( 1 ) 基于d g a 的变压器故障诊断的机理的进一步研究。故障特征气体的比值法是当前变 压器故障诊断的最常用方法，对发现变压器早期故障方面确实起到了非常重要的作用，但是 在比值落在边界情况或处于该约定的范围之外时，应用该判据进得诊断出现失效。虽然通过 一定的数据处理手段可以将数据映射到此范围之内的值，但普遍存在通用性不强，理论深奥， 。 ：程上不易实现的缺点。除了比值法之外，关键气体分析法也是一个相当有价值的敖障判据。 对于不同的变压器结构和运行环境，建立关键气体的溶解度界限，对于变压器的状态监测有 一定的意义，而且这种方法直接利用采样的浓度值，因而能够方便在线的实现。( 2 ) 数据挖 掘技术的研究。将模糊诊断技术，神经网络技术，遗传算法等新理论或其组合运用是故障诊 9 浙江大学硕士学位论文 大型变压器状态监测与故障诊断技术 断一个新发展方向。( 3 ) 远程故障诊断。当前故障诊断是网络化的故障诊断，协同诊断，靠 单一的单机诊断其能力是十分有限的。( 4 ) 嵌入式系统开发。目前嵌入式技术手段日新月异， 把嵌入式系统运用到变压器故障诊断中，可以建立一个分布式的故障诊断系统。另外，变压 器故障诊断必然是一个多信息处理系统，只有取得变压器故障的足够多的信息，才能多角度 展开故障诊断，提高故障诊断的准确性。 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故障诊 断平台。 1 2 2 本文的主要研究内容 根据国内外关于大型变压器状态监测与故障诊断研究的现状与发展趋势，结合大型应用 课题，本论文以遗传算法结合神经网络的变压器故障诊断技术及其应用为主题，开发一套适 用于工业现场的变压器状态监测与故障系统。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 ) 利用有机薄膜从变压嚣绝缘油中分离出故障特征气体，如氢气、甲烷、乙烷、乙 烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳等气体，利用半导体气体传感器进行气体成份和浓度( 量值) 监测，开发能同时监测多种特征气体的变压器特征气体传感器阵列； ( 3 ) 研究基于嵌入式系统的变压器在线状态采集器，主要完成变压器特征气体、温度、 振动等信号的采集、实时分析、初步诊断的功能。 以变压器在线状态采集器为基础，采用服务器浏览器变压器在线状态采集器( 嵌入式 w e b 服务器) 结构建立变压器状态监粳与智能故障诊断网络系统。开发嵌入式系统的班! b 数 据服务器。变压器在线状态采集器既是一个能对变压器状态信号进行智能采集的数据采集 器，同时又是一个嵌入式霄e b 监测与诊断服务器；监测数据与综合诊断服务器主要接收各变 压器在线状态采集器的监测与诊断结果数据，并进行设备历史状态数据存储和进步的故障 综合评判；通过网络随时访问监测数据与综合诊断服务器，以获取各变压器或测点的历史数 据和综台评判结果，也可以访问各变压器在线状态采集器( w e b 监测与诊断服务器) 的实时 数据与初步诊断结果。这样通过i n t e r n e t 网络，用户可以在任何地方、任何时候、通过任何 平台都能够得到网络上每台变压器运行状态的监测数据和智能诊断结果，及时掌握变压器设 备的运行状况。 这种分布式网络结构可提高系统的可靠性和稳定性，网络中任何一台嵌入式系统监控器 或监测与综合诊断服务器的损坏都不会影响系统的其他部分工作，同时也可以方便地对监测 与诊断网络系统进行扩充与重构。 ( 4 ) 为了更加准确地对变压器的故障进行分析、判断和预报，确定故障的性质、类型 浙江大学硕士学位论文大型变压器状态监测与故障诊断技术 平程度，项目研究各种特征气体信号、温度信号和振动信号等的基于神经网络的信息融合技 术，进行变压器故障的综合诊断： ( 5 ) 对整个系统进行实验研究，逐渐完善功能和性能；以实际运行变压器为对象进行 应用研究。 本章小结 本章分析了火型变压器状态监测与故障诊断的研究现状，介绍了变压器常见的故降类型 雨j 故障诊断的常规方法和新的智能诊断方法，论述了其发展趋势，结合具体的项目的任务要 求和功能，提出了本论文的主要研究任务、技术方案选型。 1 1 浙江大学硕十学位论文 大型变压器状态监测与故障诊断技术 第二章基于d g a 的变压器故障诊断技术与系统 2 1 油中溶解气体的产生机理研究 油中溶解气体分析方法( d j s s o l v e dg a sa n a l y s i s 简称d a g ) 是通过分析从变压器采样得 来的样本油中气体的浓度，并将此浓度与标准推荐的值相比较来判断变压器是否存在故障或 故障的严重情度的方法。 