（电气工程专业论文）基于bp神经网络的电力变压器内部故障诊断方法研究.pdf

a b s t r a c t p o w e rt r a n s f o r m e r , o n eo ft h em o s ti m p o r t a n td e v i c e s ，h a sav e r ys i g n i f i c a n t i n f l u e n c et ot 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 nt h i sp a p e r , p r e s e n t st h ep r i n c i p l ea n ds o l u t i o no ff a u l td i a g n o s i ss y s t e mw i t h e i g e n v a l u eo fg a ss o l v e di no i l ，p r e s e n t st h a ta n n i ss u i t a b l ef o rt r a n s f o r m e rf a u l t d i a g n o s i s s u c ha ss t a n d a r db pa l g o r i t h m ，a d d i t i o n a lm o m e n t u m m e t h o d ，a d a p tl e a r nr a t e m e t h o da n dl mr u l ea r eu s e dt ot r a i nt h es a m en e u r a ln e t ，a n dac o n c l u s i o nt h a tl - m r u l e a r ei sb e t t e r o nt h i sf o u n d a t i o n ，d i s c u s s e dt h ec o n s i s t e n c yo ft h em i x e dg a s e s b a s e do nn e u r a ln e tm o d ei d e n t i f y a n dc o m b i n e da nr e a le x a m p l e ，a n da i m e da te v e r y a l g o r i t h m ss h o r t a g e so ft h er e s t r a i ns p e e da n dt h et r a i na c c u r a c y , u s e dl mr u l et o i d e n t i f yt h em i x e dg a s e s ，a tt h es a m et i m e ，g i v e dt h er e s u l t so ft h et r a i n i n g t h er e s u l t e x p r e s s e dt h a tt h ei 广ma l g o r i t h mg r e a t l yi m p r o v e dt h en e t sr e f r a i ns p e e da n dt r a i n a c c u r a c y a tl a s t ，t a k e dt h ea i r sc o m p o n e n ta st h ei m p o r t a t i o n ，t a k et h ef a u l t sn a t u r ea s t h ee x p o r t a t i o n ，g i v ear e a l e x a m p l eo ft r a n s f e r f a u l td i a g n o s i s u n d e rd i f f e r e n t n u m b e r so fn e u r a lu n i t s ，c o m b i n e dt h es t u d yr e f r a i ns p e e da n dt h ed i a g n o s i sr e s u l t so f a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s t h er e s u l te x p r e s s e dt h a ta i m i n ga tt h es a m ef a u l t ，u s i n g n e u r a ln e td i a g n o s i sm e t h o di sp u p e r i o rt oo t h e rj u d g em e