（电气工程专业论文）电力变压器油色谱在线监测数据集成与分析系统研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 电力变压器是电力系统中最重要的电气设备之一，其运行状态直接影响到整个 电力系统的安全与稳定运行。建立电力变压器油色谱在线监测系统是降低变压器事 故率的有效手段之一。本文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，设计了变压器油色谱在线 监测系统方案，利用g p r s 网络实现了多台变压器油色谱数据的集成。最后，对变 压器油中气体含量数据进行了图形、三比值、灰色关联分析。实际数据的诊断结果 表明所提出的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：电力变压器；在线监测：数据集成；灰色关联 a b s t l 认c t p o w e rt r a n s f o r m e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te l e c t r i ca p p a r a t u si ne l e c t r i cp o w e r s y s t e m ，a n di t so p e r a t i n gs t a t ea f f e c td i r e c t l yt h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m b u i l d i n ga no n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o rc h r o m a t o g r a p h yi so n eo fe f f e c t i v em e t h o d st h a t m a yd e c r e a s ef a i l u r er a t eo fp o w e rt r 娜f o r m e r t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fg a s e sd i s s o l v e d i nt r a n s f o r m e ro i l ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o d sa n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c em e t h o d so fd o m e s t i ca n d f o r e i g n - b a s e dg a s e sd i s s o l v e di nt r a n s f o r m e ro i la r ea n a l y z e d a n0 1 1 - l i n em o n i t o r i n gs y s t e m f o rp o w e rt r a n s f o r m e ro i l c h r o m a t o g r a p h yd a t a i s d e s i g n e d p o w e rt r a l l s f o r m e r o i l c h r o m a t o g r a p h yd a t ai st r a n s m i t t e db yg p r sn e t w o r k a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e d so ft h e a n a l y s i s ，t h i sp a p e ru s e dg r a p h i cm e t h o d ，i e ct h r e e - r a t i om e t h o da n dt h eg r a yr e l a t i o n s h i p d i a g n o s i sm o d e lt op e r f o r mt h ea n a l y s i so fd g ad a t a f i n a l l y , r e a le x a m p l e ss h o wt h a tt h e p r o p o s e dd i a g n o s i sm e t h o dc a nr e a l l yi m p r o v et h ec h r o m a t o g r a p h y - b a s e dt r a n s f o r m e rf a u l t d i a g n o s i sa