（电工理论与新技术专业论文）多信息融合的变压器状态评估方法的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着状态维修制度和在线监测的应用在电力系统中的不断推进，获得的变 压器的状态数据量巨大，所包含的信息丰富，如何科学有效地利用现有变压器 的状态信息及时准确判断变压器的健康状况成为电力系统中的一个重要研究课 题。本文对变压器的故障及故障检测技术进行了系统的分析，对变压器的状态 信息进行了较为系统的分类；深入学习了神经网络技术，利用资源优化网络 ( r o n ) 方法设计r b f 神经网络，满足了信息处理的要求；对比神经网络信息融 合模型的结构，采用了并联式集成神经网络信息融合模型，使得神经网络和d - s 证据理论相结合，构造了多信息融合的变压器状态评估模型。针对当前普遍施 行的变压器在线监测技术，选取了变压器状态评估所需的状态信息，通过实例 表明了该方法具有较高的诊断准确性和可靠性。 关键词：状态评估，r b f 神经网络，资源优化网络( r o n ) ，d - s 证据理论 a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n tp r o m o t i o no ft h ec o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c ea n dt h e a p p l i c a t i o no fo n - l i n em o n i t o t i n gi nt h ep o w e rs y s t e m ，i tc a ng e tm o r ea n dm o r e c o n d i t i o ni n f o r m a t i o n i th a sb e e ni m p o r t a n ts u b jc o tt h a th o wt oa p p l yt r a n s f o r m e r c o n d i t i o ni n f o r m a t i o ne f f i c i e n t l ya n ds c i e n t i f i c a l l yt oi u d g et h et r a n s f o r m e r ss t a t e t h e n ，t h ed i s s e r t a t i o ns y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e st h et r a n s f o r m e r sf a u l t sa n df a u l t d e t e c t i o nt e c h n i q u ea n ds o r tt h et r a n s f o r m e rc o n d i t i o ni n f o r m a t i o n ；i no r d e rt o a d j u s tt ot h ed e m a n d i n go ft h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，i tu s e sr o nm e t h o dt o d e s i g nr b fn e u r a ln e t w o r k ；u s i n gn e u r a ln e t w o r ke n s e m b l em o d e lt oc o m b i n en e u r a l n e t w o r kw i t he v i d e n c et h e o r y , i ts e t su pt h em o d e lo ft r a n s f o r m e rs t a t ee v a l u a t i o n b a s e do nm u l t i - i n f o r m a t i o nf u s i o n h a v i n gc o n s i d e r e dt h es i t u a t i o no fo n 1 i n e m o n i t o r i n g ，t h ed i s s e r t a t i o ns e l e c t e dt h en e c e s s a r ys t a t u si n f o r m a t i o n ，a n dp r o v e d t h a tt h em e t h o dh a sg o o dv e r a c i t ya n dr e l i a b i l i t yo fd i a g n o s i s q iz h e n z h o n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n gt h e o r ya n dn e wt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f l i uj i a n x i n k e yw o