t h o d n e u r a ln e th a sav e r yb i gp o t e n t i a li nt r a n s f e rf a u l td i a g n o s i s ，s e l e c tf i tn e t m o d l e ，c o n t i n u o u s l yr e n e ws t u d ys a m p l e ，c a na c q u i r et h ei n c r e a s i n g l yp e r f e c tr e s u l t k e yw o r d s ：a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k sb pa l g o r i t h m ，d i s s o l v e dg a sa n a l y s i s ( d g a ) ，f a u l td i a g n o s i s ，t r a n s f o r m e r 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，也不包含为获得墨壅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。 学位论文作者签名： 廖霄 签字日期：厶纠年彳月易p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫星盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘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) 学位论文作者签名： 艮玄 导师签名： 砻膨主 签字日期：j 9 u 7 年 月印日签字日期：川年g 月日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 项目提出的背景及研究意义 随着电网建设的高速发展，我国电网已从城市孤立电网发展成为大区域电 网，全国联网的格局正在形成。近几年来，电力行业积极应用各种新技术，加 强设备的常规测试及综合分析，及时消除了一些设备隐患，使全国电网的供电 可靠率不断提高。全国城市供电可靠率的最高水平己达到9 9 9 9 0 ，相当于用户 年平均停电5 2 m i n 。但在发达国家，如法国巴黎2 0 0 0 年用户年平均停电时间为 1 3 7 m i n ，相当于供电可靠率为9 9 9 9 7 5 左右。相比之下，可以看出我国电网供 电可靠率与发达国家相比仍有很大差距。 电力变压器是电力系统重要的运行设备之一，由于变压器内部结构复杂， 电场分布不均匀，且随着电压水平增高，事故率成上升趋势。据不完全统计， 国内每年都有几次变压器的大事故发生，造成直接经济损失达上百万元。另外 根据中国电力企业联合会电力可靠性管理中心发布的近几年全国电力可靠性统 计分析结果来看，其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。作为电力系统的 主要设备的变压器，其故障除给本身带来重大损失外，还对电力系统安全产生 造成很大的影响。能否有效地检测和诊断变压器故障，准确判断变压器的潜伏 性故障或故障隐患具有重要意义。 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，但由于所依赖的预防性试验周期长，并且现行的预防性试验项目对绝 缘的发展性故障反映不灵敏，导致不能及时发现内部的绝缘隐患，不能有效地 发现变压器在运行条件下的内部潜伏性故障。停电检修后的设备在运行中仍时 有事故发生；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，造 成本来通过加强追踪检测仍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呤1 。随着电力系统发展，人们对变压器的故障分析 判断和变压器保护积累了丰富的经验，其中气相色谱分析又是判断变压器内部 早期故障的一种有效方法，这种方法最大的优点在于无需停运变压器，而且在 变压器发生故障的初期就可以查明发展过程中的内部故障。实践表明，采用油 中溶解气体的气相色谱法，根据变压器内部析出的气体可以分析出变压器的潜 天津大学硕士学位论文第一章绪论 伏性故障，特别是对过热性、电弧性和绝缘破坏性故障，不管故障发生在变压 器什么部位，都能很好的反映出来。由此可见，气相色谱法分析变压器油中溶 解气体，对变压器的故障进行诊断和预测，是实现变压器状态检修的一项非常 有意义的工作。 