（电力电子与电力传动专业论文）神经网络在变压器油色谱故障诊断上的研究.pdf

i i a b s t r a c t t h er e l i a b i l i t yo fp o w e rt r a n s f o r m e rh a s ad i r e c tr e l a t i o n s h i pw i t ht h e s a f e t yo fe l e c t r i cn e t w o r k ，a c c o r d i n gt oo i l c o l o rs p e c t r u mi sau s e f u lw a yt o d i a g n o s et h em a l f u n c t i o no fp o w e rt r a n s f o r m e r t h i sp a p e ri n t r o d u c e sm a n u a l n e u r a ln e t w o r k b a s e st h ep e r c e n t a g ec o m p o s i t i o no fg a si nt r a n s f o r m e ro i l a n d t h el e a r n i n go fn e u r a ln e t w o r k ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h ed i a g n o s em o d e l o f s t a n d a r db pn e t w o r ka n di m p r o v e db pn e t w o r k ，t h e nt r a i n i n gt h es a m es a m p l e ， c o m p a r i n gt h er e s u l to f s i m u l a t i o ne r r o r si no r d e rt op r o v et h ef e a s i b i l i t ya n dt h e s u p e r i o r i t yo fi m p r o v e da l g o r i t h m w h e nc o m p a r e dd i a g n o s er e s u i tm a d eb y i e c a n db pm a n u a ln e u r a l n e t w o r kw i t hf a c t ，i tp r o v e st h a tt h ed i a g n o s er e s u l to fb pm a n u a ln e u r a l n e t w o r kh a st h eh i g h e ra c c u r a c yc o m p a r e t h es a m em a l f u n c t i o n ，a n dt h i sp r o v i d e s t h er e a l f u n c t i o no ft r a n s f o r m e r t oo t h e ri d e n t i f i c a t i o nc r i t e r i o n sa st o am o r es c i e n t i f i cm e t h o dt od i a g n o s e k e yw o r d s ：m a l f u n c t i o no ft r a n s f o r m e r ；s o l v e n tg a s i nt h eo i l ；n e u r a ln e t w o r k ； b pn e t w o r k 创新点声明 本人声明所提交的学术论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 本文是通过分析变压器油中溶解气体的含量和故障的关系引入神经网络，提出了标准b p 网 络与改进型b p 网络的诊断模型，通过运用标准b p 算法、附加动量法、自适应学习速率法 和l m 规则这四种不同方法对同一样本进行训练，并通过对误差仿真结果的比较，说明了标 准算法与改进算法各自的优缺点，进一步证实了改进型算法的可行性与优越性，确定了采用 改进型算法进行训练。并对不同隐含层神经元个数下的学习收敛情况及采用b p 人工神经网 络诊断结果与i e c 三比值法诊断结果和实际故障结果进行了分析比较，该比较结果表明，采 用神经网络诊断法比采用其他几种判断准则对同一故障性质进行判断的准确率有显著的提 高。 尽我所知，到目前国内外外文献末见报道。 当荆陆 枷濞弓舟f p 日 辽宁工程技术大学硕土学位论文 1 绪论 1 1 电力变压器故障诊断的重要意义 随着国民经济的持续发展，我国的电力工业已进入一个新的发展阶段。 在电力系统向超高压、大电网、大容量、自动化方向发展的同时，提高电力 设备的运行可靠性显得尤为重要。电气设备是组成电力系统的基本元件，电 力生产的设备投资占企业投资的6 0 7 0 以上，设备是保证供电可靠性的基 础，是安全生产的最大保证。无论是大型关键设备如发电机、变压器，还是 小型设备如电力电容器、绝缘子等，一旦发生失效必将引起局部以致全部地 ， 区的停电。