（计算机应用技术专业论文）电力变压器故障诊断及寿命预测方法的研究.pdf

摘要 摘要 电力变压器的故障诊断和寿命预测问题是电网设计和维护中的关键问题，常 用的故障诊断方法一般是基于油中溶解气体分析法( d g a ) 的。本论文重点研究 了基于d g a 分析法的一种新方法即可拓贝叶斯判别法，在分析一般故障诊断方 法优缺点的基础上，提出了将可拓贝叶斯判别法应用于电力变压器的故障诊断中。 主要过程是，首先把在线监测所得的变压器故障特征数据和油中气相色谱分析结 果作为故障信息，并在此基础上利用可拓贝叶斯判别法，结合故障类型的产生概 率和i e c 三比值法建立诊断故障的模型，分析判断出变压器的故障所属类型。另 外，在统计故障设备的基础上，进一步提出了基于诊断技术的寿命预测方法：根 据设备寿命服从w e i b u l l 分布，建立设备寿命的w e i b u l l 模型，结合设备可靠性分 析技术，分析得出设备检修和更换的最佳时机，从而对设备的寿命预测做了探索 性的研究。 关键字：故障诊断可拓贝叶斯w e i b u l l 分布寿命预测 a b s t r a c t2 a b s t r a c t t h ef a u l td i a g n o s i sa n dl i f ee x p e c t a n c yo ft r a n s f o r m e rh a v eb e e na l w a y st h ek e y i s s u e si nt h ed e s i g na n dm a i n t e n a n c eo fe l e c t r i cp o w e r 班d t h i ss t u d yf o c u s e so nt h e r e s e a r c ho ft h en e wm e t h o df o rt r a n s f o r m e rf a u l td i a g n o s i sa n dl i f ee x p e c t a n c y o r i e n t e d d i a g n o s i s b a s e do nt h ea n a l y s i so fa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft 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 s t h ee x t e n s i o n - b a y e sd i s c r i m i n a t i o na p p r o a c hi sp r o p o s e df o rt h e f a u l td i a g n o s i so ft r a n s f o r m e r i nt h i sw o r k , f a u l ti n f o r m a t i o ni sc o m p o s e do ff a u l t c h a r a c t e r sa n dt h er e s u l t so fd g a i na d d i t i o n ，t o g e t h e rw i t hp r o b a b i l i t ya n di e c t h e t r a n s f o r m e rf a u l ti sm o d e l e df o rt h ep u r p o s eo ft h ef a u l td i a g n o s i s b a s e do nt h em o d e l ， t h et y p eo ff a u l t sc o u l db ed e t e r m i n e db a s e do nt h ed e t e c t e df a u l ti n f o r m a t i o n b a s e do nd i a g n o s i st e c h n o l o g ya n dt h es t a t i s t i c sf r o mf a u l te q u i p m e n t s ，l i f e e x p e c t a n c y - o r i e n t e dd i a g n o s i si s a l s op r o p o s e di nt h i ss t u d y w h e nt h el i f eo ft h e t r a n s f o r m e ri sa s s u m e dt ob es u b j c o t e dt ow e i b u l ld i s t r i b u t i o n , t h em o d e lo ft r a n s f o r m e r i se s t a b l i s h e db a s e do nt h ea v a i l a b l es t a t i s t i c s ，t o g e t h e rw i t ht h ea n a l y s i so fr e l i a b i l i t ya s