（电力系统及其自动化专业论文）基于油中溶解气体分析的变压器故障预测.pdf

声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的 研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名汽 牛 哑 - l 年 月 n- ei 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以 借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向 有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 : 可鱼卫 -) - - 7年 7 月 7 s 硕士论文塞于油中溶解气体分析的变压尽故障预侧 1绪 论 1 . 1电 力变压器故障预测的意义 随着我国电 力工业和国民 经济的迅速发展， 电 力系统正向 超高 压、 大电网、 大容 量、自 动化方向发展， 特别是最近几年， 我国无论是装机容量还是年发电量都己 进入 世界前列。但是，电 力是全球人类消费的 最主要的终端能源，据国外权威机构预测， 今后2 0 年，电力将是全球消费增长最快的终端能源，估计世界电力消费年平均增长 3 . 4 % ， 同 时 从 迅速发 展的 工 农 业用电 和生 活用电 来看， 同 样也感到电 力 供应的 不 足. 因 此， 我国的电 力建设必须保持一定的发展速度， 以 支持国家工业化和国民 经济的持 续发展。 然而， 从发电、 供电到用电己 构成了不可分割的整体， 任何环节发生故障都 有可能引 起链式反应， 导致整个系统的崩溃。 因此， 努力加快电 力建设， 维护使用好 已 有的电 气设备， 提高设备的 运行可靠性以 确保国民 经济的发展以 及人民 生活水平的 提高，就显得十分必要。 电 力 变压器是电力系统中最重要的电 气设备之一， 一旦发生故障或事故， 则所需 的修复时间长， 造成的损失和影响也十分严重。 随着电 力工业的迅速发展， 变压器的 电 压等 级和容量也 越来 越高， 因 此 变 压器故障带 来的 损失 也 会越来 越大a !。 近年来， 电 力变压器虽然由于材料的改进、 设计方法和制造技术的提高， 运行可靠性有所提高， 但是由 于一些无法预计的外界原因或者使用方法、 运行维护方面出现的问题， 仍会发 生各种类型的故障或事故。 由此可见， 加强对变压器绝缘状态的监视与预测以防事故 于未 然，以 及在事故发生后尽快确定其性质及发生部位具有十分重要意义。 因此， 如能在电力变压器运行过程中 通过某些方法或手段对变压器的未来运行状 况进行及时而有效的预测， 预先发现早期潜伏性故障， 及时采取抢修措施， 从而可以 大大减少事故的发生， 这将对电 力系统的安全稳定运行产生重要的 意义。 1 . 2电 力变压器故障检测技术的发展及现状 对电 力变压器等电 气设备的 维护， 各国 均经历了 事后维修制习 ，即设备损坏后， 停电 进行维修， 或者先换一台同样的设备投入运行， 再对损坏的设备进行维修; 然后 从事后维修逐渐发展到预测性维修，即定期更换设备的重要部件;从6 0 年代起， 各 国相继制定出了比 较规范的停电 预防 性试验标准， 从而进入了预防性维修时代， 即 根 据原电力部门所颁发的 电气设备预防性试验规程 对不同设备所规定的 项目 和相应 的 试验周期， 定期在停电 状态下进行绝缘性能的 检查性试验。 预防性试验一般在每年 雷雨季前 春检时进行， 根据预防性试验的结果和上述规程中的标准进行比 较， 若有超 标， 即 要安排停电 和维修计划对设备进行检修， 即 进行“ 预防性维修” 。 此外， 还要 根据原电力部门颁发的相应设备的运行规程规定的期限和项目 ，对设备进行定期检 硕士论文基于油中溶解气体分析的变压器故障预侧 修。 以 变压器为例， 它不管变压器的结构如何， 制造厂家的技术水平和产品质量、 运 行的条件、 是否发生过出口 短路等情况， 只要运行满5 年的变压器就要进行首次大修， 以 后每运行1 0 年进行一次大修等， 即不管变压器的健康状态如何，到了规定时间 就 要 进行一次大修。 故既使预防 性试验不超标， 到了 期限也要进行大修( 吊 芯检修) ， 因 此预防性维修是一种计划性维修方式。 这种从预防性试验到维修的体系可统称为“ 预 防 性维修” 体系， 在我国己 沿用了5 0 多 年， 无疑在防止电 气设备事故的发生、 保证 安全可靠地供电方面起到了 很好的作用。 但长期的运行经验也表明 这样一种维修体系 有它的局限性。 a )从经济角度看，定期 试验和大 修均需停电，产生很大的经济损失，同时增加 了 工作安排的难度。 另外定期大修和更 换部件也需要投资， 而这种投资是否必要尚不 好肯定， 因为设备的实际状态可能完全不必做任何维修而仍能继续长时间运行， 若维 修水平不高， 反而可能使设备越修越坏， 降低了设备的可用系数， 影响了电网的供电 可靠性， 从而产生新的经济损失; 而对于确定需要大修的设备由于没有到大修的周期 而没有及时地进行大修， 使缺陷不断发展， 最后引发事故， 从而不能确保电网的安全 运行，产生重大经济损失。 