c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y w a n gy a n ( e l e c t r i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l ib a o s h u k e yw o r d s ：p o w e rt r a n s f o r m e r ，o n l i n em o n i t o r i n g ，d a t ai n t e g r a t i o n ，g r a y r e l a t i o n s h i p 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 电力变压器是电力系统中最重要的电气设备之一，其运行状态直接影响到整个 电力系统的安全与稳定运行。建立电力变压器油色谱在线监测系统是降低变压器事 故率的有效手段之一。本文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，设计了变压器油色谱在线 监测系统方案，利用g p r s 网络实现了多台变压器油色谱数据的集成。最后，对变 压器油中气体含量数据进行了图形、三比值、灰色关联分析。实际数据的诊断结果 表明所提出的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：电力变压器；在线监测：数据集成；灰色关联 a b s t l 认c t p o w e rt r a n s f o r m e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te l e c t r i ca p p a r a t u si ne l e c t r i cp o w e r s y s t e m ，a n di t so p e r a t i n gs t a t ea f f e c td i r e c t l yt h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m b u i l d i n ga no n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o rc h r o m a t o g r a p h yi so n eo fe f f e c t i v em e t h o d st h a t m a yd e c r e a s ef a i l u r er a t eo fp o w e rt r 娜f o r m e r t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fg a s e sd i s s o l v e d i nt r a n s f o r m e ro i l ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o d sa n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c em e t h o d so fd o m e s t i ca n d f o r e i g n - b a s e dg a s e sd i s s o l v e di nt r a n s f o r m e ro i la r ea n a l y z e d a n0 1 1 - l i n em o n i t o r i n gs y s t e m f o rp o w e rt r a n s f o r m e ro i lc h r o m a t o g r a p h yd a t ai sd e s i g n e d p o w e rt r a l l s f o r m e ro i l c h r o m a t o g r a p h yd a t ai st r a n s m i t t e db yg p r sn e t w o r k a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e d so ft h e a n a l y s i s ，t h i sp a p e ru s e dg r a p h i cm e t h o d ，i e ct h r e e - r a t i om e t h o da n dt h eg r a yr e l a t i o n s h i p d i a g n o s i sm o d e lt op e r f o r mt h ea n a l y s i so