（高电压与绝缘技术专业论文）基于油中溶解气体分析的变压器故障诊断方法研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 在介绍变压器典型故障的基础上，分析了变压器油中溶解气体形成机理以及国 内外各种基于变压器油中溶解气体分析的传统方法及人工智能方法：介绍了3 种神 经网络及其算法，在m a t l a b 中实现了各种算法并进行了训练和诊断。考虑到各 种神经网络的诊断结果存在一定程度上的互补性，在此基础上提出了一种利用d s 证据理论融合3 种神经网络诊断结果的变压器故障诊断方法。实例的诊断表明所提 出方法确实能有效提高基于色谱的变压器故障诊断的准确性和可靠性。 关键词：变压器，故障诊断，油中溶解气体分析，智能，神经网络，信息融合 a b s t r a c t a f t e rt h ei n t r o d u c t i o no fp o w e rt r a n s f o r m e rt y p i c a lf a u l t s ，t h ep r i n c i p l eo fg a s g e n e r a t i o ni nt r a n s f o r m e ri sa n a l y s e d ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o d sa n da r t i l f i c i a li n t e l l i g e n c e m e t h o d sf o rt r a n s f o r m e rf a u l td i a g n o s i sb a s e do nd i s s o l v e dg a s - i n o i la n a l y s i s ( d g a ) a r ei n t r o d u c e d t h et h r e et y p e sa r i t i f i c a iln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) is - i n t r o d u c e d ，a f t e r t h e n ，a n dt h e ya r ei m p l e m e n t e di nm a t l a bf o rt r a i n i n ga n dd i a g n o s i so ft f a n s f o r m e f c o n s i d e r a t i o nt h ec o m p i e m e n t a 叫o fv a r i o u sa n nd i a g n o s i s r e s u l t s ， am e t h o d i n t e g r a t i n gv a r i o u sa n nd i a g n o s i sr e s u l t sb yd e m p s t e r s h a f e r ( d s ) e v i d e n c et h e o r yi s p r e s e n t e d ，w h i c hc a ni m p r o v et h ea c c u r a c ya n d + e f 艳c t i v u yo fp o w e rt r a n s f o r m e rf a u l t d i a g n o s i sr e s u l tb a s e do nd gg ，a n di ti s0 e r i n e db yt r a n s f o r m e rf a u l tc a s e s w a n gx i a ( h i g hv r o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f l uf a n g c h e n g k e yw o r d s ： t r a n s f o r m e b f a u l t d i a g n o s i s ，d g a ，i n t e l l i g e n t ，a n n ，f u z z y ， i n f b r m a t i o nf h s i o n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 在介绍变压器典型故障的基础上，分析了变压器油中溶解气体形成机理以及国 内外各种基于变压器油中溶解气体分析的传统方法及人工智能方法：介绍了3 种神 经网络及其算法，在m a t l a b 中实现了各种算法并进行了训练和诊断。