（农业机械化工程专业论文）油浸式变压器绝缘在线监测系统研究.pdf

华中农业大学学位论文独创性声明及使扇授权 学位论文 如需保密，解密时间年 月日 是否保密 独创性声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。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做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生始呆- r 瓤帆2 小年6 月彳日 学位论文使用授权书 本人完全了解华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须按照学 校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电子版， 并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。本人同意华中农业大学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，并授权中国科学技术信息研究所和北京万方数据股份有限公司将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权力。 注：保密学位论文( 即涉及技术秘密、商业秘密或申请专利等潜在需要提交保密的论 文) 在解密后适用于本授权书 槲鲐 累妥斌钠张么p 砂割 v ， 签名日期：) 。f c 年b 月7 日 签名日期：洌d 年莎月日 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 目录 目录 摘| 荽。i a b s t r a c t i i 第l 章绪论l 1 1 本课题的目的及研究意义l 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 变压器油中气体在线监测研究现状3 1 2 2 变压器局部放电研究现状7 1 3 本课题主要研究内容9 1 4 本课题创新点9 第2 章变压器油中气体在线监测研究1 0 2 1 变压器油中气体产生的机理1 0 2 2 气相色谱检测气体原理1 0 2 3 油中气体在线监测系统1 1 2 3 1 油循环及油气分离系统1 2 2 3 2 组分气体定量1 2 2 3 3 组分气体的分离1 3 2 3 4 各组分气体的检测1 4 2 3 5 数据采集及控制系统的设计1 5 2 4 在线监测装置设计方案1 6 2 5 本章小结。1 8 第3 章变压器局部放电在线监测研究。1 9 3 1 引言1 9 3 2 局部放电的放电特征分析1 9 3 3 超声波定性检测局部放电2 0 3 3 1 声测法检测原理2 0 3 3 2 超声波传感器2 1 3 3 3 三角定位法进行放电源定位2 1 3 4 脉冲电流法定量检测2 2 3 4 1 脉冲电流法检测原理2 2 3 4 2 放电量的测量及干扰处理。2 3 3 4 局部放电监测系统的设计2 4 华中农业大学硕士学位论文 3 4 1 总体结构2 4 3 4 2 现场控制及预处理。2 5 3 5 本章小结2 6 第4 章变压器绝缘故障诊断2 7 4 1 变压器内部故障类型与油中气体含量的关系2 7 4 1 1 变压器内部故障类型2 7 4 2 油中气体分析及故障诊断2 8 4 2 1 域值诊断法2 8 4 2 2 三比值法3 0 4 2 3 大卫三角形法3 1 4 2 4 支持向量机法。3 3 4 3 本章小结3 6 第5 章在线监测软件系统设计3 7 5 1 系统的总体结构3 7 5 2 数据采集系统控制结构3 8 5 2 1 现场装置控制层3 8 5 2 2 变电站控制层3 9 5 2 3 主站系统设计4 2 5 3 本章小结4 3 第6 章总结与展望。4 4 6 1 总结4 4 6 1 展望4 4 参考文献4 6 致谢4 9 附蜀之。5 0 摘要 摘要 变压器是电力系统的关键设备之一，其能否正常运行直接关系到输变电系统的 稳定。对变压器绝缘的在线状态监测，可以随时了解变压器内部绝缘性能，给变压 器检修工作和检修计划提供可靠的依据。这对降低设备故障率、提高设备运行可靠 性水平、节约检修费用，提高企业绩效等发挥了重要作用。目前变压器的在线状态 监测已成为当前的热门研究课题。 论文介研究了油浸式变压器油中气体和局部放电的监测技术，着重介绍了油中 气体在线监测和局部放电监测方法和原理，以及相应的硬件结构设计，对监测数据 的结果处理和故障诊断技术进行了初步的研究，同时介绍了变压器监测的软件系统 架构。 第一章首先提出了研究变压器绝缘在线监测的目的和重要意义，分别对油中气 体和局部放电国内外在线监测技术的发展、应用进行了阐述，着重介绍了目前在线 监测的方法和原理，最后提出了课题的研究内容对油浸式变压器主要的两类绝 缘故障类型产生的机理、特性分析，完成监测装置初步的设计研究，构建一套变压 器状态量的监测系统；第二章详细介绍了变压器油中气体产生的机理，采用气相色 谱法对油中气体含量的实时监测。