（电力系统及其自动化专业论文）变压器状态检修策略的研究.pdf

a b s t r a c t c l a s s i c a lp e r i o d i cm a i n t e n a n c eh a sm a n ys e r i o u sp r o b l e m s ，s u c ha s “m a i n t e n a n c e o v e r m u c h ”o r m a i n t e n a n c el a c k ”s t a t em a i n t e n a n c ec a nn o to n l yi n c r e a s er e l i a b i l i t y , b u ta l s oi n c r e a s et h ee c o n o m i cp e r f o r m a n c eo fs u b s t a t i o n s t h i sp a p e ra d o p t sas t a t em a i n t e n a n c es t r a t e g yt of o r e c a s tt h es t a t eo f t r a n s f o r m e r o i l t h i ss t r m e g ya d o p t st h et h e o r yo fb pn e r v en e tt oe s t i m a t et h ec u r r e n ts t a t eo f t r a n s f o r m e ro i ls y n t h e s i z i n gt h eg a sc o n t e n t , p a r t i a ld i s c h a r g ec o n t e n ta n dw a t e r c o n t e n t ，t h em o d e lo ft e m p o r a ls e r i e st of o r e c a s tt h e1 0 a d ，a n dt h et h e o r yo fm a r k o v t h e o r yt oe s t i m a t et h es t a t eo ft r a n s f o r m e ro i li nt h ef u t u r e a tl a s t ，t h ep a p e ra d o p t s t h ef r a c t i o n a ls t r a t e g yc o m b i n i n gt h em a c r o e c o n o m i ca n dm i c r o c o s m i cf a c t o r st o d e t e r m i n et h eb e s tt i m eo fm a i n t e n a n c e ，a n da d o p t st h eo b j e c tf u n c t i o n o ft h e m i n i m u mb o t hm a i n t e n a n c ee x p e n s ea n d 血e1 0 s so fe l e c t r i c i t yi n c o m et oc o n s t i t u t e t h em a i n t e n a n c es t r a t e g y t h e o n e s t e pt r a n s f e rp r o b a b i l i t ym a t r i xi sp i v o t a lt o e v a l u a t et h el i f eo fs u b s t a t i o n t h ep a p e ra d o p t ss i m p l ef o r mm e t h o dt os i m u l a t el o t s o f s t a t i s t i c a ld a t e st og e to n e s t e pt r a n s f e rp r o b a b i l i t ym a t r i x t oc a r et h ei n f l u e n c eo ft r a n s f o r m e ro i la f f e c t e db yl o a d ，e n v i r o n m e n ta n d c l i m a t i cc o n d i t i o n ，t h ep a p e ra d o p t st h ec o n c e p to fs t e pg e n et ow e i 曲t h e s ei n f l u e n c e s b e c a u s et h e s ei n f l u e n c e sc a nb er e f l e c t e di nt h et e m p e r a t eo ft r a n s f o r m e ro i l ，t h es t e p g e n ec a nl i n kt ot