1 2 国内外研究现状及主要存在问题 实测和研究表明，采用油中溶解气体的气相色谱分析法( d i s s o l v e dg a s a n a l y s i s ) 简称d g a 例，根据变压器溶解气体的组分和含量来分析变压器的潜伏 性故障是监视变压器安全运行的最有效的措施之一，已成为国内外诊断充油电 气设备故障的一种最为有效的手段。基于溶解气体分析( d g a ) 的变压器故障诊 断各国已研究了多年，并提出了具有实用价值的判断准则。如：d o e r m e n b u r g ， d u r a l ，r o g e r s ，h a e 法和德国的四比值法、日本的电协研法和i e c ( 国际电工 委员会) 的三比值法曲1 。变压器的故障诊断是一个技术和经验相结合的过程，很 难用一个简单的数学模型把变压器的故障和各气体联系起来。因为各气体的组 成是变压器的形式、容量、电压等级、绝缘油的化学性能、变压器的运行环境 及方式等因素的多维函数，即使是同样的变压器，在同样的条件下用不同的诊 断方法也可能得出不同的结论。且常规的d g a 诊断法属于单故障、渐发性故障 的简单诊断技术，诊断结果的准确性主要依赖于经验的积累程度，如油中溶解 气体组分含量及比值与故障类型及性质之间的关系来源于大量的统计结果。实 际上，电气设备的内部故障往往是由某一故障引发多故障或前期征兆信号微弱 的潜伏性多故障引发突发性故障，因此，传统i e c 三比值法或改良电协研诊断 法所诊断的结果准确率并不高。由于人工神经网络( a n n ) 是简单的非线性函数 的多次复合，无须建立任何物理模型和人工干预，具有并行分布处理、自组织、 自适应、自学习能力，联想、记忆、聚类和容错性等诸多优点，能映射高度非 线性的输入输出关系，能自动调节各神经元之间的结合强度以使网络正确映射 其输入输出关系，当网络的输入接近训练样本时，网络的输出上增加新的训练 样本继续学习，提高精度，以达到合乎要求的输入输出映射关系。可见，a n n 适于解决基于d g a 的变压器内部故障发生及发展的多过程、多故障的多模式系 统的诊断，具有广阔的应用前景n 阳n 引。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 主要研究内容 本论文研究应用变压器油中溶解气体分析方法，采用人工神经网络诊断变 压器故障。提出了基于b p 网络的诊断模型，通过对误差仿真结果的比较，说明 了b p 网络的可行性与优越性，确定了采用b p 网络进行训练。在此基础上，讨 论了基于b p 神经网络的故障模式识别，结合实例讨论了如何对训练样本进行预 处理，并比较不同算法在收敛速度和训练精度方面的优缺点，最终采用l - m 算 法对混合气体进行了对比识别，由此给出了仿真结果。该结果表明，l m 算法显 著提高了网络的收敛速度及训练精度。最后，以气体组分百分比为输入，以故 障性质为输出，给出了利用神经网络进行变压器故障诊断的实例。并对不同隐 含层神经元个数下的学习收敛情况及采用b p 人工神经网络诊断结果与三比值法 诊断结果和实际故障进行了分析比较，该比较结果表明，采用神经网络诊断法 比采用其他判断准则对同一故障性质进行判断的准确率有显著的提高啪1 。 天津大学硕士学位论文第二章变压器油中气体的产生与溶解的过程 第二章变压器油中气体的产生与溶解的过程 充油电气设备如变压器正常运行时，在热和电的作用下，绝缘油和有机绝 缘材料将逐渐老化和分解出少量的各种低分子烃类和二氧化碳、一氧化碳等气 体；当存在潜伏性的热性或放电性故障时，这些气体产生的速度要加快。随着 故障的发展，分解出的气体形成的气泡，在油里经过对流、扩散时不断溶解在 油中。由于对判断变压器内部故障有价值的气体是氢气( h 2 ) 、甲烷( c 1 - 1 4 ) 、乙 烷( c 2 h 6 ) 、乙烯( c 2 h 4 ) 、乙炔( c 2 h 2 ) 、一氧化碳( c o ) 、二氧化碳( c 0 2 ) ， 则称这些气体为特征气体，而把甲烷、乙烷、乙烯和乙炔含量的总和称为烃类 气体含量的总和或总烃。前一种气体又称为c l ，后三种气体称为c 2 。由于特征 气体的组分含量与故障类型及故障严重程度有非常密切的关系，因此本章以充 油电力变压器为对象，研究其不同故障所产生的特征气体及其溶解的过程。 2 1 电力变压器运行中常见的故障 大型充油电力变压器的故障涉及面广泛且复杂多样，特别是在运行中发生 的故障很难以某一判据诊断出故障的类型及性质。 运行变压器常见故障的划分方法通常有： ( 1 ) 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、引出线间的短路等故障称为外部故障； ( 2 ) 按变压器结构可分为绕组故障、铁芯故障、油质故障、附件故障； ( 3 ) 按回路可分为电路故障、磁路故障、油路故障； ( 4 ) 从故障发生的部位可分为铁芯故障、分接开关故障、套管故障等。 