着重对油气分离技术，组份气体的分离和定量技 术，传感器检测技术，及硬件控制方案进行了研究；第三章对局部放电在线监测进 行了研究，介绍了变压器局部放电产生的机理，对局部放电的放电特性进行了分析。 采用超声波技术进行局部放电的定性监测，并介绍了三角定位法进行放电源的定位。 采用脉冲电流法进行定量检测，研究了脉冲电流法的检测原理和对干扰信号的处理。 第四章研究变压器绝缘在线的故障诊断技术和对变压器油中气体监测数据的处理。 采用常规的阈值诊断法、改良三比值法和大卫三角形法对油中气体含量进行分析， 得到处理的故障诊断结果。最后介绍了支持向量机的方法的故障诊断数学原理，并 对样本数据进行故障分析。第五章介绍变压器在线监测的软件系统，对数据通信和 传输结构进行分析，采用分层分布式结构，可分为现场装置控制层，变电站控制层， 数据中心层，对每个层面的设计原理进行了分析。第六章对本系统的设计过程及所 做的工作进行了总结，并提出了改进意见。 关键词：变压器；绝缘；在线监测；油中气体；局部放电；故障诊断 华中农业人学硕士学位论文 a b s t r a c t p o w e rt r a n s f o r m e ri so n eo fk e ye q u i p m e n ti np o w e rs y s t e m ，w h e t h e ri t r u n s p r o p e r l yd i r e c t l yr e l a t e dt ot h es t a b i l i t yo fp o w e rt r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o n o n - l i n e c o n d i t i o n m o n i t o r i n g o ft r a n s f o i t l l e ri n s u l a t i o nc a nf i n do u tt r a n s f o r m e ri n t e r n a l i n s u l a t i o na ta n yt i m e ，p r o v i d i n gr e p a i rw o r ka n dm a i n t e n a n c ep l a n sw i t hr e l i a b l eb a s i s ， w h i c hc a nr e d u c ee q u i p m e n tf a i l u r er a t e s ，i m p r o v e e q u i p m e n tr e l i a b i l i t yl e v e l ，s a v e m a i n t e n a n c ec o s t sa n dp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nr a i s i n ge n t e r p r i s ep e r f o r m a n c e n o w o n l i n ec o n d i t i o nm o n i t o r i n go ft r a n s f o r m e rh a sb e e nt o pr e s e a r c ht o p i c sc u r r e n t l y t h i sp a p e rd or e s e a r c ho nt h em o n i t o r i n gt e c h n i q u e sa b o u tg a si no i la n dp a r t i a l d i s c h a r g e ，i ts t r e s s e so no n - l i n em o n i t o r i n go fg a sa n dp a r t i a ld i s c h a r g em o n i t o r i n g m e t h o d sa n dp r i n c i p l e s ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gh a r d w a r es t r u c t u r a ld e s i g n ，a l s oc a r r i e do u t ap r e l i m i n a r ys t u d yo nt h er e s u l t p r o c e s s i n go fm o n i t o r i n gd a t aa n df a u l td i a g n o s i s t e c h n