（电子科学与技术专业论文）sofc型气体检测器在dga中的应用及相关技术研究.pdf

原创性声明 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 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，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 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：盏么童参父日期：2 盟坐年月丑日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：邀导9 币签名盗鱼日期：盟年丘月监日 摘要 大型电力变压器是电力系统中非常重要的设备，变压器油中溶解气体分析 d g a 是电力部门保证变压器安全稳定运行的主要手段。论文分析了变压器故障 在线监测与诊断技术的研究现状，并指出检测器精度低、定量算法准确性不足、 专家算法的故障诊断正确率不高等问题是制约变压器d g a 在线监测系统取代离 线测试系统及大规模推广的瓶颈问题。详细介绍了气相色谱法的基本原理及其在 变压器故障特征气体测量中的应用，分析比较了气相色谱常用检测器技术及其优 缺点。结合电力变压器故障监测的实际应用，将传统的s o f c 氧含量传感器引入 到变压器故障特征气体的测量中，对传感器的基线稳定性、组分分离度、峰高重 复性等特性进行了系统的测试。实验结果表明：用传统的峰高法和面积法直接对 s o f c 检测器进行定量时，表征系统测量重复性的性能指标一相对标准方差大于 5 0 ，误差较大，不满足实际应用的需要。为了解决s o f c 检测器定量的准确性 问题，从n e m s t 方程出发，在一定的假设条件下，建立了管式s o f c 定量方法 的数学模型，并依据该模型重新优化测试方案和计算方案。应用新方法进行了不 同浓度下的测试，权威计量认证单位的测试结果表明，基于n e r n s t 方程定量方 法的r s d 小于1 0 ，准确性误差在1 6 5 以下，满足d g a 在线监测的定量准确 性要求。专家算法是d g a 在线监测系统的重要组成部分，其诊断结果将直接影 响变电站维护人员的决策。论文对通过测量变压器油中溶解气体浓度来监测变压 器内部故障的原理进行了介绍，对变压器故障诊断的传统方法进行了分析比较， 发现传统方法均存在诊断准确率不高或算法运算量太大等不足。针对上述存在的 问题，提出了基于l c b p 的变压器故障诊断新方法，并详细介绍了算法的具体 实现步骤。仿真结果表明，l c b p 算法在减小运算量的同时有效地提高了变压器 故障诊断正确率，满足变压器故障在线监测的要求。本文中的基于s o f c 技术的 气相色谱系统和l c b p 故障诊断方法能对变压器的运行状态做出实时、准确的 监测和评估，为电厂、变电站运行人员进行变压器的维护和管理提供了可靠的依 据。 关键词：电力变压器，气相色谱，油中溶解气体分析，s o f c 检测器，l c b p a b s t r a c t p o w e rt r a n s f o l m e r sa r et h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n t si ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m a tp r e s e n t ，d i s s o l v e dg a sa n a l y z i n go nt r a n s f o r m e ro i li st h em a i nm e t h o du s e db y e l e c t r i cp o w e rd e p a r t m e n tt os e c u r ep o w e rt r a n s f o r m e r s s a f ea n ds t a b l er u n n i n g f i r s t l y , t h es t a t u s i nq u oo ft h eo n l i n em o n i t o r i n go ft h ep o w e rt r a n s f o r m e ri s d i s c u s s e d ，a n df i g u r e so u tt h a tl o wv e r a c i t yo ft h ed e t e c t o r , p o o re x a c t n e s so f q u a n t i t a t i v em e t h o d ，l o wc o r r e c t n e s sa n dl a r g ec a l c u