（电力系统及其自动化专业论文）粗糙集理论在变压器故障诊断中应用的研究.pdf

a b s t r a c t t h et r a n s f o r m e ri st h ei m p o r t a n te q u i p m e n tw h o s eo p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t yh a sd i r e c t l y i n f l u e n c e0 nt h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m i tm e a n sg r e a td e a lt ot h es a f er u n n i n go f p o w e rs y s t e mi ft h e r ea r es o m ed e t e c t i o n sa n dt e s t sw h e nt r a n s f o r m e ri sr u n n i n g ，s ot h a tt h e s t a t ec a nb ee s t i m a t e d ，t h ee a r l yl a t e n tf a u l tc a nb ed e t e c t e dp r e v i o u s l y , a n dt h e nt h e a c c i d e n t sc a nd e c r e a s e n ed i s s o l v e dg a si nt h eo i la n a l y z i n gi so n eo ft h em o s te f f i c i e n tm e t h o d sf o rt h e e a r l yd e t e c ta n dt r a n s f o r m e rf a u l tp r e v e n t i o n n er e l a t i o nb e t w e e nt h et r a n s f o r m e r f a u l tt y p e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i cg a si no i li ss t u d i e d ，a n ds e v e r a lt r a d i t i o n a lf a u l t d i a g n o s i sm e t h o d sa r eb r i e f l yi n t r o d u c e da n da n a l y z e d b e c a u s et h ea c c u r a c yo ft h e t r a d i t i o n a lf a u l td i a g n o s i sm e t h o di sl o w , t h en e wm e t h o da n dt e c h n o l o g yw i t hh i g h a c c u r a c yi sn e e d e dt oa p p r a i s e ，a n a l y z ea n dh a n d l ep r o b l e m sq u i c k l y r o u g hs e t st h e o r yi sa d o p t e di nf a u l td i a g n o s i so ft r a n s f o r m e ro i l b a s e do nt h e r e d u c t i o no fk n o w l e d g e ，t h eo r i g i n a ld a t ai sc o n d i t i o n a la t t r i b u t er e d u c e dt oar e d u c e d r u l es e t a n dt h ed e c i s i o nr u l ei st e s t e db yt e s t i n gs a m p l e s t h ed e c i s i o nr e d u c t i o n c a p a b i l i t yo fr o u g hs e t st h e o r yc o v e nt h es h o r t a g eo ft r i p l e r a t i oa p p r o a c hi n t r a n s f o r m e rf a u l td i a g n o s i s c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lt r i p l er a t i oa p p r o a c h ，t h ef a u l td i a g n o s i sc h e c kl i s t o ft h ep r o p o s e dm o d i