o l o g y ，a n da l s oi n t r o d u c e dat r a n s f o r m e rm o n i t o r i n gs o f t w a r es y s t e ms t r u c t u r a l c h a p t e r o n ep r e s e n t e dt h eo n - l i n e m o n i t o r i n g o ft r a n s f o r m e ri n s u l a t i o n p u r p o s e a n d s i g n i f i c a n c e ，i n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft r a n s f o r m e ro n - l i n em o n i t o r i n gt e c h n i q u e a th o m ea n da b r o a d ，s p e c i a l l yp r e s e n t a t et h ec u r r e n tl i n em o n i t o r i n gm e t h o d sa n d p r i n c i p l e s ，f i n a l l y r a i s e st h ep u r p o s ea n dr e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo ft h i s s u b j e c t - m a k i n ga n a l y s i so nt h eg e n e r a t i n g m e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i co fm a i nt w ot y p e so fo i l i m m e r s e dt r a n s f o r m e ri n s u l a t i o n f a u l t ， a c c o m p l i s ht h ed e s i g no ft h ei n i t i a lm o n i t o r i n gd e v i c e ，s e tu ps y s t e mo ft r a n s f o r m e rc o n d i t i o n m o n i t o r i n g ；c h a p t e rt w oi n t r o d u c e st h er e a s o n so fg a sg e n e r a t i o ni nt r a n s f o r m e ro i l ，a n dt h er e a l - t i m e m o n i t o r i n go ft h eg a sc o n t e n ti no i lw i t hg a sc h r o m a t o g r a p h y i ts t r e s s e so nt h er e s e a r c ho ft h eo i la n d g a ss e p a r a t i o nt e c h n o l o g y , c o m p o n e n tg a ss e p a r a t i o na n dq u a n t i t a t i v et e c h n i q u e s ，s e n s o rd e t e c t i o n ， a n dh a r d w a r ec o n t r o l ；c h a p t e rt h r e ed ot h er e s e a r c ho nt h er e a l t i m em o n i t o r i n go fp a r t i a ld i s c h a r g e i l l u s t r a t e st h er e a s o n so ft r a n s f o r m e r , a n a l y z et h ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i e so ft h ep d u l t r a s o n i c t e c h n o l o g yt om o n i t o rp a r t i a ld i s c h a r g eq u a l i t a t i v e ，a n dp r e s e n t et r i a n g u l a t i o nm e t h o d o ff i xo nt h ep o w e ro f p o s i t i o n i n g u s i n gp u l s ec u r r e n