（机械电子工程专业论文）电力变压器故障诊断模糊专家系统研究开发.pdf

摘要 以油中溶解气体为特征量对变压器进行故障诊断是一种使用广泛而十分有效 的方法。本文深入分析了以油中溶解气体为特征量诊断变压器内部故障的原理， 并对目前使用最广泛的三比值诊断法进行了分析。三比值诊断法虽然具有较高的 准确率，但是，当比值恰好在编码区间的边界处时，它就可能发生误判和错判。 这是阈值诊断法无法避免的缺陷。 针对这个问题，本文研究了三比值模糊化编码诊断法，发现其虽然模糊了编 码的界限，但是实质上仍然存在阈值的问题，并不能够从根本上解决此问题。本 文通过研究，提出了一种全新的模糊诊断模型模糊综合评判诊断法，并结合 变压器实际情况，详细阐述了如何通过模糊化编码获得权向量b 如何确定关系矩 阵斤以及如何选取模糊算子。 本课题是湖南电力试验研究所状态检修中心“变压器状态监测与诊断”项目 的子课题，课题的目的是要建立一套专家诊断系统，因此本文对模糊专家系统的原 理和实现方法进行了研究。结合实际，对知识库和推理机的设计，数据库结构的 设计等进行了深入的研究。最后，根据模糊综合评判诊断模型，本文以v i s u m c + + 6 0 为开发工具，在w i n d o w s 2 0 0 0 平台上开发设计出了一套变压器故障诊断模糊 专家系统。 最后，本文根据历史数据和实际的故障情况，对本推理模型及专家系统进行 了验证。证明了本模型能够发扬三比值法的优点，弥补三比值法的不足，进一步 提高诊断的准确率。同时本系统具有界面友好，易于操作和维护，运行快捷、准 确等特点。 关键词：电力变压器；故障诊断：模糊综合评判：专家系统 皇垄窒堡冀墼堕鋈堑丝塑童童垂篓堑窒塑茎 a b s t r a c t i ti sa w i d e l yu s e da n dq u i te f f i c i e n tm e t h o d t ou s eg a sd i s s o l v e di no i la sc h a r a c t e r t od i a g n o s et r a n s f o r m e rf a u l t t h i sa r t i c l eh a sd e e p l ya n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo fu s i n g g a sd i s s o l v e di no i la sc h a r a c t e rt od i a g n o s et r a n s f o r m e rf a u l t ，a n da n a l y z e dt h et h r e e r a t i om e t h o dt o d i a g n o s ep o w e rt r a n s f o r m e r w h i c hi s c u r r e n t l yw i d e l y u s e d t h r e e r a t i om e t h o dh a sh i g he x a c t n e s sr a t e ，b u ti tm a y b r i n ga b o u t e r r o r so rm i s t a k e si f t h er a t i oi sj u s ta tt h eb o u n d a r yo ft h ec o d i n g - z o n e t h i si st h eu n a v o i d a b l ef a u l to f v a l v ed i a g n o s i s t h i sa r t i c l eh a sr e s e a r c h e do nt h et h r e e - r a t i om e t h o df u z z yc o d i n gd i a g n o s i s f o c u s i n go i lt h ep r o b l e m ，f i n d i n gt h a ta l t h o u g h i tf u z z yt h eb o u n d a r yo f c o d i n g z o n e ，i t h a ss t i l lt h ev a l v e p r o b l e m a n dc a n ts o l v ei tp e r f e c t l y an e wd i a g n o s i sm o d e l ，- - - - - - - f u z z ys y n t h e s i sd i a g n o s i sw a sd e v e l o p e di nt h i s a r t i c l