大量资料表明导致设备失皴的主要原因是其绝缘性能的劣化。例 如我国19 8 4 1 9 9 6 年间1 1 0 k v 及以上等级电力变压器事故统计分析表明，由 于绝缘劣化引起事故台次占事故总台次的6 8 和总事故容量的7 4 ，而1 9 9 0 年的统计允别为7 6 和6 5 。国外的统计结果也类似，例如美国某地区4 8 k v 配电系统对1 9 8 0 1 9 8 9 年间失效电容器的统计分析指出其中9 2 ，是因为绝缘 劣化引起失效。电力设备特别是大型电力设备故障所造成的经济损失是非常 巨大的。有些非大型设备虽自身价值并不昂贵，但故障后果严重，例如以往 互感器、电容器、避雷器常因绝缘故障发生爆炸和起火，不仅会波及邻近设 备，且由于故障的突发性会因爆炸而造成人员伤亡。所以运行序电气设备的 绝缘状态对电力系统的安全运行至关重要，要求电业人员必须加强电气设备 绝缘的监测与诊断，及时发现隐患以确保电力设备和人身安全。电力设备故 障常引起电网故障，甚至导致系统崩溃和瓦解，其危害极大。在实现现代化 生产的同时，预防和减少设备事故，将是一件头等重要的大事，对电力工业 来讲就具有更为突出的重要意义。 故障诊断就是以一定的准确度来确定诊断对象的状态，并对其作出结 论，这些结论包括指明故障发生的地点、类型、程度、趋势和原因等，为故 障的预报和控制服务，并为设备的性能评价、合理使用、剩余寿命估计等提 供依据。故障诊断包括以下四个环节： ( 1 ) 采集被诊断对象的状态量； 辽宁：r 程技术大学硕士学位论文 一2 ( 2 ) 对采集到的信息进行加工整理； ( 3 ) 通过逻辑思维，将掌握到的信息与各种外界条件和诊断对象的历 史相联系，对诊断对象的问题作出实质性的判断； ( 4 ) 有针对性她提出故障预防措施，并在实旄中加以观察验证。 故障诊断的准确性和可信性，主要依赖于监测的状态量与故障问的关系 程度，这种关系越密切，则故障诊断的准确性和可信性就越高。状态量的选 取，是油浸电力设备故障诊断最为关键的一步，直接影响到诊断效果、装置 研制等后续环节。油浸电力设备在运行过程中有许多状态量可以反映其运行 状况，但反映程度有所不同。常用的诊断方式有以下几种： ( 1 ) 绝缘油击穿电压的监测； ( 2 ) t g 艿( 介质损耗角正切) 的监测： ( 3 ) 局部放电的监测； ( 4 ) 变压器油中溶解气体的监测； ( 5 ) 油面水平的监测； ( 6 ) 微水量的监测；， ( 7 ) 温度的监测； ( 8 ) 油中金属的监测； 以上各种方法中，以变压器油中溶解气体的监测方法最为有效，而采用 电气试验方法很难发现某些局部故障。这是因为变压器和互感器等油浸电力 设备是以变压器油作为绝缘介质和冷却介质的，另外还有一些固体绝缘材料 作为绝缘介质，整个器身浸泡于变压器油中，当设备投入运行后，如果其内 部某个部位存在过热性或放电性故障，则必然导致变压器油和油浸固体绝缘 材料分解产气。故障初期，产气速度慢，产气量小，产出的气体形成气泡在 油中通过对流、扩散溶解于油中，使油中溶解气体不断增加，这样，分析此 时油中溶解气体，就可把早期的故障发现出来。 随着传感技术、微电子技术以及计算机技术的广泛采用，变压器绝缘在 线监测、结合神经网络、模糊理论和专家系统的故障诊断技术得到了更为迅 猛的发展并成为电气工程学科研究中新的热点。据有关资料表明，对电力变 压器等设备运行状态实施在线监测及故障诊断技术，可使每年的维修费用减 辽宁翻到支术大学硕士学位论文 一3 一 少2 5 5 0 ，故障停电时间减少7 5 。因此，对电力变压器等设备采用在线监 测和故障诊断技术可促进状态维修的有效实施，收到巨大的经济效益，研究 开发对电力变压器等设备的故障诊断技术可以有效地了解设备的运行状况， 及时发现设备的潜伏性故障，避免突发事故的发生，这不仅对电力工业的科 技进步有重要的科学价值，而且对提高电力系统运行的可靠性和科学管理水 平也具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状及主要存在问题 实测和研究表明，采用油中溶解气体的气相色谱分析法( d is s o l v e d g a s a n a l y s is ) 简称d g a ，根据变压器溶解气体的组分和含量来分析变压器的潜 伏性故障是监视变压器安全运行的最洧效的措施之一，已成为国内外诊断充 油电气设备故障的一种最为有效的手段。基于溶解气体分析( d g a ) 的变压 器故障诊断各国己研究了多年，并提出了具有实用价值的判断准则。如； d o r n c n b u n g ，d u v a l ，r o g c r s ，h a e 法和西德的四比值法。日本的电协研法 和i e c ( 国际电工委员会) 的三比值法。 在利用常规的离线气相色谱法检测变压器油中溶解气体时，首先要在现 场从被检测的变压器提取试验油样并送到分析室，然后由分析人员在气相色 谱仪上进行油样的色谱分析，并由专家对分析的结果进行评定。在取油样一 油气分离一色谱分析的全过程中存在着环节多、操作手续繁琐、试验周期长 等弊病，不仅不可避免地会引起较大的试验误差，而且实践证明难以发现类 似匝间绝缘缺陷等故障和不能及时检测出相对发展较快的故障。 