考虑到各 种神经网络的诊断结果存在一定程度上的互补性，在此基础上提出了一种利用d s 证据理论融合3 种神经网络诊断结果的变压器故障诊断方法。实例的诊断表明所提 出方法确实能有效提高基于色谱的变压器故障诊断的准确性和可靠性。 关键词：变压器，故障诊断，油中溶解气体分析，智能，神经网络，信息融合 a b s t r a c t a f t e rt h ei n t r o d u c t i o no fp o w e rt r a n s f o r m e rt y p i c a lf a u l t s ，t h ep r i n c i p l eo fg a s g e n e r a t i o ni nt r a n s f o r m e ri sa n a l y s e d ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o d sa n da r t i l f i c i a li n t e l l i g e n c e m e t h o d sf o rt r a n s f o r m e rf a u l td i a g n o s i sb a s e do nd i s s o l v e dg a s - i n o i la n a l y s i s ( d g a ) a r ei n t r o d u c e d t h et h r e et y p e sa r i t i f i c a iln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) is - i n t r o d u c e d ，a f t e r t h e n ，a n dt h e ya r ei m p l e m e n t e di nm a t l a bf o rt r a i n i n ga n dd i a g n o s i so ft f a n s f o r m e f c o n s i d e r a t i o nt h ec o m p i e m e n t a 叫o fv a r i o u sa n nd i a g n o s i s r e s u l t s ， am e t h o d i n t e g r a t i n gv a r i o u sa n nd i a g n o s i sr e s u l t sb yd e m p s t e r s h a f e r ( d s ) e v i d e n c et h e o r yi s p r e s e n t e d ，w h i c hc a ni m p r o v et h ea c c u r a c ya n d + e f 艳c t i v u yo fp o w e rt r a n s f o r m e rf a u l t d i a g n o s i sr e s u l tb a s e do nd gg ，a n di ti s0 e r i n e db yt r a n s f o r m e rf a u l tc a s e s w a n gx i a ( h i g hv r o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f l uf a n g c h e n g k e yw o r d s ： t r a n s f o r m e b f a u l t d i a g n o s i s ，d g a ，i n t e l l i g e n t ，a n n ，f u z z y ， i n f b r m a t i o nf h s i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于油中溶解气体分析的变压器 故障诊断方法研究，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：量益：日期：垒翌星! 主：! 多学位论文作者签名：兰丛日 期：墨翌兰! 鱼：! 参 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：兰疋导师签名： 日期：兰塑星：墨! ，多日 期： 巧i5 易出 矿j；。| 8 华北电力人学硕十学位论文 1 1 选题的背景及意义 第一章绪论 随着电力制造水平的提高，电力变压器的单台容量迅速增加，例如在5 0 0 k v 电 压等级下的变压器单台容量己达15 0 0 m v a ，这样的电力设备如果发生故障，造成的 损失将无疑是十分巨大的。