e w i t ht h ea c t u a lc o n d i t i o no ft r a n s f o r m e r ，t h i sa r t i c l eh a sm e n t i o n e dh o wt o c a l c u l a t et h ev e c t o rc ，t os e tt h er e l a t i o nm a t r i xr ，a n dt os e l e c tf u z z yc a l c u l a t i o nf a c t o r t h i sw o r ki sa p a r to f t r a n s f o r m e rc o n d i t i o nm o n i t o r i n g o f c o n d i t i o nm o n i t o r i n g c e n t e ri nh u n a ne l e c t r i cp o w e rt e s t & r e s e a r c hi n s t i t u t e i t sg o a li st oe s t a b l i s ha s u i t a b l ee x p e r td i a g n o s i ss y s t e m c o n s i d e r i n gt h ea c t u a lc o n d i t i o n , d e e p l yr e s e a r c ho n t h e d e s i g no fk n o w l e d g eb a s e ，c o n s e q u e n c e u n i t t h es t r u c t n r c o fd a t a b a s ea n dt h e p r i n c i p l ea n d r e a l i z a t i o no f f u z z ye x p e r td i a g n o s i ss y s t e mh a sr e s e a r c h e d b a s e do n 岫s y n t h e s i s j u d g e m e n td i a g n o s i sm o d e l ，t h i sa r t i c l eh a sd e v e l o p e d a s e to ft r a n s f o r m e r sf a u l t d i a g n o s i sf u z z ye x p e r ts y s t e m b a s eo nt h e p l a t f o r m o f w i n d o w s 2 0 0 0w i t lv i s u a lc + + 6 0a sk i t a c c o r d i n gt oh i s t o r yd a t aa n da c t u a lf a u l t s ，t h i s a r t i c l eh a st e s t e dt h i sm o d e l ， p r o v i n g t h a tt h i sm o d e lc a nd e v e l o pt h ea d v a n t a g eo ft h r e e r a t i om e t h o d ，m a k eu pt h e s h o r t a g eo ft h r e e - r a t i om e t h o d ，i n c r e a s et h ee x a c t n e s sr a t eo fd i a g n o s i s a tt h es a m e t i m et h i s s y s t e mh a sm a n yg o o dc h a r a c t e r i s t i c ss u c h a st h ef r i e n d i n t e r f a c e ，e a s y o p e r a t i o n a n d m a i n t e n a n c e ，c a l c u l a t i n gf a s ta n d a c c u r a t ea n ds oo n k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rt r a n s f o r m e r ；f a u l td i a g n o s i s ；f u z z ys y n t h e s i z e s j u d g e m e n t ；e x p e r ts y s t e m l l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：初、季、名。