tm e t h o df o rq u a n t i t a t i v ed e t e c t i o n d or e s e a r c ho nt h ep r i n c i p l eo ft h ep u l s ec u r r e n tm e t h o d ，a n dp r o c e s s i n go fi n t e r f e r e n c e s i g n a l ；c h a p t e rf o u rd or e s e a r c ho nt r a n s f o r m e ri n s u l a t i o nf a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g ya n dt r a n s f o r m e r o i lg a sm o n i t o r i n gd a t ap r o c e s s i n g i n t r o d u c e st h eo n l i n ef a u l td i a g n o s i st e c h n i q u ef o rt h et r a n s f o r m e r i n s u l a t i o n ，w h i c hf o c u so nt h r e s h o l dd i a g n o s t i c s ，i m p r o v e dt h r e e - r a t i om e t h o da n dd a v i dt r i a n g l e m e t h o dt oa n a l y z eg a sc o n t e n ti nt h eo i la n dg a i n e df a u l td i a g n o s i s ，f i n a l l y , i i n t r o d u c et h es u p p o r t v e c t o rm a c h i n em e t h o do ff a u l td i a g n o s i so fp r i n e i p i am a t h e r n a t i c a ，a n df a u l ta n a l y s i sw i t ht h es a m p l e d a t a ；c h a p t e rf i v ed e s c r i b e st h es o f ts y s t e mo fo n - l i n em o n i t o r i n g ，a n a l y s ed a t ac o m m u n i c a t i o na n d 摘要 t r a n s m i s s i o n s y s t e mi sh i e r a r c h i c a la n dd i s t r i b u t e ds t n l c t u r e ，w h i c hi sc o m p o s e do fo n s i t ed e v i c e c o n t r o ll a y e r , t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nc o n t r o ll a y e ra n dd a t ac e n t e rl a y e r m o r e o v e ri tp a r t i c u l a r l y a n a l y s e sd e s i g np r i n c i p l e so ne v e r yl a y e r ；c h a p t e rs i xs u m m a r i z e sd e s i g np r o c e s so nt h es y s t e ma n d a nw o r k s p r o p o s e si m p r o v e m e n ti d e a s k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e r ；i n s u l a t i o n ；o n - l i n em o n i t o r i n g ；g a si no i l ；p a r t i a ld i s c h a r g e ；f a u l t d i a g n o s i s 绪论 第1 章绪论 1 1 本课题的目的及研究意义 电力是社会经济发展的重要动力，是国民生产中不可缺少的生产资料和生活资 料，其可靠性和稳定性应得到保证。随着社会经济发展，用电需求日益剧增，这就 要求电网能够适应大负荷的运行需要。我国电网已经步入了大电网、大机组、超高 压化、高度自动信息化的阶段( 杨廷方，2 0 0 8 ) ，正在向特高压，坚强的智能化电网 迈进。