w e l l t h es c h e d u l eo ft h em a i n t e n a n c ea n de q u i p m e n tr e p l a c e m e n tf o rt h et r a n s f o r m e r c a nb eo p t i m a l l ya r r a n g e d k e y w o r d ：f a u l td i a g n o s i se x t e n s i o n - b a y e s w e i b u l ld i s t r i b u t i o nl i f e e x p e c t a n c y 声明 创新性声明 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中所罗列的内容外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其 它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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：壹幽日期：翻：z ：乙 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名：亟逛生因 导师签名：主g 蔓孑争一 日期：塑2 ：i ：苎 日期：塑：! ：! 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着现代化大生产的发展和科学技术的进步，对电力的需求与日俱增，对电 力设备的可靠性和稳定性也提出了更高的要求。随着电力的大规模生产，电力设 备的功能越来越完善，自动化程度也越来越高，为保证电力系统安全、经济、稳 定运行，电力设备的故障诊断和设备的寿命预测也越来越重要。电力变压器作为 主要的电力设备贯穿于这些环节之间，起着至关重要的枢纽作用，因而其运行的 可靠性受到电力工业部门的高度重视。用常规的预防性试验发现不了和实际也没 有发现的一些先天缺陷，普遍存在于各在役的和即将投运的电力变压器之中，有 些并不一定立即能引起事故，随着一些故障隐患的逐渐积累，故障和事故的发生 就成为必然的事情。变压器的检修和维护是确保设备安全可靠运行的重要环节， 但由于客观的和人为的诸多不确定性因素，电力变压器的故障客观上是不可避免 的。 正因为电力变压器故障的不可完全避免，对故障的正确诊断和及早预测，就 具有更迫切的实用性和重要性。但是，变压器的故障诊断是个非常复杂的问题， 许多因素如变压器容量、电压等级、绝缘性能、工作环境、运行历史甚至不同厂 家的产品等均会对诊断结果产生影响。各种试验方法和测试仪器只是起到获得变 压器运行状态信息的作用，而且许多情况下，为了不停电，状态测试的环境和条 件都受到了限制，反映运行状态的数据常常不够全面，并经常混杂着干扰信息。 所以要从这些信息中做出正确判断是富有挑战性的，需要工作人员具有非常丰富 的运行维护经验。 近年来，电力变压器虽然由于材料的改进、设计方法和制造技术的提高，运 行可靠性有所提高，但是由于一些无法预计的外界原因或者使用方法、运行维护 方面出现的问题，仍会发生预想不到的事故【。因此，加强对变压器绝缘状态的监 视以防范事故于未然以及在事故发生时尽快确定故障的性质及部位是很有必要 的。大型电力变压器是电力系统中最重要和最昂贵的设备之一，运行部门需要减 少变压器的运行费用并提高使用寿命，因此用以检查电力变压器是否正常、及时 发现故障的在线监测系统对电力系统的运行有着重要的意义。提高变压器运行、 维护和管理水平，特别是推广和发展故障诊断技术已成为保障供电可靠性的重要 手段之一。变压器寿命分析是变压器故障诊断另一个重要的方面，一个大型变压 器花费几百万美金，工作寿命一般为3 0 枷年，因此采用一些技术手段来确定甚 2 电力变压器故障诊断及寿命预测方法的研究 至延长变压器的工作寿命有着重要的意义【甜。 本文在分析常用故障诊断方法的基础上，研究了一种将可拓诊断法与贝叶斯 判别法相结合的方法，并提出将它应用到电力变压器故障诊断中。这一方法可以 大大提高变压器故障诊断结果的准确性。在统计故障设备的基础上，利用w c i b u l l 分布构建预测设备寿命损耗的数学模型，分析得出设备检修和更换的最佳时机， 在避免发生重大事故和节约检修成本方面具有实用价值。 由于电力变压器是高压输电网中价值最高的单元设备，其安全运行对整个电 力系统的安全至关重要，所以本文主要针对电力系统中变压器的故障和寿命预测 方法进行了研究。 1 2 电力设备故障诊断及寿命预测技术概述 1 2 1 设备故障诊断技术 故障诊断是指系统在一定工作环境下查明导致系统某种功能失调的原因或性 质，判断劣化状态发生的部位或部件，以及预测状态劣化的发展趋势等，它包括 故障检测、故障定位和故障预测【4 】。设备诊断具有如下特点：一是设备不能用语言 和动作直接表达自身疾患的部位，必须采用先进的检测技术来测量设备状态量； 二是设备有了缺陷以后，没有自我调整和再生的能力，必须经过检修处理才能使 之恢复健康。所以设备诊断技术总是和检修工程相结合的。 