日期：u ，鲈年乡月，曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：弘p 年，月一日 日期：狮年，月，护日 磐莎 杰，立 即 名名签签者师怍导 第1 章概述 1 i 研究电力变压器故障诊断的意义 电力变压器是电力系统中最主要和最昂贵的设备之一，与发电机等设备相比， 由于基本上没有可动元件，且外有避雷器等保护，内有气体、差动、接地等多重 保护，是比较可靠的。但由于设计不合理、制造质量不良、运输安装缺陷、运行 人员的失误、检修人员的过失、绝缘老化、保护失灵、套管密封不良、雷击和内 过电压、自然灾害、小动物事故等种种原因，变压器故障时有发生，事故率仍相 当高。以我国的1 l o k v 及以上变压器事故来看，1 9 9 4 年l l o 5 0 0 k v 变压器事故率 为o 7 6 次百台年，9 5 年为0 6 5 次百台年，9 6 年为0 5 6 次百台年”。 在故障变压器中，绝缘性故障占8 0 以上，其原因不仅是由于电应力作用引起绝缘 劣化而导致绝缘故障，而且机械力或热的作用或者与电场的相互作用最终也会发 展为绝缘性故障。例如变压器短路故障产生的巨大电磁力会引起绕组变形，使绝 缘受损伤从而引起匝间击穿；变压器内局部过热可导致油温上升，使绝缘过热而 发生裂解，最后发展为放电性绝缘故障。 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系统的安全性， 随着超高压和特高压输变电技术的迅速发展，电网容量加大和覆盖面增广，它的 故障可能对电力系统和用户造成重大的危害和影响。因此，减少和预防变压器故 障具有重要意义。长期以来，为确保电力系统安全运行。电力行业一直根据电力 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。这 种“计划检修”体系无疑在电气设备绝缘故障诊断、防止设备事故发生，保证安 全可靠地供电方面起着很好的作用。但“计划检修”是按照预试规程所规定的试 验周期，到期必修。而不顾电气设备绝缘的实际状况，具有很大的盲目性和强制 性，因而会造成设备的“过度检修”，浪费了大量的人力物力。同时，这种过度 检修，可能会由于检修的操作不慎，或者频繁的拆装等原因给设备埋下新的故障 隐患。更多的是，对一台大容量高压电力变压器来说，定期对它施加低于其运行 电压的试验电压来测量( 无论是绝缘电阻、泄漏电流、t 9 8 等) ，其发现缺陷的灵敏 度较差，难以发现潜伏性缺陷，同时它不能顾及绝缘劣化、缺陷发生的潜伏和发 展时间，而不能及时准确地发现故障。 随着电力系统朝着超高压、大容量方向发展，以及社会和生活对供电可靠性 要求的提高，迫切需要对电力设备运行状态进行实时或定时的在线监测，及时发 现电气设备早期绝缘缺陷，防止突发事故发生，同时可以减少不必要的停电检修， ! ：堂垄变里鳖堡塑童奎垂丝墼堡垫堇 ! ：= ：= ： 避免传统试验对电气设备由于“过度检修”所造成的巨大损失。有效地延长设备 的使用寿命，使设备检修达到优化配置。采取状态监测与故障诊断技术后，可以 使预防性维修向预知性维修即“状态维修”过渡，从“到期必修”过渡到“该修 则修”。同时，也为变电站“无人化”创造了条件。 运行中的变压器发生不同程度的故障时，会产生异常现象或信息。故障分析 就是搜集变压器的异常现象或信息，根据这些现象或信息进行分析，从而判断故 障的类型、严重程度和故障部位。因此，变压器绝缘状态监测与故障诊断的作用 是： ( 1 ) 准确判断运行设备当前处于正常状态还是异常状态； ( 2 ) 若有故障，则判断故障的性质、类型和原因，例如是绝缘故障还是过热故 障或机械故障，若是绝缘故障，则分辨绝缘老化、受潮，还是放电性故障，放电 性故障又是哪种类型的放电等等： ( 3 ) 根据故障信息或根据信息处理结果，预测故障的可能发展，即对故障的严 重程度，发展趋势做出诊断； ( 4 ) 提出控制故障的措施、防止和消除故障的方法： ( 5 ) 提出设备维修的合理方法和相应的反事故措施； ( 6 ) 对设备的设计、制造、装配等提出改进意见，为设备全寿命现代化管理提 供科学依据和建议。 1 2 专家系统的发展及其在电力系统中的应用 自从电子计算机诞生以来，其主要的功能就是进行数值计算与数据的处理， 其知识处理能力即智能却很低，然而人工智能的出现，改变了这一现状。人工智 能经过几十年的发展，已经形成了八个大的方向，分别是：专家系统、模式识别、 自动定理证明、自然语言理解、自动程序设计、机器人学、知识库系统和博弈理 论。1 。而这些当中以专家系统理论最为成熟、应用最为广泛。 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是人工智能的一个重要的应用领域。