b )从技术角 度分析，离线的定期预防 性试验有两方面的 局限 性。 1 ) 试验条件不同 于设备运行条件， 多 数项目 是在低电 压下进行检测。 如介质损耗 正 切tg 8 是 在 l o k v下 测 试的， 而 设 备的 运行电 压 特别是 超高 压设 备电 压等级 远比 i o k v 要高。 另外， 运行时 还有诸如热应力等其它因素的影晌无法在离线试验时再现， 这样就很可能发现不了 绝缘缺陷和潜在的故障。 2 ) 绝缘的劣化、 缺陷的发展虽然具有统计性， 发展速度有快有慢， 但总是有一定 的 潜伏和发展时间， 在此期间会发出反映绝缘状态变化的各种信息。 而预防性试验是 定期进行的， 通常不能及时准确地发现故障。 从而出现: 漏报， 即预防性试验通过 后仍有可能发生故障， 甚至发生严重事故; 误报或早报， 如预防性试验结果虽超标， 但若故障不进一步发展， 可不必马上停电 检修而仍可继续运行，只需加强监视即可， 若按预防性试验结果做出 诊断，就会增加停电检修的费用。 鉴于以 上原因， 国内外对变压器的维护， 不仅需要定期做以预防性试验为基础的 预防性维护， 而且相继都在研究以 在线监测为基础的预知性维护策略， 以 便实时或定 时在线监测与诊断潜伏性故障或缺陷。 从预防性维修制形成以 来， 电力运行部门 通过对运行中的变压器定期分析其溶解 于油中的气体成分、 含量及产气速率， 总结出了能 够及早发现变压器内 部存在潜伏性 故障， 判断其是否会危及安全运行的方法即 油色谱分析法( d g a ) 。油色谱分析法是将 变压器油取回到实验室中 用色谱仪进行分析， 不仅不受现场复杂电 磁场的 干扰， 而且 可以 发 现油 设备中 一 些 用rg 8 和 局 部 放电 法 所 不能 发 现的 局部 性 过热 等 缺陷。 因 此， z 硕士论文 基于油中溶解气体分析的变压器故降预侧 电 力运行部门 普遍认为用油色谱法分析变压器故障是一种重要的有实际意义的方法， 其有效率可达8 5 % 以上，并得到了 广泛的使用. 虽然油 色谱 分析法比t98 和局部 放电 法等 方 法判断 故障的 可靠性高， 但常 规的 离 线油色谱分析法也存在一系列不足之处: 不仅脱气中 可能存在较大的 人为误差， 而 且检测曲 线的人工修正也会加大误差; 从取油样到实 验室分析， 作业程序复杂， 花 费的时间和费用较高，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 跟踪其发展趋势: 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. 由于上述原因， 不能充分发挥油色谱分析 法的有效性和优点， 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. 对于变压器油中溶解气体色谱分析的在线监测方法， 虽然仍以油中溶解气体为反 映故障的特征量， 但它是直接在变压器现场实现油色谱的 定时在线智能 化监测与故障 判断。 这样，不仅可以 及时掌握变压器的运行状况， 发现和跟踪存在的潜伏性故障， 并且可以 及时根据诊断系统对故障自 动进行诊断， 以 便运行人员迅速做出 处理; 同时， 可以 降低常规油色谱分析法的误差， 提高故障诊断的 可靠性; 还可以 在主 控室对变电 站每台主变的油色谱分析进行巡回在线监测。 除此以 外， 从变压器运行可靠性的重要 性和变压器与油色谱在线监测装置的 性价比 来看， 采用在线监测装置在技术经济上都 有显著的 优势， 既提高了变电站运行的管理水平， 又可为从预防性维修体系过渡到状 态检修体系奠定基础。 由 此可见， 变压器油中溶解气体在线监测的研究具有重要的现 实意义和实用价值。 1 . 3预测技术的发展 为了排除运行设备中的故障， 工程上常有三种方法可以综合应用， 即预防、 避免、 检测与恢复。 a )预防 简单地说，“ 预防” 就是为了 避免设备运行中出 现事故而事先采取措施。“ 预防” 是一个排除故障的静态策略， 它 通过打破产生故障的 必要条件来实现， 即铲除设备运 行中故障产生的原因。 在电 力变压器运行维护中， 预防性试验就是预防措施的实际 应 用， 是排除故障发生的静态措施。 b )避免 “ 避免” 的实 质也是防 止， 但它是一个排除故障的 动态策略。“ 避免” 的前提是 预测， 如果预测到运行设备有产生故障的 可能性， 就应立即 采取某种安全措施防止这 一可能性转变成事实。 也就是说， 要想避免 运行设备产生故障， 必须先预测设备是否 硕士论文 墓于油中溶解气体分析的变压器故降预洲 处于安全状态。 因此， 如果将运行设备中故障的产生当作一个动态过程， 就必须对运 行设备的状态进行预测。 而电 力变压器故障的 产生确实是一种动态的发展过程， 所以 预测变压器的运行状态， 确保安全稳定运行是一项具有实际意义的工作。 