l a t i o no fe x p e r ta l g o r i t h m a r et h e c h o k ep o i n tw h i c hr e s t r i c t st h ep o p u l a r i z a t i o no ft h ed g ao n l i n em o n i t o r i n g e q u i p m e n t s t h e n ，t h eb a s i cp r i n c i p a lo ft h eg a sc h r o m a t o g r a p h ya n di t sa p p l i c a t i o n o no n l i n et r a n s f o r m e rm o n i t o r i n gi si n t r o d u c e d ；t h ec o m m o ng a sc h r o m a t o g r a p h i c d e t e c t o rt e c h n i q u ei sa n a l y z e da n dc o m p a r e d a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o nr e q u e s ti n p r a c t i c e ，t h es o f cs e n s o r sw h i c ha r eu s u a l l yu s e d t om e a s u r et h eo x y g e na r e o r i g i n a l l yu t i l i z e dt od e t e c tt h ed i a g n o s t i cg a sd i s s o l v e di nt r a n s f o r m e ro i l al o to f t e s t sa r ei m p l e m e n t e d ，i n c l u d i n gb a s el i n et e s t ，g a ss e p a r a t i o nd e g r e et e s ta n d r e p e a t a b i l i t yt e s t ，t h ep a p e rc o m e st oac o n c l u s i o n ：w h e nt h ec o n v e n t i o n a lm e t h o do f p e a kh e i g h to rp e a ka r e ai s u s e dt oq u a n t i t a t et h es o f cd e t e c t o r , t h er e l a t i v e s t a n d a r dd e v i a t i o ni sl a r g e rt h a n5 0 ，w h i c hl e a d st oab i ge r r o r b a s e do nt h en e r n s t f u n c t i o na n ds o m et e n t a t i v ec o n d i t i o n s t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es o f cd e t e c t o r i se s t a b l i s h e df o rq u a n t i t a t i v ea n a l y s i st os o l v et h ep r o b l e mo ft h ee x a c t n e s s t h e e x a c t n e s se x p e r i m e n to fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o ni sc o n d u c t e d ，a n dt h er e s u l t ss h o w t h a tt h er e p e a t a b i l i t yw h i c hi se x p r e s s e db yr e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o no ft h em o d e l b a s e do nn e r n s tf u n c t i o ni sl e s st h a n1 0 a n dt h ee r r o ro fe x a c t n e s sj sl e s st h a n 1 6 5 ，w h i c hc o m p l i e sw i t ht h er e q u i r e m e n to ft h ed g ao n