（电气工程专业论文）大庆电网电力变压器故障诊断.pdf

摘要 我国于2 0 世纪6 0 年代中期对变压器油中溶解气体分析进行了研究 2 0 世纪 7 0 年代初 开始了气相色谱法应用于变压器潜伏性故障检测 目前为止 已广 泛推广应用 近年来 作为气相色谱法的补充和发展 变压器油中溶解气体的在 线监测技术也取得了显著进展 由于变压器油中溶解气体分析技术的分析方法简 单 速度快 无需将被试设备停运 并且通过多年的广泛应用 积累了大量的实 践经验 因此 油中溶解气体分析技术对保证电力系统安全可靠运行 防止事故 于未然 是极为重要的 2 0 世纪4 0 年代末 由w r a s h b y 和c e s s h a n u o n 发起的关于用机器模 拟智能的学术会议上 首次提出人工智能 a i 术语 人工智能是以模型化的计 算机来代替人的思维方式和解决问题的一种方法 包括专家系统e s 人工神经 网络a n n 模糊理论 模拟进化优化等智能方法的计算和技术 随着计算机技术 迅速发展 人工智能技术已在各行各业迅速普及 1 9 8 2 年开始在电力系统应用 国内外应用人工智能方法诊断变压器故障的成果较为广泛 其中国内开发变压器 故障诊断专家系统始于8 0 年代末 主要是基于油气分析 局方脉冲和超声波等 多种监测原理为主 m a t l a b 软件是由美国m a t hw o r k 公司推出的用于数值计算和图形处理的科学 计算系统 在大学里 m a t l a b 软件成为对数值 线性代数以及其他一些高等应 用数学课程的辅助教学的工具 工程领域 m a t l a b 软件被用来构建与分析一些 实际课题的数学模型 它还包括了工具箱 t o o l b o x 的各类应用问题的求解工 具 本文收集的变压器气相色谱分析数据 一方面来源于龙风热电厂一 二号主 变压器的气相色谱数据 另一方面来源于供电公司中心试验所管辖变电所的故障 变压器色谱分析数据 首先 介绍电力变压器故障诊断的意义 变压器油中溶解 气体分析 d g a 的原理 以及故障诊断过程 利用传统三比值诊断法对变压 器早期故障进行诊断和分析 其次 应用m a t l a b 软件工具箱中模糊逻辑工具箱 f u z z yl o g i a l 和神经网络工具箱 n e u r a ln e t w o r k 对变压器油色谱数据进 行分析和诊断 列举诊断实例 对比传统的三比值诊断方法以及实际故障情况 提出自身的观点和看法 关键词 故障诊断色谱分析人工智能m a t l a b 模糊逻辑神经网络 a b s t r a c t d i s s o l v e dg a s e so ft r a n s f o r m e ro i lw e r es t u d i e df o rt r a n s f o r m e rf a u l td e t e c t i o ni n t h em i d 一2 0 t hc e n t u r yi nc h i n a a n dt h e na n a l y s i so ft h e g a sc h r o m a t o g r a p h yw a su s e d i n 也ef a u l td i a g n o s i so fp o w e r t r a n s f o r m e r w h i c hh a sw i d e l yb e e nu s e di no u rp o w e r g r i d i nr e c e n ty e a r s a u sas u p p l e m e n t a r yg a sc h r o m a t o g r a p h ya n dd e v e l o p m e n to f d i s s o l v e dg a s e si nt r a n s f o r m e ro i lo n l i n em o n i t o r i n gt e c h n i q u e sh a v ea l s om a d e s i g n i f i c a n tp r o g r e s s a sar e s u l to ft r a n s f o r m e ro i ld i s s o l v e dg a sa n a l y s i sm e t h o di s s i m p l e f a s t n on e e dt o t e s tt ob eo u t a g eo fe q u i p m e n ta n daw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n st h r o u g ht h ey e a r s a c c u m u l a t e dag r e a td e a lo fp r a c t i c a le x p e r i e n c e a n d t h e r e f o r e d i s s o l v e dg a sa n a l y s i st e c h n o l o g yt oe n s u r et h ep o w e rs y s t e ms a f ea n d r e l