h et e m p e r a t eo ft r a n s f o r m e ro i l ，w h i c hl e t st h e ma g r e ea r r h e n i u sl a w s oo no n eh a n d t h ec o m b i n e di n f l u e n c e so f m a n yc o m p l e xf a c t o r sc 锄b er e d u c e dt o t h es t e pg e n e ；o nt h eo t h e rh a n d ，t h eg e n ec a nr e d u c et h eo b s e r v e dv a l u eo fd i f f e r e n t t i m eq u a n t u mt ot h ew e e kv a l u es p e e do ft r a n s f o r m e ro i l ，w h i c hc a nh e l pt oe s t i m a t e t h eo n e s t e pt r a n s i t i o np r o b a b i l i t ym a t r i x k e y w o r d s ：s t a t em a i n t e n a n c e ，m a r k o vc h a i n ，s t e pg e n e 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：靠谚系签字日期：加，r 年1 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名老害芬 签字日期：沙。岁年7 月7 日 导师签名：老绷矗 签字日期：耐年 月吵日 第一章绪论 第一章绪论 当前变压器检修制度有两种：定期检修制度和状态检修制度。前者以时间周 期为标准安排检修，而后者以变压器的实际运行状态为标准安排检修。如何使变 压器状态检修真正能达到以最低的经济代价换取变压器设备的安全是摆在电力 系统工作者面前一项重要而紧迫的研究课题。 1 1 电力设备状态检修 变压器等电力设备在长期运行中，由于受到各种各样因素的影响，他们的健 康状况逐渐变坏。为使电力设备安全运行，对它们进行一定的检修，甚至更换某 些部件是完全必要的。 我国从2 0 世纪5 0 年代开始就实行以时间周期为基础的设备定期检修制度， 其基本任务是防患于未然，保证电力设备安全稳定的运行。然而，多年的实践证 明，这种检修方式是一种盲目的检修制度，存在着严重的“过修”或“欠修”问 题。对于“欠修”，因设备的可靠性下降可能随时发生电力事故，其严重后果是 不堪设想的。而“过修”不但导致大量的人力、物力浪费，而且在电力设备的拆 迁、安装过程中会潜伏下某些隐患，反而使变压器原来的可靠性降低。就定期检 修的不足，可以概括成以下几点： ( 1 ) 维修对象不明确； ( 2 ) 不必要的或保守的预防性维修项目过多； ( 3 ) 不能解决频发性故障多的问题； 所谓状态检修是指：通过先进的状态检测、可靠性评价以及寿命预测等手段， 在设备性能下降到一定程度或故障将要发生之前进行维修。由于科学地提高了设 备的可用率和明确了检修目标，这种检修体制耗费最低，能为设备安全、稳定、 长周期、全性能、优质运行提供可靠的技术保障。实行状态检修的直接效益，归 纳起来有以下几点： ( 1 ) 维修对象明确； ( 2 ) 减少了不必要的或保守的预防性维修项目； ( 3 ) 解决了频发性故障多的问题； 第一章绪论 实行状态检修能带来巨大的经济效益是推动状态检修技术研究的动力。目 前，国内外对电力设备状态检修技术进行了各种探讨和研究，并在实践中都取得 了很大的成绩。 在美国电力研究院( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ，e p r i ) 的报告 中称：在火电厂推行汽轮机叶片和轴承状态在线监测、锅炉管和加热泄漏在线监 测、汽轮机凝汽器清洁度在线监测等技术，能为一个电厂平均每年节省2 0 0 多万 美元费用。例如：费城电力公司( p e c o ) 的艾迪斯通( e d d y s t o n e ) 电厂在四台 机组( 2 * 3 2 0 m w + 2 * 4 0 0 m w ) 上运用状态检修技术，先后安装了4 0 多套各种监测诊 断系统，大修由3 5 年提高到6 8 年，小修由1 2 个月提高到1 8 个月，5 年收益 2 5 0 万美元：杜克电力公司的奥康尼核电站运用状态检修技术，每年收益1 5 0 万 美元，对几台水电设备进行状态监测，节约维修费用】0 0 万美元；c o r o n a d o 电 厂采用状态检修后，每年节约运行维修费用约2 0 0 万美元，并且减少非计划停运 时间1 0 天；新墨西哥州公共服务公司的s a nj u a n 电厂仅因改进锅炉除灰，就获 得年收益4 0 万美元。 日本从8 0 年代开始就实行了阻状态检测为基础的预知检修，日本学者重点 研究了状态检修对本国技术特点的适用性，并在检修中采用了设备诊断和寿命评 估的方法。 