l i n em o n i t o r i n g e x p e r t a l g o r i t h m sw h o s ed i a g n o s t i cr e s u l t sa r ed i r e c t l yu s e db ys u b s t a t i o nw o r k e r st om a k e d e c i s i o n sa r eo n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t si nd g a o n - l i n gm o n i t o r i n gs y s t e m p r i n c i p l e s o ft h et r a n s f o r m e rf a u l t sw h i c hc a nb ee x p r e s s e db yd g ad a t ai se x p a t i a t e d ，a n dt h e u s u a lm e t h o do ft h et r a n s f o r m e rd i a g n o s i s l i m i t a t i o na r ea n a l y z e d a i m i n ga tt h e l i m i t a t i o nt h a tc o n v e n t i o n a lm e t h o dh a s ，a n df o rt h es a k eo fi n c r e a s i n gt h el e g i t i m a c y r a t i o nf o rd i a g n o s i so ft h ep o w e rt r a n s f o r m e rw h i l el e s s e nt h ec a l c u l a t i o n ，an e w a l g o r i t h mb a s e do nl i n e a rc l a s s i f i e ra n db pn e u r a l n e t w o r ki sp r o p o s e d ，w h o s e r e a l i z a t i o ns t e pi se x p a t i a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h en e wa l g o r i t h mp r o p o s e db y t h i sp a p e rc a ni m p r o v et h el e g i t i m a c yr a t i o ne f f i c i e n t l yw h i l et h ec a l c u l a t i o ni s r e d u c e dc o n s i d e r a b l y b yu s i n gt h eo n l i n es o f cc h r o m a t o g r a p h ye q u i p m e n t sa n d l c - b pd i a g n o s i sm e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e r , t h es t a t u so ft h ep o w e rt r a n s f o r m e r c a nb em o n i t o r e da n de v a l u a t e dr e a lt i m e ，w h i l ep r o v i d e sc r e d i b l eg i s tf o rt h ew o r k e r i nt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nt om a i n t a i na n dm a n a g et h ep o w e rt r a n s f o r m e r k e yw o r d s ：p o w e rt r a n s f o r m e r s ，g a sc h r o m a t o g r a p h y , d g as o f cd e t e c t o r , l c b p ， 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论。1 1 1 论文选题的意义与目的1 1 1 1 变压器故障的分类及其产气特征1 1 1 2 变压器油中溶解气体分析的必要性3 1 1 3 离线检测油中溶解气体的局限性3 1 1 4 变压器油中溶解气体在线监测的优势4 1 2 课题的国内外研究现状及背景- 4 1 2 1 高分子半透膜气液分离技术5 1 2 2 微量可燃混合气体分离与检测技术6 1 2 3 基于专家算法的故障诊断技术6 1 2 4 变压器油中溶解气体在线监测技术存在的问题7 1 3 论文的主要工作和章节安排8 第2 章气相色谱分析技术1 0 2 1 气相色谱法概述1 0 2 2 气相色谱技术在变压器故障监测中的应用。