因此，从以停电进行预防性试验为基础的预防性维修逐 步过渡到以在线监测为基础的状态维修，己成为电力系统的必然发展趋势，而能否 对电力变压器的运行状态进行在线监测及故障诊断则是实现状态维修的关键。 虽然在设计大型电力变压器时，它具有相当的耐热等级、足够的的电气强度、 优良的机械性能和良好的工艺性，但制造过程中的偶然因素再加上运行过程中的放 电、电磁力、热应力、湿热环境、环境污染等也会造成其性能的逐渐劣化，而且这 种劣化过程具有不可逆和不断加速的特性。大量资料表明，导致变压器事故的主要 原因是其绝缘性能的劣化，例如我国某5 年期间的1 1o k v 及以上的电力变压器事故 分析表明，由于绝缘劣化引起事故的台数占事故总台数的6 8 ，事故容量为总事故 容量的7 4 ，而1 9 9 0 年的统计分别是7 6 和6 5 l 。 目前电力系统中的大型变压器以油浸式为主，大多是以精炼矿物油作为绝缘和 冷却的介质。变压器在运行过程中不可避免要受到热、电和机械应力的作用，导致 变压器中的绝缘油、绝缘纸等一些材料发生分解产生低分子烃类、- 二氧化碳、二氧 化碳等分解产物，这些气体会溶解于油中。不同类型的故障及不同严重程度的故障 产生气体的类型和浓度是不同的，其中一些气体能反映变压器故障的情况，通常称 这些气体为特征气体，它们是h 2 、c h 4 、c 2 h 6 、c 2 h 4 、c 2 h 2 、c 0 、c 0 2 。根据油中 气相色谱分析获得油中特征气体的浓度能够判断变压器的故障状况，变压器油中溶 解气体分析( d i s s o l v e dg a s i n o i la n a l y s i s ，简称d g a ) 就是根据气相色谱方法获得油 中各种特征气体的浓度，然后根据获得的各种气体浓度判断故障的一种方法。由于 油中溶解气体分析方法对于判断慢性局部潜在性缺陷十分有效，而且该方法无需停 电试验，方便用于在线监测，因此，在1 9 9 7 年颁布执行的电力设备预试规程中， 把变压器油中溶解气体分析放到了首要的位置。 利用在线【2 】或离线的方法获得变压器油中溶解的特征气体浓度后，如果根据特 征气体浓度与变压器故障类型的关系来准确诊断变压器故障就成为了变压器油中 溶解气体分析故障诊断的关键。但是由于变压器发生故障时气体的形成要涉及非常 复杂的机理和过程，变压器的故障与多种因素存在着耦合关系，要很好地分析变压 器的故障情况需要现场人员的长期积累，这显然不利于油中溶解气体分析方法的开 展和变压器的维护。人工智能模仿人类的思维解决问题，能从变压器油中溶解气体 华北电力人学硕+ 学位论文 数据中发现规律，能很好地处理变压器发生故障时的复杂关系，能随着环境的变化 自适应地调整判断规则，有利于油中溶解气体分析方法的推广应用，减少变压器故 障诊断的工作量，有利于潜伏性故障的及早发现、及时处理，为变压器安全维护、 电力系统稳定运行、实现更大的经济效益和社会效益做了很好的保障。 1 2 国内外的研究现状 基于油中溶解气体分析的变压器绝缘诊断方法大体上可以分为经典的传统方 法和基于人工智能的方法。 1 2 1 传统方法 传统方法是人们在长期的科学研究和变压器故障诊断实践中通过统计分析总 结出来的判断故障类型的方法，主要有基于油中溶解特征气体的故障诊断法以及各 种基于气体比值的故障诊断方法等。 ( 1 ) 特征气体法。该方法主要是根据变压器发生不同故障时，油中溶解气体的主 要成份和次要成份是有所区别来判断变压器所属故障类型。比如电弧和火花放电时 的主要成份是c 2 h 2 、h 2 ；局部放电时的主要成份是h 2 、c h 4 ；过热时的主要成份是 c h 4 、c 2 h 4 ；当故障涉及固体绝缘时会产生大量的c o 、c 0 2 。人们根据油中各种气 体的浓度就可以大致判断故障的类型。 ( 2 ) 比值法。该方法是根据各种特征气体的比值来判断变压器所属故障类型。比 值法具体来说又可分为编码的比值法和无编码的比值法。前者有i e c 三比值法及其 改进形式，日本电协研法及其改进形式，英国的德能堡比值法，罗杰士比值法和德 国的四比值法等；后者是取消了气体比值区间对应于某一编码，而直接用比值范围 对应于一种故障。比值法是在大量故障统计分析的基础上，舍弃了较小概率的情况 而得到的，所以其准确率不能达到很高，对收集的全国1 3 0 0 多台次故障变压器的数 据采用三比值法进行诊断的结果表明，该方法的准确率为7 4 【3 1 。 1 2 2 基于人工智能的方法 基于人工智能的诊断方法是目前研究的热点和重点，主要有神经网络、模糊数 学、专家系统、信息融合、数据挖掘、粗糙集理论、p e t r i 网等方法。 ( 1 ) 神经网络。