在国内，设备状态检修引起了国家有关部门的高度重视。早在1 9 8 7 年，国 务院在颁布的全民所有n x k 交通设备管理条例中指出：应采用以状态检测 为基础的方法，不断提高设备管理和维修现代化水平。我国已经有很多科研单位 和企业开展了这项工作的研究，并取得了很大成绩。大连电业局在6 6 k v 以及以 下配电网上开展了不少试点工作，从几年的实践经验看，节省了检修成本，提高 了检修效率。山东省电力工业局1 9 9 5 年制定“供电系统设备状态检修维修管理 办法”，并逐步推行供电设备的状态维修，也取得了可观的成绩。 要进行状态检修，首先要掌握电力设备的运行状况。在检测的电力设备物理 量方面的方法并不完全相同。例如，对大型发电机检测，德国主要进行定子线棒 温度检测、r f 放电监测、湿度检测、漏氢检测、定子铁心状况监测、轴接地和 转子匝间短路检测，而法国主要进行定子线棒温度监测、轴承震动检测、定子绕 组端部振动监测、电气检测、定子冷却水化学成分检测、漏氢检测。 在对设备的当前状态了解的基础上，需要完成对设备的寿命做出科学的估 计。通常采用概率的方法进行寿命估计，以得到有关剩余寿命的两个指标：平均 第一章绪论 剩余寿命和上限剩余寿命。美国田纳西河流域管理委员会( t v a ) 的寿命评估工作 是富有成效的。例如，在1 9 9 3 一1 9 9 6 年的4 年时间，改造了15 台1 5 0 3 0 0 m w 机组的锅炉，使得由于锅炉造成的强制停机率由9 降至2 。他们做法是：列 出锅炉主辅机所有的历史问题和造成停炉的原因，对可能造成的事故原因进行分 析、试验、评估，并对每项技术措旌作效益分析。最后，t v a 只用4 5 亿美元就 完成了制造商需耗费1 3 亿美元的设备改造任务。 1 2 变压器状态检修 变压器是电力系统中主要电力设备之一，它能否安全可靠的运行性直接关系 到电网的稳定性。因此，科学地对变压器进行检修显得十分重要。 我国生产的油浸式电力变压器中主绝缘几乎均采用油一屏障绝缘结构，3 5 k v 及以下的变压器采用胶纸筒和油间隙所构成的油一屏障绝缘结构，3 5 k v 以上的变 压器采用不含胶的绝缘纸和纸板所构成的绝缘层和油间隙结构。i 1 0 k v 及以上的 变压器均采用小油隙( 油隙小于1 2 m m ) 结构，6 0 k v 以下的变压器采用大油隙( 2 0 m m 左右) 结构。 油浸式电力变压器离不开油、纸等绝缘材料，其中绝缘油起着绝缘和散热的 双重作用。变压嚣的绝缘结构分为内绝缘、外绝缘。内绝缘是处于油箱中的各部 分绝缘，这些绝缘是油、固体绝缘材料以及二者的组合。外绝缘是空气绝缘，是 指套管上部对地以及彼此之间的绝缘间隙。内绝缘油可分为主绝缘和纵绝缘两 种。主绝缘是指线圈或引线对地、对异相或同相其它线圈、或引线之间的绝缘： 纵绝缘是指同一线圈上各点之间或者其相应引线之间的绝缘。 变压器绝缘要求使用年限不低于2 5 3 0 年，运行中的变压器绝缘必须满足电、 机、热三个方面的性能要求。为了保证变压器能正常运行，并能承受可能出现的 各种过电压，要求变压器绝缘能够承受各种耐压试验，其中i r a i n 交流耐压试验 检验主绝缘的绝缘水平，冲击耐压试验检测总绝缘的绝缘水平。 做好变压器健康状态的诊断工作是对变压器实现状态检修的前提。有关变压 器故障诊断方法，国内外许多学者进行了大量的研究。 文献“”采用模糊智能技术，对变压器油中溶解气体分析所得数据作为原始数 据进行分析推理和故障诊断，解决传统三比值法准确度低而造成的变压器故障误 半4 季口漏半4 问题。 文献。“介绍了一种基于线性分类器和溶解气体成分为特征参数的充油变压 第一章绪论 器潜伏性故障的识别方法，并将识别结果与基于b p 神经网络法的i e c 三比值法 进行了对比。结果表明：选用h 2 、c 、c 2 h 2 、c 2 h 4 、c 2 h 6 、c o 、c 0 4 七种特 征气体作为特征参数时有较高的准确度。 文献。”基于粗糙集理论，结合欧式距离、神经网络和模糊数学三种方法进行 综合匹配，提出了一种能较好处理不完备信息的变压器故障诊断模型，并详细阐 述了在缺少某些关键信息时如何使用该模型的具体方法。 文献”6 1 基于智能互补融合的思想，将粗糙集理论与模糊p e t r i 网络有机结合 在一起，从因果关系角度对油浸电力变压器进行故障诊断。利用粗糙集信息表简 化技术来实现对专家知识的简化与故障特征的压缩，获得最小诊断规则，采用基 于最小诊断规则的p e t r i 网络模型降低了网络结构的复杂性与故障特征获取的难 度。 文献5 ”介绍了用f f t 和级联二阶i i r 陷波器剔除周期性载波干扰，用小波包 方法去除白噪声和用小波分解方法有效地提取变压器局部放电脉冲。利用d s p 可做f f t 变换、i i r 滤波和小波变换，对采集到的数据先由d s p 预处理和判断 是否含有放电信号，若是则传送到后台工控机进行二次处理，有利于组成大型的 故障检测系统。 文献”1 采用超高频法研究了油纸绝缘中局部放电，并用内置超高频探头实 现了电力变压器局部放电的在线检测。 文献。