实际上，变压器的各种故障都可能危及内绝缘的安全。因此，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。据统计，绝缘故障造成的事故在变压器总事故中占8 5 以上。 2 1 1 绕组故障 绕组故障包含各部分绝缘老化，绕组受潮，绕组层间、匝间、股间、段间、 高低压绕组间发生接地、断路、短路、击穿或烧毁，系统短路和冲击电流造成 天津大学硕士学位论文第二章变压器油中气体的产生与溶解的过程 绕组机械损伤或绕组内部组件变形。 障最多，连续式和螺旋式绕组次之； 位导线、多股导线次之。 1 ) 匝间短路故障 从大量的事故统计来看，纠结式绕组的故 普通导线发生的故障最多，组合导线、换 虽然近几年来随着绕组形式的改进和绝缘的加厚，绕组的匝间( 股间) 短路故 障在运行中得到了一定抑制，但在变压器绕组短路故障中仍以匝间短路最多。 导致匝问短路的原因通常有：绕圈制作时操作不当，造成匝间绝缘损伤； 导线的匝绝缘不够，匝间工作场强增高，耐受不住长期工作电压或短时冲击电 压作用，长期运行使绝缘老化、变形、松脆：局部高温造成流油死角或油道堵 塞而加速绝缘老化；电动力的作用使部分线匝发生轴向或辐向位移，导致绝缘 磨损而形成穿越性短路，长期过载运行下绕组导线过热而使绝缘变脆；各种过 电压和过电流作用下，绝缘性能劣化；绕组发生局部放电等电气故障而引发绕 组匝间短路；箱体内油少而使绕组露出油面，导致冷却变差局部过热，形成绕 组短路。 当绕组相邻的几个线匝之间绝缘出现老化、龟裂、机械损伤后，将构成一 个闭合的短路环路，使相绕组匝数减少，短路电流使变压器过热而造成内部组 件变形，甚至使变压器烧毁。 2 ) 相间短路故障 在中小型变压器中，两相线圈引线上的软铜接线卡相碰引起相间短路较多； 在大型变压器内，若偶然有金属丝之类的导体，也会将两相线匝绝缘划破而构 成短路；当分接开关错位严重时，将导致两相分接开关短路而烧坏，引起两相 绕组相间短路。 实际上，绕组相间短路多数是在检修中检修人员操作不当所致，比如在拆、 装变压器过程中紧固或松动引线螺母时，螺栓转动而使软铜片也跟着转动，导 致相间软铜连接片相碰或绝缘距离减小，往往在变压器投运后引起相间短路。 3 ) 绕组股间短路故障 在用多股导线并绕的绕组中，常发生股间短路，其主要原因有：因导线质 量问题导致外绝缘层包绕不均，甚至导线裸露；在绕制过程中因弯曲、毛刺等 使匝间绝缘受损伤，卡线过紧或换位不当导致线拧绞或刮伤导线绝缘；在压装 及整形过程中，挤伤并绕导线间的绝缘层。 导线绝缘损伤的绕组在压装过程中往往并未形成短路，但在运行中若受过 电压或过载大电流作用及其它故障的影响，最终将形成股间短路，使绕组绝缘 局部老化，进而导致绕组相间短路。 天津大学硕士学位论文第二章变压器油中气体的产生与溶解的过程 2 1 2 铁芯故障 根据大量的事故分析，导致铁芯故障的主要原因有：铁芯组件中铁质夹件 松动或损伤而碰接铁芯，压铁松动引起铁芯振动和噪声，铁芯接地不良，铁芯 片间绝缘老化，铁芯安装不正或不齐造成空洞，铁芯片叠装不良造成铁损增大 而使铁芯发热等。 1 ) 铁芯多点接地故障 变压器处于运行时，铁芯和夹件等金属构件在绕组周围强磁场中产生感应 电势，因铁芯距绕组的距离不等而形成电位差；同时，在绕组与油箱间的电场 中因电容分布不均而使电场强度各异，从而使铁芯对地电位较高。因此，为了 防止铁芯产生断续的充放电现象，铁芯必须有一点可靠接地。若在运行中出现 铁芯两点或多点接地，将导致铁芯及变压器产生一系列故障。当铁芯多点接地 时，出现的异常现象有：铁芯中产生的涡流使铁损增大，铁芯局部过热；变压 器在铁芯多点接地下连续运行将导致油及绕组过热，使油纸绝缘老化，并引起 铁芯两叠片间绝缘层老化而脱落，进一步使铁芯过热加剧；变压器油因铁芯较 长时间多点接地而劣化，产生可燃性气体；木质垫块和夹件因铁芯过热而碳化； 引起局部放电现象；严重的多点接地甚至使正常的一点接地线烧断。 在处理变压器事故中，发现构成铁芯多点接地的类型有：铁芯夹件肢板距 离心柱太近，铁芯叠片因某种原因翘起而触及到夹件纸板，铁轭螺杆的衬套过 长而与铁轭叠片相碰；铁芯下夹件垫脚与铁轭间的绝缘纸板脱落或破损，使垫 脚铁轭处叠片相碰；因潜油泵原轴承磨损产生的金属粉淤积在油箱底部，在电 磁力作用于下形成桥路，将下铁轭与垫脚或箱底接通；油箱盖上的温度计座套 过长而与上夹件或铁轭、旁柱边沿相碰；下夹件与铁轭阶梯间的木质垫块受潮 或表面不清洁，因油泥较多而使其绝缘电阻下降为零等。