它产生于上世 纪6 0 年代，经过4 0 多年的研究，理论和技术已经日趋成熟，其应用也得到了飞 速的发展。与传统的程序设计方案：“数据+ 算法= 程序”不同，专家系统的设计 方法为：知识+ 推理= 系统。专家系统正是由于它特殊的形式和功能，使得它能 够快速完成那些需要专门知识的专家在几分钟或者是几小时内完成的量大而重要 的任务，如诊断、规划和决策等等。 所谓专家系统就是一个( 或者一组) 能在某个特定的领域内，以人类专家水 平去解决该领域中困难问题的计算机程序。之所以称它为专家系统是因为专家系 统在许多方面有类似于人类专家的特点。 从专家系统的定义可以看出，虽然专家系统在某些方面存在不足，但是，它 2 坝士学位论文 集中了人类专家的灵活性和计算机系统的智能性两大优点。且具有比人类专家更 多的优越性，如：继承了计算机系统的快速、准确的优点：不受时间地域限制的 优点；可以综合许多个专家的优点：可以将专家知识长久保留的优点。此外，培 养一个人类专家需要大量地投入，经过十几年甚至几十年地时间才能成功，而专 家系统就不一样了，许多专家系统可能在开发的时候要大量的人力和物力，但是， 一旦开发成功，可以在瞬间完成成百上千个专家系统的复制工作，即在短时间内 造就许许多多的“专家”。 专家系统的发展大致分为四个阶段：孕育期( 1 9 6 5 年以前) ，产生期( 1 9 6 5 1 9 7 1 年) ，成熟期( 1 9 7 2 1 9 7 7 年) ，发展期( 1 9 7 7 年至今) 。 1 9 5 6 年，人工智能诞生。在初期，研究者是从具体的问题入手的。由a n e w e l l ， j s h a w 和h a s i m o n 编制的l o g i ct h e o r i s t 系统，实现定理的证明。而由 a l s 锄u e l 研制的西洋跳棋程序也是这一时期最早的启发式程序之一。这些程序 开发的目的在于探索智能科学的基本原理和基本策略。6 0 年代初期，人工智能的 研究者就集中精力开发通用的方法和技术，通过研究一般的方法来改变知识的表 示和搜索。这一时期，产生了著名的表处理语言l i s p 。 6 0 年代中期以后，s t a n f o r d 大学计算机系的e h f e i g e n b a n m 等人在对专家 解决问题的方式进行大量的研究之后，提出利用问题领域的特殊知识来模拟专家 进行推理，还成功开发了埘c i n 系统。 7 0 年代被称之为专家系统的成熟期。专家系统的观念逐渐被人们广泛接受， 先后出现了一批卓有成效的专家系统，这些系统涉及医疗、自然语言处理、数学、 教学、地质等众多领域。这一时期中，有关专家系统的主要技术，如人机接口、 解释功能、自学习能力、不精确推理技术以及元知识的概念得到了研究和应用。 从7 0 年代末开始由于专家系统可以为生产领域创造可观的经济效益，越来 越多的企业家就对专家系统十分重视，使得专家系统进入了飞速发展时期。而且， 现在专家系统处理问题的能力也不断得到提高。 专家系统正是由于它处理问题的特殊能力，使得其在电力系统也得到了广泛 的应用。目前，国外典型的故障诊断专家系统有”： ( 1 ) 西屋( w e s t i n g h o u s e ) 公司的p d s 系统。它于1 9 8 4 年投入运行，分为气 轮机、发电机和化学3 个部分，每个部分都有3 0 0 0 以上条规则。 ( 2 ) b e n t l yn e v a d a 公司的d m s 系统。d m s 系统是在原有的监测保护仪表系统 的基础上，研制的具有在线监测、分析和故障诊断功能的智能化系统。其诊断部 分是基于知识库和用户规则库的逻辑推理式专家系统。 ( 3 ) e n t e k 公司的机器状态监测信息系统e m i n i t o to d y s s e y 。 在国内，较成熟的专家诊断系统多集中于气轮机、发电机、大型电力变压器 等电力系统主要设备，如由原华中理工大学研制的2 0 0 、3 0 0 删气轮机状态监测、 。：垒垄耋堡垒堡墼耋窒垂丝鲤茎鋈蕉 ：一： ：! = 。：。 能损分析、故障诊断专家系统，电力变压器故障诊断专家系统m 。 1 _ 3 本课题的工程背景及研究内容 本课题是湖南电力试验研究所状态检修中心“变压器状态监测与诊断”项目 的予课题。根据省电力公司的安排以长沙县榔梨变电站的2 2 0 k v 主变压器作为变 压器监测和诊断的试点对象。 本课题的工程目的就是要运用人工智能的手段，对变压器状态监测所获得的 数据进行分析和处理从而掌握被监测对象的运行状态或故障原因。这也是状态检 修的最终目的。 在人工智能领域，专家系统是发展比较成熟，使用最广泛，最活跃的一个分 支。