r d s ：c o n d i t i o ne v a l u a t i o n ，r b fn e u r a ln e t w o r k , r e s o u r c e o p t i m i z i n g n e t w o r k , d se v i d e n c et h e o r y 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文多信息融合的变压器状态评估方法 的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学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：日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题的背景及研究意义 第一章绪论 长期以来我国电力系统重要的电力设备变压器的检修策略主要采用以时 间为标准的定期维修( t b m ，t i m eb a s e dm a i n t e n a n c e ) 。虽然定期维修一般可在维 修时发现变压器存在的缺陷，对保证变压器安全经济运行发挥了重大作用，然覆， 随着时间的推移，这种“到期必修的检修模式所带来的弊端也渐渐暴露出来。由 于缺乏对变压器运行状态的认知，盲磊进行维修带来了很多问题：浪费了大量的人 力物力；增加了额外的变压器停电次数和停电时间，造成频繁的运行操作，增加了 误操作的可能性；过度维修造成设备的频繁拆卸，使在维修过程中产生新隐患的可 能性增加；维修后按要求进行的耐压等试验也会对变压器造成不可逆损伤，使其总 体寿命下降；事故维修也增加了变压器的维修难度和维修费用口1 。 显然，传统的定期维修模式已经不再符合现代变压器对于安全性、稳定性和经 济性的多方面要求，内此，一种更高层次的检修体制状态检修在变压器的检修 中得到了大力的推广和越来越广泛的应用。状态检修( c o n d i t i o nb a s e d m a i n t e n a n c e ) ，又称为预知性检修( p r e d i c t i v em a i n t e n a n c e ) ，是一种基于设备运 行状态而制定检修计划的动态检修策略。实施状态检修的目的是使检修人员清楚设 备的运行状态，以便获知什么时闻应该检修，做到“当修必修 ，轶丽很好的减少 人力物力的消耗，提高检修效率，并且有效的防止突然事故发生。这种维修方式是 以先进的状态监测和诊断技术提供的设备状态信息为依据，通过对设备信息进行纵 向( 历史和现状) 、横向( 同类设备的运行状况) 的比较分析，来判断设备的异常， 预知设备的故障，并对故障部位、故障严重程度及发展趋势做出判断，以制定其最 佳维修时机和检修措施。 预试验、运行工况和检修历史等为变压器的状态检修提供了大量的状态信息， 丽随着近年来传感技术、微电子技术和计算机技术的广泛应用，变压器在线监测技 术迅速发展，变压器的状态信息随之增加。如何对这数据量巨大的变压器状态信息 进行合理的分类，进而科学有效的利用状态信息，尤其是在线监测信息，及时准确 的评估出变压器的健康状态，这是本文的主要研究蠹容。 1 2 电力设备在线监测的发展及国内外研究现状 1 。2 1 电力设备在线监测研究现状 目前国内外对变压器、容性设备、高压断路器等电力设备的在线监测都做了大 华北电力大学硕士学位论文 量深入的研究，监测量的范霭也越来越广泛。在线监测的主要项嚣有：发电机、变 压器、断路器、互感器、电容器、电力电缆、m o a 以及g i s 等。 对于发电机，主要在线监测其发电、转子绕组接地、匝间短路、温度及绝缘等。 对于变压器，在线监测项磊主要有油中气体分析、局部放电、微水含量等。 对予断路器的在线监测，断路器的监测内容有：操作回路的完整性、绝缘特性、 开断能力、机械特性。 对予容性设备( 包括氧化锌避雷器) 的在线监测，主要测量容性设备的电容、电 容电流、介质损耗、不平衡电压等参量和氧化锌避雷器( 髓o a ) 的全电流、阻性电流、 功耗等参量嘲。 对予g i s ，主要监测其局部放电以及机械振动特性。藿内癸出现了很多种类的 在线监测装置，如澳大利亚公用电力公司e n e r g e x 研发并由厦门红相电力设备 公司协作的d r m c c 变压器在线监测控制系统可透过可持续的在线变压器的工作状 况，经过变压器的专家诊断系统综合分析各类数据，得出的结果能比较全面地反映 变压器的现行工作状态和科学地预测它的使用极限；宁波理工监测设备有限公司研 制的w d j c 系列断路器在线监测装置，可监测6 k v - - - 5 0 0 k v 高压断路器的机械动作特 性和开断电流，通过分析判断断路器的电气和机械特性是否正常；武汉高压所研制 的h s j - i 型变电站一次设备绝缘在线监测系统可对主变压器、电抗器局部放电监测 及定位，对容性电气设备( 包括c t 、c v t 、o y 、主变、电抗器套管) 的介质损耗、 电流、电容量的监测，对主变铁芯接地电流、避雷器泄漏电流及其有功分量、电压 互感器一次电流及一次和二次问泄漏电流、母线电压及谐波的监测。