除此之外，还有一些 制造过程中的人为因素也会造成铁芯多点接地故障，如油箱中留有铁钉、焊条 头、短钢丝甚至工具等金属异物使铁芯叠片与箱体构通，变压器安装完后未将 油箱顶盖上用于运输的定位销翻过来或去掉等都曾引起过铁芯多点接地故障。 2 ) 铁芯过热障 通常，绕组短路、过载运行、油循环不畅或箱内油量少、油劣化、铁芯本 身接地不良及异常接地、铁芯片间短路或铁芯局部短路、铁轭螺杆接地、铁芯 漏磁等都会引起变压器铁芯过热故障。 铁芯局部过热故障部位基本上都在铁芯和夹件上。比如紧固螺栓拧偏斜、 穿心螺杆绝缘破裂或过热碳化、铁质夹件夹紧位置不当而碰到铁芯、在变压器 总装中有金属异物落于铁芯上、过长的穿心螺杆使座套与铁芯碰撞、过长的接 天津大学硕士学位论文第二章变压器油中气体的产生与溶解的过程 地铜片触及另一部分铁芯而形成多点接地等，都会使铁芯局部过热或过热。如 果运行中的变压器出现铁芯过热，特别是发生局部过热故障时，将产生特征气 体c h 4 ，h 2 ，c 2 h 2 ，c 2 h 6 色谱分析发现油中溶解气体组分含量超标。 如果铁芯叠片未紧固而有松散、铁芯叠片和接地铜片未夹紧、低压引线对 外油箱放电或对铁轭放电等，将引起铁芯接地不良故障。此时，铁芯产生局部 过热，除有特征气体出现外，变压器内部有间歇性放电并伴有清脆的响声。当 铁芯受潮、叠片锈蚀、绝缘漆脱落、裁剪铁芯叠片边缘毛刺大、叠装时压力过 大而破坏了片间绝缘层等，都将引起铁芯片间短路，将使层间电流及空载损耗 增大，导致铁芯过热，色谱分析时发现油中溶解的特征气体中总烃含量增大。 当铁轭绝缘损伤或移位或螺杆外绝缘套破碎，将使螺杆与铁轭碰在一起引起铁 轭螺杆接地故障，变压器内部将产生特征气体。当油箱内缺油或撑条松动及歪 斜而将油道堵塞时，油流不畅，油循环冷却作用变差，将使绕组及铁芯过热， 油温将升高或油外溢，有焦糊等难闻的味道。 除上述之外，绕组短路、电网电压高、铁芯叠片周边毛刺大或叠片时缝隙 不均等都可能引起铁芯过热故障。 2 1 3 油和油纸绝缘故障 在充油变压器中，内绝缘的主要绝缘材料是变压器油和绝缘纸、纸板、木 块等，主要成分为纤维素的固体绝缘材料。这些绝缘材料受环境因素的影响将 发生分解而老化，甚至丧失绝缘强度，造成绝缘故障。 变压器在长期运行中，若固体绝缘过度变热，水分从纤维材料中脱离后将 加速纤维材料脆裂，同时脆化后收缩使夹紧力降低，可能引起收缩移动摩擦导 致损伤绝缘，在机械振动、电场力和操作波等冲击力作用下常导致绝缘故障。 固体绝缘虽然具有良好的电气绝缘性能和械械特性，但其老化特性不可逆转， 老化后的聚合度和抗张强度都将逐渐降低，并生成水、c o 、c 0 2 和糠醛，使油 纸绝缘的击穿电压和体电阻率降低，介质损耗增大。 变压器油中混入水分和杂质后，绝缘性能下降，击穿场强降低，介质损耗 增大，并加速油的氧化过程。变压器油在早期劣化过程中生成的过氧化物与绝 缘纤维素材料反应生成氧化纤维素，使固体绝缘脆化或收缩。后期劣化过程中， 酸类侵蚀铜、铁、绝缘漆等生成油泥，粘附在固体绝缘材料或油箱边缘，沉积 在油管及冷却器散热片等处，使变压器工作温度升高，耐电强度下降。 当变压器的工作温度升高时，固体绝缘的纤维素要发生解环、断链，伴随 产生的c o ，c 0 2 产气率往往呈指数规律增大；固体绝缘所含的水分将加速纤维 天津大学硕士学位论文第二章变压器油中气体的产生与溶解的过程 素降解，在温度一定时，分解出的c 0 2 随含水量的增高而增多，c o 随含水量的 减少而增大。通常，当温度升高时，固体绝缘内的水分向油中析出，油中微水 含量增多，导致油的火花放电电压降低，介质损耗增大，造成变压器油劣化。 2 1 4 分接开关故障 充油变压器无载分接开关常见的故障有：当分接头的相间绝缘距离不足且 绝缘材料上堆积油泥时，若油泥受潮，在过电压下将发生相间短路故障；触头 接触不良或因锈蚀使电阻增大、绝缘支架上的紧固金属螺栓接地断裂造成悬浮 放电等。 充油变压器有载开关的故障主要有：因密封不严使雨水侵入而导致绝缘性 能降低；过渡电抗或电阻在切换过程中被击穿或烧断，导致触头间的电弧引发 故障，因滚轮卡死使分接开关停在过渡位置而造成相间短路，切换开关油室密 封不严而造成变压器本体渗漏，选择开关分接引线与静触头的固定绝缘杆变形 等。 无载和有载分接开关的故障将引发变压器内部绝缘故障，产生故障气体， 使油中溶解气体的组分含量发生变化。 2 1 5 油流带静电故障 对于强迫油循环冷却大型变压器，变压器油经油泵加速传到绕组内的冷却 油道，在油与固体绝缘界面上产生静电电荷的分离，使纸及纸板上积累负电荷， 油流中积累起正电荷。在电荷对地油流与电荷中和的过程中，当某处电荷积累 密集且产生的场强起过了某一程度时，将会在油或固体绝缘表面上产生静电放 电或爬电放电，甚至使固体绝缘受损伤，最终导致绝缘故障。 油流静电放电的能量密度通常较小，其故障特征气体组分中c 2 h 2 一定能检 测出来，但h 2 变化比较明显。 