由于对变压器而言，原来的许多规则都是建立在经验知识和历史数据的基础 上，具有很大程度的模糊性，另外，作为诊断依据的监测数据的采集上也具有不 确定性。所以本课题在这样的情形下应运而生设计以模糊推理为核心的变压 器故障诊断模糊专家系统。 本课题的最终目标是设计用于变压器故障诊断的模糊专家系统，为此本课题 进行了如下的研究工作： ( 1 ) 深入分析油中溶解气体为特征诊断内部故障的原理，并对油中溶解气体的 比值诊断法存在的问题进行分析。 ( 2 ) 对三比值模糊化编码诊断法进行分析，指出了该诊断法的优缺点。 ( 3 ) 提出了以油中气体为特征量的模糊综合评判诊断模型。结合变压器故障诊 断实际着重论述了权向量c 的获取，关系矩阵詹的确定以及模糊算子“o ”的选 取。 ( 4 ) 对模糊专家系统的原理，知识的表述、知识库的结构、模糊推理机的设计、 模糊数据库的设计等问题进行了深入的研究。 ( 5 ) 在w i n d o w s 2 0 0 0 平台下。用v i s u a lc + “0 编程语言，根据本文提出的“变 压器模糊综合评判诊断模型”，研制开发了一个专家诊断系统。， 。( 6 ) 本文最后利用变压器油中溶解气体的历史数据和与之对应的实际故障情 况，对变压器模糊综合评判诊断模型和依此建立的模糊专家系统进行了验证。从 而证明了该模型的正确性和先进性，证明了该专家系统具有界面友好，易于操作 和维护，运行快捷、准确等特点。 ，4 第2 章变压器早期故障诊断的比值诊断法及分析 对于大型电力变压器，目前几乎都是用油来绝缘和散热，变压器油与油中的 固体有机绝缘材料( 纸和纸扳等) 在运行电压下随运行时间的增加，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 h 、c 2 h 。、c ：h 、c ：h 2 、c o 和c d 2 等气体。当故障不太严重，产气量 较少时，所产生的气体形成的气泡在油里经对流、扩散，不断地溶解于绝缘油中， 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，而与绝缘油的种类与牌号无关。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，便可发现变压器内部的发热和放电性故障。 然而，变压器内部故障并不限于发热和放电这两类故障，还有如螺丝松动、 导体接触不良等机械类故障和油中混入导电性杂质等其它故障。这些原因无法检 测出来，但是这类初始原因往住是变压器向伴随发热或放电故障发展的一个阶段。 例如：内部电气触头接触不良会引起局部发热导电杂质会引起局部放电。故障发 展到发热或放电阶段便可检测出来，不管它的起始原因是什么。 当固体绝缘发生故障时，c o c o ，会明显增长，但目前的统计资料还得不出 规律性的结论。固体绝缘在正常老化过程中，也分解出c o ，现在还找不到它与故 障时分解产生的c o 的严格界限。c 0 ，含量的规律更不明显，一般要结合变压器结 构特点和运行情况进行判断。 由此可见，油中溶解气体的组分和含量可咀作为反映电气设备电气异常的特 征量。 2 1 电力变压器油中气体的产生和溶解及正常时的含量 2 1 1 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，油和固体绝缘体受热分解而产生气体。油和绝缘体受到电弧温度的影响也 会分解产生气体。通常，分解气体的形成主要由于离子的碰撞。低能放电或电晕 时有少量或没有热量产生。 ：些查錾堡垫堡塑童蜜垂丝墼墼蜜垂垄= = ： 1 纤维素的分解 绝缘纸、绝缘板的主要成份是纤维素，它是由许多葡萄糖基借助l 一4 配键连 接起来的大分子，其化学通式为( c 。h ，。o s ) 。，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( c o ，c o ，) 和一些氢气或 甲烷( h ：，c h 。) 。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 1 5 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 下热分解时，除产生c o ，c o ：外，还含有氢烃类气体 ( c h 、c ：h 。等) ，且c o 和c 0 2 的比值越高，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 时热分解的产物 分解产物重量( )分解产物重量( ) c d4 2 0水3 5 5 0 c d 2 1 0 4 0 腊酸 1 4 0 c h 4 o 2 7 丙酮0 0 7 c 2 日4 0 1 7 焦油 4 2 0 焦炭 3 9 5 9其它5 2 0 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块( c ，) 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c h 键和c c 链的破裂，生成活泼的氢原子和短链碳氢化合物。