该装置已安装 应用于吉林、陕西、贵州、四川、江苏、湖南、河南等省1 2 个大中型变电站( 5 0 0 k v 、 2 2 0 k v ) 中，这些装置的出现对于在我国电力系统推广电气设备在线监测起到了积 极的作用h 1 。 1 2 2 变压器在线监测研究现状 目前国内外变压器在线监测的范围很广，包括： 圭。监测油中可燃气体总量，可分析避、c h 4 、岛甄、岛甄、q 冯、c o 、鹏 等多种特征气体含量； 2 。在线监测局部放电，包括电气局部放电、声音局部放电、超高频局部放电、 静态局部放电； 3 在线监测套管功率因数和电容： 4 利用光纤传感器进行热点监测： 5 在线监测冷却装置的功能( 例如风扇、油泵的转换状态等) ； 2 华北电力大学硕士学位论文 6 在线监测油中湿度、温度、酸度； 7 。在线监测负载电流； 8 在线监测绝缘纸的湿度和迁移情况； 9 在线监测绕组顶部和底部油温； 王e 。在线监测介电和动力系统豹缺陷； 1 1 在线监测结构件的夹紧力； 1 2 在线盗测铁芯接地故障和绕组缺陷； 王3 。在线监测储i 鸯柜的油位，提供、油渗漏信息n 。 在众多的变压器在线监测项目中最重要的两项是：油中气体含量监测和局部放 电监测，这两项目的监测对于发现变压器的过热故障和放电故障有很好的效果。油 中气体含量在线监测是气相色谱分析技术的补充和发展，其原理是当变压器出现过 热故障或放电故障时，绝缘油和固体绝缘等有机绝缘材料会在电气、熟、氧和水的 作用下裂解出大量的鹄，同时伴随一定含量的c h 4 、c 2 盈、岛玩、c 2 h e 、c o w 吸 等可燃性气体。而多数故障类型都存在特征气体组分，通过在线监测这些气体组分 的含量以及产气速度可以确定变压器的故障类型。油中气体含量在线监测分为色谱 在线监测、传感器监测及红外光谱监测；在线分离气体的方法有薄膜渗透取气法、 抽真空取气法、载气和空气循环取气法等嘲；监测气体组分含量的传感器和检测器 主要有：( 1 ) 钯栅检测器，( 2 ) 半导体传感器，( 3 ) 催化燃烧型传感器，( 4 ) 燃料 电池型传感器，( 5 ) 红外光谱传感器，( 6 ) 光离子检测器。除此之外，加拿大最近 研制的增强型缓和水分的监测装譬用传感器，其气体探头是一个多股豹特氟隆毛 细管环，当油中气体进入探头内，由高稳定性和高精度的热导元件对气体进行检测。 目前国内外开发的变压器油中气体在线监测装置有很多，例如；加拿大 s y p p o t e c 研制的h y d r a n 2 0 1 型油中溶解气体在线监测装置，通过分析变压器油中凰 和c o 气体含量，捕捉到变压器的早期绝缘故障，是网前应用最为广泛的在线滥测 装置之。 我国中科院研制的d d g 一1 0 0 0 型油中溶解气体在线监测装置采用一种主要成分 为聚芳杂环高分子的分离膜，将油中甄分子壹接分离出来，通过燃烧氢气改变电 路中测量元件的电阻值，在计算元件电压变化的基础上得出甄的含量，以此分析 变压器的故障。 变压器的绝缘故障一般都会伴随有不同程度的局部放电，一般情况下，如果交 压器油气分析中发现了特征气体，则表明在变压器内部已经存在比较严重的局部放 电。变压器局部放电在线监测是通过变压器本体装设高精度的电流、超声传感器来 检测变压器内部局部放电的电流大小以及确定放电位置，能够有效的反映变压器内 华北电力大学硕士学位论文 部的绝缘状况。目前的变压器在线监测方法主要采用脉冲电流法和超声检测法。脉 冲电流法理论上能够检测如小至几皮库的局部放电，但易受外赛电磁干扰。超声波 检测法是通过安装在变压器油箱上的超声传感器检测局部放电造成的超声压力波， 其抗干扰性能好，采用几个超声传感器还能够对放电进行定位，餐由于声波在变蘧 器内部绝缘中的吸收和散射，灵敏度不如脉冲电流法高，并接机构振动也会造成干 扰。利用电脉冲和超声综合检测的方法可以获得较好的效果。 关于国内研制的变压器局部放电在线监测装置有：武汉高压研究所研制的变压 器局部放电在线监测装置，采用武高所专利技术“变压器局部放电电气定位装置一 的原理方法加数字滤波有效的排除干扰，实现了变压器局部放电在线定位，并缝够 测量局部放电电量：保定天威集团新域科技发展有限公司的0 l m 0 4 0 l p d l 2 4 多通 道变匝器局部放电在线监测装置，它是一种集声、光、电、传感器、信号处理器、 计算机为一体的新一代高性能数字化局部放电在线监测系统，能够利用超声和毫脉 冲综合检测的方法来确定变压器内部放电。 1 。3 电力设备及变压器状态评估的研究现状 随蓑电力设备状态检修体制的推进和在线监测技术的发展，电力设备以及变压 器的状态评估受到各界越来越广泛的重视。目前为止，国内外开展有关电力设备的 状态评估模型的研究成果主要有：文献 1 2 3 研究了大型汽轮机组状态综合评价的理 论，将相对劣化度作为状态评价的定量指标，并采用线性加权数学模型来计算一个 系统的相对劣化度，具有模型简单、计算量小、物理意义明确的特点。文献 1 3 在 系统划分和状态特征参数提取的基础上，提出了基于模糊评判和r 蕊分析的发电设 备状态综合评价方法。文献 1 4 介绍了用于评价电力设备的三级评定法的内容和特 点，并结合当前的维修制度，探讨了三级评定法在电力优化维修中应用的可行性和 优越性。