设备诊断技术是一门在实践中不断充实、不断完善的新兴学科。设备诊断技 术是在运行中或停机而不大拆卸的情况下，对设备的性能、强度、劣化等进行定 性评价和定量分析的一种方法【”。也就是说，设备诊断技术是通过对设备状态量的 测量，查出异常或缺陷的部位、原因和程度，提出可靠性评估和寿命预测，或对 故障和缺陷治理提出应急对策和永久对策的建议等一系列活动。 1 2 2 设备寿命预测技术 寿命预测是一项研讨设备在规定的运行工况下能够安全运行多长时间的工 作。可将寿命预测分为早期预测和中晚期预测。早期预测是确定设备的设计寿命 或计算寿命，主要以计算方法进行，是偏理论的，中晚期预测是指设备累计运行 时间已超过或远超过设计寿命，通过对其运行历史的分析、无损探伤及金相检验 等多种检验鉴定、断裂力学计算、其他直接和问接的寿命预测技术作为科学依据， 评估设备还能够继续安全运行的时间，也就是设备的剩余寿命，这种预测是偏实 践的，偏经验的，通常说的寿命预测主要是指剩余寿命预测，也称为剩余寿命评 第一章绪论3 估评定，结构完整性评估。为了进行寿命预测，需要做大量的资料分析、实地检 验、试验等工作，将这些技术称为剩余寿命预测技术，简称寿命预测1 5 j 。 从经济效益的角度希望设备能够长期继续运行，延长重大设备寿命已成为世 界各国相关部门共同关心的研究课题，并已取得了很大成果。对于我国这样一个 发展中国家，许多重大设备主要依赖于进口，如何能够做到物尽其用，这个课题 更为重要。所以，需要有一套行之有效的，可靠的技术方法对设备进行寿命诊断、 寿命管理，做好预测寿命及延长寿命工作。 寿命预测是出于确保设备安全运行、防止灾难性事故及延长使用寿命的需求 而提出来的。通过寿命预测可以做到： ( 1 ) 掌握部件所用钢材随运行时间增长其材质性能变化规律及长期运行后老 化程度； ( 2 ) 发现设备缺陷，监督其发展状况，掌握设备健康水平； ( 3 ) 确定寿命损耗率，预测剩余寿命； ( 4 ) 提出合理运行方式i ( 5 ) 为制定设备检修、维护、改造、更换方案及事故措施提供科学依据： ( 6 ) 延长超期服役设备的运行寿命，这是最经济的，进行寿命预测所需费用仅 为更换设备所需费用的1 6 1 3 t 习。 我国的寿命预测工作提出虽然已有几年，但仍处于较初级的阶段，仅限于某 些技术专业内的活动，而且只作为对个别设备、个别部件必要时的安全评估手段。 当前国外一些先进企业为了安全和经济，到一定时候就要对生产设施进行寿命评 估和安全分析。寿命评估和安全分析不是一种纯技术工作，而是一件在经济分析 指导下具有企业规模的有序和整体的活动，是企业行为。它不仅要引起我国技术 人员的重视而且更应引起我国企业领导者的重视。 1 2 3 基于诊断技术的寿命预测 随着科学技术的发展，电力设备的诊断技术经历了一个从不科学到较科学的 逐步发展过程，早期，运行中的设备每当出现了损坏才停机修理，是处在坏了才 修，不坏不修的年代，即“事后检修”。到了后来发展到“预防检修”，这种检修 是为了预防设备故障，事先拟出定期检修计划，到了计划规定的周期必须按计划 进行检修，到修必修的结果是使设备的可靠性获得了提高，但也浪费了人力和加 大了费用，于是美国g e 公司在1 9 5 4 年又提出了所谓“预知维护”思想，这种思 想强调以设备状态为基准进行检修，后来也称为“状态检修”，它是通过各种手段 对正在运行中的设备进行健康水平的估计或诊断，根据诊断的结果有针对性地进 行检修，其结果是既减少了浪费，而设备的可靠性又获得了提高。到1 9 9 6 年提出 4 电力变压器故障诊断及寿命预测方法的研究 了基于诊断技术的寿命预钡f f l i f ee x p e c t a n c y o r i e n t e dd i a g n o s i s ) 概念，使得电力设 备维护又上升到一个新层次嘲。 所谓基于诊断技术的寿命预测就是根据电力设备的老化、劣化规律，及影响 和决定因素，通过对各种检测方法( 离线或在线) 取得各种信息，经过科学分析 方法全面综合分析，掌握设备的当前状况和寿命期望。并得出设备检修和更换的 最佳时机，在避免发生重大事故和节约检修成本方面具有实用价值。 1 3 电力变压器故障诊断技术的研究意义 电力设备在长时间的运行中，由于受到电磁振动、机械磨损、化学作用、大 气腐蚀、电腐蚀等影响，它们的健康状态逐渐变坏，在不同程度上影响了该设备 安全可靠的运行。因此，电力设备在经过一定时间运行以后，必须进行检修，修 复缺陷，更换不合格部件，使设备恢复到健康状态【7 1 。 变压器是整个电力系统的发、变、送、用环节中最重要、最昂贵的设备之一， 其运行的安全性和可靠性直接影响整个电力系统的运行链完整性，关系到变电企 业、广大用户利益和人民群众的生活。因此，研究和应用大型变压器的状态监测 与故障诊断技术，保证变压器安全可靠运行，保障送变电的安全，这不仅仅是局 部的经济问题，也是社会公共利益问题，因此世界各国都投入大量的资金开展故 障诊断技术的研究，并在故障诊断技术上取得了一定的进展【2 】。 世界各国每年用于设备检修的费用相当惊人。据美国统计局公布的数字，美 国1 9 8 0 年全年的税收7 5 0 0 亿美元，用于工业设备检修的费用约2 5 0 0 亿美元，其 中至少7 5 0 亿检修费用属于浪费性质，主要是修理了不该修理的设备。