国家电网公司和南方电网公司的电网发展规划显示，今后五年，我国电网建 设总投资将超过1 万亿元( 徐其惠，2 0 0 8 ) 。2 0 1 0 年跨区输电能力将达到4 0 0 0 多万 千瓦、输送电量1 8 0 0 多亿千瓦时( 杨廷方，2 0 0 8 ) ，一个西电东送、南北互供、全 国连网的电网格局正在形成。我国已经从一个间歇式供电发展到基本满足社会需求 的持续供电阶段，“十一五 期间，国家电网的建设费用超过1 1 0 0 多亿元，重点 建设了一大批超高压，特高压输变电工程如：锦屏一苏南4 - 8 0 0 千伏特高压直流输 电工程；1 0 0 0 k v 淮南上海( 皖电东送) 输变电工程；西北( 宁东) 华北( 山东) 4 - 6 6 0 千伏直流输电工程；向家坝上海8 0 0 k v 特高压直流输电示范工程等。除此 之外，还有大量3 3 0 千伏、2 2 0 千伏输变电工程加入其中，这必将使我国大型变电 站的建设空前繁荣。在这样的负荷下，需要可靠的电力设备保障电网的安全稳定的 运行。 我国电网相对发达国家虽然起步较晚，但一直重视对电力设备的运行状态监测， 从上个世纪5 0 年代起学习前苏联的预防性计划检修制度，按照事先规定的时间进行 停电检测，这种检修体制在我国沿用了4 0 多年，在结合我国电网实际的基础上，形 成了的一套完整的计划检修体制。电力部门按照规定的规程确定检修的项目、周期， 从而完成对设备的定期维护。这种计划检修体制对电力设备的运行维护起到了积极 作用，但通常还是有些事故还是会发生在两次检修时间之间，就需要进行故障的维 修处理，长期的工作经验表明预防性计划检修制度有它的局限性。 ( 1 ) 从安全的角度来讲，电力设备检修需要有专业的技术人员，但由于电力设 备更新速度很快，高新技术也不断被应用于新的设备中，因此要保持一支高水平的 检修队伍相当不易，这给电力系统的安全运行埋下了隐患( 黄德祥，2 0 0 4 ) 。 ( 2 ) 从经济角度看，定期试验和检修均需在离线的环境下实施，不仅可能造成 直接和间接经济损失，而且增加了大量人力物力的投入。 ( 3 ) 从技术角度分析，预防性试验多数项目在停电的环境下检测，但某些设备 状态在停电和运行过程中工况截然不同，在一定程度上预防性试验结果的有效性不 能得到保证，不能反映设备的真实运行状态，而且绝缘的劣化和缺陷总有一定的潜 华中农业大学硕士学位论文 伏和发展时间。随着电力工业和科学技术的发展，这种预防性检修显然无法满足坚 强智能化电网的需求。 作为电力系统中的一个关键设备，变压器的良好运行对电网安全具有重要的意 义( 何建宁和杨吉仁，2 0 0 4 ) 。随着输变电压等级的不断提升，变压器稳定运行，直 接关系到大面积的用电安全。近年来，国产电力变压器，尤其是高电压、大容量产 品，在采取改进绕组的结构设计和完善工艺方案等措施后，其稳定性能己经有了较 大的提高，但随着系统容量的日益扩大，变压器安全运行指标不断提高，电力变压 器稳定性能的提高还远未达到尽如人意的程度( 李沿，2 0 0 5 ) 。电力系统由于变压器 故障导致的事故仍时有发生，如果一台大型电力变压器出现故障，则很可能导致大 面积停电，其修复期一般要半年以上，不但花费巨大，而且影响面很广。无论从全 国，还是区域电网的统计数据都表明，变压器故障率最大的部位是变压器的内绝缘， 主要故障特点是变压器绝缘老化严重、运行环境恶劣、变压器制造质量有问题( 陈 伟根，2 0 0 3 ) ，变压器的故障率也随着额定电压的增高而增加。2 2 0 k v 及以上变压 器其故障率达到百台年几次，而配电变压器则在千分之几的数量级，3 5 1 1 0 k v 变 压器的故障率则在这两者之间。 众多资料表明导致变压器故障的主要原因是其绝缘性能的劣化。例如对我国 1 9 9 0 年期间的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7 6 和总事故容量的6 5 ( 杨帆，2 0 0 8 ) 。1 9 9 7 年1 月至 2 0 0 0 年9 月的统计表明，各电压等级变压器故障分布情况如下：3 5 k v 占2 9 ，1 1 0 k v 占4 7 ，2 2 0 k v 占1 9 ，3 3 0 k v 占2 ，5 0 0 k v 占3 ，高压套管故障率为2 2 ：绕组 故障率为1 6 ；上述故障绝大部分是因绝缘故障引起的。资料表明，这些故障中的绝 大部分可以通过现有的监测手段和预测诊断措施提前查出并加以解决。 上世纪八十年代以来，随着电力电子技术的不断进步，传感技术、计算机技术、 光纤技术、信息处理等技术的发展并向各领域的渗透，电力系统也广泛应用了这些 先进的科研成果使电气设备的在线监测技术走向实用化阶。国内外在带电测量技术 的基础上，发展起- i - j 新的监测技术在线监测技术。