为了实现变压器油中溶解气体的实时或定时监测，及时发现故障近1 0 年来，国内外都致力于在线监测原理的研究或装置的研制，相继研制出了一 些有实用价值的油中溶解气体在线监测及诊断装置。但目前广泛介绍的变压 器油气敏检测仪在检测气体时首先未能先将混合气体逐次分离，再针对每一 种气体分别进行检测。其次，该检测仪是将混合气体通过同一气敏组件，再 经多路开关分别测出气敏组件两端的电压和流经气敏组件的电流，然后用计 算出的电阻值去对应算出混和气体的浓度。可见以往的这种气体在线监测装 置，其结构复杂，且检测的灵敏度和装置本身的可靠性都存在着需要改进的 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一4 问题。鉴于此，本文着重以重庆大学高电压与电工新技术实验室研究的m q 型系列传感器为核心的油中多种溶解气体在线监测装置。该装置首先通过分 离膜将油、气分离得到混合气体；再将混合气体通过复合色谱柱逐一分离出 所要检测的各种气体；最后将各种气体逐次通过复合分布式传感器，该传感 器是将多个具有不同工艺和不同材料组成的金属氧化物传感器构成一个传 感器数组，当给出混合气体后，不同传感器单元分别响应各自的特征气体， 这种检测方法充分利用了不同气体传感器分辨气体的能力。这种装置监测原 理简单，检测灵敏度高，可以满足工程实际的要求，是变压器油中六种溶解 气体在线监测技术的发展方向。 另外，变压器的故障诊断是一个技术和经验相结和的过程，很难用一个 简单的数学模型把变压器的故障和各氕体联系起来。因为各气体的组成是变 压器的形式、容量、电压等级、绝缘油的化学性能、变压器的运行环境及方 式等因素的多维函数，即使是同样的变压器，在同样的条件下用不同的诊断 方法也可能得出不同的结论。且常规的d g a 诊断法属于单故障、渐发性故障 的简单诊断技术，诊断结果的准确性主要依赖于经验的积累程度，如油中溶 解气体组分含量及比值与故障类型及性质之间的关系来源于大量的统计结 果。实际上，电气设备的内部故障往往是由某一故障引发多故障或前期征兆 信号微弱的潜伏性多故障引发突发性故障，因此，传统的i e c 三比值法或改 良电协研诊断法所诊断的结果准确率并不高。 近二十年来，国内外在油中溶解气体分析诊断技术上作了大量的工作； ( 1 ) 在测量装置方面，离线检测得到了比较快的发展，但是变压器溶解 气体的在线监测的研究除日本等少数国家有报道外，国内的在线监测研究还 比较少。 文献 4 5 介绍了重庆大学研究成功的一种变压器油中溶解气体在线 监测装置，图1 1 为其在线监测原理框图。该装置将监测到的7 种溶解气 体组分信息自动传送主计算机，可实现实时分析和长期的存储管理。 辽r1 程技术大学硕士学位论文 商分f气蜜电磁六邋嘲 图l 一1变压器油中六种气体在线监测装置图 ( 2 ) 在故障诊断方面，对i e c 三比值法提出了一些改进办法，如改进 电协研法等。但人们在长期的使用中发现，这些改进方法虽比三比值法的诊 断准确率有所提高，但不管是离线检测或在线监测得到的气体含量数据用 i e c 三比值法或改良电协研法进行故障判断时，由于y - 0 断区间不灵活，导致 有些故障判断不出或误判：对于编码为0 0 0 的情况，i e c 三比值法等传统方 法不能作出判断，这可能会因此掩盖了真实故障；另外，对不同地区、不同 制造厂生产的、运行在不同电压等级下的变压器所监测到的数据可能会不一 样，不一样的条件用同个判断标准，难免要出一些差错。因此，现在需要 有一种新的方法来对监测到的变压器油中溶解气体的数据进行分析，以便进 一步提高对故障诊断的准确率。 ( 3 ) 神经网络是在现代生物神经系统研究的基础上建立的一种网络结 构，它以其信息的并行分布式处理、联想记忆、自组织及自学习能力在设备 故障诊断中显示了极大的应用潜力。神经网络用于故障诊断有以下优点：训 辽宁l ：程技术大学硕士学位论文 一6 练过的神经网络能存储有关过程的知识，能直接从定量的、历史的故障信息 中学习：可以根据对象的正常历史数据训练网络，然后将此信息与当前测量 数据进行比较，以确定故障：神经网络具有滤出噪声及在有噪声的情况下得 出正确结论的能力，可以训练神经网络来识别故障信息，使其在噪声环境中 有效地工作，这种滤出噪声的能力使人工神经网络适于在线监测和诊断：神 经网络具有分辩故障原因和类型的能力，这为实现故障智能诊断奠定了基 础。因此，神经网络结构对故障诊断具有很好的效果。 1 3 主要研究内容 目前国内外都认为对油浸电力变压器比较有效的在线检测方法，主要为 ， 油中溶解气体的色谱分析( d g a ) 及局部放电( f d ) 试验，d g a 并且不仅对快 速发展的p d 监测仍然有效，而且还可发现一些用t g6 、p f ) 法不能发现的潜 伏性故障，实践证明，变压器油中溶解气体分析技术对于发现变压器内部的 潜伏性故障及其发展程度是很有效的，其有效率可达8 5 以上，并得到了广 泛应用p d 法只是为了弥补d g a ，对突发性快速局部放电故障不灵敏的局限 性的一种辅助办法，因而在1 9 9 7 年起执行的电力设备预防性试验规程中已把 它列在对变压器进行预试时的首要位，油色谱分析法虽然比局部放电法等判 断故障的可靠性高，但常规的油色谱分析法存在，一系列不足之处不仅脱气 中可能存在较大的人的误差，而且检测曲线的人工修正也会加大误差从取油 到实验室分析作业程序复杂花费时间和费用较高，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 油气色谱分析仪，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。