f i e dt r i p l er a t i o a p p r o a c hs h o w st h a tt h et r a n s f o r m e rf a u l t d i a g n o s i sb a s e do nr o u g hs e t st h e o r ya n df u z z yt h e o r yc a nh a n d l et h em i s s i n go rf a l s e s y m p t mo ft r a n s f o r m e r , a n dh a sh i g hp r e c i s i o n k e yw o r d s ：d i s s o l v e dg a si nt h eo i la n a l y z i n g ，t r a n s f o r m e r , r o u g hs e t s ，f a u l t d i a g n o s i s 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，也不包含为获得墨鲞盘堂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。 靴论睾储签孝：郇 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅态堂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。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位做作者签名：川誊葺 签字日期：劫1 年2 一月砷日 导师签名： 戤峡内芝 签字日期：舢，年卫月站日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 变压器故障诊断技术的意义 随着国民经济的发展以及人们生活水平的提高，电力在社会生产和人们的生 活中起着越来越重要的作用。因此，保证电力设备的正常安全运行具有十分重要 的意义。 对电气设备进行维修的观念普遍认为始于2 0 世纪4 0 年代。那个时期，由于 电网电压等级低，容量小，电气设备发生故障所带来的损失和影响不大，所以电 力设备普遍采用事故后维修制，也就是电力设备损坏后，停电进行维修，或者采 用替换方式维修。随着电网容量的增加，电压等级的提高，这种事后维修制难以 保障电网的安全可靠性，并且还会造成了很大的损失。 目前，对电力设备进行监督的维修制，是以预防性试验为主，定期进行维修 的一种体制，即根据原电力部颁发的电力设备预防性试验规程所规定的项目 和相应的试验周期，对设备进行检查和试验。 当然，几十年来形成的预防性维修体系，对提高电网运行的可靠性起了非常 重要的作用。但不能及时发现设备内部的绝缘隐患，停电检修后的设备在运行中 时有事故发生【l 捌；定期停电进行预防性试验不能真实反映设备内部的绝缘状态， 使加强追踪监测尚可继续使用的设备提前退出运行或本应及时退出运行的设备 继续运行而导致事故；并且预防性维修的检修费用高，停电试验还要造成巨大的 经济损失。随着电网向高度自动化方向发展和国计民生对供电可靠性的要求越来 越高，迫切需要对现行的设备维修体系进行变革，以在线监测及故障诊断技术为 基础的状态维修体系逐渐取代预防性维修体系或用来追踪监视故障的发展趋势 己成为必然。 电力变压器是电力系统的枢纽设备，其运行可靠性直接关系到电力系统的安 全与稳定。但由于电力变压器故障的复杂性和多样性，以及引起这些故障的原因 非常复杂且不明显，使得要准确地判断电力变压器故障类型及故障发生部位相当 困难。随着电力工业的飞速发展，电力变压器朝着高电压，大容量的方向发展。 然而电压等级越高，容量越大，使得电力变压器的故障率也就越高，而且故障影 响范围大，检修时间和难度都会大大提高。因此，若能在电力变压器运行过程中 通过某些检测和试验，及时有效的判断其状态，预先发现早期潜伏性故障，从而 第一章绪论 减小事故的发生，将对电力系统的安全运行产生重要的意义。 另外，我国电力行业普遍推行的定期检修制，由于检修计划缺乏性，经常容 易导致过度检修和检修不足的双重弊端。因此，从定期检修转变为状态检修是有 必要和有意义的。电力变压器的故障诊断将会避免重复的不必要的某些定期大修 和小修。从而降低了维修费用，避免了浪费，同时也有效地提高了故障发现率。 因此，故障诊断十分必要，相应的技术研究也得到了国内外专家学者的普遍关注。 有关资料表明，美国目前已有一半以上的发电厂和电网采用状态检测，实施 状态检测后，火力发电厂机组的大修间隔可以大大延长，检修期时间间隔也可以 有所增加。这样可以减少很大一笔维护费用，在使变压器稳定可靠工作的前提下， 又取得了很好的经济效益。因此，通过变压器的故障诊断，可以及早发现潜在的 故障隐患，有着非常重要的意义。 1 2 变压器故障诊断技术的研究状况 电力变压器绝缘在线监测主要以油中溶解气体分析( 简称g d a ) 和局部放叫列 为特征量。