我国设备 年检修费用约为8 0 0 多亿元，约占资产总额的7 9 ，由于设备检修体制与检修 手段相对落后，检修过程中的浪费严重，总的检修效益低下。同时国内外许多资 料表明，开展故障诊断的经济效益是明显的。据日本统计，在采用诊断技术后， 事故率减少7 5 ，维修费降低2 5 ，英国调查表明。采用诊断技术后每年节省维 修费3 亿英镑，用于诊断技术的费用仅为0 5 亿英镑，净获利2 5 亿英镑。如果在 我国全面推广故障诊断技术，每年预计可减少事故5 0 7 0 ，节约维修费用 1 0 - 3 0 ，效益将相当可观1 1 1 。 1 4 国内外设备故障检修的研究现状 当今世界的电力设备检修制度基本上有两种，即定期检修制度和状态检修制 度嘲。前者以时间周期为标准，其主要缺点是检修具有一定的盲目性，而后者以设 备的实际运行状态为标准，其主要的优点是可以克服检修的过剩与不足，减少浪 第一章绪论 5 费，提高效率。随着电力生产体制的改革以及故障诊断等相关技术的进步和普及， 在我国电力系统推行状态检修体制势在必行。我国开展设备故障诊断技术是从2 0 世纪7 0 年代末、8 0 年代初开始的。尽管起步较晚，但近年来发展迅速，国内许多 高校和研究机构联合厂家开展了设备故障诊断技术的理论和应用研究，并取得了 一定的研究成果，故障诊断技术渐渐在我国国民经济电力系统中得到应用，并取 得了显著的经济效益 4 1 。国内较早开展输变电设备状态检修应用研究的有大连电业 局和山东省电力局，通过立足加强设备基础资料分析及对设备失效性模型的长期 跟踪研究，并适当采用在线监测等新兴技术，取得了一些宝贵的值得各地借鉴学 习的经验，为国内进一步开展状态检修应用研究打下了良好的基础。 1 5 本文主要研究内容 电力变压器的正常工作对整个电力系统的安全运行有着至关重要的作用，随 时监测、分析变压器运行状态，及早发现并排除变压器可能存在的故障，对电力 系统安全运行有着重大理论和实用价值。 本文在深入分析电力变压器各种故障产生机理的基础上，为进一步提高故障 诊断效率，同时对电力变压器的寿命进行预测分析，主要做了如下工作： 1 分析了常用电力变压器故障诊断方法的优缺点，以及变压器故障诊断当前 的研究状况。 2 详细分析电力变压器常见的一些故障原因及机理，同时结合故障的特征介 绍了油中溶解气体分析法( d g a ) 以及影响此方法的主要因素。 3 在电力变压器故障分析过程中引入状态检修和在线监测技术，通过在线监 测及时和不间断地了解设备的运行状况及各种状态的变化情况，根据监测 数据结合诊断方法，实时分析变压器的运行情况，对故障分析提供可靠的 基础。 4 提出将可拓贝叶斯判别法应用于电力变压器的故障诊断过程中，以i e c 为基础建立故障诊断物元模型，结合常见故障类型的概率较为准确的分析 故障的性质和原因，最后应用实例证明该方法的准确性。 5 通过产生故障的情况，在统计故障设备的基础上，提出基于故障诊断技术 的寿命预测方法，建立w e i b u l l 寿命模型，对设备寿命预测工作进行了初 步的探讨。 第二章电力变压器故障诊断方法简介 7 第二章电力变压器故障诊断方法简介 2 1 引言 随着电子工业和先进制造技术的发展，设备的组成构件越来越多、结构越来 越复杂、功能越来越强大、维修保障难度越来越高。在各个应用领域，故障诊断 策略优化的目标是：寻求以最低的代价和最少的时间恢复设备的正常工作状态的 诊断与维修方案，其实质就是诊断步骤的优化问题【”。 在故障诊断领域中，不确定性问题占多数。尤其是大型复杂的机电设备，构 件之间及构件内部一般存在很多错综复杂、关联耦合的相互关系，不确定因素及 不确定信息充斥其间，其故障可能表现为多故障，关联故障等复杂形式。因此， 复杂设备故障诊断策略优化所面临的主要问题是如何从不确定、多源异类信息中 获得最终的故障原因。为指导故障诊断步骤的合理排序，提高故障诊断效率，国 内外学者进行了深入研究，提出了很多行之有效的理论和方法【1 0 1 1 1 l 【1 2 1 0 3 1 。这些方 法在一定程度上满足了故障诊断策略优化的要求，在设备故障诊断与维修中取得 了广泛的应用。但从总体上看，这些决策模型和方法存在或多或少的局限。主要 表现在：不确定性处理能力有待提高、多源信息表达与融合能力相对较弱，在判 别多故障以及关联故障方面精确度很低。 2 2 1 故障树分析法 2 2 变压器故障诊断的常用方法 故障树是故障诊断中最普通、最常用的方法。故障树分析法 3 1 1 4 ( f r a ：f a u l t t r e ea n a l y s i s ) 是一种自上而下逐层展开的图形演绎方法，是通过对可能造成系统 故障的各种因素( 包括硬件、软件、环境、人为因素等) 进行分析，画出逻辑框 图( 即故障树) 。它把所研究系统的最不希望发生的故障状态作为故障分析的目 标，然后寻找导致这一故障发生的全部因素，再找造成这些因素发生的下一级全 部直接因素。一直追查到那些原始的、无需再深究的因素为止。其目的是判明基 本故障、确定故障原因、故障影响和发生概率等。利用故障树逻辑图形作为模型， 可以分析系统发生故障的各种途径。