7 3 针对运行中变压器局部放电在线监测信号中的强烈窄带干扰，分别研 究了基于快速f o u r i e r 变换( f f t ) 和时域分析算法的滤波器，对放电高频信号进行 信号处理，以抑制干扰。处理结果表明，高频放电信号样本的信嗓比可以提高 1 5 2 0 d b 。对处理后的高频信号和同时采集到的超高频信号进行了综合分析， 发现两种放电样本中的放电脉冲延时和幅值大小均存在着对应关系，而干扰样本 中则不存在这种对应关系。这一结果为局部放电信号的识别提供了一种分析判断 的依据。 文献”通过与套管末屏串联的分压电容提取工频电压信号，认为在线检测 变压器高压套管的介质损耗是判断其绝缘状况的有效手段。该文采用绝对测量和 相对测量相结合的方法准确地测量了套管的介质损耗，并应用传输线理论分析了 其误差特性。 文献”“采用裂解色谱一质谱、红外光谱和核磁共振谱等方法对吸附滤板( 芯) 上吸附物进行成份分析测试。对变压器油进行模拟微生物污染试验，测定了培养 第一章绪论 过程中油介质损耗、表面张力和酸值等指标的变化情况，并对油进行微生物染色 计数检验。 为充分利用变压器原有的可靠性，应尽量在接近变压器上限剩余寿命时进行 状态检修。在变压器寿命估计方面也有许多学者进行了研究。 文献”7 1 提出在综合考虑变压器的各种运行记录的前提下，将变压器的寿命归 回于其绝缘的热老化。 文献”详细介绍了变压器绝缘老化在线检测分析的模型，提出了对变压器寿 命评估的新方法，叙述了人工神经网络( t f d a n n ) 在变压器绝缘老化程度诊断和 寿命评估方面应用的可行性和有效性。 文献。“提出了基于变压器绝缘纸聚合度的测定，推导出计算绝缘纸聚合度与 变压器寿命关系的新公式，提出了在设计和制造阶段评估变压器寿命的新方法。 正确地对变压器进行寿命估计，需要了解变压器未来负荷的情况。同时，为 使变压器的检修尽可能安排在负荷低谷，也需要预测变压器未来负荷。在负荷预 测方面，有长期、中期、短期之分。对于用于状态检修方面的负荷预测，通常需 要中期负荷预测。关于中期负荷预测，预测的方法和手段很多。 文献j 采用人工神经网络( a n n ) 进行电力负荷中期预测，阐述了人工神经网 络的基本原理和反向传播算法( b a c k p r o p a g a t i o n ) 。根据实际情况建立了人工神经 网络的模型并利用v i s u a lb a s i c 编制了相应的计算程序，进行了实例计算，并验 证了a n n 适用于中期电力负荷预测。 文献”“采用线性回归来进行电力系统中期负荷预测。由于受众多不确定性因 素的影响，历史数据和相关变量未来取值常常是不准确的，致使该方法的预测结 果误差较大。为了提高电力负荷预测的精度，该文提出了一种改进的模糊线性回 归预测方法，即加权模糊线性回归预测法，它将模糊线性回归法预测模型的求解 归结为一个线性规划问题，并对该模型进行改进，按照回归变量的重要程度确定 目标函数中各项的权重，并按照各历史数据的重要程度确定贴近度标准。文中提 出的改进模型是可调的，能够灵活计及预测中的一些定性模糊因素。 1 3 本文工作目标和内容 本文工作目标是：通过了解变压器绝缘油的健康状况和对变压器未来负荷的 预测，确定变压器最佳经济合理的检修时间，即制定变压器的状态检修策略。具 体内容如下： 第一章绪论 ( 1 ) 用变压器绝缘油中溶解氢气量、局放量、微水含量和油温作为变压器 健康情况的特征参数学，采用人工神经网络的多层感知b p 算法来综合评价； ( 2 ) 依据变压器健康情况的历史数据，用单纯型法拟合出基于马尔科夫链 对变压器未来健康情况估计的转移概率矩阵； ( 3 ) 考虑变压器负荷状况对马尔科夫链转移概率矩阵的影响，提出一种把 负荷状况、环境温度状况折合为转移时间的实用方法； ( 4 ) 建立一种考虑变压器当前健康状态和未来负荷状况的变压器检修数学 模型，从充分发挥变压器上限剩余寿命和减少检修停电带来的经济损失的双重角 度出发，以确定最经济合理的变压器检修时间。 6 第二章基tb p 神经网络理论的变压器实时状态监测与诊断 第二章基于b p 神经网络的变压器健康状况估计 随着传感器、计算机技术的发展，电气设备的在线监测已成为可能。综合各 种在线监测数据，对变压器健康状况做出判断，是实现状态检修的前提。 21 变压器状态在线监测 离线视i 试存在两个问题：一是在设备工作状况良好的情况下不必要的停运， 二是施加的试验电压一般低于设备实际的运行电压，难以暴露一些实际存在的绝 缘缺陷。目前，为了对变压器健康状况进行了解，可以在变压器设备上装设绝缘 泊气体成分和含量检测装置、局部放电检测装置、微水量检测装置。 2 1 1 油中气体含量的在线监测 当变压器出现内部故障盯，不论是过热性故障。还是放电性故障，都会破坏 油分子结构，裂解出各种气体。由于生成氢气颓克服的健能最低，在油中首先出 现氢气。检测氢气在油中的含量，虽不能判断故障性质，但是对于故障的早期预 报还是有很大意义的。事实上，对氧气含量检测装置的研究是比较早出现的，对 设备和系统的安全经济运行起到了积极有效的作用，在国内外得到了普遍的应 用。 检测油中气体成分和含量常用方法是气相色谱法，它是判断变压器等充油设 备潜伏性故障的主要手段之一。