油中溶解气体分析无各种电磁干扰的影响，数据可靠性高，技术成熟， 从定性到定量分析都积累了相当的经验。它对于发现变压器内部的潜伏性故障及 其严重程度十分有效。新颁布的电力设备预防性试验规程也把油中溶解气体 色谱分析放到了首位；在绝缘结构局部场强较集中的部位，当出一些局部缺陷， 就会导致局部放电。局部放电使绝缘逐步受到侵蚀和损伤，它的特征也反映了内 部故障的类型。由于局部放电监测现场干扰的严重性和复杂性，其测量结果的可 靠性是能否正确判断绝缘状况的关键。目前的技术还很难达到为状态维修提供依 据的水平。国内外的研究表明：以油中溶解气体分析为基础，结合局部放电、电 气试验、油试验等研究来开发多参量、多功能的变压器绝缘在线监测和故障智能 诊断系统是具有实际意义的有效方法。 由于电力变压器的故障和事故多数是由于直接原因、间接原因和扩展性原因 综合起来而引起的【4 】，而故障现象却具有一定的模糊性，往往表现为同一故障的 现象呈现多样性，不同故障现象却具有相似性。因此要想根据具有相似的或相近 的表现特征来判断和区分不同的故障类型是有一定困难的。 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 进行了热力学理论分析，建立了如下假设：特定碳氢气体的析出速率随着温度而 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。根据这一假说、随着温度的升高，析出速度达到最大值 的次序依次为：h 2 、c h 4 、c 2 h 6 、c 2 i - h 和c 2 h 2 。h a l s t e a d 假说是应用油中溶解气体 第一章绪论 比值法诊断设备故障类型并估计热点温度的理论基础。r o g e r s 由此选择5 种特征 气体的4 个相对比值c h 4 h 2 、c 2 h d c 2 h 4 、c 2 h 4 c 2 h 6 、和c 2 h 2 c 2 h 4 来进行故障 诊断。由于c 2 h 6 c 2 i - h 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 标准中将此项比值删去，修改后的三比值法由于现场情况的多样性，其判断的准 确性据统计约为8 0 。后来在长期的实践中发现i e c 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，以至于对于某些情 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 所提出的改良电协研法1 5 j 对i e c 编码作了进一步的补充。实践证明，变压器的油 中溶解气体分析技术作为目前电力系统中对油浸电力设备常规使用的重要监测 手段，它能及时发现变压器内部存在的潜伏性故障，而采用电气试验方法很难发 现某些局部故障。因此，在1 9 9 7 年颁布执行的电力设备预试规程中，己把变压 器油的气相色谱分析放到了首位，而且国内外厂家也用此来检查各项例行试验前 后的变化情况，还有的变压器厂提供的大型变压器产品己附有d g a 自动检测报 警系统。 根据色谱分析数据进行内部故障诊断时，应包括下述内容： 1 ) 判定有无故障及故障的类型，如过热、电弧放电、火花放电和局部放电等； 2 ) 判断故障的状况，如热点温度、严重程度及发展趋势等； 3 ) 判断故障的原因及其部位，如热性故障、电路和磁路故障的原因及其部位； 4 ) 提出相应的处理措施，如能否继续运行，以及运行期间的技术安全措施和 监视手段，或是否需要吊罩检修等。若需要加强监视，则应给出下次试验的周期。 其它一些利用d g a 结果分析变压器故障的方法在现场也得到了广泛的应 用，如以c i - h 、c 2 h 4 和c 2 h 2 三组分相对含量为基础的三角图形法i 副；以h 2 、c h 4 、 c 2 1 4 4 、c 2 h 6 和c 2 h 2 相对浓度比为基础的气体主导型图法1 6 j 等。文献【7 通过对实 际故障变压器油中溶解气体的分析研究，提出了用“无编码比值法”分析和判断 变压器故障性质的诊断方法。该方法用某些特征气体的含量和它们之间的相互比 值来鉴别变压器中存在的不同类型的故障，不需要对比值编码，而直接由两个比 值确定一个故障性质，使分析判别方法简化，可操作性强。文献 8 】中通过对充 油电力变压器产氢机理的分析，根据油中溶解的不同特征成分之间的伴生增长情 况，提出了一种动态识别氢气主导型故障的方法，该方法克服了以往静态分析方 法受故障累积效应及测量随机误差等因素的影响，大大提高了对该类故障诊断的 准确度。文献 9 】详细地分析了变压器的过热故障，说明应用气体图形法和比值 能够对故障性质作出判断，导出了油中气体的产气速率对变压器的负荷电流或电 源电压的依赖关系，由此能对变压器过热故障的部位判断提供依据。上述方法大 多仍局限于比值诊断的范畴。 第一章绪论 人工神经网络( 简称a n n ) 的研究已有近半个世纪的历史。它的发展和人工智 能密切相关。