fd g ad a t a f i n a l l y , r e a le x a m p l e ss h o wt h a tt h e p r o p o s e dd i a g n o s i sm e t h o dc a nr e a l l yi m p r o v et h ec h r o m a t o g r a p h y - b a s e dt r a n s f o r m e rf a u l t d i a g n o s i sa c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y w a n gy a n ( e l e c t r i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l ib a o s h u k e yw o r d s ：p o w e rt r a n s f o r m e r ，o n l i n em o n i t o r i n g ，d a t ai n t e g r a t i o n ，g r a y r e l a t i o n s h i p 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力变压器油色谱在线监测数 据集成与分析系统研究，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：曼缝 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：生逛 日期：丝：! 导师签名：乏叁窒趟 e t 期：兰竺 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 选题背景及其意义 第一章引言 高压油浸式电力变压器是枢纽变电站的核心设备，其重要地位是不言而喻的， 它的安全运行对保证供电可靠性、减少试验及维修的人力、物力都很关键。变压器 一旦发生故障，影响面大、修复时间长，所以可靠性指标是影响整个电力系统可靠 性的重要因素，对其可靠性的改善将给整个电力系统的安全、可靠性和经济运行带 来巨大的效益【l 】。因此，能及时发现变压器内所潜伏的故障，可防止重大恶性故障 的发生，保障电网的安全稳定运行。而利用气相色谱法检测油中溶解气体，来诊断 设备内部故障已成为最为有效的方法，成为确保大型变压器的安全运行必不可少的 手段。 随着国民经济对供电可靠性要求不断提高、大型变压器数量不断增加，现行的 色谱分析监测【2 j 手段仍存在一定的局限性，主要表现为试验周期较长，不能及时有 效的监测变压器的故障。因此，安装测量多组分变压器色谱在线监测系统，可实现 对大型变压器内部运行状态的在线监控，随时掌握设备的运行状况，及时发现和诊 断其内部故障，弥补了试验室色谱分析的不足，为保证变压器的安全经济运行和状 态技术检修提供了支持，以保证变压器及电网系统、安全、经济运行，给电力行业 带来巨大的经济效益和社会效益。 目前，研制并投入运行的变压器油色谱在线监测系统有几十种，厂家有十几个， 油色谱分析的原理不尽相同，尤其是各自数据处理使用不同的数据库和编程软件， 如果一个供电公司使用几个厂家的油色谱在线监测产品，就需要设置几个终端接收 装置，安装几种不同的工作站，各厂家产品之间数据不能共享，造成资源的极大浪 费和使用不便，迫切需要研究一种新的电力变压器油色谱在线监测数据综合分析系 统，可以实现不同厂家分析数据的统一采集和管理，利用故障诊断系统对油色谱数 据进行综合诊断分析，对变压器故障定性、定位，更有效地利用在线监测装置的功 能，为电力安全生产发挥更重要的作用。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 在线监测研究现状 随着电子技术的进步和传感器、光纤、计算机、信息处理等技术的发展和向各 领域的渗透，在线监测技术逐步走向实用化阶段。变压器的在线监测项目主要有油 - 1 华北电力大学工程硕士学位论文 中气体测量与分析、局部放电测量、有载开关的触头磨损测量及机械和电气回路的 完整性测量等。从2 0 世纪9 0 年代开始，出现以数字波形采集和处理技术为核心的 微机多功能在线监测系统。利用先进的传感器技术、计算机技术、数字波形采集和 处理等高新技术，实现更多的绝缘参数在线监测。这种监测系统可以实时连续地巡 回监测各被测量，因此，监测内容丰富、信息量大、处理速度快，对监测结果可显 示、存储、打印、远传及越限报警，实现了绝缘监测的全部自动化，代表了当今在 线监测的发展方向【3 吲。 国际上油中溶解气体分析的最新发展趋势是： ( 1 ) 如何提高其最小检知浓度及测量重复性； ( 2 ) 如何进一步开发更适用于现场的、不同用途的油中溶解气体分析。 