（电力系统及其自动化专业论文）电力变压器状态分析与维修策略的研究.pdf

a b s t r a c t t h ep o w e rt r a n s f o r m e ri so r eo ft h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n to ft h ep o w e rs y s t e m t h e p o w e rd i s t r i b u t i o nr e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo fp o w e rs y s t e mi sd i r e c t l ya f f e c t e db yt h et r a n s f o r m e r w h e t h e ri tc a nt u no rn o t m a i n t e n a n c ec o n t r o lb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tw h e nt h e c a p a c i t yo fp o w e rs y s t e mb e c o m e sm o r ea n dl n o r el a r g ea n dt h er e q u i r e m e n to ft h ep o w e r d i s t r i b u t i o n r e l i a b i l i t y t ot h ec u s t o m e r sb e c o m e sm o r ea n dm o r es t r i c t t h er a t i oo ft h e m a i n t e n a n c ec o s t si nt h ep o w e rc o s t si si n c r e a s i n g u n d e rt h ec o n d i t i o nm a i n t e n a n c es t r u c t u r e ，t h e m o s ti m p o r t a n tt h i n gi sh o wt oc h o o s er a t i o n a lm a i n t e n a n c ep r o g r a ma n de x a c tm a i n t e n a n c e s c h e d u l ei no r d e rt os a v em a i n t e n a n c ec o s t s an e wm e t h o db a s e do np r o b a b i l i s t i cn e u r a ln e t w o r k s ( p n n ) t ot r a n s f o r m e rf a u l td i a g n o s i si s p r e s e n t e d ，t h em a j o rf e a t u r e so ft h ep m b a b i l i s t i cn e u r a ln e t w o r k ss t e m sf r o mi t s m o d u l a r a r c h i t e c t u r ed e s i g na n dc a nb ee a s i l ye x t e n d e dt oa d a p tt oac h a n g i n ge n v i r o n m e n tb yi n c r e m e n t a l l e a r n i n g t h eg e n e t i ca l g o r i t h mi si n t r o d u c e dt ot r a i nt h es m o o t h i n gf a c t o ro fp n ni no r d e rt o i n c r e a s et h ea c c u r a c yo f d i a g n o s i s f i r s t l y , t h ei m p r o v e m e n to f g r e ys i t u a t i o nd e c i s i o n ，s u p e r i o r i t y e v a l u a t i o n ，t o p s i sa r ei n t r o d u c e di n t ot h i sp a p e r , a n dt h eg r e ys i t u a t i o nd e c i s i o nm e t h o dw a s b e e nr e t r o f i t t e db yf u z z yp a t t e r nr e c o g n i t i o n u s i n gt h es o c i a lc h o i c ef u n c t i o n ，t h ep o w e r t r a n s f o m l e rc o n d i t i o nm a i n t e n a n c es y n t h e t i c d e c i s i o n - m