c 检测与恢复 由于运行设备的故障发生是动态的， 因此需要有专门的检测机构能检测出故障征 兆， 然后通过故障诊断系统确定故障发生的原因， 最后维修设备， 使其恢复原本的功 能。 目 前电 气设备排除故障普遍采用的手段是离线的定期 预防性试验， 即排除故障的 静态 措施。 在线监测还处于试用阶段， 且应用范围也较小， 主要是 变压器油中溶解气 体含量、 局部放电在线监测。 因此， 在排除运行设备故障的预防、 避免、 检测与 恢复 三种方法中， 只有“ 避免” 这一种方法几乎很少在实际工程中 得到应用. 本文从故障 的出 现是一个动态行为的观点出发， 认为排除运行设备故障必须采用“ 避免” 的方法， 因此提出 对电气设备的状态参数进行预测。 设备运行状态的预测是从己知运行状态出发， 考虑运行、 环境等相关因素， 对未 来的 运行状况做出 预测，从而可以 在实际故障发生之前， 预知电 气设备的运行状态， 采取相应的检修措施， 提高设备的 运行可靠性。 具体地说， 就是快速而全面地评估电 气设备的绝缘状态，给予工作人员及时且准确的未来状况预告。 通过多年的发展和应用， 预测技术己 有了长足的发展。由于预测对象的不同， 出 现了多种多样的预测技术。 a 常规单一的参数值预测方法。常用的有:专家预测法、类比法、主观概率预 测法、 单耗法、比 例系数增长法、 弹性系数法等， 这些方法的共同特点是将预测对象 作为一个整体， 根据若千单一的指标进行预测， 方法虽然简单， 但比 较笼统， 精度不 高。 b )趋势外推预测方法。电气设备参数值虽有随机、不确定的一面， 但也有明显 的变化和发展趋势。 根据设备参数值变化的规律， 运用趋势外推技术进行参数值预测 能够得到较为理想的结果。 外推预测法包括线性趋势预测、 对数趋势预测、 二次曲 线 预测、 多 项式趋势预测、 季节型预测和累积预测等方法。 外推法的 优点是只需要历史 数据， 所需的数据量较少; 缺点是如果参数值出 现变动， 会引 起较大的误差。 c )回归 模型预测方法。 根据以 往的历史资 料， 用数理统计中的回归分析方法对 变量的 观测数据统计分析，确定 变量之间的 相互关系，从而实现参数值预测的目 的。 回归 模型有一元线性回归、多 元线性回归、 非线性回归等回归预测模型。 d )时间序列预测方法。实际问 题中，多数预测目 标的观测值构成的序列表现为 广义平稳的随机序列或可以 转化为平稳的随 机序列. 依据这一规律建立和估计实际 序 列的随 机过程模型， 并用它进行参数值预测。 时间 序列预测方法有一阶自 回归、n 阶 4 硕士论文基于油中溶解气体分析的变压器故阵预洲 自 回归、自 回归 滑动平均等方法， 这些方法有一个共同的 缺点是所需历史数据较多。 e )灰色预测方法。概率统计追求大样本量， 必须先知道分布规律、发展趋势; 时间序列法只致力于数据拟合、 对规律性的处理不足。 而以 灰色理论为基础的灰色预 测方法， 可在数据不多的情况下找出某个时期内 起作用的规律， 建立参数值预测模型， 因 此， 相对而言灰色预测模型具有较高的预测精度. 变压器油中溶解气体是一个多因 素、 多层次、 多结果的 相互联系、 相互作用的 复 杂系统。 油中溶解气体的产生、 变化过程是由许多错综复杂的关系所组成的灰色动态 过程。 它包括变压器本身结构、 运行条件、 地理环境等信息， 具有明显的灰色性质特 征， 是一个典型的灰色系统。 因此， 油中 气体含量是个信息不完全的 灰色量。 灰色系 统理论通过对灰色过程的生成方法， 将具有随机性的数据列转化为一个具有较强规律 性的 数据列， 从而可以 建立连续微分方程模型。 灰色系统分析用生成的 方法对原 始数 据进行处理， 可以 弱化不确定性， 强化规律性， 因 而可以 用少量数据及存在灰色信息 情况下， 建立系统的连续微分方程。 与 传统的模型相比， 灰色建模不存在误差累 积问 题， 因 而可以 用于精度较高的预测。 本文将灰色建 模理论应用于变压器油中溶解气体， 预测未来油中溶解气体含量. 1 . 4电 气设备故障诊断技术的发展 故障诊断技术是保障电 气设备安全运行的基本措施之一， 它能够根据各种检测方 法得出的初步结论， 结合具体电气设备的结构特点， 综合考虑电气设备的运行历史( 包 括运行纪录、曾发生过的故障情况 及维修纪录等) 和各种环境因素的 影响， 对电 气设 备发生的故障进行分析， 确定故障的性质、 程度以及部位， 推测诱发故障的原因。目 前， 较常见也是应用较广的故障诊断技术有以下几种。 1 . 4 . 1 基于模糊理论( f u z z y t h e o ry) 的诊断 模 糊理论 饥 幻 是依 据诊断 对象 模糊症 状 进行状态识 别、 推理 并做出 决策的 一门 科 学， 犹如医生可以 根据病人的模糊症状进行病理诊断一样。 自1 9 6 5 年美国自 动控制专家l . a . z a d e h 提出 模糊集( f u z z y s e t s ) 理论以 来， 模 糊数学的理论与应用研究取得了 许多重大的 进展。 