计算或估计顶事件发生概率及系统的一些可 靠性指标，从而对系统的可靠性及其故障进行定量分析。 应用故障树分析法可以对系统故障的预测、预防和控制起到很好的效果。但 8 电力变压器故障诊断及寿命预测方法的研究 故障树中的事件只有两种状态：故障和正常。现实中很多事件却具有多态性，而 故障树难以描述具有多态性的事件。故障树中的逻辑门描述的都是确定性的逻辑 关系，需要上一级事件与下一级事件之间具有明确的因果关系。但对于许多复杂 系统，有多种可能性导致其发生故障，上一级事件与下一级事件之间不存在确定 的因果关系。这种情况下采用概率的方法来描述更为合适，而逻辑门却不具有描 述概率的能力。另外对故障树进行定量分析中是对底事件概率进行等值估计，等 值估计将导致变压器故障树中绝大多数底事件的概率重要度相等。这对变压器故 障诊断指标失去了现实指导意义。在定量计算时，一般将故障分布假定为指数分 布，并且假设在很短时间内不考虑同时发生两个或两个以上零部件故障，而各最 d , n 集中又没有重复出现的底事件。然而大多数情况下，底事件可以在最小割集 中重复出现，即最小割集是相交的。所以在精确计算顶事件发生的概率中故障树 分析法有很大的局限性。同时采用故障树的系统通常依赖性很强，而且工程上几 乎是不可改变的，这就意味着系统不能更新，故障树模型一旦建造好就不容易更 改，不容易接受和处理新信息，不容易进行人机信息交互，而且难于将与设备故 障无关但可以用以诊断故障的相关信息引入故障诊断过程之中。而对电力系统来 说，这与现实情况不相符合。另外对于复杂的电力系统而言，故障树会很庞大， 实际应用中会大大降低故障诊断效率。 2 2 2 基于专家系统的方法 这种方法不依赖于系统的数学模型，而是根据人们长期的实践经验和大量的 故障信息知识设计出的一套智能计算机程序，以此来解决复杂系统的故障诊断问 题。在系统的运行过程中，若某一时刻系统发生故障，领域专家往往可以凭视觉、 听觉、嗅觉或测量设备得到一些客观事实，并根据对系统结构和系统故障历史的 深刻了解很快就做出判断，确定故障的原因和部位。对于复杂的电力系统的故障 诊断，这种基于专家系统的故障诊断方法是一种有效的方法1 1 4 】【1 5 】。 专家系统( e s ) 主要具有以下特点：具有丰富的经验和高水平的技术及专家水平 的专门知识；能够进行符号操作；能够根据不确定( 不精确) 的知识进行推理； 具有自我知识；知识库和推理机明显分离，这种设计方法使系统易于扩充；具有 获取知识的能力；具有灵活性、透明性及交互性；具有一定的复杂性和难度。但 是由于客观现实的复杂多样性，使得专家的领域知识，有时很难提炼到规则表示 这一地步，专家系统中的知识获取的瓶颈和知识库的难以维护使专家系统的发展 受到了一定的限制。 第二章电力变压器故障诊断方法简介 9 2 2 3 基于模糊推理的方法 模糊推理是利用模糊推理规则对有条件的和无条件的模糊命题或规则进行操 作。有了部分真的概念，模糊逻辑对不确定和不精确的数据提供了一种很好的处 理方法。模糊逻辑语言变量的使用提供了一种与人类似的可以用直觉进行表达和 推理的方法，用这种方法可以对不完整、不精确的信息进行推理。一般情况下， 该方法要和其他方法相结合使用【4 j 。 模糊逻辑在故障检测和故障诊断领域中得到了很好的应用。故障检测时，特 征信号有时是连续变化的，这种变化易导致测量误差和噪声，因此很难定义可靠 的测量阈值。模糊逻辑通过使用部分重叠的语言变量对这个问题提供了很好的解 决方法。但是故障诊断时，由于测量到的特征信号值不完全精确，因此该过程的 诊断也只是近似的。 2 2 4 人工神经网络法 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n n ) 是由大量神经元广泛互连而 成的复杂网络系统。a n n 是对人类大脑神经细胞结构和功能的模仿，具有与人脑 类似的记忆、学习、联想等能力。在a n n 中，信息处理是通过神经元之间的相互 作用来实现的，知识与信息的存储表现为分布式网络元件之间的关联，网络的学 习和识别取决于各神经元连接权值的动态演化过程。a n n 是大规模并行结构，信 息可以分布式存储，并且具有良好的自适应性、自组织性和容错性，因此a n n 在 故障诊断领域得到了广泛的应用【4 l 。a n n 能够从样本中直接获取知识，实现故障 征兆和故障原因之间的非线性映射，使得该方法在电力设备故障诊断中得到了众 多研究者的青睐。 a n n 不仅可以通过训练样本来自学习，并且训练后可以反映输入和输出的高 度非线性关系( 无须数学模型) ，它所获得的知识不仅包括人类专家知识，还包括 那些专家未知的隐含的复杂知识。a n n 对学习到的知识可以内插和外推，这样在 某些不确定情况下，至少能提供“最佳”推测。目前用于变压器诊断的a n n 多采 用误差反向传播( b p ) 算法的b p 网，但是b p 网存在局部最小、收敛速度、训练参 数选择等问题。也可以用基于进化算法的人工神经网络法( e n n ) 对变压器故障进行 诊断，该方法通过综合进化算法的全局搜索能力和神经网络输入和输出的高度非 线性映射关系，可以准确诊断变压器故障。它可以自动调整神经网络的连接权和 节点偏置值，以获得最佳网络模型。