前者在我国新制定的油中溶解气体规程中已有体现。由于监测流程及设备的完 善，已有可能获得更高的测量重复性和更低的最小检知浓度，以满足监测及判断的 需要。基于不同的气体组分有其不同的吸收光谱，因而国外这类利用光学方法的高 精度d g a 现场监测系统，其最小检知浓度、重复性等优于目前基于传感器的现场 用d g a t 6 1 。国内利用光学方法的现场用新型d g a 监测系统也将问世。 目前国内外现有的油中溶解气体在线监测装置按测试对象的不同可以分为两 大类【7 1 ： ( 1 ) 监测单组分氢气和检测可燃气总量。使用渗透膜进行油气分离，气敏元件做 传感器，该装置只能作为故障的初期警报，不是真正意义上色谱在线。该装置目前 在国内安装较多，其代表是加拿大生产h 2 0 1 。 ( 2 ) 监测多组分含量在线色谱，可测量4 7 种组分的含量。目前在国内外有多家 生产。根据国内外技术分析，存在的主要问题有： 油气分离方式大多采用薄膜渗透法，优点是脱气方式简单，缺点是油气分离 平衡周期长，需十几到几十个小时，渗透膜一般安装在油路不循环的死油区，容易 造成故障监测滞后： 分析数据的不稳定性，与实验室分析数据可比性差： 监测灵敏度低，不能满足大型变压器监测要求。 随着我国电力事业的快速发展，对在线监测提出了更高的要求，今后该技术的 发展趋势和方向是： ( 1 ) 能检测变压器油中七种组分的特征气体，监测灵敏度高，并能与试验室分析 结果一致； 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 具有智能专家诊断功能，能对各种数据进行分析和判断，监测变压器内部运 行状态及故障发展趋势； ( 3 ) 分析周期短，能连续检测； ( 4 ) 具有远程无线传输数据和调控功能； ( 5 ) 性能稳定可靠。 1 2 2 人工智能技术在变压器故障诊断中的应用 根据信息的综合和运行人员的经验来推断可能的故障位置和故障类型。由于这 一过程很难用传统的数学方法描述，而人工智能技术【8 1 1 1 则由于其善于模拟人类处 理问题的过程，容易计及人的经验以及具有一定学习能力等特点在这一领域得到了 广泛的应用。通过对缺陷判断的认知过程的分析，应用人工智能技术形成逻辑分析 判断系统，可对缺陷进行分析并提供监督处理意见，使检修人员对问题的认识更具 全面性、有效性和针对性。 ( 1 ) 专家系统( e s ) 专家系统是人工智能中的一个重要分支，是关于问题求解的一种智能软件系 统。其内部具有大量专家水平的某个领域知识与经验，根据这些知识和经验进行推 理和判断，模拟人类专家的决策过程，以解决那些需要专家决定的复杂问题。虽然 专家系统能够有效地模拟故障诊断专家完成故障诊断过程，但在实际应用中仍存在 一定缺陷，其主要问题是知识获取的“瓶颈 问题、知识难以维护以及诊断策略不 灵活、推理能力弱，难以满足监测控制实时性的要求，也不能有效地解决故障诊断 中许多不确定性因素，这些问题大大影响了故障诊断的准确性。 ( 2 ) 人工神经网络( a n n ) 人工神经网络是模拟人脑组织结构和人类认知过程的信息处理系统。自1 9 4 3 年首次提出以来，己迅速发展成为与专家系统并列的人工智能技术的另一个重要分 支。它以其诸多优点，如并行分布处理、自适应、联想记忆等，在智能故障诊断中 受到越来越广泛的重视，而且已显示出巨大的潜力，并为智能故障诊断的研究开辟 了一条新途径。a n n 具有强大的知识获取能力，并能有效地处理含噪声数据，弥补 了e s 方法的不足。 ( 3 ) 遗传算法( g a ) 遗传算法是基于自然选择和遗传机制，在计算机上模拟生物进机制的寻优搜索 算法。它能在复杂而庞大的搜索空间中自适应地搜索，寻找出最优或准最优解，且 算法简单、实用、鲁棒性强。遗传算法对待求解问题几乎没有什么限制，也不涉及 3 华北电力大学工程硕士学位论文 常规优化问题求解的复杂数学过程，并能够得到全局最优解或局部最优解集，这是 它优于传统技术之处。遗传算法从优化的角度出发基本上可以解决故障诊断问题， 尤其是在复杂故障或存在保护、断路器误动作的情况下，能够给出全局最优或局部 最优的多个可能的诊断结果。如果能够建立合理的数学模型，那么不仅可以使用遗 传算法解决故障诊断问题，还可以使用其他类似的启发式优化算法解决故障诊断问 题，如蚂蚁系统算法、t a b u 搜索算法等。从不同的交叉和变异算法的应用比较可 以看出，不同交叉和变异算子对结果的影响比较大，如何确定最优的交叉和变异算 子及相应的参数也有待进一步研究。 ( 4 ) 模糊理论( f z ) 在故障诊断中，故障与征兆之间的关系往往是模糊的，这种模糊性即来自故障 与征兆之间关系的不确定性，又来自故障与征兆在描述上的不精确性，从而使得诊 断结果也存在模糊性。解决模糊诊断题的传统方法一般是根据专家经验在故障征兆 空间与故障原因空间之间建立模糊关系矩阵。