目 前有关故障诊断的基础性理论研 究和应用技术研究的机构己 遍及美国、 日 本的许多大学以 及国防军事和民 用工业企业 的 研究部门。我国在这领域的研究也己 蓬勃开展，并且在冶金、 化工、 机械、 交通、 电 力及核工业部门 取得了一批卓有成效的 成果。 在电力变压器等设备发生故障时， 其故障现象、 故障原因及故障机理之间存在大 量的 不确定性和模糊性， 用传统的 精确数学理论难以 描述其间的关系， 因 此， 就很难 诊断出 变压器的 真实绝缘故障及其原因。 由 于模糊数学的 特点正好能有效 地解决其间 的 模糊性和不确定性问 题， 因此， 它为 变压器的绝缘故障诊断提供了一种较为有效的 硕士论文 基于油中溶解气体分析的变压鉴故降预蕊 新方法。 现有的 模糊诊断方法有: 模糊逻辑诊断、 模糊聚类诊断、 模糊可能 性模型诊断、 。 模糊时 序模型诊断、 智能 化模糊诊断和模糊可靠性分析等。 目 前的 研究主要朝着两个 方向 进行: 一是将模糊诊断与 其它诊断方法相结合， 相辅相成; 二是为模糊诊断引 进 自 组织、自 学习的功能。 文献 1 3 针对电 气设备故障诊断中需要处理大量的 模糊信息， 而传统的“ 精确” 理论的方法对模糊现象的处理能力又显得不足的现象， 运用模糊数学理论对三比 值法 规则 进行模糊化处理， 提出了 采用规则的 模糊化表示和模糊综合评判的方法， 较为有 效地解决了某些不确定性问题。 文献【 1 4 介绍了 一种在覆盖集理论框架上集成模糊推理的 诊断方法， 在此基础上 建立了 应用于电 力变压器故障诊断的实用模型。 该模型实现了 模糊推理与符号推理的 结合， 能够较好地解决故障诊断过程中遇到的模糊性问题， 并有助于实现对故障的综 合诊断。 文献【 巧 针对常规d g a 诊断方法中对特征气体含量所规定的注意值和工 e c 三比 值 法标准过于绝对的缺陷， 在统计某电 力公司大量试验数据的基础上， 提出了与各种故 障相对应的 特征气体含量及其比 值的隶属函数， 具有一定的研究价值。 但是， 也应看到模糊数学在电力变压器绝缘故障诊断应用中的不足， 它着重研究 “ 认知不确定性” 问 题， 主要是凭经验借助于隶属函数进行处理， 其研究对象具有“ 内 涵明 确、 外延不明确” 特点， 而目 前电 力变压器发生故障时的故障现象、 故障原因 及 故障机理之间的许多“ 内涵” 联系尚未研究清楚。 所以， 模糊数学理论在变压器故障 诊断中的应用具有其局限性。 1 . 4 . 2基于专家系统( e x p e r t s y s t e m ) 的诊断 专家系统是人工智能的一个重要分支，产生于6 0 年代中期， 它是利用人类专家 的权威性知识和推理过程去解决某一领域内通常需要具有专家水平的知识和经验才 能解决的复杂问题的一组计算机程序系统.它能根据用户提供的数据、 信息或事实， 运用系统中存贮的专家经验或知识进行推理判断， 最后给出结论及结论的可信度以供 用户决策之用16 目 前专家系统己 在设备故障诊断领域获得了 广泛的应用， 其原因: 一是设备故障 诊断是一种技术复杂和需要多方面领域知识的工作， 诊断中需要许多独特的专家经验 和各方面的信息， 才能 胜任此项工作和高效地解决问 题: 二是由 于设备数量、 自 动化 程度和复杂程度不断提高， 专家系统有助于提高故障设备诊断和维修效率， 能向 设备 维修人员提供故障诊断的技术咨 询和辅助指导。 在电力变压器故障诊断中， 专家系统 也有许多方面的应用。 文 献 1 7 以 变压 器油中 溶 解气体 含量为基础， 提出了 一个专家系 统， 系 统中 利 用 6 硕士论文墓于油中溶解气体分析的变压器故障预洲 模糊集概念处理特征气体法、 标准极限以 及气体比 值法中的边界， 综合各种方法对变 压器进行故障诊断及其维修。 文献 1 8 中实现了 变压器油状态各部分模块的 设计， 既可以 用于变压器油质变化 状况的判断， 也可用于变压器的故障诊断， 还可作为电 厂或变电站油质检验的主要工 具。 但是， 应该看到专家系统有其固有的局限 性: 知识获取的瓶颈问 题， 通常这种 系统的知识获取主要依靠人工移植， 即由知识工程师将领域专家的知识移植到计算机 中， 这一方式费时费力且效率低下; 知识维护困难， 许多专家系统均采用较简单的 产生式结构构造知识库， 算法复杂; 由 于推理方法简单、 诊断策略不灵活， 因 而推 理能力较弱， 容易出 现匹配冲突， 容错能力较差， 推理速度慢， 难以满足监测控制实 时性的要求。 1 . 4 . 3基于神经网络( n e u r a l n e t w o r k ) 的诊断 神经网络( a n n ) 是一种模拟人类智能的 方法和技术。 它和专家系统的机理不同， 不需要从领域专家那里提取显式知识形成知识库，而只需根据领域问题组织训练样 本， 通过自 组织、自 学习 就可以 获得独立的领域知识. 在众多的神经网络模型中b p 网 络模型具有结构简单、 收敛速度较快且易处理分类等特点， 因 此在模式识别、 故降 诊断中获得了广泛的应用。 