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。 不管是离线的色谱分析还是在线监测油中溶解气体，最关键的是可靠性 有效性和正确率，这取决于所采取的故障分析诊断技术，对变压器每一种故 障类型的主要诊断参数和故障信息，运用先进的理论和方法，研究确定变压 器故障诊断模型，当获得了故障诊断模型以后，就可以用来进行实际的变压 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一7 一 器故障诊断，因此研究能识别以变压器油中溶解气体为特征的多种故障的诊 断模型，一般根据色谱分析数据进行内部故障诊断时，应包括下述内容： ( 1 ) 判定有无故障及故障的类型，如过热、电弧放电、火花放电和局部 放电等。 ( 2 ) 判断故障的状况，如热点温度、严重程度以及发展趋势等 ( 3 ) 判断故障的原因及其部位，如热性故障、电路和磁路故障的原因及其 部位。 ( 4 ) 提出相应的处理措施，如能否继续运行，以及运行期间的技术安 全措施和监视手段或是否需要吊罩检修等。由此得到相应的故障诊断软件包 是变压器油中溶解气体，在线监测技术研究中的一个最基本的，也是最重要 的研究课题， 通过对大量文献的调查研究本文拟从以下几个方面着手研究： 1 、深入分析变压器油中溶解气体的产生原因，气体种类及含量，以及 故障情况与气体含量的比值对应关系； 2 、深入分析以油中溶解气体为特征量诊断内部故障的原理，并对油中 溶解气体分析的比值诊断法存在的问题进行分析，研究以油中气体为特征组 分比值诊断故障的方法，如三比值法、改良电协法等； 3 、提出了标准b p 网络与改进型b p 网络的诊断模型，通过运用标准 b p 算法、附加动量法、自适应学习速率法和l m 规则这四种不同方法，对 同一样本进行训练，并通过对误差仿真结果的比较，说明了各种算法的优缺 点，进一步证实了改进型算法的可行性与优越性，确定了采用改进型算法进 行训练。在此基础上，讨论了基于神经网络模式识别的混合气体组分与浓度 的检测，并结合实例讨论了如何对训练样本进行预处理，且针对标准算法在 收敛速度和训练精度方面的不足，采用改进的算法对混合气体进行了对比识 别，同时给出了训练的仿真结果。该结果表明，改进的算法显著提高。了解 网络的收敛速度及训练精度。最后，以气体浓度为输入，以故障性质为输出， 给出了利用神经网络进行变压器故障诊断的实例。b p 人工神经网络诊断结 果和i e c 三比值法诊断结果和实际故障结果进行了分析比较，该比较结果 表明，采用神经网络诊断法比采用其它几种判断准则对同一故障性质进行判 辽1 卜1 程技术大学硕士学位论文 8 断的准确率有显著的提高。 1 4 小结 提出了变压器故障诊断的意义，变压器故障诊断是对设备的性能评价、 合理使用、剩余寿命估计提供依据；预防和减少设备事故，根据多中监测变 压器的故障中，提出以变压器油中溶解气体最有效，对国内外研究现状进行 分析，以重庆大学高工所与电工技术实验室提供的m q 型系列传感器为依托， 为故障监测提供技术保障，同时对多种故障诊断方法进行分析，提出神经网 络故障诊断的可行性和实用性，以及其优越性，并就自己的工作内容进行剖 析。 辽1 程技术大学硕士学位论文 断的准确率有显著的提高。 1 4 小结 提出了变压器故障诊断的意义，变压器故障诊断是对设备的性能评价、 合理使用、剩余寿命估计提供依据；预防和减少设备事故，根据多中监测变 压器的故障中，提出以变压器油中溶解气体最有效，对国内外研究现状进行 分析，以重庆大学高工所与电工技术实验室提供的m q 型系列传感器为依托， 为故障监测提供技术保障，同时对多种故障诊断方法进行分析提出神经网 络故障诊断的可行性和实用性，以及其优越性，并就自己的工作内容进行剖 络故障诊断的可行性和实用性，以及其优越性，并就自己的工作内容进行剖 析。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 2 变压器油中溶解气体的产生、含量与故障的关系 2 1 变压器内部故障产生气体 对于大型电力变压器，目前几乎都是用油来绝缘和散热，变压器油与油 中的固体有机绝缘材料、纸和纸板等，在运行电压下随运行时间的增加，因 放电和热的作用会逐渐老化和分解，产生少量的各种低分子烃类及c o 、c 0 2 气体，而变压器的内部绝缘故障却伴随着局部过热和局部放电现象，使油或 纸或油和纸分解产生c 2 h 6 、c 2 h 4 、c 2 h 2 、h 2 、c o 和c 0 2 等气体，当故障不太 严重，产气量较少时，所产生的气体形成的气泡在油里经对流、扩散、不断 地溶解于绝缘油中，当设备内部存在潜伏性过热或放电故障时，就会加快这 ， 些气体的产生速度，当产生速率大于溶解速率时，在变压器里会有一部分气 体进入气体继电器，此外发热和放电的产生程度不同，所产生的气体种类， 油中溶解气体的浓度，各种气体的比例关系也不相同，而与绝缘油的种类与 牌号无关，因此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，通过对油中溶解气体进行气相色谱分析，便可发现变压 器内部的发热和放电性故障。 