a k i n gm e t h o d i sf o r m e db yt h e c o n s o l i d a t i o na n dr e - c o l l a t i o no ft h er e s u l to ft h r e ed e c i s i o n m a k i n gm e t h o dm e n t i o n e da b o v e s e c o n d l y , t h ec o n d i t i o nm a i n t e n a n c ee v a l u a t i o n i n d e xs t r u c t u r ei se s t a b l i s h e di n c l u d i n gt h e r e q u i r e m e n to fs a f e t y , r e l i a b i l i t y , e c o n o m ya n do t h e r s ，t h ew e i g h t so ft h ee v a l u a t i o ni n d e xa l e d e t e r m i n e db ya n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s f i n a l l y , t w od i f f e r e n ti n s t a n c e sa t es i m u l a t e db yt h e p o w e rt r a n s f o r m e rc o n d i t i o nm a i n t e n a n c es y n t h e t i cd e c i s i o n m a k i n gm e t h o d ，a n dt h i sm e t h o di s p r o v e dt ob ec o f r e n t t h ep o w e rt r a n s f o r m e ro n l i n ed i a g n o s i sa n dm a i n t e n a n c ed e c i s i o n - m a k i n g s y s t e mi sd e v e l o p e db yt h et h e o r ym e n t i o n e da b o v e k e yw o r d s ：p o w e rt r a n s f o r m e r , f a u l td i a g n o s i s ，p r e d i c t i v em a i n t e n a n c e ，p r o b a b i l i s t i en e u r a l n e t w o r k s ，s y n t h e t i cd e c i s i o n - m a k i n gm e t h o d 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，也不包含为获得塑鲞盘鲎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已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：) 暂永刚 签字日期： 渺；年；月劢日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解扭鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。特 授权趋连盘茔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。本人电子文档的 内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文之外，允许论文被查阅 和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院处理。 学位论文作者签名： 暂永刚 签字日期：弦“年3 月日 别性轹l 凇 签字日期：御f 年乏月劫日 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 随着我国电力事业的飞速发展，电网的规模不断扩大，从孤立的城市电网发 展成为大区电网，西电东送、南北互供、全国联网的格局正在形成。随着电网容 量的扩大，电力变压器的单台容量及电压等级也由2 0 0 0 k v a 3 3 k v 提高到 3 6 0 m v a 5 0 0 k v 、4 5 0 m 、w 3 3 0 k v 等 1 】，因此，大型电力变压器的运行状态在电 力系统的安全性、可靠性等方面有着举足轻重的地位，变压器一旦发生事故，所 需的修复时间较长，造成的影响也比较大。因此，作为电力系统中最重要的电气 设备之一的电力变压器，对其维修的研究显得十分重要。 近年来，电力行业积极应用在线监测技术，开展状态维修，同时加强常规测 试及综合分析，及时消除了隐患。而以往形成的预防性维系体系，对提高电网运 行的可靠性起了非常重要的作用，但并不能及时发现设备的内部隐患。