实际证明，相对于普通b p 而言，该法具有更 快的学习速率和优良的诊断精度。另一方面，无论对于b p 还是a n n 都存在同样 1 0电力变压器故障诊断及寿命预测方法的研究 的缺陷b p i ) l l 练样本问题，a n n 要求一致、大量的训练样本，这在复杂的大型电力 系统中是很难得到的。同时要求包含各种可能的模式，若应用时的模式超出训练 范围，则会出现大的误差。而且a n n 的推理过程也难以理解，极大地影响了该方 法的实用性。 2 2 5 贝叶斯网络 贝叶斯网络表达设备的故障诊断问题，就是利用一些故障征兆快速计算故障 原因概率信息的过程，还可同时获得其他节点变量的概率信息。贝叶斯网络的数 学模型基于概率推理，通过一些定量的信息来获得其它变量的概率信息的过程， 对设备进行故障诊断的过程实际上就是根据一定的故障征兆，推理得到某个或某 些故障原因的过程。 贝叶斯网络应用于故障诊断时将故障征兆和故障原因作为节点，当确定一定 的故障征兆出现时，网络根据节点之间的因果关系( 条件相关) 和概率值可以推 理得出各种故障原因发生的概率，从而得到诊断结论。贝叶斯网络诊断模型在机 械、制造、航空航天、通讯、电子设备的故障诊断中得到了广泛的应用【1 2 1 1 1 6 1 ，并 获得了相当的经济效益。近十几年贝叶斯网络备受关注，对于解决复杂系统不确 定因素引起的故障具有很大的优势，被认为是目前不确定知识表达和推理领域最 有效的理论模型之一。然而在实际应用中，贝叶斯网络故障模型建立的系统指导 方法，开发平台以及大的计算量限制了它的进一步推广和应用。 2 3 基于油中溶解气体法( d g a ) 的模糊数学方法 变压器油中溶解气体法( d g a ) 是变压器故障诊断的最常用方法，当变压器 内部发生热或电的故障时，电气绝缘系统将裂解产生相应的特征气体并溶于油中， d g a 通过分析油中溶解气体的浓度，它们的产气速率，某些气体的比值和总烃含 量来确定变压器的故障类型。 实际诊断数据表明，只采用d g a 的一些传统底层方法，诊断正确率只有6 0 左右，因此目前有很多文献提出以d g a 为底层，结合人工智能或其他一些特殊数 学处理方式来综合诊断变压器故障，可以取得更好的效果。近年来人工智能被广 泛研究并应用到模式识别方面包括故障诊断中。人工智能技术包括：模糊逻辑、 专家系统( e s ) 、人工神经网络( a n n ) 、进化算法( e a ) 等，简述如下： 模糊逻辑可以将用于故障诊断的特征气体属性的门槛( 如i e c 三比值法中编 码0 、1 、2 之间的分界) 被模糊化，基于此模糊逻辑可以诊断多重故障。专家系 统采用d g a 标准和专家实际经验构成知识库。它的优点在于它可以方便的包容一 第二章电力变压器故障诊断方法简介 些其他方法无法考虑的因素如：变压器尺寸、制造商、油体积、产气速率、历史 诊断结果。然而它的有效性则要取决于专家积累知识的准确性和完备性，它只能 反映专家已知的知识，而不能反映大量数据间无法用知识规则反映的隐藏关系。 同时知识库的建立和维护较困难。另外的弱点是，其诊断规则由专家实际经验决 定，它不能从新的诊断结果中进行自学习，大量极有价值的数据被浪费。 某些特殊数学方法的应用却同样可以大大提高d g a 的诊断精度，这些方法包 括：模糊逻辑、可拓集方法、相关系数法、灰色理论法、贝叶斯网络等。对于电 力变压器故障诊断这样大型的复杂系统，故障的存在具有模糊性，模糊数学方法 便显示出其优越性，在d g a 中，模糊逻辑通过将三比值法的不确定因素模糊化， 可以诊断一般三比值法中无法准确诊断的多重故障，从而大大提高d g a 诊断精度， 但在己有的文献中，一般未提隶属函数如何获得，有些所提隶属函数仿真计算结 果很不理想，有些则未提具体诊断步骤【1 】o 所以这些方法的进一步推广应用也受到 了一定的限制。 2 4 电力变压器故障的检测技术 我国从5 0 年代开始，几十年来一直根据电力设备预防性试验规程的规定， 对电力设备进行定期的停电试验、检修和维护。定期试验不能及时发现设备内部 的故障隐患，而且在停电试验中施加低于运行电压的试验电压，对某些缺陷反映 也不够灵敏。随着电力系统朝着高电压、大容量的方向发展，保证电力设备的安 全运行越来越重要，停电事故给生产和生活带来的影响及损失也越来越大。因此 迫切需要对电力设备运行状态进行实时或定时的监测，及时反映绝缘的劣化程度， 以便采取预防措施，避免停电事故发生。进入踟年代以来，电力设备在线监测技 术发展很快，绝大多数变电站设备及发电机、电缆、线路绝缘子等都在不同程度 上发展了各类在线监测项刚2 】。随着电子技术的进步和传感器技术、光纤技术、计 算机技术、信息处理技术等的发展和向各领域的渗透，系统监控技术中广泛应用 了这些先进的科研成果，使在线监测技术逐步走向实用化阶段。与预防性试验相 比，在线监测系统采用更高灵敏度的传感器以采集运行中设备绝缘劣化的信息， 信息量的处理和识别也依赖于有丰富软件支持的计算机网络，不仅可以把某些预 试项目在线化，而且还可以引进一些新的更真实反映设备运行状态的特征量，从 而实现对设备运行状态的综合诊断，促进电力设备由定期试验向状态检修过渡的 进程。因为变压器故障的多样性，再加上引发这些故障的原因一般是非常复杂而 且不明显的，所以要准确地判定变压器故障的性质以及故障发生的部位变得非常 困难。 