i a b l eo p e r a t i o n t op r e v e n ta c c i d e n t si nt h ef i r s tp l a c e i so f p a r a m o t m ti m p o r t a n c e a g e4 0a tt h ee n do f2 0 t hc e n t u r y b yt h ew r a s h b ya n dc e s s h a n u o n i n i t i a t e db ym a c h i n e so nt h es i m u l a t i o no fi n t e l l i g e n ta c a d e m i cm e e t i n g t h ef i r s tt i m e a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e a t t e r m s a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ei sb a s e do nc o m p u t e r m o d e l i n g t or e p l a c ep e o p l e sw a yo ft h i n k i n ga n daw a yt os o l v et h ep r o b l e m i n c l u d i n gt h e e x p e r ts y s t e me s a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ka n n f u z z yt h e o r y s i m u l a t e de v o l u t i o n a r y o p t i m i z a t i o nm e t h o d s s u c ha si n t e l l i g e n tc o m p u t i n ga n dt e c h n o l o g y a l o n gw i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n o l o g yh a sb e e n i nt h el i n eo ft h et h er a p i d l yg r o w i n gp o p u l a r i t yo ft h ei n d u s t r y s t a r t e di n19 8 2i nt h e p o w e rs y s t e ma p p l i c a t i o n t h ea p p l i c a t i o no fa 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 sa th o m e a n da b r o a dt r a n s f o r m e rf a u l td i a g n o s i so ft h er e s u l t so fm o r ee x t e n s i v e i n c l u d i n gt h e d o m e s t i cd e v e l o p m e n to ft h et r a n s f o r m e rf a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e mb e g a ni nt h e l a t e8 0 s i sb a s e dm a i n l yo nt h eo i la n dg a sa n a l y s i s p u l s e a n dt h eb u r e a up r i n c i p l e o fu l t r a s o u n d b a s e dm o n i t o r i n g e t c m a t l a bs o f t w a r ei sm a t hw o r kb yt h eu n i t e ds t a t e si n t r o d u c e df o rn u m e r i c a l c o m p u t i n ga n dg r a p h i c sp r o c e s s i n gs y s t e mo fs c i e n t i f i cc o m p u t i n g i nt h eu n i v e r s i t y m a t l a bs o f t w a r ef o rn u m e r i c a ll i n e a ra l g e b r a a n do t h e ra p p l i e dm a t h e m a t i c s c o u r s e si nh i g h m d e dt e a c h i n gt o o l s e n g i n e e r i n g m a t l a bs o f t w a r ew a su s e dt o c o n s t r u c tan u m b e ro fp r a c