然而，变压器内部故障并不限于发热和放电这两类故障，还有如螺丝松 动、导体接触不良等机械类故障和油中混入导电性杂质等其它故障。这些原 因无法检测出来，但是这类初始原因往往是变压器向伴随发热或放电故障发 展的一个阶段，例如，内部电气触头接触不良会引起局部发热，导电杂质会 引起局部放电，故障发展到发热或放电阶段便可检测出来，不管它的起始原 因是什么。 当固体绝缘发生故障时，c o 和c 0 2 会明显增长，但目前的统计资料还得 不出规律性的结论，固体绝缘在正常老化过程中，也分解c o 现在还找不到 它与故障时分解产生的c o 的严格界限。c 0 2 含量的规律更不明显，一般要结 合变压器结构特点和运行情况进行判断。 由此可见，油中溶解气体的组分和含量可以作为反映电气设各电气异常 的特征量。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一1 0 2 2变压器油中气体的产生和溶解及正常运行时的含量 2 2 1 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，它是由许多葡萄糖基配键连结 起来的大分子，其化学通式为( c 6 h 1 0 0 5 ) n ，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h 2 、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，绝缘纸在1 2 0 l5 0 。c 长期加热时，产生c o 和c 0 2 且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( c h 4 、c 2 h 4 ) 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 。 分解产物重量，分解产物重量， c o4 2 0水 3 5 5 0 c 0 21 0 4 0 醋酸 1 4 0 c h 4o 2 7丙酮0 0 7 c 2 h 4o 17焦油4 2 0 焦碳 3 9 5 9其他5 2 0 表2 一l纤维素在4 7 0 。c 时热分解的产物 可见，纤维素热分解生成的气体中，碳氢化合物很少，而c o 、c 0 2 很多， 辽宁 ：程技术大学硕士学位论文 一11 见图2 1 ，当油纸绝缘遇电弧作用等，还会分解更多的乙炔c 2 h 2 等气体， 而且同样在电弧作用下，不同材料裂解出的气体组分和相对数量也不同。 图2 一l 纤维绝缘材料高温下的产气规律 ( 2 ) 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、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h 2 、c h 4 、c 2 h 6 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 h 4 及c 2 h 2 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发生故障时油分解出的气体为： 1 ) 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 2 h 5 ) 和低分子烯烃( c 2 h 4 、c 3 h 6 ) 也含有氢气h 2 ； 2 ) 当绝缘油暴露于电弧中时，分解气体大部分是h 2 和c 2 h 2 ，并有一定 量的c h 4 、c 2 h 4 ； 3 ) 发生局部放电时，绝缘油分解出的气体主要是h 2 和少量c h 4 ，发生 火花放电时，则还有较多的c 2 h 2 。 由上可知，利用形成的气体组分浓度的相对比值，可用以推测此处的 油或油纸绝缘所处的裂解条件，这就是目前在油中溶解气体色谱分析中被广 泛采用的比值法的依据。 2 2 2 气体在油中的溶解 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 2 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，即最终将达到溶解 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( o s t w a l d )系 数k 值表示。 奥斯特瓦尔德系数定义为： 。