目前，在变压器故障检测中应用较多的是d g a 法，即通过对变压器油中溶解 电力变压器故障诊断及寿命预测方法的研究 气体的分析来判断变压器存在的故障。国内外众多专家对d g a 方法的研究取得了 许多有价值的成果，形成了一些实用性的方法【1 。在d g a 法的基础上，又通过引 入专家系统，人工神经网络，进化算法等方法来对变压器故障进行判别，并取得 了一定的进展。d g a 法已被证明是检测变压器故障的一种简单而有效的方法，但 d g a 法也存在一些缺陷：它一般只能简单的区分过热，电晕放电和电弧放电故障， 无法对故障的具体类型作进一步判断，也无法对故障的部位进行准确的定位，而 且，由于油中气体的累积效应，它的准确程度也不很令人满意，另外，它很难识 别多种故障。所以，单凭d g a 方法来诊断变压器故障，很难取得满意的结果。 随着电力系统自动化水平的提高，越来越多的变电站引入了变压器的在线监 测装置。目前在线监测的项目主要包括绝缘油中h 2 含量，局部放电量，介质损耗 因数，有的还实现了对变压器油中特征气体含量的在线监测1 1 8 1 。这些在线数据可 以及时反映变压器绝缘的变化，对于及早发现故障，防止故障进一步扩展有很大 的帮助。将在线数据加入到变压器的故障诊断中，可以极大地提高诊断的及时性 和准确性。除色谱试验以外的其它变压器预防性试验也是检测变压器故障的重要 手段。在变压器的离线故障诊断中，预防性试验的结果仍然是不可缺少的诊断依 据，要准确地判断故障的具体类型以及故障发生的具体部位，必须通过预防性试 验的结果来进行。因此，充分利用预防性试验的结果对变压器故障进行诊断，可 以得到更为详尽的故障信息，也可以使得诊断系统提供的维修建议更具针对性， 弥补d g a 方法的不足，减少维护工作量，缩短变压器重新投入运行所需的时间。 在线方法可以在变压器运行时使用，而离线方法需变压器退出运行方可使用，但 离线方法是基本的，在线方法是起源于离线方法的。 综上所述，变压器故障诊断是一项复杂的工作，涉及到许多方面的知识。要 想准确及时的判断出变压器的故障性质和故障部位，必须在d g a 方法的基础之上， 加入在线信息和变压器预防性试验的结果。为了设计变压器状态检测系统，必须 确定变压器可测量参数和可解释参数，以便获得所需信息，现代变压器的检测策 略的主要目的就是记录下影响变压器老化的应力和所有可测量到的变量，这些变 量与现代数据采集、处理及传输相结合就能判断出变压器的工作状态。随着电力 系统自动化程度的提高，电力系统正日益成为一个相互密切联系的整体，在这种 趋势下，变压器的故障诊断应当与电力系统的其它部分结合起来，利用其它自动 化系统如m i s ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ) 系统提供的信息以提高变压器故障 诊断的准确度，同时，变压器的诊断结果也可以提供给其它自动化系统，实现数 据共享和资源共享。 第二章电力变压器故障诊断方法简介 2 5 小结 变压器故障诊断和预测是变压器状态检修的关键，而采用以d g a 为主的诊断 方法是变压器故障诊断的热点。本章介绍了当前常见的故障诊断方法，对传统的 故障树分析法、专家系统、模糊推理算法、神经网络法以及贝叶斯网络都进行了 详略分析。从大量的文献中可以看出，各种方法各有利弊。如专家系统擅长推理、 解释，而自学习能力差、规模过大开发周期长则是它的缺点。遗传算法搜索面广， 适应性强，而不足之处在于难以确定合适的编码方式、遗传规则；神经网络法( b p 网络1 自学习、自适应能力、容错能力强，但训练速度慢，网络规模难以扩大。对 于主要用于变压器潜伏性故障诊断的应用来说，能够基本满足时间上的要求；但 是要进一步提高诊断结果的准确性，需要进一步研究和开发诊断方法和检测技术。 最后简略介绍了故障检测技术在电力系统故障诊断过程中的应用。为以后详细论 述故障诊断技术和基于故障诊断技术的寿命预测打下了一定的基础。 第三章电力变压器故障分析及油中溶解气体分析法 第三章电力变压器故障分析及油中溶解气体分析法 3 1 引言 为了提高变压器故障的监测和诊断水平，需要对变压器故障有一个系统的认 识，这不仅有助于预防自然发生的故障，同时也有利于阻止人为引发故障的过失 行为。 分析变压器故障机理及产生原因是研究故障诊断方法的基础，尽管故障的性 质、特征以及严重程度各不相同，但油中溶解气体的含量变化反映出明显的差异 和规律性，这为研究以d g a 为基础的故障诊断方法提供了现实的依据。本文所提 出的可拓贝叶斯诊断方法首要的是要选定故障特征，而故障特征的选取，最重要 的是对各种类型故障的故障机理包括故障部位的结构特点进行细致深入的研究， 因此本章着重对变压器常见的几种主要故障类型的故障机理分别作了分析和总 结，同时详细介绍了油中溶解气体分析法( d g a ) 的机理和依据，最后引入了故障动 态分析方法，本章是以后章节提出新的故障诊断方法的重要基础。 3 2 变压器故障分析及其产生原因 运行中的变压器，由于受电磁震动、机械磨损、化学作用、大气腐蚀以及外 部短路、过电压等都会出现故障，一般可分为电路故障和磁路故障。