1 0 2 2 1 变压器故障监测方法概述1 0 2 2 2 气相色谱技术用于变压器故障监测11 2 3 气相色谱分离、检测与定量技术1 2 2 3 1 气相色谱法的基本原理1 2 2 3 2 色谱柱塔板理论及流出曲线方程1 3 2 3 3 气相色谱检测技术 。1 4 2 3 4 气相色谱定性及定量技术1 7 2 4 变压器油气相色谱分析装置2 1 2 4 1 变压器油中气体数据的获取2 1 2 4 2 气相色谱仪器系统2 1 2 4 3 变压器油中溶解气体专用分析模块氘2 2 2 4 4 数据采集与通讯分析模块：- 2 3 2 5 本章小结i 。i 三壶4 第3 章s o f c 检测器技术用于变压器故障特征气体测量2 5 3 1s o f c 燃料电池概述? 2 5 i i i 3 2s o f c 燃料电池测氧工作机理2 5 3 2 1 氧化锆的导电机制2 5 3 2 2 氧化锆测氧的数学模型2 6 3 3s o f c 燃料电池测量变压器油故障特征气体原理2 7 3 4s o f c 气相色谱法及其在d g a 分析中的应用2 8 3 5s o f c 的数学模型及定量方法研究3 0 3 6s o f c 实验结果及分析3 2 3 7 第4 章 4 1 4 2 4 。3 3 6 1s o f c 检测器基线测试实验3 2 3 6 2s o f c 检测器0 2 对其他组分的影响实验3 3 3 6 3s o f c 检测器重复性实验3 4 本章小结3 8 l c b p 算法应用于变压器故障诊断4 0 变压器油中气体反映故障的原理。4 0 变压器油中溶解气体数据的应用现状及存在的问题4 2 4 2 1i e c 三比值法用于变压器故障诊断4 2 4 2 2 灰色关联度分析用于变压器故障诊断4 4 4 2 3b p 神经网络用于变压器诊断4 4 4 2 4 现有变压器故障诊断方法存在的问题4 5 线性分类器与b p 网络联合诊断变压器故障4 6 4 3 1l c b p 算法原理4 6 4 3 2 实验结果分析。5 0 4 4 变压器故障诊断专家算法的发展方向5 2 4 。5 本章小结5 3 第5 章结论与展望5 4 5 1 总结5 4 5 2 展望5 5 参考文献5 6 致谢。6 1 攻读学位期间主要的研究成果。6 2 i v ， 硕上学位论文第一章绪论 1 1 论文选题的意义与目的 第1 章绪论 随着国民经济的发展，电力行业发展迅猛，电网规模和装机容量日益扩大， 对供电的可靠性和电能质量提出更高的要求【m 】。电力变压器作为电网中最重要 的设备，它的可靠性直接关系到电网能否正常、高效、经济的运行【4 羽。为了保 证电网的安全稳定运行，目前电力系统对电力变压器主要以定期检修的方式来避 免事故的发生。 1 1 1 变压器故障的分类及其产气特征 变压器是电力系统发、输、配电整个环节中重要的关键设备【7 1 ，若发生故障， 则会造成严重的经济损失。曾经在美国发生的西部大停电的事故，造成美国一半 以上的州停电7 5 个小时，经济损失超过八百亿美元。 大型电力变压器一般为油浸式变压器，它采用油纸绝缘，其主要绝缘材料是 绝缘油，绝缘纸。变压器的内部故障主要有热性故障和电性故障。对于变压器的 机械性能故障或嘴部进水受潮等潜伏性故障，最终仍将以热性或电性故障形式表 现出来【8 们。2 0 0 7 年i e c 新的导则：i e c 6 0 5 9 9 运行中矿物油浸电气设备溶解气 体和游离气体分析的解释导则阐明了变压器典型故障为6 种：即局部放电，低 能量放电，高能量放电，低温过热( t 3 0 0 0 c ) ，中温过热( 3 0 0 0 c t 7 0 0 0 c ) 。当变压器内部发生或存在潜伏性故障时候，在热和电的 作用下，变压器油和有机绝缘材料将逐渐老化和分解，产生少量各种低分子烃类 及c 0 2 ，c o 气体【1 0 d 。 1 1 1 1 变压器的热故障及其产气特征 过热故障指变压器内部局部温度超过了变压器的正常运行温度，并使绝缘材 料分解出气体。变压器过热只影响热源处变压器油的分解而不涉及固体绝缘材料 时，产生的气体主要是低分子烃类气体，其中c h 4 ，c 2 h 4 是特征气体，一般二 者总和占总烃的8 0 以上【1 2 l 。当故障点温度较低的时候，甲烷占的比例较大， 随着热点温度逐渐升高，乙烯的组分急剧增加，比例增大。氢气的含量与热源温 度也有密切的关系，一般说来，中高温过热时，氢气占氢烃总量的2 7 左右。 当涉及到固体绝缘的过热故障时，除了产生上述低分子烃类气体外，还产生 较多的c o 和c 0 2 ，并且随着温度的升高，二者的比值不断增大【1 3 】。