神经网络具有自学习、自适应、形成非线性映射的能力【4 】，可以 很好地逼近特征气体浓度到变压器故障类型的映射。而变压器的复杂性，变压器发 生故障时与多种因素存在的偶合关系，导致了无法从理论上获得特征气体到变压器 故障类型之间的精确映射。所以神经网络在基于油中溶解气体分析的变压器故障诊 断中有着广泛的应用，目前已有多篇文献对它进行了介绍。神经网络中应用最为广 泛的是多层前馈神经网络，该网络使用最广泛的算法是b p 算法【5 。7 】。目前神经网络 2 华北电力大学硕士学位论文 应用还存在着训练收敛速度慢、容易陷入局部极小点、诊断精度低等问题，人们通 过使用变学习速率的b p 算法、加动量项的b p 算法、l e v e n b e 唱m a r q u a r d t ( l m ) 算法【s 】对b p 神经网络进行了改进，在一定程度上解决了该问题。此外也通过引入 小波分析、模糊数学、遗传算法等形成的小波网络【9 1 、模糊神经网络【1 0 。：1 1 、遗传算 法结合b p 算法【1 2 】等提高了神经网络获取油中溶解气体中隐含故障信息的能力和故 障诊断能力。除了b p 神经网络还有k o h o n e n 自组织映射神经网络【1 3 】、a r t 神经网 络【1 4 】、s o f m 神经网络【”1 等都在变压器油中溶解气体分析故障诊断申有着一定的应 用。 ( 2 ) 模糊数学。大型电力变压器是一个复杂的大系统，在它发生故障时很多因素 对其进行干扰，其故障现象与故障原因之间存在着大量的模糊性，往往一种故障状 态可能引起多种故障特征：而一种故障特。征也可以在不同程度上反映多种故障状态 【1 6 】。常规的故障诊断方法往往不能很好地反映变压器发生故障时存在的模糊性，而 处理模糊关系正是模糊数学的特长。总体来说，模糊数学在变压器故障诊断中的应 用主要有模糊综合诊断和模糊聚类。模糊综合诊断是将原来的普通故障集和故障征 兆集转化为模糊集合的形式，对应于选取不同的故障征兆集，模糊关系矩阵和模糊 故障集，有不同形式的应用。以油中溶解气体为特征量的模糊聚类主要有基于模糊 关系的动态聚类方法和基于目标函数的模糊聚类方法【l6 1 。基于模糊关系的动态聚类 方法【1 7 】是利用油中溶解气体数据形成模糊等价矩阵后利用直接聚类法、编网法或最 大树法获得聚类结果。基于目标函数模糊聚类方法的典型代表是模糊均值算法 ( f u z z yc m e a n s ) ，即f c m 算法，又叫i s o d a t a ( i t e r a t i v es e l f o r g a n i z i n gd a t a ) 算法【j 以及改进的i m f i c g 法1 1 9 j 。 ( 3 ) 数据挖掘。数据挖掘是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机 的数据中，提取隐含在其中的、人们事先不知道的、但又是潜在有用信息和知识的 过程【2 0 ，2 1 1 。发生故障时变压器油中溶解特征气体中隐含了很多有关于故障的信息， 但由于变压器是一个复杂的大系统，变压器油中的产气情况受到多种因素的干扰， 产气与故障的关系非常复杂，使用精确的数据模型去建模几乎不可能。而数据挖掘 就是解决这个问题的有效方法之一，它能从大量的变压器油中溶解气体特征数据中 获得有效的变压器故障诊断规律。具体来说变压器故障诊断数据挖掘工具主要有粗 糙集理论【2 2 23 1 、p e t r i 网【2 4 粕】等方法。粗糙集理论是一种新的处理模糊和不确定性知 识的数学工具，其主要思想就是在保持分类能力不变的前提下，通过知识的约简， 导出问题的决策或分类规则【2 7 1 。p e t r i 网是一种用网状图形表示系统建模的方法【2 引。 ( 4 ) 专家系统。专家系统通常认为是一种计算机程序，它在某些特定的领域内能 以人类专家的水平去解决该领域内的问题，在某些方面甚至可能超过人类专家 【2 乳3 1 】。专家系统根据人类专家对某一或某些领域内的知识，模仿人类专家的推理过 华北电力大学硕+ 学位论文 程，使计算机程序在特定领域的问题上有人类专家的智能，它使没有专业知识的人 也能解决专业问题。将专家系统引入到基于油中溶解气体分析的变压器故障诊断 后，使普通用户也可以诊断变压器故障，它对变压器油中溶解气体分析故障诊断的 推广有很大的意义。常规的专家系统是利用相关规则以逻辑判断方式诊断变压器故 障。随着各种人工智能理论的发展，为了有效结合其它人工智能方法，目前专家系 统方法多采用神经网络、模糊数学、数据挖掘等方法作为知识库，这些方法的使用 使专家系统的性能得到了进一步的提高。 、 ( 5 ) 信息融合方法。信息融合【3 2 弓4 】是将多传感器的数据在一定的规则下加以自动 分析、综合，以完成所需的决策和评估而进行的信息处理过程。