电路故障常 见的有线圈的绝缘老化、受潮、分接开关接触不良、材质及制作工艺不良、过电 压冲击或负荷侧短路引起的故障等。磁路故障常见的有硅钢片短路、铁轭夹件与 铁芯间的绝缘损坏以及铁芯接地不良引起放电等。因此要确保穿芯螺丝、夹板与 铁芯之间有一定的安全距离，铁芯硅钢片组合之间的空隙要小。此外，变压器的 铁芯要与大地可靠相连接。 电路故障的具体故障部位主要分为分接开关故障、引线连接部分故障和高低 压绕组故障，其中占最大比重的是分接开关和引线接头故障。磁路故障按原因和 部位可分为：铁芯故障，零序磁通和漏磁通形成的局部过热，其中主要是铁芯故 障。以下详细论述常见的故障，着重于分接开关、引线接头、铁芯三大过热故障。 3 2 1 热性故障一分接开关 电力变压器切换开关在运行中因压接不实、接点接触不良等导致裸金属过热 直至发生严重的电弧烧伤，这类故障虽主要表现为过热性质，但在发生故障后对 1 6 电力变压器故障诊断及寿命预测方法的研究 设备解体检查时常见接点部位有不同程度的电蚀甚至电弧放电损伤，因此，这类 故障常表现出过热包含放电性质的迹象。热性故障的发生发展过程决定了绝缘油 裂解所生成的气体产物。持续过热或者缓慢进展的过热情况，其过热部位的温度 变化是一个渐升的过程。如果初始阶段过热温度较低，绝缘油仅被轻微分解，热 解过程比较缓慢，主要生成c r h 、c 2 h 6 、c 3 i - h 等饱和烃类物质；过热点温度逐渐 增高，将会加速油质的裂解程度，随之生成的气体产物主要是q 凰、q 地等不饱 和烃类。达到8 0 0 c 以上时，油将大部分被裂解成h 2 、c r h 和c 2 h 2 等结构简单的 气体组成并生成相当数量的碳化物。 这类故障约占过热故障的5 0 以上，主要出现在有载调压变压器中，特别是 调压频繁，负荷电流大的变压器。在频繁的调节中造成触头之间的机械磨损、电 腐蚀。电流的热效应会使弹簧弹性下降，从而使动、静触头间的接触压力下降。 这一切都会使触头之间的接触电阻增大。接触电阻增大，使触头之间的发热量增 大，而发热加速了触头表面的氧化腐蚀和机械变形，并形成恶性循环，如不及时 处理会发生变压器损坏事故。无励磁调压变压器的分接开关也会由于调节不到位 等原因，造成触头表面腐蚀，氧化，触头之间接触压力减少，使接触电阻增大发 热，因开关绝缘支架上的紧固金属螺栓断裂，造成悬浮放电等，这些都容易引起 变压器油中溶解气体组分发生变化，从而形成变压器过热故障。此外，当分接开 关不到位，将减小触头之间的接触面，使接触电阻增大、发热、分接开关不到位， 同时缩短了相间绝缘距离。这样就能在很短时间内发展为相间短路，使变压器烧 毁。 一般此类故障可采用直流电阻试验和油色谱来综合判断。追踪监视设备内部 故障的发展变化，及时发现重大事故隐患，采取措施对避免变压器受到重大损坏 有重要的实际意义。 针对此类故障所采取的措施如下： ( 1 ) 对有载分接开关，切换4 0 0 0 次或运行3 个月要做油色谱分析，每年要做 直流电阻试验，如有异常要抽出分接开关进行检查。 ( 2 ) 对无励磁调压变压器投运前要测绕组直流电阻试验，试验正常后方可投入 运行。并且要严格按照无励磁开关安装工艺进行安装调试，确保接触可靠。 ( 3 ) 对经常过负荷运行的变压器或发生严重出口短路的变压器要及时测直流 电阻和进行油色谱分析。 3 2 2 引线接头故障 这类故障约占过热故障的1 3 一1 5 ，主要出现在变压器低压绕组与套管的连 接处。这种接触为固定接触，一般是由于安装或检修后，套管连接螺丝没拧紧或 第三章电力变压器故障分析及油中溶解气体分析法 1 7 变压器运行在大电流下，接触面氧化、腐蚀和污染，逐渐形成较大的接触电阻， 最终形成过热性故障，严重时会使接头烧毁、有机绝缘炭化而导致变压器烧毁。 这类故障的检出也主要靠直流电阻测试和油色谱，但油色谱特征气体中c o 和c 0 2 含量相对较高。 针对此类故障所采取的措施如下： ( 1 ) 对大型电力变压器，安装或检修后要做直流电阻试验并进行油色谱分析。 ( 2 ) 对运行中的变压器，用红外测温仪进行在线监测，若发现局部过热应立 即做油色谱分析，直流电阻试验，停电检查。 3 2 3 铁芯故障 由于制造工艺质量、运输、安装和运行维护等原因，大型变压器在其运行过 程中铁芯故障时有发生，且在变压器各类故障中占相当的比例，约占过热故障的 3 3 ，铁芯故障最主要的是铁芯多点接地故障，其次还需注意铁芯内部片间短路。 金属构件的放电和发热使变压器油电离及局部气化，产生特殊气体。气体反 过来引起电场畸变，加快变压器油的电离裂解进程。由于放电能量较低，特征气 体c 2 i t 4 ，c i - h ，c 2 h 2 和h 2 所占比例较小。 电力变压器正常运行时其铁芯只允许有一点接地，因为铁芯多点接地可能使 不同接地点在磁场中感应出不同电位，形成环流，该电流会引起局部过热，导致 绝缘油分解，还可能烧损铁芯，使变压器不能正常运行。 造成变压器铁芯多点接地的原因主要有： ( 1 ) 带运输定位钉的旧系列产品，由于安装经验不足或疏忽，完工后未将油箱 顶盖的定位钉反转或拆除。 ( 2 ) 由于设计和制造工艺不良，铁芯夹件与硅钢片间的距离小和绝缘不良而造 成直接相接触，硅钢片翘凸碰及接地部位。 ( 3 ) 铁芯接地片在本体