，液相中气体的浓度( c o i ) k2 可丽眄两丽丽 即：当气、液两相达到平衡时、对某特定气体来说： c o ；= 墨cg i 式中：c o ，在平衡条件下，溶解在油中组分的浓度p p m c v 在平衡条件下，气相中组分i 的浓度p p m ： t 组分i 的奥斯特瓦尔德系数： 各种气体在矿物绝缘油中的奥斯特瓦尔德系数见表2 2 标准温度h 2c oc 0 2c h 4c 2 h 2 c 2 h 4c 2 h 6 g b t 17 6 2 3 一1 9 9 8 5 00 0 6o 1 2o 9 2 o 3 91 0 21 4 62 3 0 2 00 0 5o 1 21 0 8 o 4 31 2 01 7 0 2 4 0 i e c6 0 5 9 9 一1 9 9 9 5 0o 0 5 0 1 21 0 00 4 0o 9 01 4 01 8 0 表2 2 各种气体在矿物绝缘油中的奥斯特瓦尔德系数k i 值 k i 用于表示i 组分气体溶于油中的溶解度，它和温度有关，溶解度低的气 体如h 2 、c o 、n 2 随温度上升而增加，c h 4 和溶解度高的c 0 2 、c 2 h 2 、c 2 h 4 、c 2 h 6 则随温度上升而下降。 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，油中气体已达到饱和， 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，还会有一部份成 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 辽宁1 二程技术大学硕士学位论文 一1 3 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h 2 、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 不到突发性故障的痕迹，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察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作用。 2 2 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h 2 、c h 4 、c 2 h 6 、c 2 h 4 、c 2 h 2 、c o 更低，占总量( t c g ) 的0 0 l 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，薄膜密封 变压器要小于3 ，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 0 2 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在 0 1 0 5 之间，故障变压器可燃性气体总量在0 5 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。 气体组分 h 2c h 4c 2 h 6c 2 h 4c 2 h 2c 1 + c 2 【正常极限值 l5 04 5 3 56 55 l5 0 表2 - 3正常变压器油中氢和烃类气体含量限值p p m 表中总烃是指甲烷( 简写为c 1 ) 、乙烷、乙烯、乙炔( 简写为c 2 的总 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 和) ，用c l + c 2 表示，表中限制不适用于从气体继电器的取样。 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 表2 4油中溶解气体的应注意值 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”是指当气体浓度到该值时，应注意跟踪分析，查明原因， 由于各种变压器的结构、材料、工艺及运行条件都有很大差异，因此根据我 国1 9 个省市6 0 0 0 多台次变压器测试结果而得出的“注意值”见表2 - 5 ，并 非就可以判断被测变压器就有某种故障。 设备名称气体组分注意值( p p m )6 0 0 0 台次中超过注 意值所占比例 变压器总烃乙炔氢 15 051 5 05 6 5 7 3 6 表2 5在表2 4 中应注意值的统计依据 经验证明，有时虽来达到“注意值”而某些气体增长很快，也应引起重 视，相反，即使略有超过“注意值”，而历年来很少增长，则危险程度就小 得多，因而必须考虑故障的发展趋势，即故障点( 如果存在的话) 的产气速 率，产气速率是与故障消耗能量大小、故障部位、故障点的温度等情况直接 有关的，在不考虑气体损失下产气速率按如下方法进行计算： ( i ) 绝对产气速率 每运行日产生某种气体的平均值为： 乞：导一m _ - ( 2 - 3 )。 出p 。2 一。 式中，为绝对产气速率，m l d ； c i 2 为第二次取样测得油中某气体浓度，pl l c i l 为第一次取样测得油中某气体浓度，ul l at 为二次取样时间间隔中的实际运行时间，d m 为设备总油量，t ； 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 5 p 为油的密度，r 矾3 。 变压器和电抗器绝对产气速率的注意值如表2 - 6 所示 气体组分开放式隔膜式 总烃 61 2 乙炔 0 1 0 2 氢 5 l o 一氧化碳 5 01 0 0 二氧化碳 1 0 0 2 0 0 表2 - 6 绝对产气速率的注意值( m l d ) 当产气速率达到注意值时，应缩短检测周期，进行追踪分析。 ( 2 ) 相对产气速率 每运行月( m ) ，某种气体含量增加原有值的百分数的平均值，即按 下式计算： 栅，2 警古枷 式中，为相对产气速率，d ； c i 2 为第二次取样测得油中某气体浓度，l l ： c i l 为第一次取样测得油中某气体浓度，ul l ； t 为= 次取样时间间隔中的实际运行时间，m 。 相对产气速率也可用来判断充油电气设备内部的状况。总烃的相对 产起速率大于1 0 时，应引起注意。 2 3 变压器内部故障类型与油中气体含量的关系 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或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 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一1 6 征进行分析。 ( 1 )热性故障 产生热故障的原因有： 1 ) 导线过电流； 2 ) 铁芯局部短路，多点接地，形成环流； 3 ) 分接开关接触不良： 4 ) 接线焊接不良； 5 ) 电磁屏蔽不良，使漏磁集中： 6 ) 油道堵塞，影响散热； 热性故障的气体特征： 1 ) 当固体材料局部过热时，会产生大量c o 和c 0 2 ，且c 0 c 0 2 10 ： 2 ) 当油局部过热时，会产生大量乙烯c 2 h 4 和甲烷c h 4 随着温度升高 则乙烷( c 2 h6 ) 和氢( h2 ) 增加，当油严重过热时，才产生少量乙炔( c 2 h 2 ) ： ( 2 ) 电性故障： 产生电性故障的原因有： 1 ) 绕组匝间、层间、相间绝缘击穿： 2 ) 引线对地闪络或断裂； 3 ) 分接开关飞弧； 电气故障产生的气体，主要是氢( h 2 ) 和乙炔( c 2 h 2 ) ，其次是乙烯( c 2 h 4 ) 和甲烷( c h 4 ) ； 电气故障形成按能量大小可分为三种：即高能量的电弧放电、低能量的 间隙火花放电和最低能量的局部放电。 1 ) 高能量电弧放电原因： a 严重的绕组故障，如绕组短路、绝缘大面积击穿： b 严重的铁芯失火，大面积铁芯短路。 由于突发爆炸，能量大，时间短，气体来不及溶于油中，气流直接进入 气体继电器中，可从放气嘴中取出气样化验，这种气种主要是氢气( h 2 ) 和 乙炔( c 2 h 2 ) ； 2 )造成火花放电的原因有： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a 引线接触不良： b 不稳定的铁芯接地： c 分接开关触头接触不良： d 套管导电杆与引线接触不良： 这种故障因能量不大所以总烃含量不高，气体主要是h 2 和c 2 h 2 。 3 ) 造成局部放电原因有： a 冲片棱角或冲片问局部放电： b 金属尖端之间局部放电： 这时产生的主要气体是h 2 和c h 4 。无论哪种放电，只要有固体绝缘介入，都 会产生c o 、c 0 2 。 ( 3 ) 进水受潮： 变压器受潮时，油中水份和含湿气的杂质易形成“小桥”，能引起局部 放电而产生h 2 ，水份在电场作用下的电解作用和水与铁的化学反应，也可产 生大量h 2 ，故受潮设备中h 2 在氢烃总量中占比更高，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( 如局放检测量和微水分析) 加以综合判 断。 ( 4 ) 固体绝缘材料故障分析： 固体绝缘材料产生故障时，会产生c o 和c 0 2 气体，正常开放式变压器 的c o 含量不大于0 0 3 ，如果总烃含量超限，而c o 不超过0 0 3 ，可认 为变压器固体绝缘材料有过热的可能，如果总烃值未超限虽c o 超过0 0 3 ， 还可认为变压器是正常的，发现c 0 超限时，要综合分析。 ( 5 ) 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 7 ，给出不同的变压器故障类型和产生气体的组分关系。 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 8 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 4c 2 h 4h 2c 2 h 6 油和绝缘纸过热 h 2c h 4c 2 h 2c 0c 2 h 6c 0 2 油中有电弧 1 2c 2 h 2c h 4c 2 h 4c 2 1 6 油和绝缘纸中电弧 h 2c 2 h 2c 0 2c 0c h 4c 2 h 4c 2 h 6 油中局部放电 h 2c 2 h 2 油和纸中局部放电 h 2c h 4c 2 h 2c 0c 2 h 6c 0 2 油中火花放电 c 2 h 2h 2 进水受潮或油中气泡 h 2 2 4 小结 表2 7变压器故障类型与气体组分关系 本章是通过对变压器内部故障，引起油或纸或油和纸分解产生c 2 h 6 、c 2 h 4 、 c 2 h 2 、h 2 、c o 、和c 0 2 等气体，对气体的产生进行了分析，以及对产生的速 率的研究，对变压器正常运行时的气体含量的分析，来掌握变压器故障类型 与油中气体含量的对应关系。