作为电力 变压器维修的常用方式，预防性试验和定期维修方式存在很大的盲目性和强制 性，主要问题有：浪费大量的人力物力；增加了电力变压器的停电次数和停电时 间，造成频繁的运行操作，增加了误操作的事故率；过度维修造成设备频繁拆卸， 增加了维修过程中产生新的故障隐患；维修后按要求进行的耐压试验也会对变压 器造成不可逆转的损伤，使其寿命下降；事故维修增加了电力变压器维修难度和 维修费用。 随着电网向高度自动化方向发展和对电力供应的安全性、可靠性和经济性的 要求越来越高，传统的定期维修制度不仅造成了大量人力、物力和财力的浪费， 甚至造成变压器供电可靠性的降低。因此对变压器进行状态评估，实行状态维修 体制显得极其迫切。 状态维修是根据设备运行的健康状况来决定进行何种维修活动的维修方法。 其基础和前提是对设备状态参数的检测和对设备各种信息的综合分析和判断，并 作出适当的维修决策。其基本思想是：设备应尽可能长时间地处于运行状态，只 有到设备结构和性能即将破坏的临界状态才停运维修；或者为设备统筹维修提供 依据。改变以时间为基准的预防性维修为以状态为基准的响应性维修，做到该修 河簿大学硕士学位论文 第一章绪论 才修。所以说，状态维修亦称视情维修、预知维修、适应性维修等。它与“定期 维修”的主要区别是以实际运行状态取代固定的维修周期。状态维修可以减少停 电次数，提高供电可靠性；可以减少维修费用开支，提高经济效益；可以减少设 备事故和避免人身事故。因此，在现有的技术、经济等条件的基础上积极开展状 态维修决策的研究是非常必要的。 1 2 电力变压器的状态监测与故障诊断技术 目前，国内外学者在电力变压器在线监测和故障诊断方面进行了大量的研究 _ 【作。存线监测主要包括【2 】：油中气体含量在线监测( 油色谱在线分析) 、油中 氢气浓度在线监测、变压器绕组局部放电在线监测、变压器绕组变形在线监测等 等，其中最成熟也最主要使用的方法是油中气体含量在线监测一气相色谱法( 三 比值法、特征气体法、r o g e r s 法等) ，即监测运行中的电力变压器油中出现的各 种气体的含量，如；h 2 ( 氢气) 、c 瞄( 甲烷) 、c 2 h 6 ( 乙烷) 、c 2 h 4 ( 乙烯) 、c 2 h 2 ( 乙炔) 、c o ( 一氧化碳) 和c o ，( 二氧化碳) 等气体来判断电力变压器的潜 伏件故障u j 。 在故障诊断方面，目前用的晟多的是基于油色谱分析的三比值法或其它扩展 方法，但由于电力变压器结构复杂，而且电力变压器的故障往往由多种原因引起， 不同故障所表现出的征兆有时具有相似性、随机性，人为的干扰因素以及诊断设 备和手段本身存在的误差等因素，因此，常规的电力变压器故障诊断方法远远不 能满足现代故障诊断的要求。有些研究者将当代先进的数学理论工具( 如：专家 系统、人工神经网络、模糊理论、遗传算法等) 和故障诊断技术结合起来，提出 了基于灰色理论的诊断方法 4 】、基于可拓集理论的诊断方法f 5 1 、基于人工神经网 络的电力力变压器故障诊断系统、基于人工神经网络和专家系统的电力变压器 故障诊断系统等等，并且对以上算法进行了相应改进，使得电力变压器故障诊 断系统的精确度得到了一定的提高。 断系统的精确度得到了一定的提高。 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 电力变压器状态维修技术 1 3 1 维修体制的发展历程 维修伴随设备的出现而产生，并在工业化的进程和科技进步中发展，此过程 经历了两个阶科8 1 。 一、维修的第一阶段 维修的第一阶段为事后维修( b m ，b r e a km a i n t e n a n c e ) 阶段，也称故障维修 ( c m ，c o r r e c t i o nm a i n t e n a n c e ) 阶段，是从工业革命出现一直延续到第二次世 界大战前。这一阶段的最大特点是设备结构较简单、功能较单一，设备停机无关 紧要，对整个生产无足轻重，设备因功能单一而显得可靠性高，且易于修复，因 此维修工作仅仅是设备操作人员、运行人员自己简单维护，做些清扫润滑等日常 工作而已。维修仅需简单的基本技能要求，不需要进行系统的维修或大规模的修 理活动，企业管理人员也没有必要将维修问题提到重大的议事日程上，而设备管 理人员关心的是如何使用好设备，因此预防设备本身故障尚未被人们所重视。 这种维修方式以设各出现功能性故障为判据，在设备发生故障且无法继续运 行时才进行维修。显然，这种应急维修需付出很大的代价和维修费用，不但严重 威胁着设备或人身安全，而且带来维修不足的情况。1 。 二、维修的第二阶段 维修的第二阶段为预防性维修( p m ，p r e v e n t i o nm a i n t e n a n c e ) 阶段。2 0 世 纪4 0 年代，生产机械化程度进一步提高，设备也就成了生产中至关重要的手段。 因此设备在生产中的熏要性越发突出，设备的损坏、停机事故就成了生产中突出 的问题。这就促使人们思考如何预防设备发生故障，或通过采取一系列的预防性 维修的措施、制度和方法来减少设备故障停机事件的发生。根据维修技术条件、 目标的不同而出现以下几种维修方式： 1 定期维修( t b m ，t i m eb a s e dm a i n t e n a n c e ) ，也称计划维修( s m ，s c h e d u l e m a i n t e n a n c e ) ，被广泛采用。