t i c a li s s u e sa n da n a l y s i so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l i ta l s o i n c l u d e sat o o l b o x t o o l b o x t h ev a r i o u st y p e so f a p p l i c a t i o nt o o l sf o rs o l v i n gt h e p r o b l e m i nt h i sp a p e r t h ec o l l e c t i o no ft r a n s f o r m e r sb yg a sc h r o m a t o g r a p h ya n a l y s i so f d a t a f r o mt h ed r a g o na n dp h o e n i xo nt h eo n eh a n d at h e r m a lp o w e rp l a n t t h em a i n t r a n s f o r m e ro nt h e2 n do fg a sc h r o m a t o g r a p h yd a t a o nt h eo t h e rh a n d c o m e sf r o m t h ep o w e rc o m p a n yi su n d e rt h ej u r i s d i c t i o no ft h ep i l o t sf a u l tt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n c h r o m a t o g r a p h yd a t a f i r s to fa l l t h ei n t r o d u c t i o no fp o w e rt r a n s f o r m e rf a u l t d i a g n o s i so ft r a n s f o r m e rd i s s o l v e dg a sa n a l y s i s d g a o f t h ep r i n c i p l e a sw e l la st h e f a u l td i a g n o s i sp r o c e s s t h eu s eo ft r a d i t i o n a lt h r e e r a t i oo fe a r l yd i a g n o s i so f t r a n s f o r m e rf a u l td i a g n o s i sa n da n a l y s i s s e c o n d l y t h ea p p l i c a t i o no fm a t l a b s o f t w a r et o o l b o xf u z z yl o g i ct o o l b o x f u z z yl o g i a l a n dn e u r a ln e t w o r kt o o l b o x f n e u r a ln e t w o r k f o 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 aa n a l y s i sa n dd i a g n o s i s d i a g n o s t i ce x a m p l e sc i t e d c o m p a r e dt oat r a d i t i o n a lt h r e e r a t i om e t h o da n dt h ea c t u a l f a u l td i a g n o s i so ft h es i t u a t i o na n dp u tf o r w a r dt h e i ro w nv i e w sa n dp e r s p e c t i v e s k e yw o r d s f a u l td i a g n o s i s c h r o m a t o g r a p h i ca n a l y s i s a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e m a t l a b f u z z yl o g i c n e u r a ln e t w o r k 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 也不包含为获得苤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 学位论文作者签名 张i 签字e t 期 2 刃年 夕f j 日 i 学位论文版权使用授权书 本学位论交作者完全了解苤洼本堂有关保留 使用学位论文的规定 特捞权 蛙烂一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 向圜家角关鄙门或机构送交论文的复印件和磁盘 