文献 1 5 利用模糊数学理论，建立了凝汽器运行状态评估指标的模糊隶属 函数，同时利用模糊综合评判方法建立了凝汽器运行状态的综合评价模型。该模型 易于编程实现，对机组运行人员及管理人员具有一定的指导意义。文献 1 6 】运溺模 糊数学理论，结合专家系统，针对预防性试验数据提出了一种电力设备健康状态评 估的新算法，具有良好的实用性和发展前景。文献 1 7 描述了一种基于神经网络与 似然推理的分析方法来实现大型电力变压器的状态分析，对变压器状态分析的研究 发展现状进行了综述。文献1 1 8 在综合采用专家系统、人工神经网络、智能诊断系 统等人工智能方法的基础上，结合现场具体实际，应用模糊处理技术，提出了电力 变压器状态综合分析方法，并就状态的选取与处理、规则的描述、诊断推理过程作 了深入探讨。西安交大对变驱器的绝缘状况评估作了研究，建立了变压器圆体绝缘 状况的综合评估模型，但该模型仅仅针对绝缘状况进行了评估，没有对变压器的运 4 华北电力大学硕士学位论文 行状态进行全面的综合评估n 引。文献 2 0 通过对大量现场试验数据的汇总、分析， 将专家知识、模糊评判相结合，提出了基于预防性试验、在线监测试验数据以及电 力设备运行历史数据的电力设备健康状态评估算法。但文中仅通过一个简单公式 h = ( u + v + w ) k i k 2xk 3 k 4 k 5 3 就对电力设备状态进行综合评估，不能很客观 地反映设备本身的实际健康状况。文献 2 1 考虑了电气试验、油中气体状态量、绝 缘油特性参量以及其他因素等多方面因素，提出了基于模糊理论的变压器运行状态 综合评估方法，但仅仅给出了状态评估的等级，没有给出相应的变压器检修决策， 对实际检修工作缺乏指导意义。文献 2 2 针对s f 6 断路器，建立了高压断路器状态 评估的多层模糊综合评判模型，根据各评判因素对高压断路器工作状态影响程度的 不同，利用层次分析法( a h p ) 确定了各因素在评判模型中的权重分配，选用了加权 平均模型对高压断路器工作状态进行评估。文献 2 3 针对状态评估提出了三种不同 类型的状态：技术状态、策略状态、经济状态，并总结、分析了用于电力设备状态 评估的工具：包括模式识别、指纹技术、趋势分析、基于知识的规则和数据挖掘 1 0 o 文献 2 4 提出了一种基于证据推理( e r ) 方法的变压器状态评估方法，e r 方法非常适 合将来自不同渠道的证据进行组合，能很好的处理不确定信息。由于变压器诊断数 据通常是不完整和欠精确的，是一种不确定信息，因此用e r 方法来处理具有很大 的优越性。文献 2 5 将健康指数和风险管理技术用于电力设备的状态评估，并对该 方法进行了初步的探讨。文献 2 6 提出了一种基于径向基函数神经网络的变压器状 态评估新方法，指出对不同的变压器应使用与之适应的神经网络，并建议下一步采 用层次型神经网络预期会取得更好的效果。文献 2 7 对大型电力变压器进行了故障 模式及影响分析( f m e a ) 和危害性分析( c a ) ，提出了基于故障发生频率、严重程度以 及检测难度三因素的模糊危害度评价模型，较为客观地描述了故障的危害性，在综 合考虑系统级和部位级故障的基础上，得出了变压器的系统框图，这种划分既包括 了所有故障模式，又兼顾了维修的需要，可作为建立变压器综合评估的指标体系的 参考。 综上所述，目前国内外有关变压器状态评估的研究工作正处于起步阶段，对其 进行状态评估的研究并不多见，可以参考的文献和成果相对较少，研究有一定的难 度。同时，也充分说明了在现阶段开展变压器的运行状态研究工作是十分迫切的， 它不仅具有重要的社会和经济效益，同时具有重要的工程实用价值和学术意义，因 此应当加大此方面工作的投入力度，以不断完善状态检修技术及其在电力系统中的 推广应用。 1 4 论文主要研究工作 针对目前变压器在线监测的现状以及变压器状态评估方面发展，在此基础上本 华北电力大学硕士学位论文 文迸行了以下凡方面的研究工作： 圭。鬻前变压器在线监测技术的快速发展，再加上以往实施的常规技术监督测试 项目和运行、维修记录以及变压器的各种参数，使得变压器状态数据量臣大，包含 的信息丰富这些信息为更加准确的评估变压器状态提供了良好的基础。本文深入分 析了变压器的故障类型、故障检测技术，归纳总结了变压器的运行信息和历史信息， 在线监测信息。 2 针对变压器状态信息繁多丽复杂以及在线监测信息实时性的特点，本文采用 了具有很强信息处理能力的神经网络对变压器的状态信息进行科学有效的处理。首 先对神经霹络徽了篙单介绍，选用了神经网络模型中结构更简洁，学习速度更快的 r b f 网络，对其原理进行了概述。为更好的提高r b f 网络的泛化能力以及信息处理 能力，对r b f 网络训练方法做了研究，采用了资源优化网络( r o n ) 方法，利用其 实现对r b f 网络在线训练。 3 通过神经网络信息融合结构的比较，本文选取了并联式集成神经网络的信息 融合模型作为基础，结合变压器状态信息的分类，将变压器的各类信息作为集成神 经网络融合模型的i 级，并联的各个r b f 子网络作为i i 级，d - s 证据理论作为m 级， 这样就构建出了多信息融合的变压器状态评估模型。