自心理学家m c c u i l o c h 和数理逻辑学家p i t t s 在分析、总结神经元 基本特征的基础上，提出神经元的数学模型( m p 模型) 以来，a n n 已在模式识别、 智能控制、自适应滤波和信号处理等领域得到应用，并取得了令人鼓舞的进展。 由于a n n 是一种大规模的分布式并行处理系统，具有自组织性和自学习性，联 想记忆和模式匹配等功能，它提供了一种全新知识获取、知识表达、知识推理方 式，所以，若将其用于复杂故障系统的诊断中可较好地解决常规故障诊断专家系 统知识获取的瓶颈问题。因此，近几年来，在智能诊断( a i d ) 研究领域中，许多 研究者对a n n 的理论及在故障诊断中的应用做了大量有益的探讨工作，并已取 得了初步应用效果。 从模式识别考虑，电气设备故障的诊断过程就是对设备运行状态进行模式分 类和识别。如果事先对设备可能发生的故障模式进行分类，并储藏在诊断系统中， 则对设备的故障诊断就是对设备运行状态进行模式识别。在传统的模式识别理论 中，模式分类的基本方法是利用判别函数以求得设备状态的正确识别，往往由于 选择不同的判别函数或由于不同状态信息而使识别无法进行。与传统的模式识别 技术不同，a n n 不需要预先给出判别函数，而是通过自身的学习机制自动形成 所需要的决策区域，它能充分利用状态信息，对来自不同的状态信息逐一训练而 得到收剑于平衡状态的权值，从而给出网络的某种映射关系，完成设备故障诊断。 神经网络在d g a 中的应用主要集中在故障诊断环节，往往是根据专家经验 对网络的输入特征矢量与输出特征矢量加以确定，在现有数据中选择一定的样本 值作为网络的学习样本，网络的中间节点数据通过反复调试后得到一个适当值， 在学习过程中完成从特征矢量到故障原因的函数映射。这样的神经网络在适当的 前提下( 即样本的选择、输入矢量与输出矢量的选择合适) ，体现了较高的故障识 别率。但由于在网络建立的各个环节中人为干预因素太多、b p 算法的解易落入 局部最小点、样本中存在奇异样本时网络不收敛种种缺陷，神经网络的适应性与 推广性能十分有限。 为了解决这些问题，人们对神经网络与其他数学方法相结合的分析诊断方法 作了一些探索。如文献 11 1 结合模糊数学，借鉴了模糊化处理数据的思想；文献 【1 2 】提出了结合遗传算法的前馈网络，首先在全解空间中搜寻代表知识的全矩阵 最优解，以它作为初始值开始网络训练，避免了局部最优的问题，这些研究大大 改善了神经网络的应用效果。 神经网络在自组织自学习自适应处理中的能力给人们留下了比较深刻的印 象，随着研究的深人，其自身的学习能力( 特别是在自动知识获取方面) 也急需提 高和改善。目前最具代表性的两种形式( 递归神经网络和r b f 网) 为例，前者的非 第一章绪论 线性动力系统特性使得向空间中的演化模式相当复杂，后者的训练过程又不能过 于依赖及函数形式，粗糙集引导的神经学习具有很大的自适应性，该技术适合于 这个环节。由于r b f 在一定条件下与模糊逻辑等价性，引人粗糙集后容错能力 和问题求解效率可望有效地提高。 自1 9 6 5 年美国自动控制专家l a z a d e h 提出模糊集( f u z z ys e t s ) 理论以来，模 糊理论的理论与应用研究取得的许多重大进展。模糊理论【l0 】是用精确的理论方法 来处理过去无法用经典理论描述的模糊事物，它能够解决精确理论所不能解决的 在人脑中大量存在的非确定性语义及模糊概念的问题。目前，模糊理论在自动控 制、信息处理、天气预报、人工智能等方面得到了广泛的应用，显示了广阔的应 用前景。 在故障诊断中经常用模糊自然语言来说明监测状态的特征。故障征兆与故障 原因之间的关系错综复杂，无法建立明确的理论模型。因此只有通过与现场专家 深入仔细的交流、学习以及现场经验的不断积累。对特征量进行模糊化处理，建 立模糊关系方程以及模糊综合评价矩阵，在现场实例诊断中不断完善。 电力变压器等设备发生故障时，其故障现象、故障原因及故障机理之间存在 大量的不确定性和模糊性，用传统的精确数学理论难以描述其间的关系，因此， 就很难诊断出变压器的真实绝缘故障及其原因。由于模糊数学的特点正好能有效 的解决模糊性和不确定性问题，因此，它为变压器的绝缘故障诊断提供了一种较 为有效的新方法。 对于d g a 分析来说，特征气体的含量与绝缘故障的原因的因果关系错综复 杂，两者之间无法建立确定的数学模型。这时，只有在获取系统状态的综合效应、 积累维修经验和集中领域专家的意见的前提下，用模糊的方法进行信息处理与故 障诊断。从目前的文献看，采用模糊数学理论解决在d g a 分析问题的方法主要 有：对特征数据进行模糊化处理、建立特征数据与故障原因之间的模糊关系方程、 在现有数据基础上对故障原因进行分类、建立模糊综合评价矩阵和对诊断结果进 行总体评估等【l 。 粗糙集与模糊集都能处理不完备( i m p e r f e c t ) 数据，但方法不同，模糊集注重 描述信息的含糊( v a g u e n e s s ) 程度，粗糙集则强调数据的不可辨另l j ( i n d i s c e m i b i l t i y ) 、 不精确( i m p r e c i s i o n ) 和模棱两可( a m b i g u i t y ) 。