积密的掌位论文在解密后适用本授权说明 孥位论虫 作者签名 硌矗 导师签名 签字日期 2 弦歹年夕月 1 签字日期 年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电力变压器故障诊断的背景和意义 电力变压器是电力系统重要的变电设备 其运行状态直接影响电力系统的安 全运行 随着国民经济的快速发展 电力需求快速增长 随着超高压和特高压输 变电技术的迅猛发展 电力装机容量和电网规模的不断扩大 作为电力系统最基 本 关键的电器元件一电力变压器 其可靠性直接关系到电力系统的安全可靠 运行 因此 减少和避免变压器故障具有重要意义 电力变压器与其他电气设备相比 故障是很少的 主要因为变压器没有转动 部分 而且元件都浸在油中 具有良好的工作条件 但由于设计不合理 制造质 量不良 雷击和过电压等种种原因 变压器故障也时有发生 故障发生率也比较 高 在故障变压器中 绝缘性故障占8 0 以上 电力设备预防性试验规程 中 把色谱分析列为电力变压器的首位试验项目 色谱分析法是判断变压器内部故障 性质的重要方法 作为油浸式变压器类设备内绝缘的矿油型绝缘油 对变压器类 设备的可靠运行有着决定性的影响 随着电力系统大容量 超高压方向的发展 以及社会和生活对供电质量 可 靠性 安全性要求的提高 迫切需要对电力设备运行状态进行实时 定时地在线 监测 及时发现电气设备早期绝缘缺陷 防止突发事故 同时减少不必要的停电 检修 当前电力系统设备维修模式已从传统的 定期维修 向 状态维修 转变 科学利用变压器油所载有效信息进行变压器绝缘状态的识别 设备诊断技术是 2 0 世纪7 0 年代兴起的一门包含很多新科技内容的综合技术 在设备运行中或停 机时基本不拆卸的情况下 掌握设备的运行状况 判定设备故障的部位 原因 严重程度和状态 预测设备可靠性和寿命 并提出治理对策的技术 故障诊断的 准确性和可信性 主要依赖于监测的状态量与故障间的关系程度 关系越密切 故障诊断的准确性和可信性就越高 随着传感技术 微电子技术以及计算机技术的广泛应用与普及 变压器绝缘 在线监测技术结合人工神经网络 模糊理论和专家系统的故障诊断技术得到了飞 快的发展 成为电气工程学科中研究的新热点 据有关资料表明 对电力变压器 等设备运行状态实施在线监测及故障诊断技术 可使得每年的维护费用减少 2 5 5 0 故障停电时间减少7 5 因此 对电力变压器等设备采用在线监测和 故障诊断技术可促进 状态维修 的有效实施 收到巨大的经济效益 研究开发 第一章绪论 对电力变压器等设备的故障诊断技术可有效地了解设备的运行状况 及时发现设 备的潜伏性故障 避免突发事故的发生 这不仅对电力工业的科技进步具有重要 的科学价值 而且对提高电力系统运行的可靠性和科学管理水平也具有十分重要 的意义 1 1 1 2 人工智能的发展及其在电力变压器故障诊断中的应用 人工智能是以模型化的计算机来代替人的思维方式和解决问题的一种方法 是专家系统 人工神经网络 模糊集理论等其他智能方法的计算和技术的总称 近年来 将人工智能技术应用于变压器绝缘故障诊断已成为研究的热点 各种不 同方法的应用 有效的提高了绝缘故障的诊断正确率 促进了在线监测与实时故 障诊断系统的研究开发 其中典型的方法如下 1 2 1 模糊理论的绝缘故障诊断方法 1 9 6 8 年扎德教授 l a z a d e h 第一次提出了研究事物模糊性问题 提出 了把模糊子集概念作为刻划模糊事物的基本数学模型 为模糊数学奠定了基础 模糊数学从此发展极快 并在人工智能 模式识别 故障诊断等领域取得了重要 的应用成果 基于变压器油中溶解气体气相色谱分析技术 简称d g a 的变压器绝缘故障 诊断传统的方法是根据专家过去的知识和经验总结出来的 目前 用于变压器故 障诊断的各种规程和导则中 只给出一个判断故障边界的描述 难以表述故障和 各个特征量之间的客观规律 采用i e c f l e e e 特征气体三比值法来判断变压器故障 类型时 给出的气体比值的边界是根据大量的统计数据得到的 但边界点的取值 仍然具有一定的发散性和模糊性 当气体的比值在边界点附近时 d g a 数据的 细小变化使得编码极易发生大的变化 从而引起对绝缘故障的误判断 为解决上 述的不确定性 因而出现了基于模糊理论的变压器故障诊断方法1 2 1 3 1 1 2 2 神经网络的绝缘故障诊断方法 神经网络是人们在对人脑思维研究的基础上 用数学方法将其简化 通过大 量简单的基本单元 神经元相互连接而成的自适应非线性动态系统 对人脑的 形象思维 联想记忆等进行模拟和抽象 实现与人脑相似的学习 识别 记忆等 信息处理能力 近年来随着神经网络理论上的不断发展完善 加上模糊理论和小 波分析在神经网络中的广泛应用 神经网络方法成为最有前途的变压器绝缘故障 2 第一章绪论 诊断方法之一 在众多的人工神经网络模型中 反向传播 b p 网络具有良好的模式分类能 力 也是较早应用到变压器绝缘故障诊断系统当中的 通常采用的模型是三层或 多层前向网络 输入节点数采用七种特征气体中的部分或全部 但b p 网络模型 本身存在局部收敛 收敛速度 隐层神经元的选择及输入样本集无法随意增长等 问题 提出了按照特征气体注意值大小将样本分区 设计相应的神经网络 并对 样本数据进行格式化处理等改进 1 2 3 