由于不同诊断方法 的诊断结果存在着一定的不一致性，有时甚至存在着一定的矛盾性，限制了变压器 故障诊断准确性和可靠性的提高。信息融合能有效解决此类问题。通常来说，多种 诊断结果中一致性的成分以较大的概率属于j 下确，而不一致的分布则属于错误的可 能性要大些。通过信息融合能使多种故障诊断方法的诊断结果中一致的信息得到加 强，而矛盾的部分得到抑制，故能增强故障诊断的可信度。 由于单独的一种智能方法不可避免存在着局限性，将各种智能方法的有机结合 使用已成为变压器故障诊断方法发展的必然趋势。 1 3 本文的主要工作 本课题选择基于多种智能方法有机结合的算法对变压器油中溶解气体分析进 行故障诊断，具体内容如下： ( 1 ) 基于油中溶解气体的分析原理，分析变压器存在潜伏性故障时油中和固 体绝缘中气体产生的机理，分析典型故障及其油中的产气特征。介绍诊断变压器是 否有故障的方法和变压器的故障诊断方法，而后者包括传统的特征气体法和比值法 的具体应用。 ( 2 ) 构造适合于变压器油中溶解气体分析故障诊断的神经网络。该神经网络 采用多层前馈的拓扑结构。分别为使用l 。m 算法训练的l m 神经网络，i 冲r o p 算 法训练的r p r o p 神经网络和基于s a s c c 算法的r b f 神经网络，使用现场例子进 行训练和诊断以验证本文使用神经网络方法的有效性。 ( 3 ) 针对多种神经网络的诊断结果存在一定的误差，且各个结果之间存在着 一定的互补性的特点，将d s 证据理论应用于多个神经网络诊断结果的融合，以获 得一个更加准确和可靠的变压器故障诊断结果。 4 华北电力大学硕十学位论文 第二章变压器洫中溶解气体分析的原理及方法 2 1 变压器运行中常见故障及分类口6 1 充油电力变压器的故障涉及面广而且复杂多样，特别是在运行中发生的故障很 难以某一判据诊断出故障的类型及性质。 运行变压器常见故障的划分方法通常有按变压器结构可分为绕组故障、铁芯故 障、油质故障、附件故障；按回路可分为电路故障、磁路故障、。油路故障；按故障 发生的部位可分为铁芯故障、分接开关故障、绕组故障、绝缘故障等；按变压器本 体可分为内部故障和外部故障。变压器内部故障，按形成的原因和发展的过程，可 分为由电气回路缺陷构成的突发性故障和由铁芯、开关、并联导线绝缘损伤等局部 过热构成的缓慢发展的潜伏性故障两大类。变压器内部故障，按性质又可分为热故 障和放电故障。 ( 1 ) 绕组故障 绕组故障主要是器身中绕组及绝缘物发生故障。表现在各部分绝缘老化，绕组 受潮，绕组层间、匝间、相间、高低压绕组间发生接地、短路、断路、击穿或烧毁 故障；系统短路造成绕组机械损伤；冲击电流造成绕组机械损伤等。 1 ) 匝间短路故障 导致匝间短路的原因通常有：线圈制作时操作不当，造成匝间绝缘损伤：导线 的匝绝缘不够，匝间工作场强增高，耐受不住长期工作电压或短时冲击电压作用， 长期运行使绝缘老化、变形、松脆；局部高温造成油流死角或油道堵塞而加速绝缘 老化；电动力的作用使部分线匝发生轴向位移，导致绝缘磨损而形成穿越性短路， 长期过载运行下绕组导线过热而使绝缘变脆：各种过电压和过电流作用下，绝缘性 能劣化：绕组发生局部放电等电气故障而引发绕组匝间短路；箱体内油少而使绕组 漏出油面，导致冷却变差而过热也会形成绕组短路。 2 ) 相间短路 在中小型变压器中，两相线圈引线上的软铜接线卡相碰引起相间短路较多；在 大型变压器内，若偶然有金属丝之类的导体，也会将两相线匝绝缘划破而构成短路： 当分接开关错位严重时，将导致两相分接开关短路而烧坏，引起两相绕组相间短路。 3 ) 股间短路故障 在用多股导线并绕的绕组中常发生股间短路，其主要原因有：因导线质量问题 导致绝缘层包绕不均，甚至导线裸露；在绕制过程中因弯曲、毛刺等使匝间绝缘受 损伤，卡线过紧或换位不当导致线拧绞或刮伤导线绝缘；在压装及整形过程中，挤 s 华北电力人学硕十学位论文 伤并绕导线间的绝缘层。 ( 2 ) 铁芯故障 根据大量的事故分析，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坏，铁 芯片间绝缘老化，铁芯安装不正或不齐造成空洞声，铁芯片间叠装不良造成铁损增 大而使铁芯发热等。 1 ) 铁芯多点接地故障 变压器铁芯只有一点接地，才是可靠的正常接地：当出现两点及以上的接地为 多点接地，多点接地使铁芯接地出现异常现象，导致铁芯出现故障。