变压器的主要绝缘材料是绝缘油、固体绝缘材料，当受热或放电作用下会分解成小分子 气体，当绝缘油受热会分解成碳氢化台物如：h 2 ，c h 4 ，c 2 h 6 ，c 2 h4 和c 2 h 2 气体，而当绝缘材 料为嘲体绝缘材料则分解成碳氧化台物，如c o 、c 0 2 ；若绝缘材料是合成树脂材料( 苯酚一 甲酚树脂，p h e n o l f o r m a l d e h y d er e s i n ) ，所分解的气体以c 3 ( 丙烷、丙烯) 、c 4 ( j - 烯) 气体为主。h a l s t e a d 在1 9 7 3 年发表的报告中，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。因此建立了如下的假设：特定碳氢气体的相对析出速率根据 温度的变化而变化，每种气体在不同的温度下达到其最大的析出速率，在特定温度下各类气 体的相对析出速率是固定的。根据这一假设，随着温度升高，析出速率达到最大值的次序依 次为：h2 ，c h 4 ，c 2 h 6 ，c 2 乩和c 2 h 2 。h a l s t e a d 假说是应用油中溶解气体比值法诊断设备故 障类型并估计热点温度的理论基础，根据这一假设，在不同的温度点，故障点产生的各气体 组之间的相对比例是不同的。变压器故故障大致可分为热故障与电气故障两大类，由过去经 验可知气体的种类和含量随故障原因不同而有所差异，些电力公司如t e x a sv t i l i t i e ， a r i z o n ap u b l i c ss e r v i c ec o m p a n y 己着手电力变压器故障统计分析国内如台湾电力公司 则收集近十年油浸式，容量5 州a i o o b m v a ，电压1 1 6 3 4 5 k v 的电变压器运行资料，进行 各种故障原因分析以作为防范变压器故障的确参考依据，将电力变压器故障类型、故障原 因、油中主要气体含量进行扼要探讨： 热故障 热故障可细分低温放过热、中温过热、高温过热，包含绝缘油、固体绝缘材料过热情形， 造成过热的原因是负载突升、电抗泄漏( 扼铁中) 、接地线间循环电流、套管与电缆连接或 接触不良、铁芯过电流加热效应、铁芯矽钢片短路、外壳泄漏电抗产生电流等加热作用。变 压器内部以低温和中温过热最多，油中主要气体主要为甲烷( c h 4 ) ；随着过热温度升高则乙 烯( c 2 h 4 ) 含量越显著，在高温热时，c 2 h 4 为主要气体、其次为c h 4 等，当变压器内部由 高温过热转为放电异常现象时，氢气( h 2 ) 和乙炔( c 2 h 2 ) 含量逐渐占有极大的比例，热故 障可由c 2 h 4 禽量所占有的比例区分严重程度。 1 2 浙江人学砸l 。学位论文大型变压器状态腩测与故障诊断投术 气故障 电气故障可细分高低能量电弧放电( a r c i n g ) 、高低能量局部火花放电( c o r o n a ) 。高低 能量电弧放电的原因有o l t c 选择器泄漏、套管与外壳产生电孤、铁芯矽钢片间产生电弧、 裸露金属产生电弧、铜排与外壳短、铁芯绝缘螺栓间短路等；造成高低能量部分放电的原因 有过饱和绝缘油气泡产生放电、轭流件与外壳产生放电、套管与外壳产生放电、铁芯矽铜片 之间放电、裸露金属放电等。当变压器内部有电弧或部分放电现象时，c 2 h 2 所占有的比例 增加，表示变压器内部己潜在严重的故障，应建议立即停止运转进行检修。 吲态绝缘材料受热会分解c 0 和c 0 2 ，其产生气体的速率可作为固态绝缘材料受热或劣 化( c e l l u l o s ed e g r a d a t i o n ，c d ) 重要的指标，当c 0 含量起过3 0 0 p p m 或c 0 c 0 2 比值较 人。可断定刨绝缘材料有异常现象，若绝缘材料属于合成树脂材料，分解的气体与以c 3 、 c 4 气体为主导。 当可燃气体总含量t c g 明显增加时，经初步判断存在异常态时，变压器即进一步诊断故 障类型，其诊断方法目前广泛使用d g a 方法，其中诊断气体可有7 种、9 种( 加0 2 、n 2 ) 及 1 2 种( 加c 3 h 6 、c 3 h 8 、i c 4 h 1 0 ) 三类。