离线的气帽包谱法是从变压器中提取出试样，将 试样油送到化学分析实骑事，由专家进行分析和评价。这种方法操作手续较繁， 检测削期较长，不易及早发现两次故障之间的故障缺陷。 实现变压器油由气体的在线检测的关键是在现场如何简便地从油中脱出气 体，以及鲫何方便地测量出各种气体含量。现场从油中脱出气体有两种方法一 种是利用某些台成材料薄膜的透气一陛，让油中所溶解的气体经过薄膜透析剑气室 里面，另一种是对取出的油样吹气，将原褡于油中的气体替换出来。当气体分离 出来后，对它进彳亍分析检测的方法有两大类：一类仍用色谱柱将不同气体分离， 另一类采用某种气体敏感的传感器，如气敏半导。对于后一种方法，通过测量元 件电气属性的改变就可以知道油中氢气的含量。 但是，如果单单把氢气含量作为唯一指标，在利用该方法判断过热故障是否 但是，如果单单把氢气含量作为唯一指标，在利用该方法判断过热故障是否 第二章基于b p 神经网络理论的变压器实时状态监测与诊断 第二章基于肿神经网络的变压器健康状况估计 随着传感器、计算机技术的发展，电气设备的在线监测已成为可能。综合各 种在线监测数据，对变压器健康状况做出判断，是实现状态检修的前提。 2 1 变压器状态在线监测 离线测试存在两个问题：一是在设备工作状况良好的情况下不必要的停运， 二是施加的试验电压一般低于设备实际的运行电压，难以暴露一些实际存在的绝 缘缺陷。目前，为了对变压器健康状况进行了解，可以在变压器设备上装设绝缘 油气体成分和含量检测装置、局部放电检测装置、微水量检测装置。 2 1 1 油中气体含量的在线监测 当变压器出现内部故障时，不论是过热性故障”还是放电性故障，都会破坏 油分子结构，裂解出各种气体。由于生成氢气须克服的健能最低，在油中首先出 现氢气。检测氢气在油中的含量，虽不能判断故障性质，但是对于故障的早期预 报还是有很大意义的。事实上，对氢气含量检测装置的研究是比较早出现的，对 设备和系统的安全经济运行起到了积极有效的作用，在国内外得到了普遍的应 用。 检测油中气体成分和含量常用方法是气相色谱法，它是判断变压器等充油设 备潜伏性故障的主要手段之一。离线的气相色谱法是从变压器中提取出试样，将 试样油送到化学分析实验室，由专家进行分析和评价。这种方法操作手续较繁， 检测周期较长，不易及早发现两次故障之间的故障缺陷。 实现变压器油中气体的在线检测的关键是在现场如何简便地从油中脱出气 体，以及如何方便地测量出各种气体含量。现场从油中脱出气体有两种方法，一 种是利用某些合成材料薄膜的透气性，让油中所溶解的气体经过薄膜透析到气室 里面，另一种是对取出的油样吹气，将原溶于油中的气体替换出来。当气体分离 出来后，对它进行分析检测的方法有两大类：一类仍用色谱柱将不同气体分离， 另一类采用某种气体敏感的传感器，如气敏半导。对于后一种方法，通过测量元 件电气属性的改变就可以知道油中氢气的含量。 但是，如果单单把氢气含量作为唯一指标，在利用该方法判断过热故障是否 第二章基于b p 神经网络理论的变压器实时状态监测与诊断 涉及到纸绝缘时，不能得出明确的结论。1 9 7 3 年，h a l s t e s d 对油中分解的碳氢 气态化学物的产生过程进行了热动力学分析，他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，且作如下假 设：特定碳氢气体的析出速率随温度而变化，每种气体在不同温度下达到其最大 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 着温度的升高，析出速率达到最大值的次序依次为：h 。、c 。h 6 、c 。乩和c 。h ，。事实 上，变压器中的油和固体绝缘材料在热和电的作用下，会分解产生各种气体，其 中对变压器分析有用的重要气体有甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氢气、一氧化碳和 二氧化碳。在变压器的正常老化过程中产生的气体主要是一氧化碳和二氧化碳。 当绝缘油过热分解时，产生的气体主要是甲烷和乙烯，两者之和占到总烃含量的 8 0 以上，且随着热点温度的升高，乙烯所占的比例会有所升高。当存在局部放 电时，产生的主要气体是氢气和甲烷，这时的总烃含量一般不是很高，氢气的含 量占到氢烃总量的9 0 以上，甲烷含量占到总烃含量的9 0 以上。当发生火花放 电时，产生的主要气体是乙烯和氢气，其次是乙炔，这时总烃含量也不是很高， 乙烯含量占总烃比例的2 5 1 9 0 ，乙炔占总烃的比例不超过2 0 ，氢气占氢烃总 量的3 0 以上。在电弧放电中，产生的主要气体是乙炔和氢气，氢气含量占氢烃 总量的3 0 9 0 ，乙炔含量占总烃含量的2 0 7 0 。当变压器进水受潮时，产生 的主要气体为氢气。根据这些经验，利用各气体组分间的相对比例的不同，可以 判别出故障的性质。 2 1 2 局部放电的在线监测 局部放电是指电气设备绝缘中的一种区域放电现象，它对绝缘结构起一种侵 蚀作用。当局部放电发展到一定程度时，会导致整个绝缘结构的击穿。局部放电 量是反映内部绝缘的一项重要指标。 