常用的方法是将各条模糊推理规则产 生的模糊系矩阵进行组合，或与或并。变压器故障诊断的不确定因素对于要求严格 匹配搜索的专家系来说，很容易导致错误的结果。当在专家系统中融入模糊理论后， 精确推理变为近似推理，在相当程度上增强了专家系统的容错性。一般的模糊系统 采用了与专家系统类似的结构，所以它也具有专家系统的一些固有的缺陷： 模糊系统在推理时也要搜索知识库内定的规则集才能得出诊断结论，所以当 系统比较大时完成诊断的速度也比较慢； 当输电网络的结构或自动装置的配置发生变化时，模糊系统的知识库或相关 规则的模糊度也要进行相应的修改，即模糊系统也存在维护的问题； 模糊系统不具备学习能力。 ( 5 ) 灰色关联 灰色系统【1 2 】是指部分信息清楚、部分信息不清楚的系统，即是信息不完全的系 统。灰色系统理论是以“部分信息已知，部分信息未知”的“小样本 、“贫信息 的不确定性系统为研究对象，主要通过对“部分 已知信息的生成和开发提取有价 值的信息，实现对系统运行行为的正确认识和有效控制。它着重研究概率统计、模 糊数学所不能解决的“小样本、贫信息不确定”问题，并依据信息覆盖，通过序列 生成寻求现实规律，其特点是“少数据建模”。与模糊数学不同的是，灰色系统理 论着重研究“外延明确，内涵不明确”的对象。 以上各种智能诊断方法，是从不同的途径去解决故障诊断问题的但同时也存在 缺陷。因为变压器油中溶解气体中的单一因素不能够决定变压器故障，即变压器系 4 华北电力大学工程硕士学位论文 统中单一因素对导致故障原因的内涵不完全清楚；同时，油中多种溶解气体之间的 相互制约关系也不完全明确，发生哪类故障将产生哪类气体的关系也不是一一对应 的。因此电气设备故障诊断是一个部分信息已知、部分信息未知的灰色系统，对电 气设备的故障诊断的实质是个灰色系统“白化 过程，所以本文选用了以不确定 系统为研究对象的灰色关联诊断方法。 1 3 课题研究内容 选取多个厂家的多组分变压器油色谱在线监测装置，设计一套电力变压器油色 谱在线监测数据综合分析系统软件，完成的主要工作如下： ( 1 ) 在不影响设备运行的前提下，通过对变压器油色谱在线监测，提取各种状 态参数信息后，按照统一规定的通信协议，通过g p r s 将提取到的信息传输至一台 能够容纳各种监测终端的远程监控主机，实现对各种数据的统一管理和应用。 ( 2 ) 为存储和分析数据建立统一的后台数据库，以实现不同厂家的色谱分析装 置数据的资源共享，通过调用数据库中的资源，灵活地对监测数据进行处理，实现 图表分析、数据查询和故障诊断。 ( 3 ) 利用变压器的在线气相色谱分析数据，结合三比值法和灰度关联分析方法， 对变压器历史数据和运行参数进行综合诊断，最后建立以d g a 为特征量的灰色关 联故障诊断模型，进行系统分析和故障诊断。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章电力变压器常见故障与诊断方法分析 大型充油电力变压器的故障涉及面广而且复杂多样，运行变压器常见故障【1 3 1 5 】 的划分方法通常有： ( 1 ) 按变压器结构可分为绕组故障、铁芯故障、油纸故障、附件故障。 ( 2 ) 按回路可分为电路故障、磁路故障、油路故障。 ( 3 ) 按故障发生部位可分为绝缘故障、铁芯故障、分接开关故障、套管故障等。 ( 4 ) 按变压器本体可分为内部故障和外部故障，即把油箱内发生的各相绕组间的 相间短路、绕组的匝间短路、绕组或引线与箱体接地等称为内部故障，而油箱外部 发生的套管闪络、引出线间的相间短路等故障称为外部故障。 对于变压器内部故障，如果按形成的原因和发展的过程，则可分为电气回路缺 陷构成的突发性故障和由铁芯、开关、并联导线绝缘损失等局部过热构成的缓慢发 展的潜伏性故障。如果按故障性质分类，则又可分为过热故障和放电故障两大类。 变压器的各种故障都可能危及内绝缘的安全，各种外部及内部原因引发或直接 造成的变压器内部故障，按性质又可分为热故障和放电故障。由于绝缘故障造成的 事故在变压器总事故中占8 5 以上，因此，近几年来，国内外都在研究能反映运行 中变压器故障的各种特征量和采集故障特征量信息的各种传感器，研究开发变压器 绝缘运行状态在线监测及故障诊断的智能化装置或系统。 变压器故障的监测诊断方法可以分为以下三类： ( 1 ) 利用人的感官诊断变压器判断故障 通过人们对声音、振动、气味、变色、温度等的感觉来判断变压器的运行状态， 根据所发现的各种现象的变化来分析故障发生的部位和程度。 ( 2 ) 利用变压器保护装置判断故障 变压器的内部故障可以用各种保护继电器和检测装置来检测。机械类的检测装 置有气体继电器、油流量继电器、冲击压力继电器和防爆装置等；电气类的有差动 继电器、过电流继电器等。 ( 3 ) 利用仪器仪表检测诊断故障 利用各种专用仪器仪表对变压器进行专项试验分析，如变压器的电气试验、油 中的含气分析、变压器总的绝缘性能试验、绝缘油试验等，以便对故障的部位和程 度做出一定的判断。 0 华北电力大学工程硕士学位论文 目前应用最广泛的还是使用仪器仪表来对变压器进行试验分析诊断，它的准确 性和可靠性要远远超过前两类方法。 2 1 变压器油中溶解气体分析法 大型电力变压器，目前几乎都是用油来绝缘和散热的，变压器油与油中的固体 有机绝缘材料( 纸和纸板等) 随运行时间的增加，因放电和热的作用会逐渐老化和分 解，产生少量的各种低分子烃类及c o 、c 0 2 气体，而变压器的内部绝缘故障却伴 随着局部过热和局部放电现象，使油或纸或油和纸分解产生h 2 、c 2 h 4 、c 2 h 6 、c 2 h 4 、 c 2 h 2 、c o 和c 0 2 等气体。油中溶解气体的组分和含量可以作为反映电气设备电气 异常的特征量。 d g a ( d i s s o l v e dg a s i n o i la n a l y s i s ) 分析是上世纪6 0 年代初期出现的对变压器 绝缘油进行分析的新技术，该诊断方法各国已研究了多年，对于油浸式电力设备， 油中溶解气体分析( d g a ) 是应用最广泛、也是最有效的故障监测方法之一。 2 1 1d g a 反映故障的原理 对于大型电力变压器，目前普遍采用变压器油作为绝缘和冷却的介质。变压器 油是由各种碳氢化合物组成的混合物，其中碳、氢两种元素占全部重量的9 5 9 9 。 除此之外，还存在少量的有机酸类、硫化物、氮化物和胶质沥青等高分子化合物以 及有机化合物，另外变压器中还存在一些固体有机绝缘材料，如：油浸纸、绝缘纸 板和白纱带等。在正常情况下，变压器油及固体绝缘材料在温度、电场、氧气、水 分以及铜、铁材料的催化作用下，会逐渐老化并分解产生少量的各种低分子烃类以 及一氧化碳、二氧化碳等气体。 另外，油在炼制、运输过程中会与空气接触从而溶解各种各样的气体，对于强 制油循环变压器，油泵的空穴以及管道的密闭不严也会使空气混入，因此，在正常 情况下，变压器油中会溶解一部分气体，但这些气体的含量很少，其分解的速率也 十分有限。当变压器发生潜伏性故障时，这些气体的产气速率和浓度就会迅速上升， 所形成的气泡在油中经对流、扩散不断地溶解于变压器油中。 经验表明，变压器油中h 2 、c h 4 、c 2 h 6 、c 2 h 4 、c 2 h 2 、c o 、c 0 2 等特征气体的 组分含量与故障的类型及其严重程度有着密切的联系，气体的组分特征也随着故障 类型、故障能量以及所涉及的绝缘材料的不同而不同。同一性质的故障，所产生的 气体含量随着故障严重程度的不同而不同，而与绝缘油的种类和牌号无关。 华北电力大学工程硕士学位论文 因此，在设备运行的过程中，定期检测油中溶解气体的含量和组分，就能尽早 发现设备内部存在的潜伏性故障，并可以随时掌握故障的发展态势，有助于对设备 的运行状况做出正确判断，从而制定出相应的故障处理方案。 2 1 2d g a 数据的提取 目前，变压器油中溶解气体一般采用常规气相色谱分析仪进行定期检测，其工 作流程如图2 1 所示。 图2 1 气相色谱分析流程图 首先，试验人员定期到现场抽取变压器油样，然后将抽取的油样放到气化室中 进行脱气处理，并测定其脱气率。在脱气完成之后，用载气将分离出来的气体带入 色谱柱，并在色谱柱中实现各气体组分的分离，色谱柱中填充的固体物质是固定不 动的，称为固定相。流动的物质( 气体或者液体) 携带着含有被分析物质的样品通过 色谱柱，这种流动的物质就是流动相，流动相为气体的色谱仪即为气相色谱仪。 各气体组分在经过色谱柱分离后从色谱柱内流出，立即进入鉴定器，鉴定器能 够将气体各组分的存在与否转变为电信号，并用时间一电压曲线来表征从色谱柱中 流出的气体组分以及浓度的变化，每一个分离的组分，在曲线上对应着一个峰值即 为色谱峰。 2 2 变压器内部故障类型与油中溶解气体含量的对应关系 由于溶解气体分析主要是反映变压器内部的潜伏性故障，并且油中溶解气体的 产生与故障的能量有关。因此，在基于d g a 数据的变压器故障诊断中，将变压器 故障主要分为：热性故障、电性故障和受潮三大类，其中又以前两种最为常见。湖 北省对3 5 9 台故障变压器的故障类型进行了统计，统计结果如表2 1 所示。 表2 1 变压器故障类型统计表 华北电力大学工程硕士学位论文 通常，按故障点的温度范围又将变压器的热性故障分为低温过热( t 3 0 0 c ) 、中 温过热( 3 0 0 ( 2 t 7 0 0 ( 2 ) 和高温过热( p 7 0 0 ) 三大类；对于电性故障则根据放电的能 量密度分为局部放电、低能放电和高能放电。各种故障类型及其可能的原因列于表 2 - 2 。 