采用这一技术不仅能够对 被监测设备的绝缘参数实时或定时进行测量，及时发现电气设备的早期绝缘缺陷， 同时由于能及时反映绝缘的劣化程度，以便及早的采取相应预防措施，避免停电事 故的发生( 孟庆新，2 0 0 7 ) ，也能避免传统试验对电气设备由于“过度检修 所造 成的巨大损失，有效地延长设备的使用寿命，使设备检修实现优化配置。 在线监测是构成状态检修重要组成部分，对电力设备实施状态检修可以有效提 高电网的运行质量。美国电力研究院( e p r i ) 和工业设备维护公司( c s i ) 的统计次数表 明：在电力系统实施状态检修可以提高设备利用率2 - , - 1 0 ，节约检修费2 5 3 0 ； 延长设备使用寿命1 0 - - 1 5 ( 严璋，1 9 9 5 ) 。据日本有关资料报道( 王昌长等，2 0 0 6 ) ， 由于设备运行状态在线监测及故障诊断技术的应用，使每年维修费用减少2 5 2 绪论 5 0 ，故障停电时间减少7 5 。电力部d l t5 9 6 - - - 1 9 9 6 电力设备预防性试验规程 ( 姜俊莉，2 0 0 4 ) 中也已经明确规定“如经实用考核证明，利用带电测量和在线监 测技术能达到停电试验的效果，经批准可以不做停电试验或适当延长试验周期。 由此可见，开展状态在线监测将为电力企业节省巨大的开支并带来良好的社会效益， 它是电力设备检测发展的必然方向。 我国对变压器的在线状态监测的单方面的研究较多，并且已有部分厂家进行产 品化生产。如油气在线监测系统、局部放电监测系统等，但各个系统单独运行在变 电站，不同厂家的监测系统自成一家，这样就缺乏对在线监测数据的集中管理。变 压器的故障诊断分析，是一个极其复杂的过程，需要考虑多方面的相关性因素，需 要对变压器异常多特征量的色谱、局放、介损等的在线智能化监测和对故障综合评 判诊断。同时随着变电站综合自动化的推进，无人值班变电站逐步普及，各个变电 站的数据监控逐步放在上级调度集中管理，由主站集中管理厂站的模式已经在我国 电网中逐渐普及，这样对变压器单方面的在线监测系统已经不符合电力系统的需要。 1 2 国内外研究现状 变压器在线监测技术主要可分为对变压器油中气体监测；对变压器局部放电的 监测；对变压器有载分接开关的监测，如监测分接开关的位置、状态及切换开关室 油温等；对变压器套管的监测；对变压器铁芯接地电流的监测；对变压器顶层油温 的监测；其他形式的在线监测，如油流带电、绕组线圈变形等。目前研究较多的并 且得到广泛应用的有局部放电和变压器油气在线监测。 1 2 1 变压器油中气体在线监测研究现状 早在2 0 世纪6 0 年代，国外一些国家就开始开展对变压器油气在线监测技术的 研究。经过4 0 多年的发展，油气在线监测已从理论研究发展到了实用阶段( d u v mm ， 2 0 0 2 ) 。德国、美国、日本及加拿大等发达国家都对油中溶解气体监测方面的理论 进行了研究探讨，并生产了不少监测设备。加拿大s p y o r e t c 公司早在二十世纪七十 年代就研制了h y d r a n 在线氢气监测仪( 贾瑞君，2 0 0 1 ) ，是世界上应用最广泛的监 测系统。其系列代表产h y d r a n 2 0 1 r ( 王联群和马丽，1 9 9 9 ) ，检测对象主要是h 2 ， 其响应是1 0 0 ，所以是一种以氢气为主的可燃气检测仪。澳大利亚红相电力设备集 团的d r m c c 变压器在线监测控制系统( 邓敏，2 0 0 1 ) ，通过油色谱分析、微水分析、 温度的热效应等综合信息来分析判断变压器的绝缘状况，可持续、在线、多方位监 测变压器的工作状态，监测变压器的各类数据，如：溶解在油中的氢气、水等气体， 绕组温度、调压抽头位置等。美国a v o 公司的t u e r g a s 变压器油气在线监测设备( 尚 华中农业大学硕上学位论文 丽平等，2 0 0 4 ) ，采用一个高稳定性的油泵将变压器油冷却回路中的冷却油送到仪器 的脱气装置，将油中的溶解气体连续不断地循环脱出，然后用毛细管柱技术将气体 进行分离，最后用氦气作为载气，用微型热导检测，可监测多达8 种气体( h 2 ，c o ， c 0 2 ，c h 4 ，c 2 h 2 ，c 2 h a ，c 2 h 6 ，0 2 ) 。美国的通用电气公司法拉第t n u 变压器油气 在线系统主要采用傅里叶红外变换技术检测气体浓度，不需要载气，可在3 0 一- 6 0 秒 内完成一次定量分析，可以测量除氢气以外的所有气体。加拿大b r v a t e h c 公司最新 推出的t a m v i 变压器油色谱在线监测系统可同时检测h 2 、c o 、c h 4 、c 2 h 6 、c 2 h 4 、 c 2 h 2 等六种故障气体，其自制的气敏传感器对c 2 h 2 的灵敏度可达0 3 p p m 。 在国内也相继开发了一些类似的设备，如重庆大学与重庆海吉科技公司共同研 发的变压器油中气体在线监测系统( 李志成，2 0 0 5 ) ，采用多传感气敏元件，利用数 据融合技术，可同时检测运行变压器油中h 2 ，c o ，c i - 1 4 ，c 2 h 2 ，c 2 h 4 ，c 2 h 6 六种 溶解气体。