目 前， 国内 外学者将神经网络理论用于电力变压器绝缘故障诊断的新趋势是在神 经网络理论中融入其它人工智能或数理统计知识中的 方法， 两者或多者的结合可以 使 各自 取长补短， 形成一种全新的电力变压器绝缘故障诊断方法， 能有效地提高故障的 诊断精度。 文献 2 0 中将范例推理引入到电力变压器的故障诊断，对常用的b p 神经网络模 型进行了 修改，得出的一种新范例检索算法实现了 对电 力变压器的绝缘故障诊断。 文献 2 1 中 提出 基于a n n 状态识别系统的变压器故障检测方法， 该系统主要由 神 经网 络变压器一次电 压非线性估计器、 比 较器、 计数器等构成， 通过比 较一次电 压实 际 值与估计值的大小， 识别变压器内 部是否发生故障. 文献 2 2 中 提出了 将神经网 络用于 变压器模糊故障诊断的方法， 它能够不必事先 通过人为经验或统计方法确定故障隶属函 数; 计算结果和诊断实例表明， 该方法能 够 较为有效地诊断变压器的绝缘故障。 尽管人工神经网络理论的应用在变压器绝缘故障诊断中 取得了一系列的成就， 但 它也有自 身的局限 性: 神经网 络极易陷 入局部极小点， 且相比 较而言收敛速度较慢: 神经网 络对奇异故障模式的判断能力差， 应用神经网络只能是一个不断完善的 过 程， 而网 络自 身对这种完善的调度性能 较差; 神经网 络不擅长处理启发性知识: 神经网 络缺乏解释自 身行为和输出结果的能 力。 了 硕士论文基于抽中溶解气体分析的变压器故障预侧 1 . 5灰色系统理论及其应用 灰 色系 统理论2 h 3 1， 这一新兴 横 断 学 科属于系 统科 学学 科群， 它的 产生和迅速发展 成为当代科学发展的一大景观。 灰色系统指的是信息不完全的系统。 信息不完全是指 系统因素、 因素关系、 系统结构及系统作用原理这四个方面的信息缺乏， 它以“ 部分 信息已 知， 部分信息未知”的“ 小样本”、“ 贫信息” 不确定性系统为研究对象， 主 要通过对“ 部分” 己 知信息的生 成、 开发， 提取有价值的 信息， 实 现对系统运行行为 的正确认识和有效控制。 灰色系统理论将一切随机变量看作是在一定范围内 变化的灰色量， 将随机过程看 作是在一定范围内 变化的， 与时间有关的 灰色过程， 对灰色量的处理采用数据处理的 方法，即数据生成，将杂乱无章的原始数据整理成规律性较强的生成数列进行研究。 它 着重研究概率统计、 模糊数学 所不能解决的“ 小样本、 贫信息” 不确定问 题， 并依 据信息攫盖， 通过序列生成寻求现实 规律。 其特点 是“ 少数据建模” 。 与模糊数学不 同的是，灰色系统理论着重研究 “ 外延明确、内涵不明确”的对象。 短短二十几年，灰色系统理论不仅在理论上迅速发展，日 臻完善，而且在社会、 经济、 科技等各方面得到日 益广泛和深入的应用， 成功地解决了生产、 生活和科学研 究中的 大量实际问 题， 取得了 一系列重大成果.目 前， 英国、 美国、 德国、日 本、 澳 大利亚、 加拿大、奥地利、俄罗斯、台湾、 香港地区及国际组织等有许多知名学者从 事灰色系统的研究和应用: 海内 外上百所高校开设了灰色系统课程， 数百名博士、 硕 士研究生运用灰色系统的思想方法开展科学研究; 国际、 国内2 0 0 多种学术期刊发表 过灰色系统论文， 许多国际会议把灰色系统列为讨论专题。 现有的灰色系统方法有灰色关联度分析、 灰色聚类评估、 灰色系统建模、 灰色预 测、 灰色组合、 灰色决策、 灰色规划、 灰色投入与产出、 灰色控制等，并在电力系统 的 预测、 自 然灾害预测、 水文预测、 模式识别、 故障诊断等技术领域得到了 应用 . 文献 4 5 结合模糊识别和时间 序列的灰色预测方法， 建立故障预测模型。 采用数 理统计和模糊识别相结合的方法， 预测一定时间后的故障隶属度， 并根据改进的闽值 原理，预测变压器运行状态以及故障的发展程度。 文献 4 6 1 在现有文献研究成果的基础上， 对灰色多 变量模型做了 进一步改进， 将 灰色多变量模型中的已知条件做了 适当的拓广， 提出了新的预测方法并将其应用于变 压器油中溶解气体预测。 文献 4 7 以灰色系统理论为基础， 研究电气绝缘故障诊断的灰色预测模型新模式 及其应用， 建立了 适用于电 气设备绝 缘故障诊断的一次拟合参数灰色预测模型， 并给 出了 新模式的建模过程， 具有一定的 借鉴意义。 文献 5 川提出了灰色粗预测、 自 学习 神经网 络在线修正的复合预测法。 利用灰色 硕士论文塞于油中溶解气体分析的变压器故障预洲 预测 g m ( 1 , 1 ) 模型初步预测油中 溶解气体的 浓度及变化趋势， 通过分析故障气体成 分 之间的影响及气体浓度时间序列之间的关系确定修正参数， 将初步预测结果与修正 参数作为自 学习b p 网 络的输入， 从而完成预测结果的 在线修正。 此法在一定程度上 将灰色预测与神经网络结合在一起， 但由于灰色预测模型和神经网 络之间是一种串 联 型连接， 所以未能充分发挥出灰色预测与神经网 络各自 的优点。 可见， 灰色理论对于研究灰色系统是一套行之有效的方法， 而变压器油中溶解气 体正是一 个“ 部分信息已 知、 部分 信息未知” 的灰色系统， 非常适合采用灰色理论 进 行研究。 