使用图像处理中的语言来做比喻，当 论述图像的清晰程度时，粗糙集强调组成图像像素的大小，而模糊集则强调像素 存在不同的灰度。粗糙集研究的是不同类中的对象组成的集合之间的关系，重在 分类：模糊集研究的是属于同一类的不同对象的隶属的关系，重在隶属的程度。 因此粗糙集和模糊集是两种不同的理论，但又不是相互对立的，它们在处理不完 善数据方面可以互为补充。 第一章绪论 粗糙集理论与证据理论虽有一些相互交叠的地方，但本质不同，粗糙集使用 集合的上、下逼近而证据理论使用信任函数( b e h e f f u n c t i o n ) 作为主要工具。粗糙 集对给定数据的计算是客观的，无须知道关于数据的任何先验知识( 如概率分布 等) ，而证据理论则需要假定的似然值( p i a u s i b i h t ) ，) 【1 3 - 1 5 。 将粗糙集与模糊集结合，可以弥补粗糙集理论在描述属性集合中的不足，又 易于对系统的描述特征进行优选，两者的有机结合可以构成粗糙集一模糊集智能 信息处理系统。该系统利用粗糙集和模糊集在处理不完善、不准确性知识中的优 势，大大降低了处理信息的维数和计算特征值的工作量，也降低了系统的复杂程 度。 知识工程直接涉及智能的本质，特别是科学发现和创造性思维等令人注目。 关于人工智能( 主要是强人工智能观点) 的讨论近年来也成为一个热点，同时知识 工程的进展还是比较大。例如曾进行第五代计算机计划的日本。国际上对智能系 统的问题求解技术历来是重视的，现己深化到非线性动力学系统和复杂性的层 次，对此采用的关键技术应该是被称为“数据采矿”的创造性知识发现系统，而这 正是粗糙集理论的针对性所在。 如前所述，粗糙集的推理过程是必须有一定的机制来实现的。在现有的各种 算法中，反映自适应演化的遗传算法是一种好的形式，在这方面人们也己经取得 了某些成果，例如著名的r s 系统就采用了遗传算法的b b a ( b u c k eb r i g a d e a l g o r i t h m ) 过程，实践证明遗传算法是可以与粗糙集的推理过程相结合的。 历经半个多世纪的努力，自动控制已经发展成相当丰富的科学体系，但是复 杂系统对象仍然是一个难点，例如，在计算机控制系统中，由于离散采样、反馈 延迟、动态系统优化等原因就会引发混沌，其中包括著名的h e n o n 映射形式，而 鲁棒控制要求系统应具有“混沌控制”能力【l 引，这样非线性动力系统( 混沌) 的辨 识，就是鲁棒性混沌控制器的基本和重要的一项工作。从历史的逻辑角度看，粗 糙集会对设计鲁棒非线性控制和开发系统提供功能更强的理论手段。 粗糙集理论与神经网络、知识工程遗传算法、自动控制之间具有交叉关系， 其中知识工程和粗糙集理论均以知识处理作为共同的对象，两种技术在应用场合 可起到相辅相成的作用；遗传算法属于粗糙集构造中可使用的一种工具与某些神 经网络具有一定的语义联系；自动控制己成为粗糙集理论的一个重要的应用场 所。 1 3 本文的主要工作内容 从科学研究的方法论上讲，有两种常见的方法：一是以问题为中一i 二, ( p r o b l e m 第一章绪论 c e n t e r e d a p p r o a c h ) ，即以实际问题为着眼点，探索可以解决的各种方法；另一种 是以工具为中，t ) , ( t o o lc e n t e r e da p p r o a c h e s ) ，也就是说，从先进的新方法入手，寻 找合适求解的实际问题，当问题的特性与方法的特性相匹配时，常常能得到较好 的结果。本文的研究方法为后一种，探索研究了粗糙集方法在变压器故障诊断方 面的应用，针对的是那些用现有的方法不好解决或解决得不够完善、不够彻底的 问题。 粗糙集理论是一种较新的软计算方法，研究尚欠广泛和深入，国内涉足这个 领域的研究还不多，尤其在电力系统中的应用研究才刚刚起步。在上述背景下本 文分析处理了大量的文献，针对目前故障诊断存在的主要问题，对粗糙集在变压 器故障诊断方面做了研究和探讨。主要工作包括以下几个方面： 1 在广泛阅读了电力系统故障诊断算法相关著作和论文的基础上，系统地 研究了其基本理论。确定论文以变压器为对象进行故障诊断的系统研究。 2 论述了变压器故障诊断在电力系统安全与稳定中的重要地位和作用。并 对油中溶解气体法作了详细的分析和探讨，并总结了变压器故障诊断的发展及研 究现状。 3 根据变压器的常见故障，分析了油中溶解气体分析( d g a ) 方法作为目前 电力系统中对油浸式电力变压器常规使用的重要监测手段，在故障发现、绝缘老 化及故障类型判断中的应用，并采用了粗糙集理论，实现对变压器故障类型和故 障区域的快速识别。 4 就粗糙集理论的发展和特点，及其与模糊集、证据理论等相关理论进行 了分析比较，并阐述了粗糙集理论中“约简”和“核”这两个概念，这就是r s 方法 的精华，此基础上深入研究了决策表约简算法。