这些游离 的原子因相互结合可生成气体：h ，、c h 4 ，c ：风等等。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 ，h 。及c ，h ，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 时。热分解产生的气体主要是低分子烷烃( c h 。、c ，h 。) 和低 分子烯烃( c 2 风、c 3 风) ，也含有氢气h ：； ( 2 ) 当绝缘油暴露于电弧中时，分解气体大部分是h ：和c ：，并有一定量的 c h 4 和c 2 h 4 ： ( 3 ) 发生局部放电时，绝缘油分解出的气体主要是，和少量c h 。发生火花 放电时，则还有较多的c ，巩。 由上可知，利用形成的气体组分浓度的相对比值，可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油平衡，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( 0 s t w a l d ) 系数k 值表示。 奥斯特瓦尔德系数定义为”。： ， 液相中气体的浓度( c 。) 一 气相中气体的浓度( c 。) 即：当气、液两相达到平衡时，对某特定气体来说： c o t = k 。c 。 式中： c 。在平衡条件下，溶解在油中组分i 的浓度( p p m ) ： c 。在平衡条件下，气相中组分f 的浓度( p p m ) ： 置。组分i 的奥斯特瓦尔德系数。 各种气体在矿物绝缘油中的奥斯特瓦尔德系数见表2 2 。 表2 2 各种气体在矿物绝缘油中的奥斯特瓦尔德系数 k k 气体气体 2 0 5 0 2 0 5 0 氢( 矾)o 0 50 0 5 二氧化碳( c o ：) 1 0 81 o o 氮( n 2 ) 0 0 90 0 9 乙炔( c 2 h 2 ) 1 2 00 9 0 氧化碳( c o ) o 1 2o 1 2 乙烯( c 2 h 。) 1 7 01 4 0 氧( o ，) 0 1 70 1 7 乙烷( c 2 h 6 ) 2 4 01 8 0 甲烷( c h ) 0 4 3o 4 0丙烷( c 3 h 8 ) l o 0 0 k ，用于表示f 组分气体溶于油中的溶解度，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 。和溶解度高的、c 2 h 6 、c 2 h 4 、c 2 h 2 、c o ： 则随温度上升而下降。 当变压器内部存在潜伏性故障时，若产气速率低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 = ： ：= 生垄垩堡墅堡型：薹茎垂丝笪堡蚕垂鳖：= = ：。： 气体释放出来。若故障存在时问较长，油中气体已达到饱和，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份溶于油中外， 还会有一部份成为气泡，气泡上浮过程中把溶于油中的氧、氮置换出来，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 时间长，置换充分，特别对于尚未被气体溶解饱和韵油，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份和溶解度低的气体如h ，、c h 。，面溶解 度高的气体则在油中含量较高。 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气体反比油中含量高得多，从而还可能引起报警，这 就是通常采用色谱分析判断故障的一个较大的局限性：捕捉不到突发性故障的征 迹，因而无能为力。实施在线监测，可以在一定程度上得到改善，在监测过程中 有可能观察到共非瞬间发生的故障先始，如能在积累运行经验的基础上采取必要 的措施，可以减少一部分事故的损失。当然，对于有些突发性故障，如短路引起 的故障。可以在几秒钟内导致严重的绝缘击穿事故，在线监测同样无能为力作用。 2 。1 3 正常运行时变压器油中气体含量 正常运行的变压器，油中气体含量很少，主要是氧和氮，尤其可燃性气体( h ，、 c h 。、c 2 三k 、c 2 风、c 2 h 2 、c o ) 更低，占总量( t c g ) 的0 o l o 1 之间，新油 更低。正常变压器含氧量稍比空气大些为2 0 3 0 。