特别是将设备大修的周期、项目及其检修的标准 制定得十分详细周密。有的作为规程、制度的一部分，要求严格认真执行。新中 国成立以来，我国电力工业就是完全套用前苏联的设备定期维修模式，套用其有 关规程、标准，设专业维修的人员和组织机构，至使设备维修成为设备管理的一 项重要内容和环节。几十年来，尽管规程、标准等做了一些适应性修改，但设备 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 维修的基本方式仍没有变。 2 以可靠性为中心的维修( r c m ，r e l i a b i l i t yc e n t e r e dm a i n t e n a n c e ) 。在 2 0 世纪六七十年代，美国航空领域首先试行以可靠性为中心的预防性维修，并取 得了令人满意的结果。1 9 6 6 年美国采用的标准m i n s t d 一7 2 1 可靠性维修性术语 定义中给出了可靠性的韵定义，即“产品在规定的条件下和规定的时间内完成 规定功能的能力”。它可以使维修工作量大大减少，而设备的可靠性却得到提高， 经济效果也明显提高。电力行业于2 0 世纪9 0 年代初开始试行了设备的状态维修， 力图打破以往定期的计划检修体制，虽然发展并不迅速，远不及机械电子军工装 备行业，然而毕竟有了开始，而且逐步取得了一些成效。 3 状态维修( c b m ，c o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e ) 。电力系统设备的维修， 一直是以时间周期为主的设备维修制度，然而近l o 年，这种单纯的以时间为主 的定期维修制度已被人们所质疑，人们不断采用新技术探索改革维修制度，逐渐 向以状态为依据的维修制度过渡，并取得了一定的成效。状态维修是当今耗费最 低、技术最先进的维修制度，它为设备安全、稳定、长周期、高性能、优质运行 提供了可靠的技术和管理保障。 1 3 2 国内状态维修的发展状况 在西方发达国家，状态维修最初应用于航空航天系统，后推广应用于核电站 维修，近年已成功地用于发电厂设备的维修，并正在用于输变电设备的维修。状 态维修的应用领域在不断延伸，为电力、化工、冶金等连续生产性强、自动化程 度高的企业安全、稳定生产提供了有力保障。 我国于2 0 世纪7 0 年代开始设备诊断技术的研究工作伽。而我国电力企业于2 0 世纪8 0 年代末才引进状态维修，进入9 0 年代，伴随着核电站投入商业运行，状态 维修由核电站延伸到常规发电厂，在电力行业进一步推广应用。结合状态维修 在国内部分企业取得的成功经验，某部于1 9 9 9 年在供电系统首先部分采用状态维 修。随着新技术的不断推广和监测设备的不断完善，每年可减少单回线路停电5 个工作日，有效保证了供电网络的安全、可靠、经济运行，所取得的直接和间接 效益非常巨大“。 从1 9 9 0 年开始，江苏省开始研究供电电气的部分设备从主要以时间为基础的 定期检修体制向以设备状况为依据的状态检修过渡的问题。1 9 9 6 年江苏省电力公 司在部分供电局开展状态检修工作的基础上，进行调查研究，结合对原江苏省电 4 河海大学硕士学位论文第一章绪论 力局供电电气设备检修周期暂行规定的执行情况，制定了供电电气设备状态 检修暂行规定。采取定期检修为主，定期检修与状态检修相结合，取得了一定的 成效，未出现因电气设备检修发生电网事故“。 1 9 9 6 年1 1 月原电力部召开了全国电力设备状态维修工作交流会，1 9 9 7 年国家 电力公司安运部在上海又召开了电力设备实施状态维修研讨会，对如何实施状态 检修，实施状态维修的目标，指出现在我国电力设备的预防性计划检修所存在的 检修周期短，检修工期长，检修费用高等问题，提出电力设备实施状态维修的必 要性和如何积极稳妥实施检修体制改革的要求。1 9 9 7 年原电力工业部颁发的电 力设备预防性试验规程与1 9 8 5 年颁布的电力设备预防性试验规程相比，新 规程已考虑了状态维修的问题，放宽了部分设备的一些试验的周期，给实际现场 中结合采用，同时也补充了在线监测应用的一些问题。 1 。4 本文主要工作 本论文除了提出一种基于概率神经网络的变压器故障诊断新方法外，对电力 变压器的状态维修方案的决策进行了研究，因此论文主要由以下几个部分组成： 1 建立基于概率神经网络的故障诊断模型，根据收集到的变压器故障实例数 据，训练并仿真概率神经网络。概率神经网络中平滑系数仃的选取对故障分类的 结果影响较大，虽然人工选取平滑系数能够取得较好的效果，但是由于计算量大， 选取过程比较繁琐，同时人工指定平滑指数难免产生主观性问题，因此在训练过 程中，利用训练样本通过优化方法( 采用遗传算法) 来确定平滑系数仃，从而使 概率神经网络的故障分类结果比普通的概率神经网络要好。 2 根据概率神经网络的仿真结果，与先前提出的b p 神经网络故障诊断方法 进行比较，分析其优缺点。 3 电力变压器状态维修方案选择的研究包括维修方案的形成，状态维修评价 体系框架和影响维修方案的各项指标的确定，选择相应的决策方法对维修方案进 行决策。使用变压器状态评估方法确定变压器实际运行状态，当变压器的运行状 态为“坏”、“差”或“中”时，利用故障诊断技术诊断变压器的故障类型和故障 位置，根据以上结论，形成有限个维修方案。 