东北电力试验研究院于1 9 9 4 年研制了b s z 大型变压器油色谱在线监测 装置。中国电力科学研究院研制的d o g 一1 0 0 0 型变压器油中溶解氢气在线检测仪等。 宁波理工监测设备有限公司成立博士后科研工作站，专门研究油中溶解气体在线监 测仪( 刘先勇和周方洁，2 0 0 2 ) ，监测系统以傅立叶红外光谱技术为核心，构造不需 要消耗性气体，不需要现场定标，检测精度、灵敏度超过实验室气相色谱的变压器 油中溶解气体在线监测仪。这些装置按不同的标准可以有多种分类方式，其功能也 由测单组分氢气、测可燃气总量发展为监测多组分的单独组分含量的设备。 综合国内外众多在线监测研究资料发现主要有傅氏变换红外光谱仪检测气体浓 度，化学传感器监测气体浓度，光声光谱法，气相色谱法检测四种方法，下面对这 四种分别进行介绍。 ( 1 ) 傅氏变换红外光谱仪( f t i r ) 傅氏变换红外光谱仪方法基于分析化学的朗伯一比尔定律，化学物质的吸收度 a 与样品浓度c 、吸收池光程长i 、样品吸收率a 成正比，即a = a c i 。首先利用纯样 品在选定的波数处建立吸光度值a 相对于浓度值的校正曲线，然后根据待测样品的 吸光度就可以求解出未知组分的含量。傅里叶变换红外光谱仪的核心部分是迈克尔 逊干涉仪，将样品放在检测器前，由于样品对某些频率的红外光产生吸收，使检测 器接受到的干涉光强度发生变化，从而得到各种不同的干涉图。背景干涉图和样品 干涉图经傅立叶变换以后，可以得到背景单光谱和样品单光谱，两种光谱比较即可 得到样品透射光谱，进而得到样品的吸光度a ，最终可计算求得样品的含量，测量 的原理图如图卜1 所示。 4 绪论 图1 1 傅氏转换红外光谱仪测量原理图 f i g 1 1t h em e a s u r e m e n tp r i n c i p l eo ff o u r i e r t r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y 在变压器油中溶解气体监测方法中，f t i r 技术还未广泛应用于传统的油气分析 当中，这是因为在f t i r 谱仪中，商业化的2 4 0 0 m 光程的超微型气体池的体积至少为 l o o m l ，而传统的取样方法每次能分离大约5 m l 的故障气体，使用的高分子薄膜脱气 方法也只有l o m l 左右的气室脱气体积，而其达到脱气平衡的最小需要1 2 小时。待 测气体体积与气体池体积的巨大差异，必将产生很大的误差。 ( 2 ) 基于气体传感器的变压器油中气体检测 利用半导体气体传感器的监测方法，在这种测量方式中，常用的气体传感器有： 用于检测c o 、c 2 i - h 、c 2 h 2 的基于化学燃料的气体传感器；用于检测h 2 的钯栅金属 一氧化物( k i r u ee ta 1 ，19 9 6 ) ；以及用于检测c i - h 、c 2 h 6 、c 0 2 的半导体氧化物传 感器( s p a d i n g ，1 9 9 9 ) 。基本流程先将变压器油中气体进行分离，其方法可以有分子 筛、高分子薄膜等，再通过多个气敏传感器组合在一起组成传感器阵列，提取各中 组分气体的浓度，如图1 - 2 所示，解决了传感器交叉敏感无法定量的问题。 目前，由于在传感器技术烃类气体的检测上尚存在很多不足之处，如传感器灵 敏度、稳定度不高，寿命很短等方面的缺陷，很难达到实际现场的要求。而且使用 气体传感器均是具有特殊要求的，其成本较高，所以还未得到很好的应用。 气室测量管i 测量管2 气体分鼻往 华中农业大学硕士学位论文 ( 3 ) 气体光声光谱法 光声光谱法是通过不同检测气体分子对激光光子能量的吸收量的不同来定量分 析气体的浓度，其结构如图1 - 3 所示。由激光器发射出的激光通过斩波器后，调制 成为不同频率的激发光，然后进入光声池，被激发的气体分子会通过辐射或非辐射 两种方式回到基态；体系的能量最终转化为分子的平动能，引起气体局部加热，从 而在光声池中产生压力波( 声波) ，使用微音传感器可以检测这种压力的变化。光声 技术就是利用光吸收和声激发之间的对应关系，通过对声信号的探测从而了解光吸 收过程，进而的计算气体的体积分数。由于光吸收激发的声波的频率由调制频率确 定，而其强度则只与气体的体积分数有关，因此，建立气体体积分数与声波强度的 定量关系，就可以准确计量气池中各气体的体积分数。 且测量精度 性好，使用 大提高检测 短了测量周 运行不可缺 故障监测方 这种方法应 ，使用油气 检测出各种 较高，一般 色谱检测， 的方法，即 法存在体积 绪论 大，成本高，反应时间长等缺点，因此需要进行改进。 变压器故障类型的判别方法有多种，最基本方法是采用i e c i e e e 推荐的三 比值法。