小波神经网络的绝缘故障诊断方法 小波分析是目前数学中一个迅速发展的新领域 它同时具有理论深刻和应用 十分广泛的双重意义 其对非平稳随即信号具有良好的时频局部特性和变焦能 力 当前神经网络与小波分析结合主要有两种方式 一是将小波分析作为神经网 络的前置处理手段 为神经网络提供输入特征向量 二是将小波分析和神经网络 直接融合 用小波函数或尺度函数直接作为神经元的激励函数 4 6 1 1 2 4 专家系统的绝缘故障诊断方法 专家系统是一个基于专家经验知识和推理方法的计算机智能程序系统 储存 有某 领域人类专家大量的知识和经验 模拟人类专家的思维决策的过程 由知 识库 数据库 推理机 知识获取系统 解释系统和人机接口六部分组成 目前专家诊断系统大部分是依据d g a 数据 理化数据 电气性能数据等从 各方面进行常规诊断 然后再进行综合分析得出结论 其中存储数据库中的大部 分可诊断变量是当前变压器的气体浓度 用于变压器诊断系统时 要把基础知识 数据和普通的解释方法d g a 综合专家方法和启发规则结合起来使用 有许多 采用其他人工智能方法与专家系统相结合的机制 变压器绝缘故障诊断专家系统 的发展趋势为 在知识库结构上采用开放式的设计 更易于其他故障诊断方法融 入专家系统 诊断策略上采用多层次搜索 提高故障诊断速度 1 3 国内外研究现状及主要存在问题 变压器油中溶解气体分析 d g a 技术是基于油中溶解气体类型与内部故障 的对应关系 采用色相色谱仪分析溶解于油中的气体 根据气体的组分和各种气 体的含量判断变压器内部有无异常情况 诊断其故障类型 大概部位 严重程度 第一章绪论 和发展趋势的技术 其特点是能发现电气试验不易发现的潜伏性故障 对变压器 内部潜伏性故障进行早期和实时的诊断识别非常有效 在众多的变压器试验手段 中 利用气相色谱分析技术检测油浸式变压器早期故障已被证明是一种非常有效 的手段 基于溶解气体分析的变压器故障诊断各国研究了多年 并提出了具有使 用价值的判断标准 如我国d l t7 2 2 2 0 0 0 变压器油中溶解气体分析和判断导 则 日本的电协法和i e c 国际电工委员会 的三比值法 利用传统的离线气相色谱法检测变压器油中溶解气体时 从提取试验油样一 油气分离一色谱分析的全过程中存在着环节多 操作手续繁琐 试验周期长等弊 病 因此不可避免地会引起较大的试验误差 并且实践证明难以发现类似匝间绝 缘缺陷等故障和不能及时检测出相对发展较快的故障 为弥补气相色谱分析法的 不足 近1 0 年来 国内外都致力于在线监测原理的研究或装置的研制 相继研 制出一些具有实用价值的油中溶解气体在线监测及诊断装置 在故障诊断方面 利用i e c 三比值或改良电协研法进行故障判断时 由于判 断区间不灵活 导致有些故障判断不出或误判 对于编码0 0 0 的情况 i e c 三比 值法等传统方法不能做出判断 有可能会掩盖了真实的故障 人工智能技术应用于变压器绝缘故障诊断已成为研究的热点 各种不同方法 的应用 有效的提高了绝缘故障的诊断正确率 促进了在线监测与实时故障诊断 系统的研究开发 1 4 本文主要研究内容 本文主要研究的内容是根据龙风热电厂 供电公司变电所收集到的变压器油 中溶解气体色谱分析数据 通过特征气体分析法 三比值法 模糊原理方法和神 经网络方法对变压器潜伏性故障进行分析和判断 特别是一些模糊 边界的色谱 数据 根据传统方法 很难对其作出正确的判断 通过理论判断与实际发生情况 的对比 阐明理论的正确指导意义 避免误判断情况的出现 本文主要研究的方法是应用人工智能方法对色谱数据进行分析 判断 本文 选用的方法是模糊理论和神经网络两种方法 利用目前较为实用 流行和应用广 泛的美国m s t h w o r k 公司推出的高性能数值计算软件m a t l a b 软件7 0 版本 实现 对色谱数据的模糊逻辑分析和神经网络b p 网络的学习 达到判断变压器是否存 在潜伏性故障的目的 本文最终的目的是想通过对比三比值法 模糊理论和神经网络三种方式 对 比色谱数据的分析和判断结果 最后得出本文的结论 使用那种方法更为有效 快捷和准确 4 第二章电力变压器的故障类型及诊断 第二章电力变压器的故障类型及诊断 油浸电力变压器的故障原因 故障位置 现象复杂 同时由于设计 制造 运行以及维护等因素的干扰 对变压器的故障做出准确的定位是非常困难的 对 变压器进行故障分析 首先要对变压器的故障类型 原因和机理进行分析 变压器故障可分为内部故障和外部故斟4 1 外部故障为变压器油箱外部绝缘 套管及其引出线上发生的各种故障 内部故障为变压器油箱内发生的各种故障 其中包括 各相绕组之间发生的相间短路 绕组的线匝之间发生的匝间短路 绕 组或引出线通过外壳发生的接地故障等 变压器故障类型按照回路划分 可分为电路故障 磁路故障和油路故障 按 照主体结构划分 可分为绕组故障 铁芯故障 油质故障和附件故障 按照常见 的故障易发生部位划分 可分为绝缘故障 铁芯故障 分接开关故障等 影响严 重 发生机率最高的是变压器出口短路故障 同时还存在变压器渗漏故障 油流 带电故障 保护误动作故障等 上述这些不同类型的故障 有的可能反映的是过 热故障 有的可能反映的是放电故障 有的可能反映过热与放电故障并存 而变 压器渗漏故障在一般情况下可能不存在过热或放电故障的特征 2 1 变压器故障原因及种类 