将变压器状态分为四级，并进 行了仿真程序的设计，利用采集的样本信息，对该模型进行训练和学习，证明该模 型的有效性。利用一台1 2 0m v a 2 2 0k v 三相变压器在线监测得到的实时的油中特 征气体信息对该变压器进行状态评估，结果证魄该模型可以有效豹处理实时的状态 信息，并且具有很好的可靠性和准确性。 6 华北电力大学硕士学位论文 第三章电力变压器的状态信息 状态评估的前提是掌握多而准确的设备状态信息，一个设备的状态往往要通过 多个项爱的测试信息才能把握，因此，确定变压器的状态前，应利用各种手段得到 尽可能多的有效的状态信息，并对它们进行综合分析。随着变压器在线监测技术的 迅速发展，可以得到更多变压器及时的状态信息，再加上预试验信息、历史信息以 及运行信息，变压器的状态数据量就更加巨大。本章首先从变压器的变压器故障类 型着手，对变压器的状态信息进行了综合分析，进行了合理的分类。 2 变压器常见的故障类型 交压器故障分类方法有缀多，麸故障性质上一般分为热敏障和电故障。从舔路 划分可以分为电路故障、磁路故障和油路故障。若从变压器的主体结构划分，主要 有绕组故障、铁芯故障、油质故障和附律故障。因此，很难以菜一种规范来划分变 压器故障类型，下面以比较通用的分类方式来简单介绍下变压器的常见故障乜9 1 。 1 短路故障 变压器短路故障主要是指变骶器内部绕组匝闻短路、绕组或引线层阌、相闻短 路及对地短路，变压器出口短路等故障。变压器出口短路属于外部短路故障，但它 是导致很多变压器内部故障的直接原因。变压器突发短路时，其高低压绕组会通过 超过额定值数十倍的短路电流，强大的短路电流产生瞬时的高温过热，导致绝缘受 损。同时，短路电流感应出的电动力会使变压器内部绕组变形，匝间绝缘机械磨损， 绕组弓| 线位移，严重的可以导致绕组损毁。据统计，近年来，一些地区l l o k v 以上 等级的变压器遭受短路电流冲击直接导致损坏的事故，约占全部事故的5 0 以上。 此外，涉及绕组和雩| 线的短路故障在故障初期表现一般是伴有局部过热甚至小能量 放电现象出现。 2 放电故障 变压器的放电故障根据放电能量大小可分为局部放电、火花放电和电弧放电三 种类型。局部放电和火花放电属于低能量放电，产生的原因主要是变压器绝缘油中 存在气泡、水分等杂质以及由于制造工艺问题造成器身某些部位存在尖角、毛刺， 导致局部场强过高丽产生放电。此外导电回路接触不良或金属件存在悬浮电位会弓| 发低能放电。电弧放电是高能放电，以绕组匝间或层间绝缘击穿最为常见，其次引 线断裂或对地闲络帮分接开关飞弧等故障。三种放电形式即有区剐又相互联系，低 能放电是故障的早期形式，但如果不加以重视，会逐步发展成严重的击穿性故障。 华北电力大学硕士学位论文 3 绝缘故障 绝缘系统是变压器正常工作运行的基本条件，是影响变压器运行寿命的主要因 素。实践证明，大多变压器的损坏和故障都是因绝缘系统的损坏造成的，因各种类 型绝缘故障导致的事放约占全部交匝器事故的8 5 。油绝缘和露体纸绝缘是曩前变 压器主要的绝缘材料。正常情况下，固体纸绝缘存在不可逆转的老化特性，其聚合 度和抗张程度逐渐降低，并生成水、c o 、c 0 2 以及糠醛( 呋喃甲醛) 。绝缘纸本身 含有少量的水分，当绝缘纸周围存在过热故障时，会使水分纸纤维材料中析出，加 速纤维材料脆化。纸绝缘脆化将导致绝缘本身的机械强度降低，在绕组电磁振动或 电动应力冲击下极易损伤从焉演变成电气事故。油绝缘劣优静主要原因是交压器内 的空气。空气中的氧会导致绝缘材料氧化并产生水。由于技术条件制约，即使是全 封闭的变压器内部仍会存在容积为0 2 5 謦氧。水分对绝缘介质的电气性能和理化 性能都有极大的危害，它会作为催化剂加速油的氧化，生成过氧化物、酸类、酵类、 酮类和油泥等杂质，降低油的绝缘能力和散热能力。 4 铁芯故障 变压器正常运行时，铁芯必须保持一点可靠接地，否则会造成铁芯对地悬浮性 放电。接地后，消除了铁芯形成悬浮电位的可能。但当铁芯出现两点以上接地时， 铁芯闽的不均匀电位会在接地点之闻形成环流，导致局部过热故障，严重的可能破 坏铁芯片间绝缘，造成短路故障，使铁损变大，严重影响变压器性能和正常工作。 5 分接开关故障 变压器的调压分接开关分为有载分接开关和无载分接开关。无载分接开关的故 障形式主要表现在触头接触不良、触头锈蚀使电阻增大发热、开关绝缘支架的金属 紧圆件接地断裂造成悬浮放电等。有载分接开关的故障大多反映在；开关密封不严， 水分侵入导致绝缘性能下降而引发事故；分接开关的过渡电抗或过渡电阻在切换过 程中被击穿、熔断，使触头问发生电弧放电；开关滚轮卡死使分接开关停在过渡位 置造成相间短路；分接开关油箱密封不良造成向变压器本体油渗漏等众多方丽故 障。 6 渗漏故障 变压器渗漏一般包括空气渗漏和油渗漏两种类型。空气渗漏的危害在绝缘故障 中已经有所了解，主要是空气中的氧对变压器绝缘有巨大的危害。油渗漏可分为内 渗漏和外渗漏，内渗漏主要指套管秘有载分接开关中的油向变压器本体渗漏。充i 盘 套管油渗漏会造成套管缺油，从而影响设备正常运行。有载分接开关油渗漏往往会 造成变压器本体油色谱异常丽弓l 起误诊断。外渗漏主要指焊缝渗漏和密封件渗漏， 这类故障也经常发生。 