因此， 本文研究的重点是如何将灰色理论更好的应用于变压器油中溶解气体 的未来数据预测，以及采用何种方法提高预测精度。 1 . 6本文研究的主要内 容 由于变压器油色谱分析( d g a ) 是目 前分析、判断变压器运行状态最准确的方法， 而变压器油中 溶解气体是一个多因素、 多层次、 多结果的 相互联系、 相互作用的复杂 系统， 它的出现、 变化过程是由许多错综复杂的关系所组成的灰色动态过程。 它包括 变压器本身结构、 运行条件、 地理环境等信息， 具有明 显的 灰色性质特征， 是一个典 型的灰色系统. 因此， 为了利用油中溶解气体含量历史数据预测变压器的未来运行状 态， 本文将灰色系统理论模型应用于油中溶解气体含量的预测， 分析油中溶解气体的 未来发展趋势，从而给予检修人员一定的决策支持.具体工作如下: a )在分析变压器运行过程中常见的异常情况的基础上，讨论了 几种常用的故障 类型识别和故障性质判断方法， 并根据实际工程情况建立了 变压器状态监测及故障预 测系统流程。 b )全面阐述了灰色系统的基本原理、灰数的概念及其白 化方法，并结合变压器 的故障特点，讨论了灰色系统的三种缓冲序列算子及其生成方法。 c )研究了灰色预测g m ( 1 , 1 ) 模型的建模理论、 检验方法以 及g m ( 1 , 1 ) 模型的预 测步骤。 考虑到原始数据序列的长短、 选取数据的不同等因素， 还探讨了几种灰色预 测g m ( 1 . 1 ) 的改进模型，以 求在不同 条 件下提高预测精度。 d )结合实际要求， 本文提出了 灰色预测g m ( 1 , 1 ) 模型的具体改进算法， 并将其 应用到基于油中溶解气体的变压器故障预测中。 以 各溶解气体在等时间 段内 采集的色 谱数据作为建模对象，首先对其进行1次指数平滑运算， 然后对g m ( 1 , 1 ) 模型的背 景值进行改造， 通过循环运算之后选取使模型误差最小的 参数， 得到最佳预测模型对 变压器运行状态进行预测。 实例表明， 该方法能够有效地预测变压器的 色谱发展趋势， 且精度很高，具有一定的工程应用价值。 e )在详细讨论神经网络神经元模型、 神经网 络的分类、 神经网 络的训练算法的 基础上， 重点研究了b p 神经网络的结构、 原理，以 及b p 神经网络的算法流程， 并概 硕士论文墓于油中溶解气体分析的 变压器故障预侧 括介绍了 几种常见的 激活函 数。 f )在研究了 灰色预测与神经网 络各自 优点的 基础上， 将灰色预测与神经网 络有 机的 结合起来， 构造灰色神经网络 g n n m ( 1 , 1 ) 模型， 充分挖掘灰色预测和神经网 络 各自 的 优点。用 g n n m ( 1 , 1 ) 模型求解基于油中溶解气体的变压器故障预测这一灰色 问 题时， 与神经网 络方法相比 具有计算量小， 在少样本情况下也可达到较高精度的 优 点; 与灰色系统方法相比 可提高系统的 并行计算能力和信息的利用率， 且误差可控的 优点。 b )本文采用m a t l a b 软件的m 语言编程，利用m a t l a b 的g u i 开发 环境编制图 形 用户界面，并最终编译成可执行软件。软件中分别建立了普通 g m ( 1 , 1 ) 预测模型、 改进g m ( 1 , 1 ) 模型以 及灰色神经网络g n n m ( 1 , 1 ) 模型， 在预测出 数据之后， 通过对 预测数据进行诊断， 以判断变压器是否出现故障或是何种类型故障、 严重程度以及引 发故障典型原因等信息。 软件设计采用两种诊断方法， 一种是采用改良电协研法， 根 据特征 气体比 值编码进行诊断: 另一种是采用神经网 络诊断法， 搜集典型故障历史数 据作为训练样本， 对预测值进行诊断。 然后对各种诊断结果进行综合考虑， 最终给出 未 来 运 行 状 况 预 测结 果。 当 根 据 预 测 数 据 诊断 出 变 压 器 存 在故 障 时， 软 件 将会 在 主 界 面上显示出 “ 危险”替示，同时发出报等铃声. 硕士论文基于油中溶解气体分析的变压器故障预测 2基于油中 溶解气体的电力变压器故障检测 电力变压器内的绝缘油和有机绝缘材料随着运行时间的增加， 在热和电的长期作 用下会逐渐老化和分解， 并产生少量的氢气帆) 、 烃类气体及一氧化碳( c o ) 和二氧化 碳( c o 1) ， 这些气体大部分溶解在变压器油中。当变压器内 部发生潜伏性故障时，就 会加速这些气体的 产生速率。 测量分析溶解于油中的 气体含量能尽早发现变压器内 部 故障， 并可掌握变压器的 运行状态和故障的 严重程度及发展趋势， 以 防 止和控制恶性 事故的发生及发展过程。 2 . 1变压器的分类及结构 变压器有不同的使用条件、 安装场所， 有不同的电压等级和容量级别， 有不同的 结构形式和冷却方式。 所以， 按照不同 原则进行分类， 分类的结果也不尽相同。 若将 变压器按用途的不同 进行分类， 可分为:电 力变压器、电 炉变压器、 整流变压器、 调 压变压器、 各种小型电 源变压器以 及各种特殊用途变压器. 