对只限于局 部油区堵塞或散热不良的过热故障，由于过热温度较低并且过热面积较大，此时 硕上学位论文第一章绪论 变压器油的热解作用不大，因而低分子烃类气体较少。 1 1 1 2 变压器的电性故障及其产气特征 电性故障由变压器的绝缘劣化所引起，按照能量密度的不同，可分为局部放 电，火花放电及电弧放电等不同的故障类型”1 5 j 。 局部放电故障 局部放电是指油一纸绝缘结构中的气隙和尖端因绝缘薄弱，电场集中而发生 局部和重复性击穿现象。局部放电往往发生在一个和几个很小的空间，放电的能 量小，存在短时，并不影响设备的绝缘程度。局部放电故障是火花放电或电弧放 电故障的前兆，在设备在运行电压下，如果局部放电呈不断蔓延与发展趋势，这 些微弱的放电能量和由此产生的不良反应，可以缓慢损坏绝缘，最终发展到整个 绝缘被击穿。从产生局部放电的原因来看，引起局部放电的关键因素有四个：一 是导体和非导体的尖角毛刺；二是固体绝缘的空穴和缝隙中的空气以及油中的微 量气泡；三是在高电场下产生悬浮电位的金属物；四是绝缘体表面的灰尘和脏污。 发生局部放电时，其特征气体组分含量依放电能量密度不同而不同，一般总烃不 高。主要成分是h 2 ，通常占总气的9 0 以上，其次是c h 4 ，占总烃的9 0 以上。 当放电能量密度增高时，也会出现c 2 h 2 ，但在总烃中所占比例一般不超过2 ， 这是区别电弧放电和火花放电的主要标志。 一 火花放电故障 火花放电一般是低能量放电，即一种间歇性放电故障，在变压器、互感器、 套管中均可发生。火花放电常发生在不同电位的导体与导体、绝缘体与绝缘体之 间以及不固定电位的悬浮体中。另外，在电场极不均匀或畸变以及感应电位下， 也可能发生火花放电。火花放电时，其特征气体以c 2 h 2 和h 2 为主，因为它的障 能小，一般总烃含量不高，但油中溶解的c 2 h 2 在总烃中所占比例可达2 5 一9 0 ， c 2 h 4 含量约在总烃的2 0 以下，h 2 占总烃气体含量的3 0 以上。火花放电除了 产生总烃类气体外，与热故障一样，只要有固体绝缘介入，也会产生c o 和c 0 2 。 电弧放电故障 电弧放电是一种高能量放电，以线圈匝、层间击穿为主要故障模式，其次是 引线断裂或对地闪络和分接开关飞弧等。其特点是产气急剧而且量大，尤其是匝、 层间绝缘故障，因无先兆，一般难以预测，最终以突发性事故暴露出来。电弧放 电故障时，其故障特征气体主要是c 2 h 2 和h 2 ，其次是大量的c 2 h 4 ，c h 4 。由于 电弧放电故障速度发展很快，往往气体还来不及溶解于油中就聚集到气体继电器 内，因此油中溶解气体组分含量往往与故障点位置，油流速度和故障持续时间有 很大关系。一般c 2 h 2 占总烃2 0 一7 0 ，h 2 占总烃气体的3 0 9 0 ，绝大多数 情况下c 2 h 2 高于c h 4 ，在涉及固体绝缘时，气体继电器中的气体和油中气体的 2 硕士学位论文 第一章绪论 c o 含量较高。当油中气体中c 2 h 2 含量占主要成分并且超标时，很可能是变压 器绕组短路或分接开关切换产生弧光放电所致，如果其他成分没有超标，而c 2 h 2 超标且增长速率较快，则可能是变压器内部存在高能放电故障。 1 1 2 变压器油中溶解气体分析的必要性 据统计，截止到2 0 0 1 年底，我国在运行中的1 1 0 k v 及以上电压等级的油浸 式变压器、互感器和并联电抗器已超过1 4 5 万台，并以约8 的年增长率递增【1 6 】。 这些高压电力设备在输配电过程中起着关键作用，可靠性极其重要。然而，上个 世纪7 0 年代开始逐步投入使用的这些高压设备，其事故发生概率随投运年限的 增长而增大。 为确保变压器及其它充油电气设备的安全运行，电力部门采用了各种不同的 监测方法，其中以利用气相色谱法检测油中溶解气体最为有效【协1 8 l 。绝缘油在热 和电的作用下，分解出氢气、一氧化碳以及多种小分子烃类气体，设备内部故障 的类型及严重程度与这些气体分子的组成及产气速率有着密切关系。目前气相色 谱方法监视设备的运行和判断设备内部故障，已成为充油电气设备安全运行不可 缺少的手段1 1 9 。2 1 1 。 1 1 3 离线检测油中溶解气体的局限性 检修是保证电力设备正常运行的必要手段。几十年来我国高压电气设备的技 术管理一直采用的是“设备预防性试验+ 设备计划性大修 的维护方式【珏2 3 1 。对 于油中气体分析，现在电力部门一般采用离线的气相色谱法检测油中溶解气体， 操作过程为：取油样一油气分离一色谱分析【2 4 】，由于操作环节多，操作手续繁琐， 也就不可避免地引入较大的试验误差。首先，“取气过程 可能造成特征气体的 丢失：电力系统工作人员要赴现场取油样，由于当地的气候，温度，湿度等原因 的影响，取出的油品的含量很可能是不一致的。氢气由于分子量远远低于其他气 体，被“挤”在混合气体的最上层，非常容易丢失。