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 9 3 以油中特征气体组分比值诊断故障的方法 根据d l t7 2 2 2 0 0 0 导则中总结的不同故障类型产生的油中特征气 体组分，只能粗略地判断充油电力变压器内部是否可能有早期的故障存在， 不能确定故障的牲质和状态。因此，国内外通常以油中溶解的特征气体组分 含量来诊断充油电力变压器的故障的性质。 变压器油中溶解的特征气体可以反映故障点引起的周围油、纸绝缘的热 分解本质。气体组分特征随着故障类型、故障能量及其涉及的绝缘材料的不 同而不同，即故障点产生烃类气体的不饱和度与故障源的能量密度之间有密 切关系。因此，特征气体判断法对故障性质有较强的针对性，比较直观、方 便，缺点是没有明确量的概念。 3 1 故障诊断的原理 变压器油中溶解的特征气体可以反映故障点引起的周围油、纸绝缘的热 分解本质。气体组分特征随着故障类型、故障能量及其涉及的绝缘材料的不 同而不同，因此特征气体判断法对故障性质有较强的针对性，比较直观、方 便。 序号故障性质特征气体的特点 l一般过热性故障总烃较高，c 2 h 2 ( 5 u l l 2严重过热性故障总烃高，c 2 h 2 ) 5 u l l ，但c 2 h 2 未构成总烃的主要 成分，h 2 含量较高。 3局部放电总烃不高，h 2 10 0 u l l ，c h 4 占总烃的主要成分 4火花放电总烃不高，c 2 h 2 7 1 0 u l l ，h 2 较高 5电弧放电总烃高，c 2 h 2 高并构成总烃的主要成分，h 2 含量 高 表3 一l判断变压器故障性质的特征气体法 依表3 一l 所统计的结果可知：低能量的局部放电并不产生c 2 h 2 ，或仅仅 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一2 0 一 产生很少量的c 2 h 2 。同时，虽然每种故障产生的特征气体都有c 2 h 2 ，但热故 障和电故障产生的特征气体中c 2 h 2 的含量差异较大；因而可以将c 2 h 2 的含 量作为区分过热和放电两种故障性质的主要指标。 由于大部分过热故障，特别是出现高温热点时也会产生少量c 2 h 2 ，因此 不能认为凡有c 2 h 2 出现的故障，都视为放电性故障。例如：1 0 0 0 。c 以上时， 会有较多的c 2 h 2 出现，但1 0 0 0 。c 以上的高温既可以由能量较大的放电引 起，也可以由导体过热而引起；又如分接开关出现热故障时也会有c 2 h 2 产生， 实际上一般只是由高温过热点产生c 2 h 2 ，不应该因有c 2 h 2 而认为裸金属过 热并伴有放电。h 2 是油中发生放电分解的特征气体，但是h 2 的产生又不完 全由放电引起，当h 2 含量增大而其它组分不增加时，有可能是由于变压器 进水或有气泡引起水和铁的化学反应。或在高电场强度的作用下，水或气体 分子的分解或电晕作用所至。 如果伴随h 2 含量超标，c o 、c 0 2 含量较大，即是固体绝缘受潮后加速 老化的结果。在充油电力变压器中，主要的绝缘材料是绝缘油和绝缘纸、纸 板等，它们在运行中将受到多种因素的作用将逐渐老化，绝缘油分解产生的 主要气体是氢和烃类气体，绝缘纸等固体绝缘材料分解产生的主要气体是 c o 和c 0 2 。因此可将c o 和c 0 2 作为油纸绝缘系统中固体材料分解的特征气 体。 主要成分异常情况具体情况 h 2 主导型局部放电绕组层间短路，绕组击穿；分接 电弧放电开关触点间局部放电，电弧放电 短路。 c h 4 、c 2 h 4 主过热分接开关接触不良，连接部位松 导型接触不良动，绝缘不良。 c 2 h 2 主导型电弧放电绕组短路，分接开关切换器闪络 表3 2 特征气体中主要成分和变压器异常情况的关系 3 2 以油中气体总烃及c 0 、c 0 2 为特征量的故障诊断方法 通过大量故障变压器色谱分析数据与故障类别的统计分析，在表3 1 列 出了油中溶解气体组分含量变化与内部故障的关系。从表3 一l 可知：总烃与 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一2 1 故障类型总有一定关联性；同时，设备种类、负荷状况、绝缘材料的体积及 老化程度与产气速率也有很大的关系：当变压器内部故障处于早期发展阶段 时，气体的产生比较缓慢，产气的速率随故障的发展而增大：变压器内绝缘 纸等固体绝缘材料在运行中承受多种因素作用，将逐渐老化而分解产生的主 要气体是c o 和c 0 2 。因此，国内外都相继把色谱分析得到的总烃和c o 、c 0 2 作为特征气体来诊断运行中变压器的故障。 主要特征气体故障类型主要特征气体故障类型 h 2 高，总烃不高，油中电晕( 火花放 c 2 h 4 、h 2 、c o 、c 0 2绝缘局部过热或 c h 4 为总烃的主要电时总烃高)及总烃均较高固体绝缘散热不 成分，有微量c 2 h 2良 c 2 2 高，总烃和高温电弧放电总烃高，h 2 和c 2 h 2油中裸金属过热， h 2 较高，c 2 h 2 为 ，均较高并有电弧放电，固 总烃的主要成分体绝缘损伤 总烃及h 2 较高，向温热点甄局邵。总烃不高，局部放电 但c 2 h 2 未构成总高温过熟h 2 1 0 0 c h 4 占总 烃的主要成分。烃主要成分 表3 3 特征气体与变压器内部故障的关系 以总烃为特征量诊断故障 1