2 2 气体在变压器油中溶解的传质过程 2 2 1 变压器油中气体的产生机理 变压器油是由天然石油经过蒸馏、精炼而获得的一种矿物油。它是由各种 碳氢化合物所组成的混合物，油分子中含有c h 3 * ，c h 2 * 和c h * 化学基团，并由 h 键键合在一起。由于电或热故障的原因，可以使某些c _ h 键和h 键 天津大学硕士学位论文第二章变压器油中气体的产生与溶解的过程 断裂，伴随生成少量活泼的氢原子和不稳定的碳氢化合物的自由基，这些氢原 子或自由基通过复杂的化学反应迅速重新化合，形成氢气和低分子烃类气体， 如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，也可能生成碳的固体颗粒及碳氢聚合物。 根据模拟试验的结果，发生故障时分解出的气体为：0 ) 3 0 0 - - 8 0 0 热分解产 生的气体主要是低分子烷烃( 如甲烷c h 4 、乙烷c 2 h 6 ) 和低分子烯烃( 如乙烯c 9 1 4 、 丙烯c 3 h 6 ) ，也含有氢气h 2 ；乙炔c 2 h 2 一般在8 0 0 - , 1 2 0 0 ( 2 的温度下生成。当 绝缘油暴露于电弧中时，分解气体大部分是氢气h 2 和乙炔c 2 h 2 ，并有一定量的 甲烷c h 4 和乙烯c 2 i - 1 4 。当发生局部放电时，绝缘油分解的气体主要是氢气h 2 和少量甲烷c h 4 ，发生火花放电时，则还有较多的乙炔c 2 h 2 。 油纸绝缘包括绝缘纸、绝缘纸板等，它们的主要成分是纤维素，它是由许 多葡萄糖基借1 - 4 配键连接起来的大分子，其化学通式为( c d - 1 1 0 0 5 ) n ，结构式如 图2 1 所示。 图2 1 纤维素分子结构 图中凡是没注明是什么元素的节点均为c ，纤维素分子呈链状，是主链中含 有六节环的线性高分子化合物。每个链节中含有三个羟基( 即o h ) ，每根链间 由羟基生成氢键。氢键是由于与电负性很大的元素如f 、o 相结合的氢原子与另 一个分子中电负性很大的原子间的引力而形成的。由于相互间氢键的引力和摩 擦力，使纤维素有很大的强度和弹性，因此机械性能良好。n 代表长链并联的个 数，称为聚合度，一般新纸n 1 3 0 0 ，极度老化以致寿命终止的绝缘纸r l 约为 1 5 0 2 0 0 之间。由此可见，聚合度反映了纸的机械强度，通过对纸的聚合度的分 析可以对设备的寿命进行预测，机械强度越低，纸的老化程度越大，设备的剩 余寿命也就越短。 2 2 2 气体在油中的溶解 电气设备内部的油、纸等绝缘材料所产生的每种气体，在一定的温度、压 力下达到溶解和释放的动态平衡，即最终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表示。通过测试气、液两相中各组分的浓 天津大学硕士学位论文第二章变压器油中气体的产生与溶解的过程 度，并根据平衡原理导出的奥斯特瓦尔德系数岛可计算出油中溶解气体各组分 的浓度。奥斯特瓦尔德系数定义为： k i - 氏i c 矗l ( 2 - 1 ) 式中，c o ，i 为在平衡条件下，溶解在油中组分f 的浓度，ul l ；c 鐾，l 为在 平衡条件下，气相中组分i 的浓度，ul l ；岛为组分i 的奥斯特瓦尔德系数。 各种气体在矿物绝缘油中奥斯特瓦尔德系数见表2 一l 。 表2 1 各种气体在矿物绝缘油中的奥斯特瓦尔德系数k i 标准 温度 h en 20 2 c oc 0 2 c h 4c 2 h 2c 2 i - hc 2 h 6 g b t 1 7 6 2 3 1 9 9 85 0 o 0 60 0 9o 1 70 1 20 9 20 - 3 91 0 21 4 62 3 0 2 0 0 0 50 0 90 1 7o 1 21 0 80 4 31 2 0 1 7 0 2 4 0 i e c 6 0 5 9 9 。19 9 9 5 0 o 0 50 0 9o 1 7o 1 21 0 00 4 00 9 01 4 01 8 0 注：国产油测试的平均值； 国际上几种最常见的牌号的变压器油中得到的一些数据的平均值。 气体在变压器油中的溶解度大小与气体的特性、油的化学组分以及溶解时 的温度等因素都有密切的关系，如烃类气体的溶解度随分子量增加而增加，h 2 、 n 2 、c o 等气体有随温度上升而增加其溶解度的特征。低分子烃类气体及二氧化 碳在油中的溶解度随温度升高而下降。当变压器内部存在潜伏性故障时，若热 分解产生气体的产气速率很慢，气体仍以分子的形态扩散并溶解于周围的油中， 即使油中气体含量很高，只要尚未过饱和，就不会有自由气体释放出来。如果 故障存在的时间较长，油中溶解气体已达到饱和状态，则会释放出自由气体， 进入气体继电器中。