2 1 1 变压器故障原因 变压器故障原因很多 一般分为电路故障和磁路故障 归纳总结为以下原因 电路故障 线环和引线方面的故障 1 线圈绝缘老化 受潮 2 切换器接触不良 3 材料 质量及制造工艺不良 4 过电压冲击 5 二次系统短路引起的故障 磁路故障 铁芯 轭铁夹件间发生的故障 1 硅钢片短路 2 穿芯螺丝与铁芯间的绝缘损坏 3 轭铁夹件与铁芯间的绝缘损坏 4 铁芯接地不良 第二章电力变压器的故障类型及诊断 2 1 2 变压器故障类型 l 按照故障发生的部位分类 变压器外部故障 油箱 焊接质量不好 密封填圈不好 电压分接开关传动装置 机械操动部 分 控制部分的问题 冷却装置 风扇 输油泵 控制设备等问题 附件 绝缘 套管 温度计 油位计 各类继电器等问题 变压器内部故障 绕组 绝缘击穿 断线 变形 铁心 铁心叠片之间绝缘不好 接地不好 铁心两点或多点接地及铁心螺栓绝缘击穿 内部的装配金具问题 电压分接开关 控制不到位 引线绝缘薄弱 绝缘油老化 2 按照故障发生过程分类 突发性故障 由异常电压下 操作过电压 雷电过电压及谐波过电压 引起的绝缘击穿 层间短路 自然灾害 辅机的电源停电 由潜伏性故障发展而形成的故障 铁心绝缘不良 铁心叠片之间绝缘不良 铁心穿心螺栓的绝缘不良 由外界 反复短路引起的绕组变形 过负荷引起的绝缘老化 由于受潮游离放电引起绝缘 材料 绝缘油老化 3 按照故障性质分类 电力变压器的内部故障主要有 过热性故障 放电性故障 过热和放电兼有 的故障 2 2 变压器油中溶解气体分析 变压器油中溶解气体 d g a 分析技术是基于油中溶解气体类型与内部故障 的对应关系 采用气相色谱仪分析溶解于油中的气体 根据气体的组分和各种气 体的含量判断变压器内部有无异常情况 诊断其故障类型 大概部位 严重程度 和发展趋势的技术 5 1 2 2 1 变压器内部故障产生气体 目前使用的大型电力变压器 几乎都是用变压器油做绝缘和散热使用 变压 器油与油中的固体有机绝缘材料 纸 纸板等 在运行电压下随运行时间的增加 在放电和热的作用下会逐渐老化和分解 产生少量的各种低分子烃类和c o c 0 2 6 第二章电力变压器的故障类型及诊断 等气体 变压器的内部绝缘故障正是伴随着局部过热和局部放电现象 使油 纸 分解产生c 2 h 6 c 2 1 1 4 c 2 h 2 h 2 c o 和c 0 2 等气体 当故障不严重时 产气量 较少 所产生的气体形成的气泡在油中经对流 扩散 不断的溶解于绝缘油中 当设备内部存在潜伏性过热或放电故障时 就会加快这些气体的产生速度 当产 生的速率大于溶解速率时 在变压器里会有一部分气体进入气体继电器 此外发 热和放电的产生程度不同 所产生的气体种类 油中溶解气体的浓度 各种气体 的比例关系也不相同 因此油中溶解气体的组分和含量在一定程度上反映出变压 器绝缘老化或故障的程度 通过对油中溶解气体进行气相色谱分析 便可发现变 压器潜伏性的发热和放电故障 2 2 2 正常运行时变压器油中气体含量 正常运行的变压器油中溶解气体的组成主要是氧气和氮气 根据实测数据统 计 长期运行的正常的开放式变压器中 油的总气量约为油的1 0 体积 其 中氧气含量一般占2 0 3 0 氮气占7 0 8 0 对于充氮变压器 总气量大 致为油的6 8 体积 其中氮气占9 0 以上 氧气占0 5 8 7 正常运行的变压器 油中气体含量很少 主要氧和氮 其中可燃性气体c h 4 c 2 h 6 c 2 h 4 c 2 h 2 h 2 c o 更低 占总气量的o 0 1 4 1 之间 有轻度故障的 变压器 可燃性气体总量在0 1 0 5 之间 故障变压器可燃气体总量在o 5 以 上 所以按照可燃性气体总量判别变压器运行状态是可行的 变压器绝缘材料分解所产生的可燃和非可燃气体达2 0 多种 正确选取哪些 油中溶解气体作为分析检测的对象 对有效地分析诊断变压器故障类型 能量 程度及发展趋势极为关键 d l t7 2 2 2 0 0 0 变压器油中溶解气体分析和判断导 则 规定了9 种气体c o c 0 2 h 2 c i 1 4 c 2 h 6 c 2 i h c 2 h 2 n 2 0 2 除了 n 2 0 2 是推荐检测的气体外 其余7 种气体都是故障情况可能增长的气体 所以 是必测组分 其中c h 4 c 2 h 6 c 2 h 4 c 2 h e 气体统称为总烃 简写为c l c 2 2 3 变压器油中溶解气体含量与故障的关系 变压器内部故障主要是机械的 热的和电的三种类型 机械性的故障常以热 的或者电的故障形势表现出来 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 8 1 0 1 第二章电力变压器的故障类型及诊断 2 3 1 热性故障的气体特征 产生热性故障的原因有 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 热性故障是由于有效热应力所造成的绝缘加速劣化 具有中等水平的能量的 密度 如果热应力只引起热源绝缘油分解时 所产生的特征气体主要是甲烷和乙 烯 二者之和一般占总烃的8 0 以上 随着故障点的温度升高 乙烯所占的比例 将有所增加 通常热性故障时不产生乙炔的 一般低于5 0 0 的过热时 乙炔的含量不会 超过总烃的2 