8 华北电力大学硕士学位论文 7 油流故障 油流故障主要是指油流带电和油流受阻导致过热故障。油质是影响油流的主要 因素，一般油的介损值大时具有更强的带电趋势。油流带电会导致c 风气体增长， 色谱分析异常，局部放电量增大等故障特征。此外，油中杂质长期大量沉积是导致 油流受阻的主要原因。 2 2 预试验信息 预试验信息中包括了3 2 项变压器试验、5 项变压器套管试验和1 2 项变压器油试验。 这些试验是上述变压器常见故障的主要检测手段，也是变压器状态评估所需信息的重要 来源，下面只介绍三类比较重要常见的试验来分析预试验信息的主要内容。 2 2 1 油中气体分析 目前，绝大多数1 l o k v 以上的电力变压器仍然以油和油浸绝缘纸作为其主体绝 缘材料。在正常老化过程及故障初期，油纸绝缘劣化所形成的低分子烃、氢气以及 碳的氧化物等气态化合物绝大部分将溶解于油中。变压器油中溶解的各种气体成分 的相对数量和形成速度主要取决于故障点能量的释放形式及故障的严重程度，所以 根据色谱分析结果可以进一步判断设备内部是否存在异常，推断故障类型及故障能 量等。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。因此建立了如下假设：特定碳氢气 体的析出速率随温度而变化，每种气体在不同的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，随着温度升高，析出 速率达到最大值的次序依次为：皿、c h 4 、c 2 矾、c 2 瓯和c 2 1 1 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，随温度的变化，故障点产生的各气体组份间的相对比例是不同的。r o g e r s 由此选择5 种特征气体的4 个相对比例c h 4 凰、c 2 风c h 4 、c 2 凰c 2 风和 c 2 h 2 c 2 i - 1 , 来进行故障诊断。由于c 2 亿c h 4 只能反映油纸分解的极有限的温度范 围，所以在后来的i e c 标准中将此比值删去，修改后的三比值法被普遍认为是最为 简明的解释，此后，i e c 三比值法一直是利用d g a 结果对充油电力设备进行故障诊 断的最基本的方法。但i e c 5 9 9 所提供的编码是不完全的，实际应用中有相当一部 分d g a 结果落在所提出的编码之外，以至于对某些情况无法进行诊断。日本电气协 同研究会提出的电协研法和我国湖北电力试验研究院提出的“改良三比值法 ( 也 称“改良电协研法 ) 都对i e c 编码作了进一步的补充乜引。 实践表明，油中溶解气体分析是目前检测变压器内部潜伏性故障最有效的方法 9 华北电力大学硕士学位论文 之一。d l t 7 2 2 2 0 0 0 推荐改良三比值法为变压器设备内部故障诊断的主要方法。表 2 - 1 是改良三比值法的编码规则。同时，d l t 7 2 2 2 0 0 0 还提出了应用改良三比值法 的三项原则，即： 王只有气体各组分含量兹注意值或气体增长率的注意值有理由判断设备可能 存在故障时，气体比值才是有效的，并应于计算。对气体含量正常，且无增长趋势 的设备，比值没有意义。 2 。假如气体的比值与以前不同，可能有新的故障重叠在老故障或芷常老化主。 为了得到仅仅相应予新故障的气体比值，要从最后一次的分析结果中减去上一次的 分析数据，并重新计算眈值( 尤其是在c o 和c 0 2 含量较大的情况下) 。在进行比较 时，要注意在相同的负荷和温度等情况下，在相同的位置取样。 3 由于溶解气体本身存在的试验误差，导致气体比值也存在不确定性。对气体 浓度大予1 0 瑟l l 的气体，两次的测试误差不应大予平均值的1 0 ，燕在计算气体 比值时，误差提高到2 0 。当气体浓度低于1 0ul l 时，误差会更大，使比值的精 确度迅速降低。因此在使用毙值法翔断设备故障性质时，应注意各种可能降低精确 度的因素。 表2 - 1 改良三比值法编码规则 气体的比值比菹范围的编码 范围 c 2 h c 2 i - hc wh 2c 2 1 - h c 2 h 6 - o 1 或 变压器油的介损t 9 8 是一项对油的品质极为敏感的指标，一般来说，变压器油 受到污染、受潮、老化程度加深等因素影响使油的品质下降，都会使油的t 9 8 增大。 3 。水分 电力变压器常因为绝缘受潮而导致绝缘水平下降。受潮的主要原因是变压器本 1 2 华北电力大学硕士学位论文 体密封不良或呼吸作用而进水，其次是由于本体绝缘材料在热和磁场作用下分解老 化而析出的水分。 2 3 变压器运行信息 国网状态检修试验规程及主设备评价检修导则中明确指出运行资料主要包 括：运行工况记录信息，历年缺陷及异常记录，巡检情况，不停电检测记录等。 运行状况记录信息包括不良工况，不良工况是国网状态检修试验规程及主设 备评价检修导则中提出的新名词，是指设备运行中经历的一些特别工况，如断路 器是否曾开断过短路电流，变压器是否经历侵入波，近区短路等等。不良工况虽然 时间很短，但可能对设备状态产生不良影响，甚至严重损害。在d l t 5 9 6 中试验周 期和项目没有考虑不良工况，而实施上，不良工况是设备最重要的状态信息之一。 