诊断方法大致分为( 1 ) 关键气体分析法( k e yg a s m e t h o d ) ：此方法依据不同的指标性气体生成量，推论出不同故障类型：( 2 ) 编码分析法( r a t i o c o d e sc r it e r i o n ) ：此方法将两种气体成份比值归类编码，如c 2 h 2 c 2 h 4 、c h 4 h 2 、c 2 h 4 c 2 h 6 。由编码对应的故障类型，推论异常状态，其中较常用的编码分析法有d o r n e n b u r g 诊断法、r o g e r s 诊断法、c l a s s 诊断法、l a b o r e l e c 诊断法、i e c 诊断法、日本电协法、 及c i g r e 诊断法等，其中i e c 诊断法以c 2 h 2 c 2 h 4 、c h 4 h 2 及c 2 h 4 c 2 h 6 三比值，编成 8 组故障类型经统计结果评估其正确率较低( 约6 0 ) ，经修改后可由2 3 组编码对应5 种 故障类型，i e c 改良诊断法准确率己达8 0 ，日本同样以i e c 改良方法修订其电协研法。c i g r e 诊断法是目前德国认可的诊断法，其特色是将c o 、c 0 2 、c 3 h 6 三种气体列入成分比的考虑 项目中，主要目的为判断固体绝缘材料劣化程度，此诊断法将变压器异常种类编成8 种。 编码法将异常状况分类具体量化，将气体成分比值与故障类型作对关系，编成程序，让 检测人员方便判断故障类型，大幅提高诊断效率及准确率，气体成分比值的范围与编码可随 着具体累积作修改，但有时测试的数据恰好介于两个不同的故障类型边界时，将可能导致判 断错误，近年来，许多人工智能方法引入到变压器故障诊断中，使得编码法更具有弹性化， 使诊断分析法适用于不同制造厂、额定容量、电压等级的变压器。本论文中，采用遗传神经 网络来进行变压器故障的诊断。 变压器的结构特点以及运行的工况条件，致使造成变压器故障的原因多种多样，故障形 式也千差万别。 流油放电：一台大型变压器寿命在3 0 到4 0 年，其间不断变换的只有样东西：变 压器油。变压器中的油主要有两个功能一是绝缘，其次是冷却。对变压器用油都有一个严格 的物理化学性能指标。流油放电( t h u n d e r s t r o m s ) 是需要避免的一种现象”“”1 。1 9 8 2 年， 浙江大学顺j i 学位论文 大型变压器状态监测与故障诊断技术 在美国的德克萨斯( t e x a s ) 由于流油放电造成重大的停电事故；日本最早在1 9 7 0 也对这种 现像进行过报到，当时称为油中的静电现像。当流动变压器冷却油不断冲刷变压器的绝缘结 构时就会使得绝缘结构带上正电荷，相应地流油就会带上负电荷，当两者的电荷量累积到 一定的槲度后，就会出现象自然界中的“闪电”现象，烧坏绝缘造成变压器事故。人们对此 问题的深入研究，开发出了低放电率的变压器用油。湿气和空气”“；变压器油中的湿气 有些是由于操作不当造成的，如换油时，没有充分把气体排干净，制造过程中，没有充分烘 干，使绝缘纸中吸收了湿气；另一种情况则是氧化过程产生的。湿气一方面使变压器绝缘破 坏，另一方面，湿气和空气溶解在油中形成气泡造成变压器局部电弧放电形成故障，在工程 上已经有相当完美的湿度检测装置。气泡”；在第点中已经谈到湿空气形成气泡造成电 弧放电现象，这里还有一些产生气泡的情况。变压器工作在满负荷工作时，温度升高，线圈 和包扎绝缘纸澎涨，在负荷变小时，温度下降，线圈和绝缘纸收缩，负荷的不断变化，使线 圈和绝缘纸形成澎涨和收缩交替进得的“张弛”现象，在油中形成气泡；另一种情况是，在 充油变压器中，在油面上方有一个气室，当油温较高、气室有一定的压力时，气体溶解于油 中，一旦温度f 降，溶解在油中的气体析出，形成气泡。绝缘结构：变压器中的绝缘结 构主要包括绝缘纸和绝缘压板。人们试图通过测定绝缘纸的绝缘性能来预测变压器的寿命。 对绝缘纸绝缘性能的检测主要是考查构成绝缘纸的纤维聚合度( d e g r e eo fp o l y m e r i z a t i o n ( d p ) ) 1 ，通过把绝缘纸溶解到某种溶液中，测量混和溶液的动粘度来达到测定d p 的目的。 对于工作中的变压器，由于不可能从中取一块绝缘纸出来于是人们又找到一种间接测试方 法。研究发现，绝缘纸在正常老化过程中会产生一种叫呋喃( f u n a s ) 的中间分解物质，通 过测定油中呋喃的含量，同样可以达到测定绝缘纸老化程度的目的。 电力变压器的故障原因相当复杂，存在大量不确定因素，某些故障现