当产气速率很高时，分解气体除一部分溶于油中之外，还 会有一部分成为气泡上浮，并在上浮过程中把油中溶解的氧、氮置换出一部分。 置换过程与气泡大小和油的黏度有关，气泡越小或油的黏度越大，气泡上升越 慢，与油接触的时间越长，置换就越充分，直至所有的气体组分达到溶解平衡 为止。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，最终进入 气体继电器内的就几乎只有空气成分和溶解度小的气体，如：h 2 、c i - h 等。由此 可见，在变压器故障的早期阶段，只有溶解度低的气体才会聚集到气体继电器 中，而溶解度高的气体仍在油中；当变压器发生突发性故障时，因气泡大、上 升快，与油接触时间短，溶解和置换过程来不及进行，分解气体就以气泡的形 态进入继电器中，并且气体继电器中积存的故障特征气体往往比油中含量高得 多，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。 天津大学硕士学位论文第二章变压器油中气体的产生与溶解的过程 2 2 3 气体在变压器油中的溶解传质过程中的损失 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器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到达储油柜 与油面空气相接触，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己降低的油又流回油 箱，同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 时对变压器呼吸作用进行实测，发现h 2 的逸散损失约为2 5 ，c i - h 为0 7 ， 其它烃类为0 2 。 2 3 电气设备内部故障与油中特征气体的关系 充油电气设备内部故障模式主要是机械、热和电三种类型，且以后两种为 主，并且机械性故障常以热的或电的故障形式表现出来。从表2 - 2 国内对3 5 9 台故障变压器的故障类型进行统计的结果可以看出，运行中充油电气设备的故 障主要有过热性故障和高能放电性故障【2 1 1 。 根据模拟试验和大量的现场试验，电弧放电的电流大，变压器主要分解出 乙炔、氢及较少的甲烷；局部放电的电流较小，变压器油主要分解出氨和甲烷； 变压器油过热时分解出氢和甲烷、乙烯、丙烯等，而纸和某些绝缘材料过热时 还分解出一氧化碳和二氧化碳等气体。 表2 2 充油电气设备故障类型的统计 故障类型台次 比率( ) 过热性故障 2 2 65 3 高能量放电故障 6 5 1 8 1 过热兼高能放电故障 3 61 0 o 火花放电故障 2 57 0 受潮或局部放电 71 9 天津大学硕士学位论文第二章变压器油中气体的产生与溶解的过程 表2 - 3 充油电力变压器在不同故障类型条件下产生的气体 故障类型主要气体组分次要气体组分 油过热c h 4 ，c 2 h 2h 2 ，c 2 h 6 油和纸过热 c h 4 ，c 2 h 4 ，c o ，c o sh 2 ，c 2 h 6 油纸绝缘中局部放电 h 2 ，c h 4 ，c oc 2 h 2 ，c 2 h 6 ，c 0 2 油中火花放电h 2 ，c 2 h 2 油中电弧 h 2 ，c 2 h 2 c h 4 ，c 2 i - 1 4 ，c 2 h 6 油和纸中电弧h 2 ，c 2 h 2 ，c o ，c o s c h 4 ，c 2 i - 1 4 ，c 2 h 6 注：进水受潮或油中气泡可能使氢含量升高 不同故障类型产生的主要特征气体和次要特征气体归纳为表2 3 。同时，通 过对充油变压器在运行中发生的大量事故的诊断和吊罩检验，在表2 - 4 中列出了 电力变压器及其高压引线套管内的典型故障。 2 3 1 热性故障时变压器油中的特征气体 热性故障是热应力所造成的绝缘加速劣化，通常具有中等水平的能量密度。 过热指局部过热，又称为热点，它有别于变压器正常运行下的发热。在正常运 行下，考虑铜损和铁损转化而来的热量后，一般上层油温不大于8 5 。 变压器内部发生过热性故障时，产生气体的特征如下： 1 、热点只影响到绝缘油的分解而不涉及固体绝缘的裸金属过热故障时，产 生的气体主要是低分子烃类气体，其中甲烷、乙烯是特征气体，一般二者之和 常占总烃的8 0 以上。当故障点温度较低时，甲烷占的比例大；随着热点温度 的升高( 5 0 0 以上) ，乙烯、氢气组分急剧增加，比例增大；当严重过热( 8 0 0 以上) 时，也会产生少量的乙炔，但其最大含量不超过乙烯量的1 0 。 2 、涉及固体绝缘的过热性故障时，除产生上述的低分子烃类气体以外，还 产生较多的c o 和c 0 2 。