其次，“脱气过程 造成的 误差，实验室离线检测手段的脱气过程采用震荡脱气法。震荡脱气法是把从变压 器本体中取出来的油样直接放在震荡装置中，在恒温的条件下冲入氮气进行震 荡，从而用氮气将溶解在油品中的气体置换出来的方式取气。由于每次控制的条 件受到人为因素的影响，加之每次氮气置换的程度不一致，所以误差也比较大。 再次，离线检测手段由于受到计划检修的影响，对于发展较快的故障的检测感到 不够及时，难以充分发挥它的作用。对于某些发展快的变压器故障，要么检测不 到，要么检测出来的时候已经发展成为重大灾难性事故了。2 0 0 0 年6 月，广东 清远某2 2 0 k v 变电站1 号主变发生爆炸，造成多名人员伤亡的重大事故，事故 3 硕士学位论文第一章绪论 发生的时间正好处在两次离线检修之间。 由此可以看出，过去的设备计划性检修方式已与现在的电力生产不相适应， 有必要采用电力设备状态检修的手段【2 5 猫1 ，而实现状态检修的前提便是发展变压 器油中溶解气体在线检测技术。 1 1 4 变压器油中溶解气体在线监测的优势 变压器油中溶解气体在线监测方式较离线检测而言，有着如下的优势： 减轻人力负担，节省检修费用 我国有一半以上的变电站建在交通不便的偏远地区，需要进行预防性试验 时，电力部门就会出动大量的人力物力到现场取油样，费用开销较大。d g a ( d i s s o l v e dg a sa n a l y s i s ) 在线监测设备可以减少电力系统人员定期到偏远变电 站出差，监测设备将自动地把监测结果定期传到控制室。 人为的误差操作小 变压器油中溶解气体在线监测装置的控制系统是由微型计算机实现，进油， 回油，油气分离，气体检测等环节都是通过计算机控制监测装置自动完成，没有 人为干预，大大的减小了误差。 实时监测变压器运行状况 在线监测设备的最大的好处是可以实时分析油中溶解气体数据，并且在第 一时间上传到电站的d c s 系统。根据事先的设定，在线监测装置可以实现最小 监测周期为1 个小时的循环跟踪监测，从而避免了离线检测方法由于检修时间间 隔长而不能及时发现变压器潜伏性故障的缺陷。 反映运行趋势，预测可能发生的故障 根据需要，可以按照上级部门的要求操纵计算机定时采集分析油中溶解气体 的数据。由于采样数据时问间隔准确，不仅能够反映出变压器的运行趋势，而且 可以给定标、数据拟合等工作带来极大的方便。通过在线检测所得到的数据，结 合专家算法，很容易判断变压器运行趋势，从而预测变压器可能发生的故障。 1 2 课题的国内外研究现状与背景 在国外，早在二十世纪七十年代就已经开始了对变压器油中溶解气体在线监 测装置的研究，如加拿大s y p r o t e c 公司研制的h d y r a n 在线监测仪是世界上最 早的在线监测系统，其代表产品h d y r a n 2 0 1 r 的监测周期为2 4 小时，监测对 象主要是h 2 ，其响应是1 0 0 ，由于膜的渗透特性和检测器响应特性的限制，对 c o 仅有1 5 的响应值，c 2 h 2 约8 ，c 2 h 4 约1 ，所以是一种以氢气为主的可 燃气体监测仪。随着在线监测技术的发展，类似h d y r a n 只监测一种或几种气 4 硕上学位论文 第一章绪论 体总含量的产品已不能满足电力部门的技术要求。近年来，国外公司已经开发出 全组分气体在线监测装置，影响力较大的有美国s e r v e r o n 公司的t m 8 在线监测 系统，英国k e l m a n 公司t r a n s f i x 系列在线监测系统，加拿大b r a v t e c h 公司的 t a m v i 在线监测系统等。在国内，对变压器油中溶解气体在线监测的研究起步 较国外晚，是最近十几年才开始研究，目前占有一定市场份额的产品有宁波理工 在线监测科技股份有限公司的m g a 系列产品，河南中分仪器有限公司的中分 3 0 0 0 色谱在线监测系统，上海思源电气股份有限公司的t r o m 6 0 0 变压器油色 谱在线监测系统等，上述产品均是监测油中溶解气体的六组分可燃气体：h 2 ， c o ，c n 4 ，c 2 h 4 ，c 2 h 6 ，c 2 h 2 。 1 2 1 高分子半透膜气液分离技术研究现状 目前，油中溶解气体在线监测装置在中国的应用正逐步扩大，其核心技术之 一是油气分离，即将溶解于油中的变压器故障特征气体( h 2 、c h 4 、c 2 h 6 、c 2 h 4 、 c 2 h 2 、c o 、c 0 2 ) 分离出来。从7 0 年代开始到现在，使用过的油气分离方法有 全自动真空进样、鼓泡法、动态顶空脱气、振荡脱气和膜分离等方法。前3 种方 法的装置结构复杂，操作步骤繁琐，目前较少采用。振荡脱气法是2 0 世纪7 0 年代术由我国提出并研究成功的一种脱气方法。它实际上是一种“部分沈脱法”， 此方法的优点是仪器设备简单，操作方便，重现性好，灵敏度高，目前是我国制 定的标准中首选的方法，并在全国电力部门得到普遍使用。