在确定变压器的故障类型和故障位置后，根据影响维修的各项因素，确定各 项指标，包括安全性指标、可靠性指标、经济性指标等等，各项指标权重的分配 5 河海大学硕士学位论文第一章绪论 则需要进一步深入的研究。本文采用层次分析法确定评价指标体系中各指标的权 重。 4 由于在求解决策问题时没有哪种方法是十全十美的，不同的方法往往会得 到不同的结果，因此选用哪种方法去解决问题，以获得正确的结果显得非常重要 本文首先介绍了改进灰色局势决策法、优度评价法和t o p s i s 法，然后利用社会 选择方法中的b o r d a 函数、d o d g s o n 函数、c o p e l a n d 函数对上述几种维修决策方 法得到的结果进行集结和重排序，形成电力变压器状态维修综合决策方法。综合 决策方法框图如图1 - 1 所示。最后应用电力变压器状态维修综合决策法对案例进 行了仿真计算，分析这种方法的正确性。 图1 - 1 综合决策方法框图 6 河海大学硕士学位论文 第二章电力变压器故障诊断方法 第二章电力变压器故障诊断方法 2 1 油浸式电力变压器结构特点 1 充油电力变压器绝缘结构特点 充油变压器属于静止电气设备，按照不同的使用条件，其电压等级、容量、 结构和冷却方式等也不一样。一般认为充油电力变压器的容量为6 3 0 k v a 以下的 属于小型变压器，8 0 0 6 3 0 0 k v a 的变压器为中型变压器，8 0 0 0 6 3 0 0 0 k v a 的 变压器为大型变压器，9 0 0 0 0 k v a 及以上的统称为特大型变压器。国内外生产的 充油变压器的主绝缘大多采用油。屏障绝缘结构，其绝缘系统的结构分类列于下 图中： 图2 - 1 充油电力变压器绝缘分类 充油电力变压器的绝缘油起着绝缘和散热的双重作用。由于绝缘纸、纸板等 固体绝缘的t a n 6 平均值只有油的1 0 2 0 ，因此，变压器油的老化状态在一 定程度上反映了变压器绝缘的老化状况。 2 充油变压器主要组件的结构特点 充油电力变压器由绕组( 一次和二次) 、铁芯、油箱、高低压套管、引线、 散热器、净油器、储油柜、气体继电器、分接开关等组件或附件组成。变压器在 河海大学硕士学位论文 第二章电力变压器故障诊断方法 运行中常见的绝缘事故大多与绕组、铁芯、分接开关和高低压套管及引线有关。 ( 1 绕组：绕组是电力变压器的最重要和最复杂的部件，它基本上决定了 电力变压器的容量、电压、电流和使用条件。变压器的绕组由一次、二次及绕组 间的绝缘、对地绝缘和由燕尾垫块、撑条构成的油道及其高低压引线构成。根据 充油电力变压器的容量及电压等级，常采用的绕组有层式绕组和饼式绕组两大 类。大型电力变压器的高压绕组在里层，低压绕组在外层。 ( 2 ) 铁芯：铁芯是电力变压器中最重要的部件之一，它将一次电路的电能 转化为磁能，再把该磁能转化为二次电路的电能，是能量传递的媒介。现代大型 充油电力变压器的铁芯都是用冷轧硅钢片，在铁芯柱和铁轭的硅钢片间部分交错 搭接，使接缝交错遮盖，同时采用铁芯柱无孔帮扎及铁轭无孔拉带结构。 ( 3 ) 引线：引线将外部电能传入到变压器中，又将其电能从变压器中输出， 因此它既要满足负载电流和电场要求，又要保证变压器的结构稳定。由于引线的 曲率半径小，表面电荷密度大，电场强度高，易产生局部放电，因此高压引线都 采用直径不宜过小的圆导线。 ( 4 ) 分接开关：分接开关用来连接和切断变压器绕组的分接头，实现对变 压器的调压，使电网供给用户稳定的电压并控制潮流或调节负荷电流。变压器的 分接开关分为无励磁或无载分接开关和有载分接开关。 ( 5 ) 高压套管：高压套管包括带电荷绝缘两部分，它与绕组和电网连接， 承担着不同电压等级之间的电能传输。套管的绝缘结构决定于绕组的电压等级， 通常可以分为外绝缘和内绝缘。外绝缘一般为瓷套，内绝缘由绝缘油、附加绝缘 和电容型绝缘等组成。 2 2 电力变压器内部故障类型 1 绕组故障 绕组故障包括各个部分绝缘的老化，绕组的受潮，绕组层间、匝间短路，高 低压绕组间发生接地、断路、击穿或烧毁，系统短路和冲击电流造成绕组机械损 伤或绕组内部组件变形。绕组故障主要包括：匝间短路故障，相间短路故障，绕 组股间短路故障。 2 铁芯故障 河海大学硕士学位论文 第二章电力变压器故障诊断方法 大量事故分析可以知道导致铁芯故障的主要原因有：铁芯组件中铁质夹件松 动或损伤而碰接铁芯，压铁松动引起铁芯振动和噪声，铁芯接地不良或夹件烧化， 铁芯片间绝缘老化，铁芯安装不正或不齐造成空洞声，铁芯片叠装不良造成铁损 增大而使铁芯发热等。主要故障包括：铁芯多点接地故障，铁芯过热故障。 3 放电故障 通常放电故障按照放电能量密度分为局部放电、火花放电和电弧放电三类。 在正常运行电压作用下，变压器绝缘结构内部发生非贯穿性局部放电现象，放电 的部位通常在固体绝缘内的空穴、电极尖端或油中沿固体绝缘的表面等处。局部 放电能量密度不大，一旦发生将会形成高能量放电，并导致绝缘击穿或损坏。当 变压器内部某一金属部件接触不良并处于高、低压电极之间的部位时，因阻抗分 压而在该金属部件上产生对地的悬浮电位。调压绕组在分接开关变换极性时的短 暂间，套管均压球和无载分接开关拔插的高电位处，铁芯叠片屏蔽及紧固螺栓与 地接连松动脱落等低电位处，以及高压套管端部接触不良等均会形成悬浮电位而 引起火花放电；同时变压器油中的水分、受潮的纤维等将形成杂质“小桥”而引 起火花放电。