变压器内部产生的局部放电大致可分为： ( 1 ) 由于电场集中、油隙击穿产生的油中局部放电； ( 2 ) 变压器内部存在的气体产生的气泡放电。 变压器油纸绝缘中如含有气隙，由于气体介质的介电常数小而击穿场强比 油、纸都低，因而在外施交流高压下气隙将是最薄弱的环节。但刚放电时，一般 放电量较小，不超过几百皮库；当外施高压下油中也出现局部放电时，放电量可 达几千到几十万皮库。强烈的局部放电，即使时间很短( 如几秒钟) ，也会引起 第二章基于b p 神经网络理论的变压器实时状态监测与诊断 纸层损坏。而持续时间较短强度不大的局部放电，并不会马上损伤纸层；但如果 局部放电在工作电压下不断发展，会加速油质老化、气泡扩大、形成高分子量的 蜡状物等，促使局部放电的加剧。当这种放电涉及绝缘时，就会导致变压器绝缘 破坏发生击穿事故。 变压器的局部放电往往伴随着一些基本的物理特性，如：电脉冲、电磁辐射、 超声波和局部过热等。根据这些现象和特征，出现了多种以电、声、光等现象为 检测对象的检测方法，不同的检测方法有不同的传感器用来获取局放信号。对局 部放电量的测量方法可以分为电测量法和非电测量法两大类。在电测量法中有脉 冲电流法、电桥法以及无线电干扰电压法等，其中脉冲电流法是普遍采用的一种 方法，也是i e c 标准中推荐的方法。 2 ，1 3 微水量的在线监测 随着变压器设计结构和制造工艺的改进，油浸变压器受潮比过去有明显减 少，但仍为常见的故障。国内外微水分析的方法很多，归纳起来主要有： ( 1 ) 重量法，即让所测绝缘体经过干燥剂，其所含水分被干燥剂吸收，精 确称取干燥剂吸收的水分含量，即可测出绝缘体中的微水含量； ( 2 ) 化学分析法，一般指卡尔法，它通过化学反应进行测定； ( 3 ) 电化学及电子学方法，主要有电阻法、电容法和微波法。在一定范围 内，许多吸湿物质的介电常数随着它的含量的增加而成比例的增加，根据这个原 理，做成能够实时反应微水分变化的电阻型或电容型湿敏传感器： ( 4 ) 露点法，一个光洁的金属表面暴露在对水未饱和的空气或其他待测气 体中，并将此表面不断冷却就可以达到a 0 0 f 拘* h 对湿度，此时金属表面上就会 有露出现； ( 5 ) 光学方法，主要是指红外光谱法，这种方法主要是利用水对红外光的 吸收正比于浓度，但各波长的红外光对水的吸收系数不同，要根据不同的被测物 体选择波长； ( 6 ) 中子测定法，该方法是利用中子源产生的快速中子被氢气原子慢化的 次级反应原理来测定水分的。 目前较成熟的变压器微水在线检测装置普遍采用塑料薄膜电容器作为传感 器。塑料薄膜电容器具有吸收特性：薄膜对水分吸收引起介电常数增加，其值取 决于油中水的相对饱和度，在充分吸水后，其相对介电常数由约3 0 提高到4 0 。 第二章基于b p 神经网络理论的变压器实时状态监测与诊断 当塑料薄膜电容器安置在变压器油中后，其输出信号与油中的含水量成正比，且 与温度关系密切。值得注意的是：塑料薄膜电容器需要安装在流动的油路中，否 则不能够测量到油中的实际微量水。因为在不搅动的油里，含水量达到平衡要好 几个小时或更长时间，而在搅动的油里，响应时间常数仅几分钟。 2 1 4 绕组热点的在线监测 变压器绕组热点监测问题是国际电工技术界极为关注的重要课题。其难点是 热点位置的不确定性和热点产生机理的复杂性。把测温元件埋置在绕组最热点处 或采取多点埋置方式仅适合于出厂前变压器采用，而对运行变压器则受到很大限 制。基于国际电工技术委员会制定并应用于实际中的计算绕组热点公式，间接监 测绕组热点不失为一种实用方法。变压器绕组热点在线监测通常以负载导则为依 据，采集负荷电流与油底层或顶层油温，实时监测变压器绕组热点温度。 变压器油温遥测变送器一般由测温电阻、温度传感器和信号变换电路三部分 组成，其中测温电阻阻值将随主变油温的不同而变化，温度传感器将温度变换成 一个电量，信号变换电路将这个电量转换成检测中心可接收的信号。 2 3b p 神经网络理论 神经网络是八十年代中后期发展起来的一个前沿研究领域，其发展已对计算 机科学、人工智能、认知科学等领域产生了重要影响。它能够任意逼近非线性函 数的能力较好地处理多输入一单输出非线性映射系统，在各个研究领域有广泛的 应用。 2 2 1 神经元的结构模型 神经元是神经网络的基本处理单元。它般是一个多输入单输出的非线性器 件，其一般的结构模型如图2 1 所示。 s 】 图2 1 神经元模型 第二章基于b p 神经网络理论的变压器实时状态监测与诊断 其中，蚝为神经元i 的内部状态，b 为阈值，x ；为输入信号，w 。表示与神 经元x ，连接的权值。 神经元模型常用一阶微分方程来描述( 模拟生物神经网络突触摸电位随时间 变化的规律) ，即： j 7 百d u i = 飞+ e w y x j ( 0 一岛 ( 2 1 ) 【乃( f ) = ，阻以) 】 f 表示神经元的输出函数。常用以下函数表达其非线性特征。 ( 1 ) 阂值型，为阶跃函数，如图2 2 所示。 m 、一j o ， 坼o ( 2 ，2 ) ，( “f ) 2 1 u i o 。2 - 2 ( 2 ) 分段线性型，如图2 3 所示。 