这种方法不足之处是 只适合于离线测量，且计算各种气体浓度时需引入气体分配系数( o s t w a l d 系数) 。 ，膜分离方法结构简单，且不浪费变压器油，适合于在线应用，是目前大多数在线 监测系统所采用的脱气方法【2 乳3 1 】。 适合于油气分离的膜是致密高聚物膜，要求耐油、耐压、耐高温( 1 0 0 0 c ) 、 透气性好。目前使用较多、有代表性的油气分离膜有如下3 种： 聚四氟乙烯膜：在早期的在线监测仪中应用较多，如加拿大s y p r o t e c 公司 的h y d r a n 在线h 2 监测仪，在国内已安装了近千套。 聚全氟乙丙烯：是一种改性的聚四氟乙烯，又称f 4 6 ，其渗透性优于聚四 氟乙烯，国内宁波理工在线监测股份有限公司采用即是f 4 6 膜，已在国内很多 变电站现场运行。 聚四氟乙烯毛细管( g p l 0 0 ) ：是m o r g a ns c h a f f e r 公司的集气装置，国内 也有在线监测仪采用g p l 0 0 来实现全部故障特征气体的油气分离。 目前，高分子聚合物薄膜已经成为油气分离应用方面一种具有很好前景的技 术，但是还有一些问题需要解决。如现有在线监测系统膜分离的主要问题是响应 时间太长，一般都是几天以上，而变压器故障从发生到发展有时不到1 天时间， 5 硕十学位论文 第一章绪论 这样就不能及时发现故障。而且，油气平衡时问太长，也对气室密封性提出了很 高要求。若气室密封性不够好，将直接影响测量结果。另外，各种气体的膜分离 平衡时间差别很大，例如c 2 h 6 的平衡时问可能比h 2 长几天。当油中溶解气体 浓度变化时，监测仪测得的气体组分比例并不是真实值，容易导致误判。所以， 油气分离膜是现有在线监测仪误差的主要来源之一，仍然需要继续研究。 1 2 2 微量可燃混合气体分离与检测技术研究现状 故障气体的检测是实现油中溶解气体在线监测的另一项关键技术，有几个难 点需要突破【j 引，第一，故障气体微量，一般是几个到几百肼饥，从而要求检测 器具有很高的精度。第二，故障气体都为可燃气体，而且其中的几种性质相近， 所以必须先分离后检测，否则可能存在互相“交叉影响 的问题。所以，选择合 适的分析方法和气体检测器是实现在线分析的关键所在。目前，一般的研究思路 是采用传感器阵列同时检测所有组分气体和采用气相色谱分析方法先分离混合 气体然后进行检测。由于传感器阵列存在交叉敏感的问题，所以目前市场上获得 主流应用的产品基本上都是采用气相色谱分析方法，如美国s e v e r o n 公司的 t m 8 ，宁波理工在线监测设备有限公司的m g a 系列，河南中分仪器设备有限公 司的中分3 0 0 0 系列，北京华电云通电力技术有限公司的m t 6 0 0 0 系列等。 鉴于既能实现分离又能实现检测的气相色谱分析方法是首选的分析方法，则 d g a 在线监测主要的难点在于选择合适的检测器【3 3 j 。目前，应用较广的检测器 是氢火焰检测器( f i d ，f l a m ei o n i z a t i o nd e t e c t o r ) 和热导池检测器( t c d ，t h e r m a l c o n d u c t i v i t yd e t e c t o r ) 。f i d 灵敏度高、反应速度快，在离线测量中获得了广泛 的应用1 3 4 。，但是由于f i d 检测器需要h 2 点火，若用于在线监测则存在这诸多不 便，如点火的可靠性不高，氢气压缩钢瓶放在变电站存在很大的安全隐患等。另 一个应用较广的检测器是t c d ，它利用各种气体的导热系数不同的原理制成， 优点是结构简单，稳定性好，且对所有气体都有响应，缺点是灵敏度低，目前文 献报道的最好的t c d 对c 2 h 2 的最小检测限对为靴肌，对c o 为1 0 吮饥。其 中，美国s e r v e r o n 和河南中分仪器设备有限公司均是采用基于m e m s ( m i r c o e l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ) 技术的t c d ，他们的检测器均为自家生产，由于技术 的商业保密性，上述公司并不对外单独销售检测器。 1 2 3 基于专家算法的变压器故障诊断技术研究现状 随着变压器油中溶解气体在线监测装置在国内的逐渐普及，状态监测将是电 力行业发展的方向。要实现状态监测和状态检修，另一项关键技术即是故障诊断 技术。目前，利用变压器油中溶解气体分析数据进行故障诊断的技术主要有i e c 6 硕十学位论文第一章绪论 - - l t , 值法【3 5 】、灰色关联度理论【3 6 】、神经网络理论【3 7 】等。 i e c 三比值法是目前国际上通用的用于判断变压器故障类型的一种方法，它 最早由国际电工委员会( c ) 在热力动力学原理和实践的基础上推荐的。