其中电 力变压器是电 力系 统中 用以电 压调节的 主要电 气设备， 它是 所有类型变压器中 用途最广的一种变压器， 它还包含许多其它不同的类型，如图2 . 1 所示。 单相油浸电力变压器 单相干式电力变压器 中、小型三相油漫式 油漫式 普通型 低损耗型 有载调压双绕组 有载调压三绕组 无励磁调压 额定电压在2 2 0 - 3 3 o k v 、 容量在3 1 . 5 m v a 以 上 额定电 压在5 0 0 k v 等级以 上 矛11弓esl、尸.峨1， 电力变压器 r.，通心t.、了.1才esll 干式 特种型式 大型三相油浸式 特大型三 相油 浸式 超高压三相油浸式 普通三相干式 环氧浇注式 三相有载调压 气体绝缘变压器 蒸发冷却式变压器 硅油变压器 图2 . 1电 力变压器分类 从电 力变压器所包含的 类型可以 看出， 大型电 力变压器都是油浸式的， 油浸式电 力变压器是由 铁心、 绕组、 变压器油、 油箱、 绝缘套管装置、 冷却装置和保护装置等 组成， 其主要结构如图2 . 2 所示。 1 1 硕士论文基于油中溶解气体分析的变压器故障预测 芯组缘 铁绕绝 引线和分接开关 护.f且.矛、.、 身 器 变压器油 油箱( 包括油箱本体和附件) 冷却装置 保护装置( 储油柜、油 表 安全 气道、 吸湿器、继电 器等) 出线装里( 高、中、低压瓷套等) 电力变压器 图2 . 2油浸式电 力变压器结构 由于变压器结构复杂， 各个部分均有出 现异常或故障的可能性， 这些异常或故障 会通过声音、 振动、 气味、 颜色、 温度等 现象， 或检测试验数据反映出来。 故障检测 的 功 能就是由 这些故障“ 征兆” 去寻 找故 障原因 好 . 2 . 2电力变压器常见故障类型 电 力变压器故障类型划分的 方式较多， 按变压器结构区分有以 下几种较常见的故 障 类 型 囚 . a )出口短路故障 出口 短路故障是指运行变压器由 于受出口 短路故障的影响而遭受到的破坏。 变压 器出口 短路时， 其高、 低压绕组可能同时通过数十倍于额定值的短路电流， 它将产生 很大的热量，使变压器严重发热， 损坏绝缘。 b 绕组故障 各类变压器的绕组均是由 带绝缘层的 绕组导线按一定排列规律和绕向， 经绕制、 整形、 浸烘、 套装而成。 由于绕组在生 产时的不当、 运输中 受伤、 运行中受潮、 受各 类过电压及过电流冲击等，致使绕组绝缘受到损伤、老化、 劣化，造成绕组的短路、 断 路、 变形等故障，由 此可能 造成变压器内 部出 现局部过热、局部放电、 火花放电、 电弧放电等故障。 1 ) 局部放电 当电场强度超过某一极限值( 耐压值) 时， 绝缘油等电 介质将失去绝缘作用， 在此 过程中， 若强电场区只局限于电 极附 近很小的区域内， 则电介质只遭受局部损坏， 产 生 放电 脉冲电 流， 此现象即 为电 介质的“ 局部放电” 。 若强电 场的区域很大， 形成贯 穿性的通道， 造成极间短路， 则为电 介质的“ 击穿” . 局部放电往往是液体或固体电 介质击穿的前奏， 若不及时消除， 有可能 发展为击穿故障。 2 ) 火花放电 在通常大气压下，当电 压增高一定值后， 气隙中突然发生断续而明亮的火花， 在 硕士论文墓于油中溶解气体分析的变压器故降预侧 电极间伸展出细光束， 此种放电 称为“ 火花放电” 。 其特点是放电 过程不稳定， 击穿 后形成收细的发光放电 通道， 而不再扩散于整个间隙的空间。 3 ) 电弧放电 当电 源功率足够大、 外电路电阻 较小时， 气隙火花放电之后， 可形成非常明亮的 连续弧光， 此种放电 称为“ 电弧放电” 。 其特点是弧温较高，电 弧不易熄灭，电 路具 有短路的特征。 火花放电与电 弧放电 对于变压器的 危害最大， 因为此类放电的能量密度高， 在电 应力的作用下会产生高速电 子流。 固 体绝缘材料、 金属材料等遭受这些电 子轰击后将 受到严重破坏， 与此同时产生的大量气体一方面会进一步降低绝缘强度， 另一方面还 含有较多的可嫩气体。 若不及时处理， 严重时有可能造成设备的重大损坏或爆炸事故。 c )铁芯故障 变压器的 器身主要是由 绕组和铁芯构成， 它们是 变压器传递、 交换电 磁能量的主 要部件。 铁芯不仅要求质量好， 还必须有可靠的一点接地. 铁芯只有一点接地时， 变 压器才能正常运行， 当出 现两点及以 上的 接地时将可能导致铁芯中产生涡流， 铁耗增 加， 铁芯局部过热; 严重的多点接地甚至会使接地线烧断， 使变压器失去正常的一点 接地，遭受严重损坏。 2 . 3电 力变压器常用检测技术 为保证电力变压器正常运行， 必须对其进行一定形式的 检测， 防止其产生严重事 故。目 前对变压器的检测是以离线检测为主、 在线监测为辅的原则， 在线监测处于试 用 阶 段 6.71 2 . 3 . 1离线检测技术 根据d u t 5 9 6 - 1 9 9 6 电力设备预防 试验规程 规定， 变压器的 试验项目 主要包括 气体的色谱分析、 直流电阻检测、 绝缘电阻、 吸收比 及极化指数检测、 绝缘介质损失 角正切检测、油质检测、局部放电 检测及绝缘耐压试验等。 