f 1 ，“j u 2 f ( uz ) = a ”f + 6z ， “1 “f “2 ( 2 3 ) 1 0 ，“，c “1 ( 3 ) s 型，如图2 4 所示。 f ( u i ) 2 鬲而1 丽 2 4 图2 3 分段线性型输入一输出特性 第二章基于b p 神经网络理论的变压器实时状态监测与诊断 jl i l u j 1 ，一 0 i u l 图2 ，4s 型输入一输出特性 s 函数输出曲线两端平坦，中间部分变化剧烈。当x 5 时，f ( x 1 接近于1 ；而当x 在0 附近( 一5 x + 5 ) 时，f ( x ) 才起非线性映射 作用。s 函数与阶跃函数相比，从形式上看具有“柔软性”。从生理学角度看， 一个人对远远低于或高于他智力和知识水平的问题，往往很难产生强烈的思维反 映；从数学角度看，s 函数具有可微分性。 2 2 2b p 神经网络 b p 神经网络的误差逆向传播学习算法是由以r u m e l h a r t 和m c c e l l a n d 为首 的科学家小组完整提出并被广泛接受的。典型的b p 网络是三层前馈阶层网络， 即输入层、隐含层和输出层，其结构如图2 5 所示。 图2 5 三层b p 网络结构图 层与层之间各神经元实现全连接，即后层的每一个单元与前层的每一个单元 都实现全连接，而每层各神经元之间无连接。网络按有教师示教的方式进行学习。 当一对学习模式提供给网络后，神经元的激活值从输入层经中间层向输出层传 播，输出层的各神经元获得网络的输入响应。在这之后，按减小期望输出与实际 输出误差的方向，从输出层经中间层逐层修正各连接权，最后回到输入层，故得 名“误差逆向传播算法”。其有教师示教的学习方式如图2 6 所示。 第二章基于b p 神经网络理论的变压器实时状态监测与诊断 图2 6 教师示教学习方式 误差逆向传播算法要求网络的输出函数是可微分的。s 函数不但具有可微分 性，而且具有饱和非线性特性，更接近于生物神经元的信号输出形式。正是因为 s 函数有这些特点，故选用s 函数作为b p 网络的输出函数。 b p 网络的学习过程可分为三个阶段：模式顺传播输入模式由输入层经 中间层向输出层的传播过程；误差逆传播一希望输出( 输出模式) 与网络实际输 出之差信号由输出层经中间层向输入层逐层修正连接权的过程：学习收敛网 络的全局误差趋向极小值的过程。 ( 1 ) 模式顺传播 模式顺传播过程是由输入模式提供给网络的输入层开始的。输入层各个单元 对应于输入模式向量的各个元素。 设输入模式向量为： 4 = ( 口l ，日2 ，一，口。) 女2 1 ，2 ，m ( 2 6 ) 其中：m 一学习模式对数； m 一输入层单元个数： 输出模式向量为： k = ( m ，y 2 ，y 。) t 2 l ，2 ，所 ( 2 7 ) 其中：m 一学习模式对数； g 一输出层单元数。 计算中间层各单元的输入： “j = w f 口，一巳 = 1 , 2 ，p ( 2 - 8 ) j = 1 式中：w 一输入层至中间层的连接权； t 9 一中间层单元的阈值； p 一中间层单元个数。 采用s 函数计算中间层各单元的输出。 输出层的顺传播计算和中间层类似。 ( 2 ) 误差逆传播 第二章基于b p 神经网络理论的变压器实时状态监测与诊断 误差逆传播过程是由输出层的误差d ，向中间层的误差p ，传播的过程。 输出层的修正误差为： 钟= ( y ? 一c j ) ，( 上，) f = 1 , 2 ，p = 1 , 2 ，一， ( 2 - 9 ) ? 一口) 表示输出模式y j 与实际输出c ? 的绝对误差； 厂( 厶) 表示调整偏差量。 从生理学角度看，当输出层某单元的输入上，在0 附近时，其输出层变化幅度 较大，反之当l ，的绝对值较大时，其输出变化幅度很小。对于，( 上，) 来说，当l 。 在0 附近时厂，( 厶) 正好处于峰值附近，增强了偏差的修正作用；而当工，的绝对值 较大时，f ( 三，) 正好处于较小值的部分，减弱了偏差的修正作用。 中间层的修正误差为： 勺k = 主w 厂( “) _ ，= 1 ，2 ，p k = 1 ，2 ，m ( 2 - 1 0 ) 每一个中间单元的修正误差都是由g 个输出层单元修正误差传递而产生的， 其中w 。是中间层与输出层之间的连接权值。 ( 3 ) 收敛过程 学习或者训练的收敛过程就是网络全局误差趋向于极小值的过程。一般网络 的误差有式2 1 5 、式2 1 6 两种定义： e 。= 窆( ) ，；一y j ) 2 2 2 1 5 ) j = l e ：手丘 ( 2 1 6 ) 篙 式中，e 。为一对样本模式的所有输出单元的误差平方和；e 为所有样本模 式对的误差平方和，也就是检验网络收敛的误差标准；q 为输入单元的个数；聊 为样本模式对数。当网络误差满足一定条件( 如小于菜一设定极小值) 时，就认 为网络已收敛。 2 4 变压器健康状况估计 对于单一的物理检测方法难于对变压器健康情况作出合理的判定。本文采用 变压器绝缘油中溶解氢气量、局放量、微水含量及其油温作为b p 神经网络的输 入，以此综合判定变压器的健康状况。 考虑到程序运行的快速性和曲线拟合的效果，网络设计为三层：输入层、隐 含层和输出层。