电弧放电故障具有突发性，往往造成变压器或部件烧损，甚至发生 爆炸事故。 4 油和油纸故障 在充油变压器中，内部绝缘的主要绝缘材料是变压器油和绝缘纸、纸版、木 板等主要成分为纤维素的固体绝缘材料。这些材料受环境的影响将发生分解而老 化，甚至丧失绝缘强度，造成绝缘故障。 5 分接开关故障 充油变压器无载分接开关常见的故障有：当上分接头的相间绝缘距离不足且 绝缘材料上堆积油泥时，若油泥受潮，在过电压下将发生相间短路故障；若触头 接触不良或因锈使电阻增大，绝缘支架上的紧固金属螺栓接地断裂造成悬浮放电 等故障。有载开关的故障有：因密封不严使雨水侵入而导致绝缘性能降低；过渡 电抗或电阻在切换过程中被击穿或烧断，导致触头间的电弧引发故障；因滚轮卡 死使分按开关停在过渡位置而造成相间短路；切换开关油室密封不严而造成变压 器本体渗漏；选择开关分接引线与静触头的固定绝缘杆变形等。无载和有载分接 开关的故障将引发变压器内部绝缘故障，产生故障气体，使油中溶解气体的组分 9 河海大学硕士学位论文 第= 章电力变压器故障诊断方法 含量变化。 除了上述的故障之外，还有像油箱密封不良、冷却装置故障等外部故障，这 些故障通常会在变压器内部诱发相应的故障，可以被检测试验所发现。 2 3 电力变压器油中溶解气体分析法 正常情况下充油电气设备内的绝缘油及有机绝缘材料，在热和电的作用下， 会逐渐老化和分解，产生少量的低分予烃类和一氧化碳、二氧化碳等气体，这些 气体大多溶解于油中，当存在潜伏性故障和过热性故障时，就会加快这些气体的 产生速度。随着故障的发展，分解出的气体气泡在油中经对流、扩散、不断地溶 解在油中，大量研究结论表明：电力变压器油中溶解气体的组成和含量与故障类 型和故障严重程度有密切关系，并且与绝缘油的种类和牌号没有关系。表2 - 1 给 出了不同故障类型产生气体的成分。根据产气组分h 2 ( 氢气) 、c i - h ( 甲烷) 、 c 2 h 6 ( 乙烷) 、c 2 h 4 ( 乙烯) 和c 2 h 2 ( 乙炔) 构成三比值法，可以诊断出变压器 常见的一些故障【1 2 1 ，常用的变压器色谱分析法就是通过对油中溶解气体的色谱 分析来诊断变压器存在的故障或缺陷的。国内外普遍采用这种方法来监视变压器 的运行状态，收到良好的效果，其诊断正确率高达8 0 左右。因此，分析溶解于 油中的气体，就能够尽量发现设备的潜伏性故障并随时掌握故障的发展情况。 表2 - 1 不同故障类型所产生的气体 2 3 1 特征气体色谱的分析和判断 通常可以用下面两种方法判断设备有无故障： 河海大学硕士学位论文 第二章电力变压器故障诊断方法 1 与油中溶解气体的正常值作比较判定有无故障 若氢和烃类气体不超过表2 2 所列的含量，则认为电力设备运行正常。 表2 2 变压器油中溶解气体的正常值 2 根据总烃产气速率判定有无故障 实践表明，仅仅依靠分析色谱数据的绝对值是很难对故障的严重程度作出正 确的判断。有时虽未达到“注意值”，而某些气体增长很快，往往也需要注意和 重视；相反，即使略有超出“注意值”，而气体长时间来少有增加，则危险程度 小得多。因此需要注意气体的相对和绝对增长率。 绝对产气速v ： v ：竺1 2 ：刍 t 相对产气速率v ： v ：里! ! 二91 上 1 c ” a t 其中：c 。：一第二次取样测得油中某种气体含量( p p m ) ； c 。一第一次取样测得油中某种气体含量( p p m ) ； t 两次取样时间间隔中的实际运行时间( h ) 。 一般来说，对总烃产气速率 1 m l h 的电气设备可判定有故障。若总烃含量 的绝对值小于正常值，总烃产气速率小于正常值，则电气设备正常；若总烃含量 大于正常值，但不超过正常值的3 倍，总烃产气速率小于正常值，则设备有故障， 但故障发展缓慢，可继续运行；若总烃含量大于正常值，但不超过正常值的3 倍，总烃产气速率为正常值的1 2 倍，则设备有故障，应缩短检验周期，密切 监视故障发展；若总烃含量大于正常值的3 倍，总烃产气速率大于正常值的3 倍，则设备有严重故障，故障发展迅速，应立即采取必要的措施，有条件时可进 行吊心检修。相对产气速率的计算相对简单，对同一设备油中产气速率的前后比 较，能看出故障的发展趋势，根据研究，当总烃的相对产气速率大于1 0 时应 河海大学硕士学位论文 第二章电力变压器故障诊断方法 该引起注意。产气速率与故障性质的关系见表2 3 。 表2 3 产气速率与故障性质的关系 绝对产气速率肛l - 1故障性质 1 0 5 1 带有烧伤痕迹 严重过热性故障，但未损坏绝缘 过热性故障 2 , 3 2 判断变压器故障性质和类型的方法 1 三比值法 三比值法在变压器故障诊断中发挥了重要作用，它是i e c 推荐的一种方法， 它实际上是罗杰斯比值法的一种改进。该方法是通过计算c - 2 h 2 c 2 h 4 、c h 4 h 2 、 c 2 h 4 c 2 h 6 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，如 表2 4 、2 - 5 所示。 