铁芯多点接地 的类型有：由于铁芯夹件支板距心柱太近、铁芯叠片因某种原因翘起后，触及到夹 件支板，形成多点接地；铁轭螺杆的衬套过长，与铁轭叠片相碰，构成了新的接地； 铁芯下央件垫脚与铁轭间的绝缘纸板脱落或破损，使垫脚铁轭处叠片相碰造成接 地；由于潜油泵轴磨损，金属粉末进入油箱中，淤积油箱底部，在电磁力作用下形 成桥路，将下铁轭与垫脚或箱底接通，形成多点接地；油箱盖上的温度计座套过长， 与上夹件或铁轭、旁柱边沿相碰，构成新的接地点；下夹件与铁轭阶梯间的木垫块 受潮或表面不清洁，附有较多的油泥，使其绝缘电阻值降为零时，构成了多点接地； 油箱中落入铁钉、焊条头等金属异物使铁芯叠片与箱体沟通，形成接地：变压器安 装完后未将油箱顶盖上用于运输的定位销翻过来或去掉，构成多点接地。 2 ) 铁芯过热故障 引起变压器铁芯过热的故障原因有多方面，如绕组短路、过载运行、铁芯本身 接地不良及异常接地、铁芯片问短路或铁芯局部短路、铁轭螺杆接地、铁芯漏磁、 铁芯局部短路、电源电压高、铁芯冷却油道堵塞等。除上述原因之外，油循环不畅 或箱内油量少、油劣化，铁芯叠片周围毛刺大，叠铁芯片时缝隙不均等都可能引起 铁芯过热故障。铁芯局部过热故障部位基本上都在铁芯和夹件上。如果运行中的变 压器出现铁芯过热，特别是发生局部过热故障，将产生特征气体c h 4 、h 2 、c 2 h 2 、 c 2 h 6 ，色谱分析发现油中溶解气体组分含量超标。 ( 3 ) 分接开关故障 充油变压器无载分接开关常见的故障有：开关接触处存在油污，接触电阻增大， 在运行时将引起分接头接触面烧伤；当上分接头的相间绝缘距离不足且绝缘材料上 若堆积油泥受潮，在过电压下将发生相问短路故障；若触头接触不良或因绝缘支架 上的紧固金属栓接地断裂造成悬浮放电等故障。充油变压器有载分接开关的故障主 要有：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；因滚轮卡死使分接开关停在过渡位置 6 华北电力大学硕士学位论文 而造成短路；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。 ( 4 ) 。油流带静电故障 对于强迫油循环冷却的大型变压器，变压器油经油泵加速传到绕组内的冷却油 道，在油与固体绝缘界面上产生静电电荷的分离，使纸及纸板上积累负电荷，流油 中积累起正电荷。在电荷对地泄漏与电荷中和的过程中，当某处电荷积累密集且产 生的场强超过了某一程度时，将会在油或固体绝缘表面上产生静电放电或爬电放 电，甚至使固体绝缘受损伤，最终导致绝缘故障。油流带静电的能量密度通常较小， 其故障特征气体组分中c 2 h 2 不一定能检测出来，但h 2 的变化比较明显。 ( 5 ) 油和油纸绝缘故障 在充油变压器中，内绝缘的主要绝缘材料是变压器油和绝缘纸、纸板、木块等 主要成分为纤维素的固体绝缘材料。这些绝缘材料受环境因素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。变压器在长期运行中，若固体绝缘过度 变热，水分从纤维素中脱离后将加速纤维材料脆裂，同时脆化后收缩使夹紧力降低， 可能引起收缩、移动、摩擦，即损伤绝缘，在机械振动、电场力和操作波等冲击力 作用下常导致绝缘故障。固体绝缘的老化特性不可逆转，老化后的聚合度和抗张强 度都将逐渐降低，并生成c o 、c 0 2 和糠醛，使油纸绝缘的击穿电压和体积电阻率 降低，介质损耗增大。变压器油中混入水分和杂质后，绝缘性能下降，击穿场强降 低，介质损耗增大，并加速油的氧化过程。变压器油在早期劣化过程中生成的过氧 化物与绝缘纤维素材料反应生成氧化纤维素，使固体绝缘脆化或收缩；在后期劣化 过程中，酸类侵蚀铜、铁、绝缘漆等生成油泥，粘附在固体绝缘材料或油箱边缘， 沉积在油管及冷却器散热片等处，使变压器工作温度升高，耐压强度下降。当变压 器的工作温度升高时，固体绝缘的纤维素要发生解环、断链，伴随产生的c 0 2 、c o 产气率往往呈指数规律增大；固体绝缘所含的水分将加速纤维素降解。通常，当温 度升高时，固体绝缘内的水分向油中析出，油中微水含量增多，导致油的火花放电 电压降低，介质损耗增大，造成变压器油劣化。 ( 6 ) 放电故障 导致变压器绝缘失败的基本模式有过热、局部放电、火花放电及电弧放电，并 可能涉及到固体绝缘结构的故障。通常，按放电的能量密度将变压器内部的放电故 障分为局部放电、火花放电和电弧放电三类。 1 ) 局部放电故障 局部放电故障是引起火花放电或电弧放电故障的前兆。当变压器在制造或运行 时，油中存在气泡，固体绝缘材料中存在空穴或空腔，某些部位存在尖角、毛刺、 7 华北电力大学硕士学位论文 漆瘤，金属部件或导体之间接触不良等都会引发局部放电。局部放电的能量密度可 用放电产生的油中溶解气体组分含量来辩识：能量密度在1 0 毋以下时，总烃不高， 主要气体组分为h 2 ，占总烃的8 0 9 0 ，其次是c h 4 ；能量密度在1 0 1 0 。7 时， h 2 含量相应降低而出现c 2 h 2 ，但c 2 h 2 在总烃中不到2 ，这是区别电弧放电和火 花放电的主要标志。