然后把粗糙集理论用于变压器故 障样本数据处理，获取故障决策属性，从而能够快速准确的诊断变压器各种故障。 5 综合粗糙集理论的知识约简方法并应用于电力变压器故障诊断的探索， 并根据电力变压器历史故障样本数据，利用粗糙集理论对其进行诊断。在连续数 据离散化后，借助粗糙集理论强大的知识提取能力，编写了简约核程序和条件属 性约简程序，从而大大减少了输入矢量的维数，并且使得输入矢量比较有针对性。 通过粗糙集软件提取变压器故障诊断的规则，作为最终的输入矢量，仿真结果令 人满意。在此基础上把经典的i e c 三比值法中的五类气体的三项比值与由粗糙集 所获得的三项比值结合起来，并与i e c 三比值法进行对比，结果表明粗糙集诊断 准确率高于三值法，且更能反应变压器的实际故障情况。 第二章变压器油中溶解气体分析的原理及故障诊断方法 第二章变压器油中溶解气体分析的原理及故障诊断方法 2 1 变压器油中的气体 2 1 1 油中气体的产生 在运行变压器内部气体形成的两个主要原因是热和电的故障，由于导体损耗 加重油和固体绝缘受热分解而产生气体，油和绝缘受到电弧温度的影响也会分解 产生气体。 ( 1 ) 纤维素的分解 绝缘纸、绝缘纸板的主要成份是纤维素，它是由许多葡萄糖基配键连结起来 的大分子，其化学通式为( c 6 h l 0 0 5 ) 。，具有很大的强度和弹性，机构性能良好。 由于油和油浸纤维绝缘的过热或热解产生碳的氧化物( c o 、c 0 2 ) 和一些氢或 甲烷h 2 、c h 4 、c 0 2 是不可燃气体，它们产生的比率取决于温度指数和在该温度 下材料的体积。由于体积效应，中等温度下，一个较大体积的绝缘材料受热将会 和一个较高温度下较小体积的绝缘材料受热产生同样数量的气体。 模拟试验结果表明，绝缘纸在1 2 0 - - - - 15 0 0 c 长期加热时，产生c o 和c 0 2 ，且 c 0 2 为主，在2 0 0 - - - - 8 0 0 0 c 下热分解时除产生c o 、c 0 2 夕f ，还含有氢烃类气( c h 4 、 c 2 h 4 ) 等，且c o c 0 2 比值越高，说明热点温度越高，纤维素在高温下的分解可参 看表2 1 。 表2 1 纤维素在4 7 0 。c 时热分解的产物 可见，纤维素热分解生成的气体中，碳氢化合物很少，而c o 、c 0 2 很多，当 油纸绝缘遇电弧作用等，还会分解出更多的乙炔c 2 h 2 等气体，而且同样在电弧作 用下，不同材料裂解出的气体组分和相对数量也不同。 ( 2 ) 油的分解 矿物变压器油是许多不同碳氢化合物分子的混合物，包括烷烃、环烷烃芳香 第二章变压器油中溶解气体分析的原理及故障诊断方法 烃、烯烃等，在热或电气故障复杂情况下，这些碳氢化合物的分解过程主要是碳、 氢和碳一碳链的破裂，生成活泼的氢原子和短链碳氢化合物。这些游离的原子因 可相互结合生成气体h 2 、c h 4 、c 2 h 6 等等，也可化合成新的缩聚的分子，进一步 的分解和重排会形成比如c 2 h 4 及c 2 h 2 这样的产物，直至生成中碳链的碳氢化合物 分子。 根据模拟实验的结果发生故障时油分解出的气体为： 1 ) 3 0 0 - - 8 0 0 0 c 时，热分解产生的气体主要是低分子烷烃( c h 4 、c 2 h 6 ) 和低分 子烯烃( c 2 h 4 、c 2 h 6 ) 也含有氢气h 2 ： 2 ) 当绝缘油暴露于电弧中时，分解气体大部分是h 2 和c 2 h 2 ，并有一定量的 c i - h 、c 2 h 4 ； 3 ) 发生局部放电时，绝缘油分解出的气体主要是h 2 和少量c h 4 ，发生火花放 电时，则还有较多的c 2 h 2 。 由上可知，利用形成的气体组分浓度的相对比值，可用以推测此处的油或油 纸绝缘所处的裂解条件，这就是目前在油中溶解气体色谱分析中被广泛采用的比 值法的依据。 2 1 2 气体在油中的溶解 油、纸等绝缘材料所产生的气体能溶解于油中，也有释放到油面上，每种气 体在一定的温度、压力下达到溶解和释放的动平衡，即最终将达到溶解的饱和或 接近饱和状态。油中气体溶解度可用奥斯特瓦尔德系数k 表示，当气、液两相达 到平衡时，对某特定气体： c d 严局c 刍( 2 一1 ) 式中c d ，：在平衡条件下，液相中组分i 的浓度，p p m ； c 刍：在平衡条件下，气相中组分i 的溶度，p p m k i 组分f 的奥斯特瓦尔德( o s t w a l d ) 系数。 各种气体在矿物绝缘油中的k 见表2 2 ，用于表示油中气体的溶解度，它和 温度有关，溶解度低的气体如h 2 、c o 、n 2 随温度上升而增加，c h 4 和溶解度高 的c 0 2 、c h 4 、c 2 h 4 、c 2 h 6 等则随温度上升而下降。 当其内部存在潜伏性故障时，若产气速率很慢则热分解产生的气体仍以气体 分子形态扩散并溶解于周围油中，只要油中气体尚未达到饱和，就不会有自由气 体释放出来。若故障存在时间较长，油中气体己达到饱和，即会释放出自由气体， 进入气体继电器中。若产气速率很高，热分解的气体除一部分溶于油中外，还会 有一部分成为气泡，气泡上浮过程中把溶于油中的氢、氧置换出来。