表2 2 变压器故障类型分类 故障类型故障可能原因 低温过热 ( t 3 0 0 ) 中温过热 ( 3 0 0 t 7 0 0 ) 局部放电 低能放电 高能放电 变压器超负荷运行，绕组中油路阻塞，铁轭夹件中的杂散磁通过大 螺栓连接处、滑动接触面、选择开关内的接触面，以及套管引线和电缆的连接接触 不良 油箱和铁芯上大的环流，油箱壁未补偿的磁场过高，形成一定的电流，铁芯叠片之 间的短路 火花放电或电弧放电的前兆，油中存在气泡，固体绝缘材料内存在空腔，高湿度的 纸，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， 尖角、毛刺、漆瘤，金属部件或导体之间接触不良 不良连接形成的不同电位或悬磁电位造成的火花放电或电弧，可发生在屏蔽环、绕 组中的相邻线饼间或导体间，以圾连线开焊处或铁芯的闭合回路中，夹件间、套管 与箱壁、线圈内的高压和地端的放电，木质绝缘块、绝缘构建胶合处，以及绕组垫 块的沿地放电，油击穿、选择开关的切断电流 局部高能量或短路造成的闪络，沿面放电或电弧，低压对地、接头之间、线圈之间、 套管与箱体之间、铜排与箱体之间、绕组与铁芯之间的短路，环绕主磁通的两个临 近导体之间的放电，铁芯的绝缘螺丝、固定铁芯的金属环之间的放电 不同故障类型所对应的故障气体的含量如表2 3 所示。 表2 - 3 变压器故障类型分类 故障类型故障特征气体含量。 低温过热 ( t 3 0 0 ) 中温过热 ( 3 0 0 5 1 带有烧伤痕迹 严重过热性故障，但未损坏绝缘 过热性故障 2 3 2 特征气体法 按油中溶解的特征气体含量与注意值的比较进行判断【17 1 ，特征气体主要包括总 烃( c l + c 2 ) 、c 2 h 2 、h 2 、c o 和c 0 2 等。由于变压器内部在不同故障下产生的气体有 不同的特征，因此可以根据绝缘油的气相色谱测定结果和产气的特征性及特征气体 的注意值等，对变压器有无故障及故障性质做出初步判断，判断规则如表2 7 所示， 但这种方法只能粗略地判断设备内部有无故障，而不是划分故障的唯一标准。 华北电力大学工程硕士学位论文 表2 7 判断故障性质的特征气体法 2 3 3 根据比值法判断故障类型 ( 1 ) i e c 三比值法 因为不同性质的故障所产生的油中溶解气体的含量、组分是不同的，因此可以 根据溶解气体的含量判断故障的类型。国际电工委员会( i e c ) 推荐使用5 种气体： h 2 、c h 4 、c 2 h 6 、c 2 h 4 、c 2 h 2 的三个比值c 2 h 2 c 2 h 4 、c h dh 2 、c 2 h 2 c 2 h 6 的大小 来判断变压器的故障类型，这种方法称为三比值法。三比值法中，首先根据气体分 析的结果查阅编码规则表，计算出对应的编码组，然后根据故障类型判别表便可以 得出相应的故障类型及故障的大体部位。三比值法的编码规则和故障类型判别表分 别如表2 8 、2 9 所示。 表2 - 8i e c 三比值法编码规则表 华北电力大学工程硕士学位论文 表2 - 9i e c 三比值法故障类型判别表 故障类型比值范围编码典型例子 o无故障00 l 低能鼍妻字局部0 1 放电 2 高能鼍磐局部 11。 放电 3 低能量放电l ，2 0 1 , 2 4 高能量放电 l02 5 1 5 0 c 的热故障0 01 6 嚣勰瓣o 2o。 范围的过热故障 ” 。 73 憾登范021 围的热故障 8 高翟竺冀妻鎏范0 22。 围的热故障 正常老化 含气空腔中的放电，这种空腔是由于不完全浸渍、气体过 饱和，空吸作用或高湿度等原因造成的。 同上，但已导致固体绝缘的放电痕迹或穿孔。 不同电位之间的连续火花放电或对悬浮电位连接不良的 连续火花放电，固体材料之间油的击穿。 有功频续流的放电、线圈、线饼、线匝之间或线圈对地之 间的油的电弧击穿，有载分接开关的选择开关切断电源。 一般性的包有绝缘层的导线过热。 由于磁通集中引起的铁芯局部过热，热点温度依下列情况 为序而增加：铁芯中的小热点，铁芯短路，由于涡流引起 的铜过热，接头或接触不良( 形成焦炭) ，铁芯和外壳的 环流。 ( 2 ) 改良电协研法 ： - 由表2 - 9 可以看出，i e c ，三比值法的编码组合太少，在实际应用的过程中常常 会出现找不到气体比值编码的现象，因此有人提出了改良的电协研法，其编码规则 和故障类型判别表分别如表2 1 0 、2 1 1 所示。 表2 1 0 改良电协研法编码规则表 1 3 ， 华北电力大学工程硕士学位论文 o 2 0l 20 2 l 0 ，1 ，2 2 10 0 ，l 0 ，l ，2 2 0 ，1 ，2 o ，l0 ，l ，2 2 0 ，l ，2 低温过热( 低 于1 5 0 ) 低温过热 ( 1 5 0 - - 3 0 0 ) 中温过热 ( 3 0 0 - 7 0 0 ) 高温过热( 高 于7 0 0 ) 绝缘导线过热，注意c o 和c 0 2 的含量， 以及c 0 2 c 0 的值。 