设备经受了这些不良工况之后，应给与额外的状态评估，如考虑进行诊断或缩短停 电试验周期等 变压器的巡视、检查情况和进行点检中所获得的信息及设备运行中检测的电量 和非电量参数这些也都反应了变压器的运行状态。其部分内容如下： 1 变压器巡视检查的情况： ( 1 ) 变压器外观检查：无破损、裂纹、锈蚀； ( 2 ) 密封检查：无泄露和渗漏，压力指示情况； ( 3 ) 有无异常过温、过熟和局部过热： ( 4 ) 有无异常振动，有无异常声响； ( 5 ) 有无放电、闪络痕迹，有无异常火花； ( 6 ) 冷却装置及其他辅助装置、附件运行情况； ( 7 ) 运行规程中规定其他巡视项目。 2 变压器运行参数： ( 1 ) 负载情况，是否过载运行，是否越限参数运行； ( 2 ) 过电压运行情况； ( 3 ) 温升情况是否异常； ( 4 ) 密封室的压力情况：压力降低或过高或变化速率是否异常。 3 运行环境分析： ( 1 ) 环境温度、湿度： ( 2 ) 环境污染及污秽等级； ( 3 ) 系统短路容量与系统断路故障次数及大小； 1 3 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 雷电舀活动情况； ( 5 ) 其他影响正常运行的异常天气。 2 4 变压器历史信息 2 4 1 变压器的技术性能参数 变压器的技术参数一般都标在铭牌上。按照国家标准，铭牌上除标出变压器名 称、型号、产品代号、标准代号、制造厂名( 包括国名) 、出厂序号、制造年月以外， 还需标出变压器的技术参数数据。需要标出的技术数据如下： 相数( 单相、三相) 、额定容量( k v a 或m v a ) 、额定频率( h z ) 、各绕组额定电压 ( y 或k y ) 、各绕组额定电流( 站、联结组标号，绕组联结示意图、额定毫流下的阻 抗电压、冷却方式、使用条件、总重量( k g 或t ) 、绝缘油重量( k g 或t ) 某些情况下还需标注的项目数据：绝缘的温度等级、温升、联结图、绝缘水平、 空载电流、空载损耗和负载损耗( 嚣或k 鬻) 。 其中，电力变压器型号将绕组耦合方式、相数、冷却方式、绕组数、绕组导线 材质和调压方式以及其额定容量和高压绕组额定电压等级等信息详细的列出。 2 。4 。2 变压器的检修记录 变压器的检修资料主要包括：检修报告，例行试验报告，诊断性试验报告，有 关反措执行情况，部件更换情况，检修人员对设备的巡检记录等秘羽。 圭。新设备安装竣工后： ( 1 ) 制造厂提供的说明书、图纸及出厂试验报告： ( 2 ) 本体、冷却装置及各附件( 套管、互感器、分接开关、气体继电器、压力释 放阀及仪表等) 在安装时的交接试验报告、器身吊检时的检查及处理记录等； ( 3 ) 安装全过程( 按g b j l 4 8 和制造厂的有关规定) 记录； ( 4 ) 变压器冷却系统，有载调压装置的控制及保护回路的安装竣工图； ( 5 ) 油质化验及色谱分橱记录； ( 6 ) 备品配件清单。 2 检修竣工后： ( 1 ) 变压器及附属设备的检修原嚣及检修全过程记录； ( 2 ) 变压器及附属设备的试验记录； ( 3 ) 变压器的干燥记录； ( 4 ) 变压器的漓质化验、色谱分析、油处理记录。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 3 每台变压器应有的下述内容的技术档案： ( 1 ) 变压器履历卡片； ( 2 ) 安装竣工后所移交的全部文件； ( 3 ) 检修后移交的文件； ( 4 ) 预防性试验记录； ( 5 ) 变压器保护和测量装置的校验记录； ( 6 ) 油处理及加油记录； ( ? ) 其它试验记录及检查记录； ( 8 ) 变压器事故及异常运行( 如超温、气体继电器动作、出口短路、严重过电流 等) 记录。 2 。5 在线监测信息 根据冒蘸在线监测的技术，电力变压器主要监测信息有以下几方面】： 1 油中溶解气体分析 当变压器发生潜饫性敌障时，变压器油中会产生多；辩| 特征气体，如撼，c h 4 ， 岛甄，g 马，c 2 乜，c o ，c d 2 等。气体的组分和含量与变压器故障类型及故障点 温度密切相关，基于油中溶解气体分析( d g a ) 方法是研究最早，也是目前油浸式 变压设备状态监测与诊断应用较为成功一种的方法。 2 局部放电 交噩器故障的原因之一就是介质击穿，丽变压器中的介质击穿常常毒局部放电 ( p d ) 引起。p d 水平和p d 水平增长速率的明显增加，能够指示变压器内部正在发 生的变化。由于局部放电能导致绝缘恶化乃至击穿，赦值得对船参数进行在线监 测。但是试验显示变压器的剩余寿命与p d 行为之间的相关性不存在一般的规则， p d 的结果要结合被研究的设备类型、d g a 的历史等来解释。目前超高频法是认同度 较大的测量髓的方法之一。 3 绕组变形 电力变压器事哉统计中绕组变形占了较大的比例，因此绕组变形的检测己弓| 起 电力部门的极大兴趣。传统的离线诊断方法主要有频率响应分析法( f r a ) 和低压 脉冲法( l v i ) 。目前已有采用变压器短路电抗测量的方法，依据所测短路阻抗数值 绘如绕组变形程度指示，对变压器绕组变形进行在线监测和诊断，对已有变形的变 压器提出警告，严重者退出运行。