置换过程和 气泡上升速度有关，故障早期阶段，产气量少，气泡小，上升慢，与油接触时 第二章变压器油中溶解气体分析的原理及故障诊断方法 间长，置换充分，特别对于尚未被气体溶解饱和的油，气泡可能完全溶于油中， 进入气体继电器内的就几乎只有空气成分和溶解度低的气体如h 2 、c ，而溶解 度高的气体则在油中含量较高。 表2 2 各种气体在矿物绝缘油中的k 值 反之，若是突发性故障，产气量大，气泡大，上升快，与油接触时间短，溶 解和置换过程来不及充分进行，热分解的气体就以气泡形态进入气体继电器中， 使气体继电器中积存的故障特征气体反比油中含量高得多，从而还可能引起报 警，这也是油中溶解气体分析对发现突发性故障不灵敏的原因。 因此进行故障诊断时，不仅应分析油中气体，也应分析气体继电器中积存的 气体。 顺便指出变压器中因故障产生的气体是通过扩散和对流而达到均匀溶解于 油中的，对强迫油循环的变压器则对流速度更快，因此故障点周围只是在瞬间存 在着高浓度气体。 2 1 3 气体在油中的损失 变压器内部固体材料对气体的吸附会使油中溶解气体减少，例如c o 、c 0 2 的 结构类似于纤维素，故易为绝缘纸吸附，而碳素钢则易吸附氢。这就提醒我们要 注意，在故障初期某些气体浓度较低是否可能因吸附所致。新投运的变压器中 c o 、c 0 2 、h 2 含量较高的原因是否会在干燥工艺过程中为材料所吸附而在运行 中又释放于油中。 变压器负载在一天内有规律的增减变化引起变压油的呼吸作用也会使油中 气体逸散而减少。当油温上升时，开放式变压器油箱中含气的油至达储油柜与油 面空气相接触，为使油中气体含量和气相达到平衡而逸散在油面上并呼出于储油 柜之外。反之当油温降低时，刚才进入储柜的含气量已降低的油又流回油箱，同 第二章变压器油中溶解气体分析的原理及故障诊断方法 时有相当量的新鲜空气吸入储油柜中，降低了油面上气体的气相含量，从而又加 速了储油柜油中溶解气体向气相的释放。有人在一天内油温变化1 0 c 时对变压 器呼吸作用进行实测，发现一天内h 2 的逸散损失约为2 5 ，c l - h 为0 7 ，其它 烃类为0 2 。 2 2 变压器内部故障与油中溶解气体的对应关系 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，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，现对其故障原因与气体特征进行分析。 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，会产生大量乙烯c 2 地和甲烷c h 4 随着温度升高，则乙 烷( c 2 h 。) 和氢( h ：) 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，主要是氢( h 2 ) 和乙炔( c 2 h 2 ) ，其次是乙烯( c 2 h 4 ) 和甲 烷( 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 第二章变压器油中溶解气体分析的原理及故障诊断方法 气种主要是氢气( h 2 ) 和乙炔( 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 i - h 。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。 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0 0 3 ，还可认为变压 器是正常的，发现c o 超限时，要综合分析。 5 变压器故障类型与气体组分关系 由上可看出，变压器故障原因，类型与油中所含气体组分和数量有关系，表 2 3 给出不同的变压器故障类型和产生气体的组分关系。 表2 - 3 变压器故障类型与气体组分关系 第二章变压器油中溶解气体分析的原理及故障诊断方法 2 3 传统的变压器绝缘故障诊断方法 根据d l t 7 2 2 2 0 0 0 导则中总结的不同故障类型产生的油中特征气体 组分，只能粗略地判断充油电力变压器内部是否可能有早期的故障存在，不能确 定故障的性质和状态。因此，国内外通常以油中溶解的特征气体组分含量来诊断 充油电力变压器的故障的性质。 2 3 1 变压器是否故障的判断方法 判断变压器是否有故障的方法有根据气体浓度判断变压器是否故障的方法、 根据绝对产气速率判断变压器是否故障的方法和根据相对产气速率判断变压器 是否故障的方法。 ( 1 ) 根据气体浓度判断 正常运行情况下，充油电力变压器在受到电和热的作用会产生一些氢气、低 分子烃类气体及碳的化合物。当变压器发生故障时气体产生速度要加快，所以根 据气体的浓度可以在一定程度上判断变压器是否发生故障，人们总结的变压器运 行过程中气体浓度的极限值如表2 4 所示。 表2 - 4 变压器投运前后气体浓度的极限值( 皿l ) ( 2 ) 根据产气速率判断 因为变压器发生故障时往往是油中溶解特征气体浓度比较低，但产气速率却 比较大。