严重过热时 乙炔的最大含量也不超过烃总量的6 当过热涉及固体绝缘材料时 还会产生大量的一氧化碳和二氧化碳 2 3 2 电性故障的气体特征 产生电性故障的原因有 1 绕组匝间 层间 相间绝缘击穿 2 引线对地闪络或者断裂 3 分接开关飞弧 电气故障产生的气体 主要是氢气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 高能量的电弧放电 中间能量的间 隙火花放电和低能量的局部放电 高能量的电弧放电特点 电弧放电以线圈匝 层间绝缘击穿故障为多见 其次引线断裂或对地闪络和 分接开关飞弧等故障 电弧放电故障产气急剧 产气量大 无前驱现象 一般难 以预测 故障特征气体主要是乙炔和氢气 其次是大量的乙烯和甲烷 故障发展 速度很快 气体来不及溶于油中就释放到气体继电器内 火花放电的原因有 1 引线或套管储油柜放电 2 引线局部接触不良 第二章电力变压器的故障类型及诊断 3 分接开关触头接触不良 4 铁芯接地片接触不良而引起放电 火花放电的特点 特征气体以乙烯和氢气为主 故障能量较小 一般烃总量 不太高 油中溶解的乙炔在烃的总量中所占的比例可达2 5 9 0 以上 乙烯含 量约占烃总量的2 0 以下 氢气也占氢烃总量的3 0 以上 局部放电的原因有 l 冲片棱角或冲片间局部放电 2 金属尖端之间局部放电 局部放电的特点 因电能量密度不同而不同 一般烃总量不高 产生的主要 气体是氢气h 2 和甲烷c h 4 2 3 3 进水受潮的气体特征 变压器受潮时 油中水份和含湿气的杂质易形成 小桥 或者绝缘中含有 气隙均能引起局部放电而产生氢气h 另外 水份在电场作用下的电解反应和水 铁的化学反应 可产生大量的氢气h 2 所以受潮设备中的氢气 在氢烃总量中占 比重更高 有时局部放电和受潮异常情况同时存在 且特征气体基本相同 仅依 靠油中溶解气体分析结果难以区分 必要时可根据外部检查和其他试验加以综合 判断 例如局部放电测量和油中微量水分分析等 5 2 3 4 固体绝缘材料故障的气体特征 当故障涉及到固体绝缘时 会引起变压器油中一氧化碳c o 和二氧化碳c 0 2 气 体的明显增长 正常开放式变压器的c o 含量不大于0 0 3 如果总烃含量超限 c o 不超过0 0 3 通常认为变压器固体绝缘材料有过热的可能 若总烃含量未 超限 c o 超过0 0 3 通常认为变压器是正常的 发现c o 超限时 要综合分析 8 2 3 5 变压器故障类型与气体组分关系 如表2 1 所示 2 4 本章小节 本章主要论述了电力变压器的故障类型和油中溶解气体分析技术对变压器 故障类型的诊断 表2 1 变压器故障类型与气体组分关系 9 第二章电力变压器的故障类型及诊断 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 n也 c 2 h 油和纸过热c h 4 c h nc o c o 也 c k 油纸中局部放电h c h 一 c oc 2 h 6 c 0 2 油中火花放电c 2 h 4 h 2 油中电弧 c 2 h c h nc z h c 2 h e 油和纸中电弧c 出2 h 2 c o c 0 2 受潮或油中气泡也 电力变压器故障原因多种 主要归纳为 设计制造方面 运行维护方面 正 常老化及突发性事故三方面原因 变压器故障类型同样多种 按照故障的部位分 为内部故障和外部故障 按照故障发生的过程分为突发性故障和潜伏性故障 按 照故障性质分为过热性故障 放电性故障和过热兼放电性故障 变压器油中溶解气体分析技术判断变压器潜伏性故障的诊断机理 利用变压 器故障情况下 油中产生的特征气体含量与故障类型存在一种对应关系 这种对 应关系对分析判断变压器内部故障具有重要的指导意义 正常变压器运行时 同 样也存在特征气体 一旦故障 某些特征气体含量将发生较大变化 这些变化就 是需要我们认真捕捉 分析的依据 l o 第三章以油中特征气体组分比值诊断故障的方法 第三章以油中特征气体组分比值诊断故障的方法 根据d l t7 2 2 2 0 0 0 变压器油中溶解气体分析和判断导则 中总结的不同 故障类型产生的油中特征气体组分 只能粗略的判断充油电气变压器内部是否可 能有早期的故障存在 不能确定故障的性质和状态 因此 国内外通常用油中溶 解的特征气体组分含量来诊断充油电力变压器的故障性质 3 1 变压器油中溶解气体分析的诊断流程 产 图3 1 变压器色谱分析故障诊断程序 图3 1 中宰表示对于新投入运行或重新注油的设备 短期内各气体含量迅速 增长但尚未超过注意值 也可判定为内部异常 第三章以油中特征气体组分比值诊断故障的方法 3 2 以特征气体法诊断变压器内部故障的原理及方法 d l t7 2 2 2 0 0 0 变压器油中溶解气体分析和判断导则 中总结的不同故障类 型产生的油中特征气体组分 能粗略地判断充油电力变压器内部是否存在故障 但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 量分析数据与注意值比较来诊断充油电力变压器故障的性质 2 0 变压器内部在不 同故障产生的气体有不同的特征 可以根据变压器油的气相色谱测定结果和产气 的特征及特征气体的注意值 对变压器等设备有无故障及故障性质作出初步判 断 3 2 1 故障诊断原理 