放电的部位通常在固体绝缘内的空穴、电极尖端、油角间隙、 油与绝缘纸板中的油隙或油中沿固体绝缘的表面等处。局部放电的能量密度不大， 一旦发展将会形成高能量放电，并导致绝缘击穿或损坏。 2 ) 火花放电故障 火花放电一般是低能量放电，即一种间隙性放电。，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转换极性时的短暂间，套管均压球和无载分接开 关拨叉等高电位处，铁芯叠片磁屏蔽及紧固螺栓等低电位处与地连接松动脱落时， 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 中的水分多、受潮的纤维多等也将形成杂质“小桥 而引起火花放电。火花放电引 起的油中溶解特征气体的主要组分是c 2 h 2 、h 2 。因放电能量小，一般总烃含量小， 但油中溶解的c 2 h 2 在总烃中所占比例可达2 5 9 0 ，h 2 占氢烃总量的3 0 以上。 3 ) 电弧放电故障 电弧放电又称高能放电。其特点是产气急剧而且量大，放电能量密度大，容易 导致绝缘纸穿孔、烧焦或炭化，金属材料变形或熔化。变压器绕组匝间绝缘击穿、 引线断裂或对地闪络、分接开关飞弧等，将引起电弧放电故障。出现电弧放电故障 后，油中溶解气体的主要组分是h 2 、c 2 h 2 ，其次是c h 4 、c 2 h 4 、c 2 h 6 ，一般h 2 占 氢烃的3 0 9 0 ，c 2 h 2 占总烃的2 0 7 0 ；若电弧放电故障波及固体绝缘时i 油中溶解气体还有c o 、c 0 2 组分。 2 2 变压器油中气体产生和消失 虽然s f 6 气体绝缘、蒸发冷却式气体绝缘变压器和干式变压器、交联聚乙烯绕 组变压器等有着良好的发展前景，但是变压器油优良的绝缘和散热能力是它们所不 能替代的，目前高电压、大容量的电力变压器仍然普遍采用充油式。充油电力变压 器内部的主要绝缘材料是变压器油、绝缘纸和纸板等a 级绝缘材料，当运行年限为 2 0 年左右时，最高允许的温度为1 0 5 左右。变压器油中特征气体是由变压器油及 固体绝缘产生的，与它们的性能存在着密切的关系。 2 2 1 变压器油的成份及气体产生机理p 5 3 变压器油是由天然石油经过蒸馏、精炼而获得的一种矿物油。它是由各种碳氢 华北电力大学硕士学位论文 化合物所组成的混合物，其中碳、氢两元素占全部重量的9 5 9 9 。主要的碳氢 化合物有环烷烃( 5 0 以上) 、烷烃( 1 0 4 0 ) 和芳香烃( 5 1 5 ) 组成【1 6 】。不同变 压器油各种成份的含量有些不同。 变压器油中不同烃类气体的性能是不同的。环烷烃具有较好的化学稳定性和介 电稳定性，黏度随温度的变化很小。芳香烃化学稳定性和介电稳定性也较好，在电 场作用下不析出气体，而且能吸收气体；但芳香烃易燃、黏度大、凝固点高，且在 电弧的作用下生成的碳粒较多，会降低油的电气性能。环烷烃中的石蜡烃具有较好 的化学稳定性和易使油凝固，但在电场的作用下易发生电离而析出气体，并形成树 枝状的x 蜡，影响油的导热性。 变压器油在运行中受到温度、电场、氧气及水分和铜、铁等材料的催化作用会 形成某些氧化物及其油泥、氢、低分子烃类气体和固体x 蜡等，这就是绝缘油的老 化和劣化作用。正常的老化和劣化情况下，变压器油中仅能产生少量的气体，通常 它们的含量在临界值之下。 但存在潜伏性故障时情况就不同了，当变压器油受到高电场的作用时，即使温 度较低也会分解产生气体。在场强为13 0 k v c m 的电场作用下，变压器油在2 5 3 0 时气体产生成份如表2 1 所示。 表2 1 在场强为1 3 0 k v c m 的电场作用下变压器油的气体产生组分( 体积) 试样编号 c h 4 c 2 h 6c 2 h 4 c 2 h 2 l3 31 7 1 93 0 22 21 42 3 2 4 33 7 21 0 l1 6 1 1 4 2 表2 22 3 0 6 0 0 局部加热时变压器油分解的气体组分( 1 0 。m g g 油) 气体的种类 2 3 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 氢 1 5 2 3 2 0 甲烷 4 2 5 8 5 8 4 8 乙烷 0 4 52 6 0 1 乙烯 o 1 73 2 4 7 丙烷 1 182 0 8 异丁烷 3 2 6 6 9 7 、 二氧化碳 o 170 2 22 1 9o 6 7 0 2 8 其它 0 9 6 2 2 5 同样仅在高温的作用下变压器油也会分解出气体，在2 3 0 6 0 0 时变压器油中气 体产生情况如表2 2 所示。 