拓扑结构如下图所示： 一墨三主苎王竺! ! 丝塑堑堡堕塑壅里墨塞堕鉴查些型量堡堑 图3 5 神经网络拓扑结构图 第一层为输入层，与四个在线测量参数关联。 第二层是隐含层，设置了1 8 个节点。 第三层是输出层，有5 个节点，分别表示：正常状态( s ，) 、轻微故障征兆 状态( s ：) 、中等故障征兆状态( s s ) 、较重故障征兆状态( s 。) 和故障状态( s ，) 。 为方便起见，用吐、吐、峨、吐、吨分别表示它们的概率( 它们的总和为1 ) ， 并称由这些概率构成的向量d = 吐，d ：dd 。，d ， 为状态概率向量。 氢气含量、局部放电量、微水量和油温这四个的数值通常相差悬殊，分散性 较大，如果直接输入网络，则会出现小的数据被大的数据“淹没”的现象，对网 络训练几乎不起什么作用的情况。为此，在输入之前先对样本数据进行模糊化处 理。这里采用的模糊化处理函数为： “= 1 一已h 2 式中的参数k 需要针对不同的试验项目通过专家经验来确定。一般情况下， 取氢气含量为1 5 0 p p m ，局部放电量为3 0 0 p c ，微水量为1 0 0 p p m ，油温为4 0 摄氏 度时，各自的隶属度为0 9 。这样，可推算出四个参数对应的k 值分别为下表所 示： 表3 1在线参数隶属度函数中对应的k 值 参数油中氢气含量局部放电量微水量在线温度 k1 0 2 3 4 e 一40 3 6 8 40 t 3 】2 0 40 2 3 5 1 4 本文从各种文献中收集到数据样本8 2 个，其中7 0 个作为训练样本，其余 1 2 各样本用于验证网络的性能。在这些数据样本中，有些是经过实际检验确认 为存在故障或无故障的数据。部分训练样本如表3 2 所示。 第二章基于b p 神经网络理论的变压器实时状态监测与诊断 表3 2 部分训练样本 l 样本局部放电量 氢气含量( p p m ) 微水量( p p m ) 在线温度( o c )状态向量 序号( p c ) i 1 1 22 4 55 84 8 【o ，o o 10 ，o | z4 21 5 89 85 6 o ，o ，04 06 0 】 31 1 21 4 56 9 5 2 【o ，o ，o2 ，o8 o 42 14 39 54 8 【o ，0 3 ，02 ，05o 】 59 86 68 85 2 【o 04 ，06 ，o ，o 】 6 8 41 3 7 7 43 6 【o 07 ，o3 ，o ，o 71 3 44 35 6 33 8 0 ，0 2 一o8 ，0 ，0 1 85 72 2 31 0 2 6 5 【0 ，02 ，07 - 0 1 ，o 若最后给出的状态概率向量各分量之和d ，t d ：4 d ，+ d 。+ 也不等于1 ，需要进行 归化处理，若其中有严重不合理的数据( 如各分量之和远偏离1 ) ，程序会发 出警告。 第三章基于马尔科夫链的变压器寿命评估 第三章基于马尔科夫链的变压器寿命评估 建立变压器状态概率向量转移模型的目的是对变压器安全寿命作出评估。评 估的精确程度直接关系到变压器状态检修能否真正达到以最低的经济代价换取 变压器设备的安全问题。本章提出一种基于马尔科夫链的变压器寿命评估方法， 并一步转移矩阵的求取和步伐因子问题展开讨论。 3 1 影晌电力设备寿命的因素 诊断电力设备绝缘寿命最直接的方法就是根据绝缘破坏试验来判断。对于大 型电力设备中绝缘的单因子老化有如下规律可循： ( 1 ) 热老化。对于单一因子的绝缘热老化，可以用阿累尼乌斯定律来计算 绝缘热老化率： d = k e x p ( 一意弦 - d 其中：k 一热老化系数； t 一老化温度： t 一老化时间； e 一活化能； r 一气体常数。 ( 2 ) 电老化。对于单一因子电老化，在外施电压较高 况下，绝缘平均寿命和外施电压存在反幂关系，即： f = 爿u ” 绝缘寿命较短的情 式中：a 、n 为常数，决定于绝缘材料特性和外施电压种类、 等试验条件。 当电压较低、寿命较长时，绝缘平均寿命可定性表示为： r = b ( u u ) ” 式中：b 、n 为常数；u ，为绝缘的局部放电起始电压。 ( 3 ) 机械老化。在静态机械负荷下，随着老化过程的发展， 的寿命可以表示为： ( 3 2 ) 电场分布特征 ( 3 3 ) 固体绝缘材料 第三章基于马尔科夫链的变压器寿命评估 o e x p ( 等) 式中： r 、y 一材料的特性参数 6 一机械负荷应力； k 一波尔兹曼常数； t 一绝对温度。 3 2 马尔科夫理论 ( 3 4 ) 马尔科夫理论是随机试验模型最直接的推广，它在分析随机过程的模型上 有独到的作用。变压器油的劣化过程是由很多不确定的因素综合作用导致的，这 一随机过程也可以用马尔科夫理论来研究。 3 2 1 马尔科夫链 设有随机过程x r = x 。，t t = ( 0 , 1 ，2 ，) ) ，其状态空间为i = 0 ，l ，2 ，) ，若 对任意整正数k ，任意r ：，t 。 0 ，则称状态i 可到达状态j ，记为：i _ + j ， 反之，表示状态i 不可到达状态j ，即对于一切正整数n ，p 扩= 0 。如果i 斗，且 r f 则称两状态相通，记为：i 付。相通是一种等价