当前应用较为普遍的特征气体法主要有 以油中特征气体组分含量为特征量 的故障诊断法 以油中气体的总烃及c o 和c 0 2 为特征量的故障诊断法 以气体继 电器中的游离气体为特征量的故障诊断法 故障诊断原理 故障点产生气体的特征随故障类型 故障能量及其涉及的绝 缘材料的不同而不同 可以反映故障点引起的周围油 纸绝缘的热分解本质 可 以用表3 1 所列的特征气体特点来判断故障的性质 该诊断法对故障性质有较强 的针对性 比较直观 容易掌握 不足是没有明确量的概念 9 表3 1 判断变压器故障性质的特征气体特点 序号故障性质特征气体的特点 一般过热 l 总烃较高 c 地含量大于c 2 i 4 c g 1 2 占总烃的2 以下 低于5 0 0 严重过热 总烃高 c i h 含量小于c 扎 c 出 占总烃的5 5 以下 总烃的2 以 2 高于5 0 0 下 h 占氢烃总量的2 7 以下 总烃不高 含量大于1 0 0 l l 并占氢烃总量的9 0 以上 c i h 3局部放电 占总烃的7 5 以上 为主要成分 总烃不高 c 此含量大于1 0ul l 并且一般占总烃的2 5 以上 4火花放电 心占氢烃总量的2 7 以上 c h 4 占总烃含量的1 8 以下 电弧放电 总烃较高 c 出 占总烃含量的1 8 6 5 1 1 2 占氢烃总量的2 7 以 b 上 总烃较高 c 2 h z 占总烃含量的5 5 1 8 i 1 2 占氢烃总量的2 7 以 6 过热兼电弧放电 下 1 2 第三章以油中特征气体组分比值诊断故障的方法 3 2 2 诊断过程 1 与油中溶解气体含量的注意值作比较判断有无故障 出厂和新投运变压器的诊断 对出厂和新投运的变压器 要求有出厂试验前 后的两次分析结果 而且与投运前后的两次分析结果不应有明显的区别 气体组 分含量符合表3 2 的要求 表3 2 对出厂和新投运的设备气体含量的要求 u 饥 气体变压器和电抗器互感器套管 h 2 1 0 5 0 1 5 0 c 2 h 2 0oo 总烃 2 0 1 0 7 肃1 一氧化碳 当怀疑故障涉及到固体绝缘材料时 高于 电抗器 2 0 0 可能c o c 0 1 5 0l al 几 对其继续跟踪检测 2 0 0 2 年4 月2 8 日 对二号主变压器的本体又进行了气相色谱检测 结果为2 0 0 5 l l 1 5 0l al l 2 0 0 2 年5 月1 0 日 结果为4 9 8 6 1 1 l l 1 5 0 l l 氢气的注意值己超标 二 号主变压器作为故障设备进行下一步的确定和跟踪检测 l 根据表3 3 运行中变压器油中溶解气体含量的注意值判断 二号主变压器 色谱分析数据中氢气h 2 含量2 2 0 0 8 l al l 已超过1 5 0l al l 的注意值 需继续跟 踪检测 2 根据特征气体法初步判定 氢气超标 其他气体含量正常 根据图3 1 典 型特征气体排列图中 符合典型特征气体排列图 d 推断为变压器绝缘受潮 产生特征气体氢气的增长 3 通过对超标气体氢气h 2 的产气速率分析 诊断设备故障的严重程度 绝对产气率 c 1 2 一c i 1m 一 p 氢气的绝对产气速率计算如下 3 3 第三章以油中特征气体组分比值诊断故障的方法 c f 2 4 9 8 6 1 l l c f l 2 0 0 5 l 几 z 土t 1 2 天 m 1 1 9t p 0 0 8 9 5t m 3 弦 3 3m l 天 根据d l t 7 2 2 2 0 0 0 变压器油中溶解气体和判断导则 9 3 2 设备 中气体增长率注意值 推荐变压器绝对产气速率注意值氢 1 0m l 天 弦 3 3 m l 天 注意值 相对产气率 弦 c i 2 m c i i 一1 1 0 0 3 4 c i 1a t g 2 4 9 8 6 1 l l c f l 2 0 0 5 l l 垃 1 2 天 弦 1 2 3 9 总烃 c i 2 2 7 4 l l g 1 4 1 0 3 t l l 垃 1 2 天 弦 7 8 根据d l t7 2 2 2 0 0 0 变压 器油中溶解气体和判断导则 9 3 2 设备中气体增长率注意值 相对产气速率也 可以用来判断充油电气设备内部的状况 总烃的相对产气速率大于1 0 时 应引 起注意 总烃弦 7 8 1 0 通过对超标气体氢气的产气速率的计算和分析 绝对产气率和相对产气率均 未超过d l t7 2 2 2 0 0 0 变压器油中溶解气体和判断导则 规定的注意值 表明变压器目前故障严重程度较低 不至于将变压器停电检修 3 3 以三比值法诊断变压器内部故障的原理及方法 大量的实践证明 采用特征气体法结合可燃性气体含量法 可做出对故障性 质的判断 但还必须找出故障产气组分含量的相对比值与故障点温度或电场力的 依赖关系及其变化规律 为此 人们在用特征气体法等进行充油电气设备故障诊 断的过程中 经不断地总结和改良 国际电工委员会 i e c 在热力动力学原理 和实践的基础上 相继推荐了三比值法及改良三比值法 我国现行的d l t 7 2 2 2 0 0 0 导则 推荐的是改良的三比值法 3 3 1 三比值法的诊断原理 三比值法的原理是 根据充油电气设备内油 纸绝缘在故障下裂解产生气体 组分含量的相对浓度与温度的相互依赖关系 从五种特征气体中选用两种溶解度 和扩散系相近的气体组分