表2 4i e c 三比值法的编码规则 特征气体比值 比值范围编码 c 2 h 2 c 2 h 4 c h 4 h 2c 2 h 4 c 2 h 6 河海大学硕士学位论文 第二章电力变压器故障诊断方法 表2 5 判断故障性质的i e c 三比值法 随着低能量放电强度的增长，特征气体的比值有如下增长趋势；c 2 h 2 c ：i - i 从0 1 3 增加到3 以上；c 2 i - i 。c 2 h 6 从1 _ 3 增长到3 以上。 在三比值的实际使用中会出现“无编码”的情况，即根据编码规则和分类方 法得到的编码超出了已知的编码表，因此无法确定故障性质，此时应该采用无编 码规则，具体判断方法如表2 - 6 所示： 表2 - 6 三比值法无编码情况下的判据 该方法可以画成故障分区图进行判断，见图2 - 1 。当我们求出两对比值后， 就可以在故障图中查找故障性质。该图具有直观、明了、简单的优点。对于过热 河海大学硕士学位论文 第二章电力变压器故障诊断方法 故障，还可以看到它的温度变化情况，这一特点对于用色谱跟踪的变压器意义更 大。在使用该图时，先计算乙炔和乙烯的比值，当值小于o 1 时为过热性故障； 再计算乙烯和乙烷的比值，以纵坐标为准，查出过热温度。当乙炔和乙烯的比值 大于0 1 时，为放电性故障，则计算甲烷和氢气的比值，以右纵坐标为准，查出 该值对应的故障。同时有研究者引入“模糊理论”以解狭三比值“无编码”的问 题【1 4 1 。 c 2 h 4 c 2 h 6 1 0 高温过热 高能量放 低能量放 电兼过热i 电兼过热 中温过热一一一。一一一一一一。一一一一。一一一一。+ 一 旨6 b 目舟i ，t 自b 月l 曲 f 两目e 基1 r1 巍目e 童臌 低温过热 电电 o i 3 c 2 h 2 c 2 h 4 图2 - 2 变压器故障分区图 2 二比值法 1 c h 4 h 2 o 它能够比较好的反映变压器故障的性质。下表为二比值法的判据 表2 7 二比值法判据 如果两比值都大于1 ，则为过热兼放电故障，属于局部高温，一般为分接开 关烧坏或对地放电；如果都为小于1 ，则也是过热兼放电故障，属于低温过热小 能量的火花放电，一般为多点接地或油道堵塞；如果两比值是( 一) 大( 二) 小， 属于裸金属过热，一般为多点接地或油道堵塞；如果两比值为( 一) 小( 二) 大， 则为高能放电，可以判断为线圈匝间有电弧击穿。总之两比值只要有一个在 o 5 。1 0 时就可以确定内部有故障。 3 特征气体法【1 5 】 在过热性故障中，当只有热源处绝缘油分解时，特征气体c h 4 和c 2 弛两者之 和一般占总烃的8 0 v a 上，且随着故障点温度的提高，c ，2 i - h 所占比例增加。一般 1 4 河海大学硕士学位论文第二章电力变压器故障诊断方法 来说，高、中温过热时，h 2 占氢烃总量的2 7 以下，且随温度升高h 2 的绝对含量 有所增长，但其所占比例却相对下降。严重过热时也会产生少量c z h z ，但不会超 过总烃的6 。当过热涉及固体绝缘时，除了产生上述气体之外，还会产生大量 的c o 和c 0 2 。当电气设备内部存在接触不良时，如分接开关接触不良，连接部 分松动，绝缘不良，特征气体会明显增加，当超过正常值时，其含量一般也占总 烃量的8 0 以上，且随着运行时间的增加，c 2 h 4 所占比例也增加。 表2 - 8 特征气体法 2 4 在线监测技术 2 4 1 油中气体含量的在线监测 大量的实践经验和研究资料表明：导致电力变压器事故的主要原因是其绝缘 性能的劣化。几十年来，检测油中气体成分和含量的气相色谱法一直是判断变压 器等充油设备潜伏性故障的重要手段。但是其作业程序复杂，人工操作不可靠， 且不易及早发现两次试验之间的故障或缺陷。色谱分析相对于在线局部放电测量 而言，外界电磁干扰对测量的影响要小得多。因此，近年来，国内外在变压器的 油中气体在线分析和诊断方面进行了大量的研究工作。现在已有厂家生产在线检 测6 种特征气体的油色谱分析仪，可安装在变压器附近或直接安装在变压器上。 使用在线油色谱分析仪，在线监视油中气体含量的变化，应用前面介绍的油中溶 解气体分析法并运用专家系统、模糊理论、灰色理论及可拓集理论1 1 6 1 1 1 7 【1 8 】【1 9 】【2 0 1 1 5 】 可以及时发现变压器内部缺陷，预测故障的存在和发展，并能将分析结果采集后 传输到故障综合诊断系统，诊断系统根据在线气相色谱分析数据进行综合分析， 可以更好的进行故障诊断分析，提高状态检测的准确性。但此法只能定性地发现 河海大学硕士学位论文 第二章电力变压器故障诊断方法 变压器内部的异常，不能定位和定量地判断故障具体部位和程度。 2 4 2 局部放电的在线监测f 2 1 j 2 2 j ( 2 3 j 2 4 j 随着电压等级的提高和各种有机绝缘材料的广泛应用，电力设备的局部放电 问题越来越突出，局部放电既是设备绝缘劣化、早期故障的征兆，又是造成绝缘 劣化的重要原因，因此对局部放电进行有效地离线或在线监测对于电力设备的安 全稳定运行具有重要意义。局部放电在线监测所面临的关键问题是如何有效地识 别和抑制干扰，获得可靠的局放信号。 变压器内部存在缺陷时会产生局部放电，局部放电试验已被列为大型变压器 的出厂试验项目，在线监测变压器内部局部放电信号能及时反映其绝缘状况和发 展趋势，是预防变压器绝缘突发性事故的最有效手段之一。