产气速率分为绝对产气速率和相对产气速率。 绝对产气速率是每运行日产生某种气体的平均值，即 y = - h - - l 掣一m ( 2 - 2 ) 。 址p 式中，屹是绝对产气速率，单位为m l d ； g 是第二次取样测得油中某气体浓度，单位为皿l ； c g i 是第一次取样测得油中某气体浓度，单位为此l ； 加是取样间隔中实际的运行时间，单位为d 。 m 是变压器总油重，单位为t ； 第二章变压器油中溶解气体分析的原理及故障诊断方法 p 是油的密度，单位为t m 3 。 变压器的绝对产气速率的注意值如表2 5 所示。 相对产气速率是折算到月的某种气体浓度增加量占原有值百分数的平均值， 按下式计算。 y ：c i , - c 上l o o ( 2 - 3 ) j c 昏 纽 式中，屹是相对产气速率，单位为m ； g ，是第二次取样测得油中某气体浓度，单位为止l ； c 。是第一次取样测得油中某气体浓度，单位为皿l ； 彳f 是取样间隔中实际的运行时间，单位为m 。 当总烃的相对产气速率大于1 0 时就应该引起注意，对总烃起始值很低的变 压器不宜采用此判据。 表2 - 5 绝对产气速率注意值( m l d ) 考察产气速率需要注意： 1 追踪分析时间间隔应适中，一般以间隔l 3 个月为宜。且必须采用同一 方法进行气体分析。 2 考察产气速率区间，变压器不得停运，并负荷应保持稳定，如欲考察产 气速率对负荷的相互关系，则可有计划地改变负荷进行考察。 3 考察产气速率时，如果变压器油脱气处理、或设备运行时间不长及油中 含量很低时，采用相对产气速率判断会带来较大误差。 同时，产气速率在很大程度上依赖于设备的类型、负荷情况、故障类型和所 用绝缘材料的体积及其老化程度，应结合这些情况进行综合分析。判断设备状况 时，还应该考虑到呼吸系统对气体的逸散作用。 2 3 2 特征气体判断法 通过大量故障变压器色谱分析数据与故障类别的统计分析，在表2 - 6 列出了 油中溶解气体组分含量变化与内部故障的关系。从表2 - 6 可知：总烃与故障类型 1 4 第二章变压器油中溶解气体分析的原理及故障诊断方法 总有一定关联性；同时，设备种类、负荷状况、绝缘材料的体积及老化程度与产 气速率也有很大的关系：当变压器内部故障处于早期发展阶段时，气体的产生比 较缓慢，产气的速率随故障的发展而增大；变压器内绝缘纸等固体绝缘材料在运 行中承受多种因素作用，将逐渐老化而分解产生的主要气体是c o 和c 0 2 。因此， 国内外都相继把色谱分析得到的总烃和c o 、c 0 2 作为特征气体来诊断运行中变压 器的故障。 表2 - 6 特征气体与变压器内部故障的关系 1 以总烃为特征量诊断故障 ( 1 ) 根据总烃含量及产气速率诊断 通常认为绝对产气速率能较好地反映出故障性质和发展程度，不论纵比( 与 历史数据比) 、横比( 与同类产品比) ，均有较好的可比性。但在实际应用中往往难 以得到绝对产气速率，因而多数采用相对产气速率进行分析诊断。当变压器油经 过真空滤油脱气后，宜及时作好绝对产气速度率的测量，并可利用如下经验进行 诊断。 1 ) 总烃的绝对值小于注意值，总烃产气速率小于注意值。可诊断为变压器 运行正常。 2 ) 总烃大于注意值，但不超过注意值的3 倍；总烃产气速率小于注意值。 可诊断为变压器有故障，但发展缓慢，还可继续运行并注意观察。 3 ) 总烃大于注意值，但不超过注意值的3 倍；总烃产气速率为注意值的1 2 倍。可诊断为变压器有故障，应缩短试验周期，密切注意故障发展趋势。 4 ) 总烃大于注意值的3 倍；总烃产气速率大于注意值的3 倍。可诊断为变 压器有严重故障，发展迅速，应立即采取必要的措施，有条件时可进行吊罩检修。 同时，还应当指出，对放电性为主的变压器故障，一旦确诊，应立即停运检修， 不要求进行产气速率的追踪，追踪产气速率只能适用于过热性为主的变压器故 障。我国现行的d l t7 2 2 2 0 0 0 导则给出了绝对产气速率的注意值。同时表 2 7 列出的追踪经验也可供参考。 第二章变压器油中溶解气体分析的原理及故障诊断方法 同时，追踪分析时间间隔应适中，太短不便于考察；太长又无法保证变压器 正常运行，一般以间隔1 3 个月为宜，而且必须采用同一方法进行气体分析； 在追踪产气速率期间，变压器不得停运，并且负荷应保持稳定；如果要追踪产气 速率与负荷的相互关系时，可有计划地改变负荷进行追踪分析；为便于分析和判 断，新投入运行的变压器应有投运前的色谱分析测试数据。实际上，对于2 2 0 k v 及以上的所有变压器、容量在1 2 0 m v a 及以上的发电厂主变压器，在投运后的l ， l o ，3 0 天( 5 0 0 k v 变压器应在投运l 天后增加1 次) 均要进行色谱分析，并记录分 析结果。 2 以c o ，c 0 2 为特征量诊断故障 当大型变压器发生低温过热性故障时，因温度不高，往往油的分解不剧烈， 烃类气体含量并不高，而c o 和c 0 2 含量变化却较大。因此，可用c o 和c 0