并随着温度的升高，c o 与c 0 2 比值逐渐增大。对只限 于局部油区堵塞或散热不良的过热性故障，由于过热温度较低且过热面积较大， 此时对绝缘油的热解作用不大，因而低分子烃类气体不一定多。据现有的统计 资料表明，导致变压器发生过热故障的各种原因所占的比例为：分接开关接触 不良引起的为5 0 ；铁心多点接地和局部短路或漏磁环流占3 3 ；导线过热和 接头不良或紧固件松动占1 4 4 ；因局部油道堵塞造成局部散热不良占2 6 。 虽然局部过热危害不如放电过热严重，但从发展的后果分析，热点可加速绝缘 油的老化、分解，产生各种气体，低温热点发展成为高温热点，使热点附近的 绝缘物被破坏并导致故障扩大。 天津大学硕士学位论文第二章变压器油中气体的产生与溶解的过程 表2 - 4 充油电力变压器的典型故障 故障类型 举例 由不完全浸渍、高湿度的纸、油的过饱和，或空腔造成的充 局部放电 气空腔中的局部放电，并导致形成x 蜡。 不良连接形成不同电位或悬浮电位，其造成的火花放电或电 弧，可发生在屏蔽环、绕组中相邻的线饼间或导体间，以及 连线开焊处或铁芯的闭合回路中； 低能量放电 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、绝缘构件胶合处，以及绕组垫块的沿面放电； 油击穿、选择开关的切断电流。 局部高能量或由短路造成的闪络、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 高能量放电箱体之间、绕组与铁芯之间的短路： 环绕主磁通的两个邻近导体之间的放电； 铁芯的绝缘螺幺幺、固定铁芯的余属环之间的放电。 过热 在救急状态下，变压器超铭牌运行； 绕组中油流发生阻塞； t 3 0 0 在铁轭夹件中的杂散磁通量。 螺栓连接处( 特别是铝排) 、滑动接触面、选择开关内的接触 过热 面( 形成积碳) ，以及套管引线和电缆的连接接触不良； 铁轭处夹件和螺栓之间、夹件和铁芯叠片之间的环流； 3 0 0 t 7 0 0 定的电流；铁芯叠片之间的短路 纸受潮、不完全浸渍、油的过饱和，或纸被x 蜡沉积物污染， 套管局部放电 造成充气空腔中的局部放电。也可能在运输期间把松散的绝 缘纸弄皱、弄折，造成局部放电 套管 电容末屏连接不良引起的火花放电；静电屏蔽连接线中的电 低能量放电弧；纸上有沿面放电。 套管在电容均压金属箔片间的短路，局部高电流密度熔化金属箔 高能量放电片，但不会导致套管爆炸。 套管热故障 由于污染或不合理地选择绝缘材料引起的高介损，从而造成 纸绝缘中的环流，并造成热崩溃； 3 0 0 t 1 0 0 1 l l l ， 3 局部放电 c h 4 占总烃的主要成分 总烃不高，c 2 h 2 1 0 止几， 4火花放电 h 2 较高 总烃高，c 2 h 2 高并构成总 5 电弧放电 烃的主要成分，h 2 含量高 天津大学硕士学位论文第三章充油电气设备内部故障诊断的方法 依表3 一l 所统计的结果可知：( 1 ) 低能量的局部放电基本不产生c 2 h 2 。( 2 ) 虽然每种故障产生的特征气体都有c 2 h 2 ，但热故障和电故障产生的特征气体中 c 2 r 1 2 的含量差异较大。因此可以将c 2 h 2 的含量作为区分过热和放电两种故障性 质的主要指标。( 3 ) 由于大部分过热故障，特别是出现高温热点时也会产生少 量c 2 h 2 ，因此不能认为凡有c 2 h 2 出现的故障，都视为放电性故障。例如：分接 开关出现热故障时也会有c 2 h 2 产生，实际上一般只是由高温过热点产生c 2 h 2 ， 不应该因存在c 2 h 2 而认为裸金属过热并伴有放电。( 4 ) h 2 是油中发生放电分解 的特征气体，但是h 2 的产生又不完全由放电引起，当h 2 含量增大而其他组分不 增加时，有可能是由于变压器进水或有气泡引起水和铁的化学反应，或在高电 场强度的作用下，水或气体分子的分解作用所至。( 5 ) 如果伴随h 2 含量超标， c o 、c 0 2 含量较大，即是固体绝缘受潮后加速老化的结果。在充油电力变压器 中，绝缘油和绝缘纸是主要的绝缘材料，它们在运行中将受到多种因素的作用 将逐渐老化，绝缘油分解产生的主要气体是氢和烃类气体，绝缘纸等固体绝缘 材料分解产生的主要气体是c o 和c 0 2 。因此可将c o 和c 0 2 作为油纸绝缘系统 中固体材料分解的特征气体。综上所述，特征气体中主要成分和异常情况的关 系如表3 2 所示： 表3 - 2 特征气体中主要成分和变压器异常情况的关系 主要成分异常情况具体情况 局部放电、绕组层问短路，绕组击穿；分接开 h 2 主导型 电弧放电关触点间局部放电，电弧放电短路 c h 4 、c 2 h 4 过热、接触分接开关接触不良，连接部位松动， 主导型不良绝缘不良