在已开发的变压器局 放在线监测装置中，大多采用宽带检测系统获取局放信息，人们在硬件上采取了 许多抑制干扰的措施，但在实际应用中效果不佳，现场环境中局放信号的提取较 为困难，由于局部放电是窄脉冲信号，频谱范围很宽，而外部的电晕放电、电弧 放电等于扰脉冲信号，其特征与变压器内部局部放电信号相似，这些脉冲型干扰 和连续的周期型干扰以及白噪声可能比内部放电信号强得多，干扰有时比局放脉 冲信号强2 3 个数量级，在线情况下提取局放信号较为困难。因此，如何有效地 识别和抑制干扰，获得可靠的局放信号就成为局放在线监测中的重要研究课题。 近年来，随着计算机技术和数字信号处理技术的发展，人们广泛采取软件抗干扰 技术进行处理，比如相关分析法，干扰自适应抑制，傅立叶变换等时域频域的分 析方法，近年来发展起来的小波分析因其具有的多分辨率特性，更适合于处理具 有瞬态突变特性的信号，在故障诊断技术中有很大的应用前景。 故障定位对于大型电力变压器是重要的。局部放电的超声定位法的原理是在 变压器油箱外壁上装多个超声传感器，以其中某路声信号作为基准信号，触发 其余信号，测量同一局部放电信号传播到各传感器的相对时差，以等值声速乘以 时延而得到放电点到各传感器的空间距离。将该组相对时差代入满足该组传感器 几何关系的一组方程求解，即可求得局部放电源的几何位置。但当放电发生在围 屏内部时，超声信号无法传播到外部，则超声法难于定位。电一声联合定位法以 局部放电的电脉冲作为触发基准信号，同时记录电脉冲信号和多路超声信号，以 1 6 河海大学硕士学位论文 第二章电力变压器故障诊断方法 电信号和各超声波信号的时差作为局部放电点到达各传感器的传播时间，根据方 程组算得放电位置。电气定位法的原理是假定变压器的等值电路在某特定频率范 围内是纯容性电路，则对于某一变压器，此容性电路是已知的，当变压器内部发 生局部放电时，其首末端电压的比值与放电点位置满足特定的函数关系，测量变 压器绕组首末端电压，可据此求得放电点位置。 但是目前局部放电在线监测理论上研究的比较多，但真正要应用到工程实践 中还需要综合考虑复杂多变的现场环境，某电业局投入运行的一套变压器局部放 电在线监测系统在实际运行中效果并不十分显著。因此，局部放电在线监测仍然 具有一定的局限性，需要研究出更加切实可行的电力变压器电气量在线监测系 统。 2 4 3 绕组故障的在线监测口5 】 绕组是变压器中最重要、最复杂的也是最容易出现故障的部件，当变压器在 遭受短路冲击后，往往可能造成绕组扭曲变形，其累积效应会使变形进一步发展： 另外由于绕组绝缘损坏，会造成匝问短路甚至是相间短路。统计资料表明：绕组 的损坏率约占整个变压器故障的6 0 7 0 ，随着输电电压越来越高，目前变压 器多采用纠结式线圈，使得变压器绕组的匝间短路故障明显增加，电力变压器是 电力系统中最重要的设备之一，准确及时地发现变压器潜在的和现有的故障是保 证电力系统安全运行的重要措施。通常由于变压器长期受到潮湿、绝缘老化、机 械振动和机械损伤等原因的影响，其绕组内部难免会发生匝间短路故障。传统的 保护措施是通过整定继电保护的参数来实现的，这对一些尚不致于产生保护动作 的匝间短路故障的诊断就无能为力，因此，如何在继电保护动作之前及时地检测 出这种潜伏性故障，并且进行有针对性的维修，使故障部件在故障初期就能得到 及时替换，避免变压器非正常退出运行就显得非常必要。目前的变压器在线故障 诊断还不完善，其接体故障定位功能由于容易受到强干扰而不尽人意。既然变压 器的整体故障定位实现起来尚有困难，那么当绕组发生故障时，如果能够通过绕 组在线监测而发现在哪个绕组上发生故障，从而实现故障的定侧从而定相，实现 变压器故障位置的定位，为状态维修提供新的有效状态监测量。 1 7 河海大学硕士学位论文 第二章电力变压器故障诊断方法 2 5 电力变压器状态监测与故障诊断和状态维修之间的关系 供电系统的可靠性在很大程度上取决于电力设备的可靠性，随着电网容量的 增大和用户对供电可靠性要求的提高，维修管理的重要性日益显现出来，维修费 用占电力成本的比例不断提高。供电企业的维修策略由定期维修方式向状态维修 方式发展，采取合理的维修策略和制定正确的维修计划，以保证在不降低可靠性 的前提下节约维修费用。随着传感器技术、微电子、计算机硬件和数字信号处理 技术、人工神经网络、专家系统、模糊集理论等综合智能系统在状态监测和故障 诊断中的应用，使基于设备状态监测和故障诊断技术的状态维修的研究得到了发 展，成为电力系统中的一个重要研究领域。状态维修是基于电力变压器实际运行 状态而确定的一种维修方式，实施电力变压器状态监测是实现状态维修唯一可行 的技术手段，而且状态监测技术的日益完善为电气设备实行状态维修创造了十分 有利的条件【2 6 】。 河海大学硕士学位论文第三章应用概率神经网络诊断电力变压嚣故障 第三章应用概率神经网络诊断电力变压器故障 3 1 引言 电力变压器是电力系统中最重要的设备之一，及时准确的发现变压器潜在的 和现有的故障是保证电力系统安全运行的重要措施。当电力变压器发生故障时， 常常会表现出各种征兆信息，如运行中声音异常、器身发热、预防性试验指标超 标、油色谱试验异常等等。运行和检修人员一般都根据以上信息迅速、准确的判 断故障类型及故障部位，从而缩短设备维修时间，提高维修成功率，保证设备正 常运行。 在以往对电力变压器故障诊断方法的研究中，研究人员对基于人工神经网络 的故障诊断方法研究比较多，其中b p 神经网络得