绕组的直流电阻检测是一项较为方便而有效的考核绕组绝缘和电流回路连接状 况的试验， 它能 够反映绕组匝间 短路、 绕组断 股、 分接开关接触状态以 及导线电 阻的 差异和接头接触不良 等缺陷故障. 绝缘电 阻、 吸收比 及极化指数检测是一项对变压器 主绝缘性能的试验， 能够反映变压器绝缘整体受潮、 整体劣化和绝缘贯穿性缺陷故障。 绝缘介质损失角正切检测也是一项用于变压器整体缺陷检查的检测， 它能够反映绝缘 受潮、 油质劣化和线圈附着油泥等情况。 局部放电 检测能有效地测量出变压器内 部存 在的局部放电信号， 以反映出是否存在电场集中 或绝缘不良 状况。 外施耐压试验可以 考核变压器主绝缘强度、绝缘的局部缺陷. 从以上的电气、 化学检测方法可以 看出， 大部分电 气检测方法只适用于变压器整 硕士论文基于油中溶解气休分析的变压器故障预侧 体 绝缘检测， 在它们中 只有直流电 阻检测、 局部放电 检测和耐压试验能够检测出 局部 故障， 而耐压试验检测局部故障的 有效性并不高。 因 此， 单靠电 气试验方法往往难以 发 现某些局部故障， 如发热缺陷， 而通过变压器油中 气体的 色谱分析方法对发现变压 器内 部的某些潜伏性故障却是非常有效的。 2 . 3 . 2在线监测技术 在线监测是连续的自 动监测， 因此它的发展是与传感器技术、 电子技术、 信号处 理技术、数据储存、 记录技术等息息相关的。 近年来，由 于计算机技术的飞速发展， 使得计算机性价比的大幅提高， 大大扩展了 在线监测技术的测量方法和应用范围。 目 前，有关变压器在线监测技术有以下两类: a )化学方法在线监测:油中 气体含量在线监测、油中氢气含量在线监测、油中 氢气和一氧化碳在线监测、 油中乙炔在线监测等。 b )电气方法在线监测: 局部放电的在线监测、 铁心多点接地电流的在线监测等。 其中， 变压器油中 气体含量、 局部放电 在线监测是开发较早和应用较广泛的两种 在线监测技术。 同预防性试验中的油中 溶解气体分析相比， 油中 气体在线监测能够连续监测气体 的变化， 且测量结果不受操作人员的主客观等外部因素的干扰。 因此， 油中溶解气体 在线监测能 够测量到油中溶解气体较为真实的 含量， 对正确判断设备的 运行状态或故 障奠定了 基础。 另外， 在线监测过程可以 观察到非瞬间发生的故障的发展过程， 从而 可以及早发现故障并采取相应的措施，减少事故带来的损失. 2 . 4变压器内析出 气体的原因和特征 变压器内产生的气体可分为 “ 故障气体”和 “ 正常气体” 。正常气体是变压器在 正常运行时因绝缘系统正常老化而产生的气体; 故障气体则为变压器发生故障时引起 的绝缘材料的热分解或放电分解而产生的气体。 当变压器承受异常的热和电场作用时， 会产生某些可燃气体。 这些气体是变压器 油 和纤维素等绝缘材料由 于热和电 场因 素作用而逐渐老化和分解产生， 并大部分溶于 油中。 产生气体的速率和容量是判断故障与否的关键。虽然正常老化时也产生气体， 但产生的速率相当缓慢。 当 变压器内 部存在初期故障或形成新的故障条件时， 其产气 速率 和产生量变化将很明 显， 绝大多数的 初期缺陷都会出 现早期迹象。 因 此， 通过对 变压器油中产生的气体进行分析即能检测出变压器可能发生的 故障。 对此采用的 气相 色谱法正是对变压器油中溶解气体进行分析的最切实可行的方法， 该方法包括油中溶 解气体的定性和定量分析。 变压器油的 气相色谱分析方法， 不但是运行部门 对变压器 油中溶解气体分析普遍采用的手段， 而且也是制造厂家对油质量分析的 项目。 导致变压器内 部析出气体的主要原因有局部过热、 局部放电、 火花放电和电 弧放 硕士论文 基于油中溶解气体分析的变压器故降预侧 电 等。 这些故障都 会引 起变压器油和固 体绝缘材料的裂解， 从而产生气体。 产生的 气 体主要有h s , 烃类气体( c h c a, c a c a, c a等) 、 c o , c 0 2 等。 根据模拟试验和大量的 现场试验， 电 弧放电( 电 流大) 使油主要分解出乙 炔( c ji z ) . 氢气( h z ) 及较少的甲 烷( 讯) ; 局部放电( 电 流小) 主要分解出氢气( h z ) 和甲 烷( c h ,) ; 变 压器过热时分解出甲 烷( c h , ) 、 乙 烯( c 扎) 、 氢气( h ,) 和乙 烷( c a) 等， 而绝缘纸和某些 绝缘材料过热时还会分解出 一氧化 碳( c o ) 和二氧化碳( c 0 , ) 等。 表2 . 1 列出了不同故 障类型的产气特征。 表2 . 1 不同 故降类型的产气特征 故障类型主要成分 过热 次要成分 凡、c a 油 +纸绝缘 c hc 教 c h ch c o , c a 电弧放电 油绝缘凡, c凡 油 十纸绝缘 油、纸绝缘中局部放电 油中电 火花放电 进水受潮或油中气泡放电 比、c a, c o h z , c h . , 凡、c 八 c h , , ch , , c j i , q 、c h c a c a , c 2 %, m gh 之 、凡