9 华北电力大学硕士学位论文 变压器油是由许多不同分子量的碳氢化合物分子组成的混合物，分子中存在着 c h 3 、c h 2 。和c h 等化学基团，含有c c 键和c h 键。在电或热的作用下使某些 c c 键和c h 键断裂，形成了不稳定的氢原子和碳氢化合物的自由基，这些氢原子、 自由基迅速重新化合生成氢气和低分子烃类气体。不同的键断裂需要不同的能量， c h 键( 3 3 8 k j m 0 1 ) 断裂生成氢气，这在局部放电的情况下就能达到。对c c 键需要 较多的能量，然后迅速以c c 键( 6 0 7 k j m 0 1 ) 、c = c 键( 7 2 0 k j m 0 1 ) 和c 基c 键( 9 6 0 k j m 0 1 ) 化合分别生成相应的乙烷、乙烯和乙炔，需要的能量越来越高。人们通过热力动力 学模拟计算出每种气体产物的分压与温度的关系如图2 1 所示，图中横坐标为温度； 纵坐标为分压，为对数坐标。 矿 、 z 、一一 、 包 旦 图2 1 哈斯特气体分压温度关系图 从图中可以看出乙炔仅在接近1 0 0 0 的时候才产生，满足这种条件的只有高温 过热和放电；甲烷在低温下产生较多，主要是在低温过热和局部放电下，随着温度 的升高，气体的产生速率反而下降了；乙烷始终未能成为主要的气体成份；乙烯在 低温下产生很少，但随着温度升高到中高温过热时，气体产生速率大大提高了。 2 2 2 变压器固体绝缘的成份及气体产生机理 固体绝缘在变压器绝缘中应用广泛，主要有绝缘纸和绝缘纸板。绝缘纸包括电 缆纸、电话纸、金属皱纹纸、点胶绝缘纸等，虽然它们的名称各不相同，但它们的 l o 华北电力人学硕士学位论文 主要成份都是纤维素，其分子式是( c 5 h 1 0 0 5 ) 。，分子中含有氢键，氢键是由于与电负 性很大的元素( o ) 相结合的氢原子与另一个分子中电负性很大的原子间的引力而形 成，所以固体绝缘有很大的强度和弹性，机械性能良好。刀表示长链并联的个数， 称为聚合度，一般新纸以l3 0 0 ，当固体绝缘的寿命接近终止时，它的聚合度为1 5 0 2 0 0 ：变压器固体绝缘材料中含有大量的无水右旋糖环和弱的c o 键，它们的稳定 性比油中的c h 键弱，固体绝缘中聚合物裂解的有效温度高于1 0 5 ，完全裂解和 碳化温度高于3 0 0 。在生成水的同时，生成大量的c o 和c 0 2 及少量的烃类气体 和呋喃化合物，同时油被氧化。c o 和c 0 2 的产生速率随温度升高而加快，也随油 中氧含量和纸湿度的增加而增大。表2 3 是纤维素在4 7 0 下分解产生的产物。 表2 3 温度为4 7 0 时纤维素分解产物 分解产物熏量分解产物重量 水3 5 5 c 0 2 1 0 4 0 醋酸 1 4 0c o4 2 0 丙酮 o 0 7 c h 4 o 2 7 焦油4 2 0 c 2 h 4 o 1 7 其它有机化合物5 2 0焦炭3 9 5 9 2 3 变压器典型的内部故障与油中气体组分的关系 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【35 1 。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。 ( 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 o c 0 2 1 0 ； ， 2 ) 当油局部过热时会产生大量c 2 h 4 和c n 4 。随着温度升高，则c 2 h 6 和h 2 l l 华北电力大学硕士学位论文 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h 2 和c 2 h 2 ，其次是c 2 h 4 和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 严重的绕组故障，如绕组短路、绝缘大面积击穿； 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h 2 和c 2 h 2 。 2 ) 造成火花放电的原因有 引线接触不良； 不稳定的铁芯接地； 分接开关触头接触不良； 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 冲片棱角或冲片间局部放电； 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。 1 2 华北电力大学硕十学位论文 ( 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o 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o