这种方法判据明晰，且不依赖于实验者本身的经 验。 4 套管介损及电容量的检测 华北电力大学硕士学位论文 使用a c i o k v 作为试验电压来检测运行电压为2 2 0 3k v 或5 0 0 3k v 设备的绝 缘参数，显然是无效和过时的。因此许多电站倾向于在线测量带电套管和t a 等的 等值电容和介损t 9 8 ，其值可由被测量( 如运行电压和泄漏电流) 计算得到，但在 试验中发现，当被测样品的t 9 8 占非常小时，t a 的相差将严重影响被测量t 9 8 。另 外，设备间的电气耦合和运行模式的不同等也将影响到被测数据，目前这一方面的 研究正在进行，并取得了一定的成果。 5 其他监测项目 其他监测项目还包括有载分接开关、油中水分、油温、绕组温度、负荷电压， 电流、功率因素、泵风扇运行等，通过这些项目可以对变压器进行全方位的监测， 获得有关变压器状态较为详细的信息，可将突发性事故的可能性降至最小。另外监 测系统延长电力变压器运作时间，降低了代价巨大的事故风险，并且提供了改变检 修规程的潜力。 2 6 本章小结 作为建立多信息融合的变压器状态评估模型的基础，本章在对变压器常见故障 类型以及故障检测技术进行了深入研究的基础上，对变压器的运行信息，历史信息 包含信息进行了总结。尤其是在现有变压器的在线监测技术基础上，对变压器油中 溶解气体分析，局部放电，绕组变形，套管介损及电容量的检测，其他项目这5 项 主要监测信息进行分析和总结。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 第三章多信息融合的变压器状态评借方法 通过第二章对变压器状态信息的分析和总结，可以看到，变压器在线监测技术 的发展，使变压器状态信息变得更加丰富，使得更准确的评估变压器的状态成为可 能，然丽变压器的状态信息又具有不精确、不完整和不确定性，这又为如何对变压器 状态信息进行有效的处理，准确评估出变压器的状态带来了新的难题。本章利用了 神经网络信息处理技术和p s 证据理论相结合的方法对这丰富的变压器状态信息 进行融合处理，以求达到更为准确的结果，为变压器状态评估方法的研究提供一种 新思路，下面介绍神经阏络和d s 证据理论。 3 1 神经网络概述 神经网络技术是模拟人类大脑两产生的一种信息处理技术，近年来得到飞速发 展和广泛应用。神经网络使用大量的简单处理单元( 即神经元) 处理信息，神经元 按层次结构的形式组织，每层上的神经元以加权的方式与其链层上的神经元连接， 采用并行结构和并行处理机制，因而网络具有很强的容错性以及自学习，自组织及 自适应能力，能够模拟复杂的非线映射。 至今为止，人们墨经提出了几十种神经网络模型，如误差反向传播模型( b p ) 、 自适应共振理论模型( a r t ) 、径向基函数网络模型( r b f ) 、高斯基模型( b a m ) 、自 组织影射模型( s 蕊) 等等，但是露前应用最为广泛，理论最为成熟的当褥8 p 阏络 模型和r b f 网络模型。r b f 网络与b p 网络同为多层前馈网络，都具有以任意精度逼 近任意连续函数的能力。而r b f 结构更简洁，学习速度更快，不存在局部最小问题 的优良特性使得它正显示出比b p 网络更强的生命力，正在越来越多的领域内成为 替代b p 网络的一种新型网络碡钉。因此本文采用r b f 网络变压器状态评估的工具。 3 。2r b f 神经网络原理 2 0 世纪8 0 年代末由j m o o d y 和e d a r k e n 提出的径向基函数( r a d i a lb a s i s f u n c t i o n 简称r b f ) 神经网络是一种单隐层前馈型网络，它以径向基函数作为隐节 点激活函数，具有收敛速度快、逼近精度高、网络规模小等特点，各领域工作者对 其表现了更多的关注。 径向基函数的一个通用表达式为： 矗留) = 陋一c ) t 。留一e ) ) ( 3 - 1 ) 其中，矽( ) 表示径向函数，c 表示函数的中心向量，与x 具有相同的维数，昱 是一个变换矩阵，通常为e u c li d e a n 矩阵。( x c ) 7e 1 ( x c ) 是在矩阵e 定义的 意义之下对输入向量x 与中心向量c 的距离的一种衡量。如果蠢代表的是一个 1 7 华北电力大学硕士学位论文 e u c l i d e a n 矩阵，在这种情况下，e = 2 ，则上式可以简化为： 帕 呼) 2 ， 仃为径向基函数的宽度，也称为半径，决定了该基函数围绕中心点的宽度。是 扁量x c 的范数，它通常表示x 与c 2 _ a 的距离。 径向基函数有很多不同的形式，如g a u s s i a n 函数、m u l t i q u a d r i c 函数、i n v e r s e m u l t i q u a d r i c 函数c a u c h y 函数，其中最为常用的是g a u s s i a n 函数： 俐) = e x p ( 一訇 3 ， 即： 删：一一学、】 ( 3 q ， 因此，r b f 是一种局部分布的、对中心对称衰减的菲负非线性函数。局部分布 是指仅当输入落在输入空间一个很小的指定区域时，隐单元的径向基函数才做出有 意义的