分接开关接触不良，引线夹件螺丝松动 或接头焊接不良，涡流引起铜过热，铁 芯漏磁，局部短路，层间绝缘不良，铁 芯多点接地等。 局部放电 j 耄柔轰毛，含气量引起油中低能密度的 ，苎竺竺苎 裂管y 赛篓嘉窦嘉蓑翥翁蠢窝蓦警奈薷 低能謦电兼过电位之间的油中火耗放电交篡浮电砬芝 。篡氅萎嬲灞飘曩暑暑袅坌芋 吧弧服吧罪 线圈烙短、分接开关飞弧、因环路电流 赳热 弓l 恕由瓠弓i 结对苴柚耪协佐前由竺 实践检验表明，三比值法的判断准确率可达8 0 左右，改良电协研法与三比值 法相比其判断准确率得到了一定程度的提高，但在实际应用中还存在以下不足： ( 1 ) 比值法所提供的编码非常有限，由于充油电气设备内部故障非常复杂，由典 型事故统计分析的到的三比值法推荐的编码组合，在实际应用中常常出现不包括表 范围内编码组合对应的故障。例如编码组合2 0 2 或2 0 1 所对应的故障类型为低能放 电，但对于有载调压变压器，该故障可能是由切换开关里的油向变压器本体油箱渗 透所引起的，而对于这种情况，比值法中并没有给出说明； ( 2 ) 只有油中气体各组分含量足够高或超过注意值，并且经综合分析确定变压器 内部存在故障后，才能进一步用三比值法判断其故障性质。如果不论变压器是否存 在故障，一律使用三比值法，就有可能对正常的变压器造成误判； ( 3 ) 当故障涉及固体绝缘的正常老化过程与故障情况下的劣化分解时，将引起 c o 和c 0 2 含量的明显增长，但三比值法中并没有利用c o 和c 0 2 的含量等有用信 息； ( 4 ) 每一种故障对应一组编码，对于多种故障的联合作用，可能找不到相对应的 编码组合。同时，对于比值边界区间内的故障，往往容易误判；一 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 5 ) 由于故障分类存在模糊性，一种故障状态可能引起多种故障特征，而一种故 障特征也可在不同程度上反映多种故障状态，因此三比值法并不能全面反映变压器 的故障状况。 总之，变压器故障本身因果关系的客观不确定性和测试数据主观判断边界的非 此即彼性，决定了比值法难以全面满足工程应用的要求，因此需要进一步探索更为 准确、全面的故障诊断方法。综合考虑，本文选用了以不确定系统为研究对象的灰 色关联诊断方法。 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章变压器油色谱在线监测数据集成与分析系统总体设计 本章通过对变压器油色谱在线监测数据综合分析系统的功能进行分析，设计了系统 的总体框图，并对其中各子模块应用的相关技术进行了研究，建立了集g p r s 通信1 8 】【1 9 1 、 数据库2 0 1 、灰度关联等技术于一体的软件系统模型。 3 1 电力变压器油色谱在线监测数据集成与分析系统功能 根据电力行业的需求，电力变压器油色谱在线监测数据综合分析系统实现的功能如 下： ( 1 ) 实现与不同厂家的变压器油色谱分析仪的数据通信。通过对不同厂家的变压器油 色谱分析仪的数据采集，从而实现数据的统一管理。 ( 2 ) 超限报警功能。对采集到的数据的气体组分含量和产气速率计算，建立警戒、警 告等多级报警机制，保证变压器运行的实时安全。 ( 3 ) 故障诊断功能。对于超过气体组分含量或产气速率注意值的数据，通过故障诊断 方法对数据进行分析，保证变压器及电网运行安全。故障诊断采用g b 厂r7 2 5 2 2 0 0 1 变 压器油中溶解气体分析与判断导则规定的改良三比值法和灰度关联方法实现，从而提 高故障诊断的准确率。 ( 4 ) 数据集中管理。建立统一的数据库管理系统，将所有采集到的变压器油色谱数据 保存到数据库中，便于统一管理。并且通过建立变压器的基本信息，从而建立基础变压 器的综合管理平台，为变压器的状态分析积累数据。 ( 5 ) 数据查询功能。实现历史数据与实时数据的查看，通过不同的检索条件和查看方 式显示数据。 ( 6 ) 图形显示功能。通过可视化的图形方式可直观地表现数据的变化规律，并且一些 图形方法( 例如气体比值的图示法、大卫三角法等) 还是变压器故障诊断的辅助方法。 3 2 电力变压器油色谱在线监测数据集成与分析系统设计 根据系统功能分析，电力变压器油色谱在线监测数据综合分析系统包括电力变压器 油色谱在线监测终端设备、g p r s 无线网络传输【2 1 1 、数据库系统和数据综合分析与故障 诊断软件各模块组成。采用这种设计方式可以实现一个后台管理系统同时监测多个电力 变压器油色谱在线监测终端设备，并可对新加入的监测点进行监测，总体结构如图3 - 1 所示。 华北电力大学工程硕士学位论文 图3 - 1 油色谱在线监测系统框图 油色谱在线监测终端设备安装于需要监测的现场，是可以完全独立运行的监测设 备，主要采集油色谱数据信息，并通过g p r s 网络与后台软件系统实现通倒