其理论依据是h a l s t e a d 在1 9 7 3 年对油中分解的碳氢气态化合物的产生过 程进行的热动力学理论分析。日本电气协同研究会提出的电协研法和我国湖北电力 试验研究所针对三比值法存在“缺编码 、“编码边界过于绝对 等不足，提出了改良 电协研法都对i e c 编码作了进一步的补充。变压器油中溶解气体分析和判断导则推 荐使用改良的三比值作为判断充油电气设备故障类型的主要方法。 近年来，许多学者又将各种智能技术如模糊推理、人工神经网络等引入变压器 的故障诊断中，取得了比较好的效果。随着研究的深入，有学者通过分析变压器故 障产气机理发现，不能仅通过油中气体体系那个故障部位信息，因此仅仅依靠油 中气体提供的信息进行故障诊断有较大的局限性，很多学者与机构将变压器的变压 器的其他监测信息与油中溶解气体相结合，开发了一系列的在线监测诊断系统( 肖 燕彩等，2 0 0 6 ) 。 1 2 2 变压器局部放电研究现状 局部放电是反映电力变压器绝缘状态最灵敏的特征量之一，是导致绝缘劣化的 主要原因，同时也是变压器绝缘老化过程中出现的必然现象。局部放电通常由两方 面的原因造成，一方面是在运行过程中产生和发展起来的，如雷电冲击或操作冲击 引发内部绝缘弱点产生局部放电，一方面是在变压器制造和安装过程中潜伏下的； 在运行电压下不断发展最终导致故障( y a m a m o t oe ta 1 ，1 9 8 5 ) 。伴随变压器内部局 部放电会产生电脉冲、超声波、光，并引起局部过热，油中放电还将分解出气体， 产生能量损耗等，相应地出现了化学测量、介质损耗率测量、电脉冲测量、超声波 测量、光测量、超高频测量等测量方法( 曾海燕，2 0 0 4 ) 。这些检测方法有的是直接 检测局部放电，有的是间接检测局部放电。 国内外对于局部放电系统的研究手段多基于电、声联合检测方法，检测出变压 器局部放电产生的多路电流脉冲信号和超声波信号。9 0 年代初，清华大学电机系研 制出在线监测变压器局部放电的微机系统( 李福祺等，2 0 0 0 ) ，可以进行在线检测局 部放电，对放电量在线标定，分析放电的统计特性，局部放电源定位等。被检测的 局部放电脉冲电流信号和超声信号以频分复用方式通过一根光纤传送至数据采集电 路，并由微机来存储和处理。国网电力科学研究院研制的变压器局部放电在线监测 装置，采用原武高所专利技术“变压器局部放电电气定位装置 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，并能够测量局部放电电量 ( 孙才新等，2 0 0 3 ) ( 黄胜洁等，1 9 9 6 ) ，装置的原理是利用变压器绕组内部产生局 部放电时首末端电压( 或电流) 比值与放电点位置的关系，据此定出故障点位置。保 7 华中农业火学硕上学位论文 定天威的集中式和分布式局部放电在线监测装置，它是采用声、光、电传感器、信 号处理器、计算机等技术和算法实现的数字化局部放电在线监测系统，能够利用超 声和电脉冲综合检测的方法来确定变压器内部放电( 吴广宁和吴欣延，1 9 9 8 ) ( 苏鹏 声等，2 0 0 0 ) 。 在国外，5 0 年代以来就相继展开了局部放电的研究，开发了许多变压器局部放 电在线监测装置，并取得了一定的成效。澳大利亚的b l a c k b u r n 等人对利用光纤伸 入到变压器内部测量局部放电的超声脉冲法做了研究。其做法是将光纤伸入到变压 器油中，当变压器内部产生局放时，超声波将在油中传播。这种机械压力波挤压光 纤，引起光纤变形，导致光折射率和光纤长度的变化，从而光波将被调制，通过适 当的解调器即可测量出超声波，可以实现放电监测。美国人f o w l e r 提出了区域定位 的顺序定位法( h i t s e q u e n c e m e t h o d ) 它是基于在一个固定放电事件上所产生的超声 波到达不同的传感器的顺序定出放电区域，将传感器阵列与计算机构成定位系统， 由图象显示放电区域，或仅靠人为确定，都是非常简单易行的。但实验表明，这种 方法对波速和传感器的位置不敏感。日本最早于1 9 8 3 年研制了一套变压器在线监测 系统，用于监测东京电力公司的一台变压器( k a w a d ae ta 1 ，1 9 8 4 ) 。1 9 9 6 年德国 研制的局部放电在线监测系统中( w e n z e le ta 1 ，1 9 9 3 ) ) ，利用外接电容器与高压 套管电容构成电容分压器，经高通滤波器抑制工频及其谐波后的到局放的电容性信 号，空心罗氏线圈套在套管底座处测量局放的电感性信号。 对放电点定位的方法有电定位和超声定位两种。超声定位由于放电时延的确定 以及定位算法等问题，定位准确度很差，需要在放电脉冲的传播特性、定位算法等 方面深入研究电定位采用计算放电脉冲在绕组两侧的比值，给出放电点的电气位置， 这在在线监测中获得了广泛的应用。 超声波测量主要作为局部放电的在线监测中辅助测量手段，测量局部放电的灵 敏度低，对于深包在绝缘内部的放电往往检测不到