其原 理是根据充油电气设备内油纸绝缘在故障下裂解产气组分含量的相对浓度与温 度的相互依赖关系，从5 种气体中选择两种溶解度和扩散系数相近的气体组分组 成三对比值，以不同的编码表示，根据比值的编码判断变压器所属的故障类型。 目前，我国国家标准d i v 7 2 2 2 0 0 0 推荐使用改良的三比值法。 灰色理论( g r e yt h e o r y ) 中灰色关联度分析是一种分析方法，它是利用关 联度大小来描述事物之间、因素之间关联程度的一种定量化方法。它以系统的定 性分析为前提、定量分析为依据，进行系统因素间或各系统行为问曲线相似性的 关联分析。文献 3 5 禾t j 用灰色系统理论中的灰关联度进行变压器故障诊断的探 索，理论应用实例证明了灰色故障诊断的可行性与有效性。 神经网络( n e u r a ln e t w o r k ) 是从人们模仿人脑的工作机理中抽象出现来的一 种数学模型，它是一个非线性信息处理系统，由许多个人工神经元互连而成，人 工神经元是信息处理单元，整个神经网络可以完成复杂的信息处理过程。神经网 络通过训练算法学习隐含在训练样本中的知识，通过网络的阈值和权值来表征， 然后利用学习到的知识进行相应的应用。由于变压器油中溶解气体的形成涉及复 杂的机理，而且与电、热、机械等方面的作用互相耦合，通过理论的方法无法完 全精确的确定从变压器油中溶解气体到变压器所属故障类型即严重程度之间的 映射关系。多层前馈神经网络具有形成线性映射、自学习、自适应等优点，非常 适合于逼近故障特征气体浓度到故障类型的映射。文献【3 7 】是神经网络方法在变 压器故障诊断方面的典型应用。 除了以上三种主要的故障诊断方法外，还有其他的一些智能方法在变压器故 障诊断中存在着一定的应用，如遗传算法、数据挖掘、信息融合、模糊理论、粗 糙集理论等，但研究的并不系统，而且各单独的一种智能方法不可避免存在着局 限性，将各种方法结合使用以提高变压器故障诊断的正确率是故障诊断方法发展 的必然趋势1 3 8 j 。 1 2 4 现有变压油中溶解气体在线监测技术存在的问题 目前，国家电网公司已经出台相关政策，将智能电网项目摆上了议事日程， 状态检修将是以后的电力设备检修的必然趋势。具体到变压器油中溶解气体在线 监测装置，其在国内的应用属于起步阶段，还没有实现大规模的普及，主要原因 如下： 1 目前油气分离大都采用高分子半透膜的形式，其优点是变压油可以循环利 7 硕十学位论文 第一章绪论 用，不浪费变压器油。但是高分子半透膜也存在诸多问题需要继续解决，最主要 的是平衡时间的问题。目前，相关在线监测厂商报道的高分子半透膜的油气平衡 时间至少需要2 天，有的甚至需要7 天，如此长的平衡时间其监测实际上是一种 间断式监测，不仅影响油中溶解气体数据的准确定量，而且对及时跟踪发现变压 器故障带来诸多不便。 2 气体检测器的精度有待进一步提高。目前普遍采用的t c d 检测器虽然稳 定性好，但灵敏度低，其对关键特征气体c 2 h 2 的最小检测限为瓤玑( 美国 s e r v e r o n 公司的t m 8 ) ，而国标规定c 2 h 2 超过l i l 即要引起注意，所以t c d 对c 2 h 2 的最小检测限明显不够。另外，一般的气相色谱分析采用的载气为价格 相对便宜的n 2 ，而混合气体中c o 、c 2 h 6 、c 2 h 4 、c 2 h 2 的导热系数与n 2 相近， 需要使用其他较为昂贵的惰性气体( 如氦气) ，增加了系统成本，不利于大规模 普及。f i d 灵敏度高，对c 2 h 2 的最小检测限可以达到0 1 l l ，但需要h 2 ，n 2 ， 纯净空气三种气体，而且不能检测h 2 ，对c o 、c 0 2 的检测也需要另加转化炉， 增加了系统的复杂性。另外，f i d 需要在线点火，这会导致一系列问题。首先， 在线点火的可靠性不高。其次，点火需要在变电站现场放置高压氢气压缩钢瓶， 存在着安全隐患，这是变电站明令禁止的。所以，寻求灵敏度高，可靠性好，寿 命长的气相色谱检测器仍然是变压器油中溶解气体在线监测装置大规模推广需 要解决的问题。 3 变压器故障诊断的准确性需要进一步提高。目前，i e c 三比值法，灰色关 联度分析，神经网络理论等，已经在变压器故障诊断中获得了较为成功的应用， 但由于大型电力变压器是一个十分复杂的系统，其故障现象和故障机理之间具有 很大的不确定性，故障与征兆之间的关系模糊复杂，很难通过建立精确的数学模 型来描述，所以上述方法也还存着一些缺陷和不足，如i e c 三比值法存在比值 编码缺失、无法诊断故障的情况，狄色关联法存在局部关联、信息损失等问题， 神经网络方法存在网络结构较难确定、学习训练时问长、算法运算量大等问题。 为了解决上述问题，进一步提高变压器故障判断的准确性，提高正判率，基于 d g a 数据分析的变压器故障诊断技术仍然需要继续研究。 1 3 论文的主要工作和章节安排 由上节讨论可知，目前的变压油