但含氮量比空气少，这和变压 器保护结构形式有关，氮封变压器含氧气占5 左右，薄膜密封变压器要小于3 ， 而一股开放型变压器占3 0 左右。 正常变压器油中的c o 和c q 分布比空气含量大一数量级，运行年限越长，其 数值越大，这是绝缘材料老化的象征。 正常变压器可燃性气体总量为0 1 以下，而有轻度故障的变压器在0 1 o 5 之间。故障变压器可燃性气体总量在0 5 以上，所以按可燃性气体总量来判别变 压器运行状态是可行的。 表2 3 给出正常变压器油中含氢和烃类气体的含量限值啡3 。 表2 3 正常变压器油中氢和烃类气体含量限值( p p m ) 气体组分 日2c h 4c 2 h 6c 2 h4c 2 口2c l + c 2 正常极限值1 5 04 53 56 551 5 0 表中总烃是指甲烷( 简写为c ) ，乙烷、乙烯、乙炔( 简写为c ：) 的总和，用 c 。+ c ：表示。表中限制不适用于从气体继电器的取样。 运行中的变压器油中气体含量超过表2 4 所列数值时“”，应引起注意。 表2 4 油中溶解气体的应注意值 设备名称气体组分 体积含量( p p m ) 变压器总烃乙炔 氢 1 5 051 5 0 应当指出，表中列出的“注意值”而不是“故障值”或“允许值”，也就是说， t 注意值”是指当气体浓度到该值时，应注意跟踪分析，查明原因。由于各种变 压器的结构、材料、工艺及运行条件都有很大差异，因此根据我国1 9 个省市6 0 0 0 多台次变压器测试结果而得出的“注意值”( 见表2 5 “7 1 ) ，并非就可以判断被测变 压器就有某种故障。 表2 5 表2 4 中“应注意值”的统计依据 设备名称气体组分体积含量( p p m ) 6 0 0 0 台中超过注意值比例 变压器总烃乙炔氢 1 5 051 5 05 6 5 7 3 6 经验证明：有时虽未达到“注意值”，而某些气体增长很快，也应引起重视； 相反，即使略有超过“注意值”而历年来很少增长，则危险程度就小得多因而 必须考虑故障的发展趋势，即故障点( 如果存在的话) 的产气速率，产气速率是与 故障消耗能量大小，故障部位、故障点的温度等情况直接有关的。在不考虑气体 损失下产气速率按如下方法进行计算： ( 1 ) 绝对产气速率( 0 ) ，即每运行小时产生某种气体的平均值： _ ：尘垒2 1 0 一3 ” 出 p ( 2 ) 相对产气速率( t ) ，即每运行月( 或折算到月) 某种气体含量增加原有值的百分 数的平均值： 嘣) = ! 学詈l o o c i v 式中： ，c 绝对产气速率( m l h ) 和相对产气速率( 月) ； c 。c ，2 第一次和第二次监测( 取样) 测得油中某气体浓度( p p m ) 址两次监测( 取样) 时间间隔中实际运行时间( h ，月) g 设备总油量( t ) 口油的密度( t m 3 ) 变压器总烃产气速率的注意值如表2 6 ”： 表2 6 变压器总烃产气速率的注意值 变压器油保护方式总烃的绝对产气速率( m l h )总烃的相对产气速率( 月) 开放式 o 2 5 l o 隔膜式 0 5 ： ：当鸯堑星辇堡塑耋窒垂丝鱼堑蜜垂堇： 2 2 变压器内部故障类型与油中气体含量的关系 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 o ，且c o c o ， 1 0 ； ( 2 ) 当油局部过热时，会产生大量乙烯( c ：h 。) 和甲烷( c 也) ，随着温度升高， 则乙烷( c ：h 。) 和氢( 1 4 ：) 增加；当油严重过热时，才产生少量乙炔( c ：日：) 。 2 。电性故障 产生电性故障的原因有： ( 1 ) 绕组匝间、层问、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 ：) ，其次是乙烯( c ：h 。) 和甲烷( c h 。) 。 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： 一 a 严重的绕组故障，如绕组短路、绝缘大面积击穿； b 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，这种气种主要是氢气( ，) 和乙炔 ( c 2 2 ) 。 ( 2 ) 造成火花放电的原因有： 硕士学位论文 a 引线接触不良： b 不稳定的铁芯接地； c 分接开关触头接触不良； d 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，气体主要是日，和c ，皿。 ( 3 ) 造成局部放电原因有： a 冲片棱角或冲片问局部放电； b 金属尖端之间局部放电。 这时产生的主要气体是日，和c h 。 无论哪种放电，只要有固体绝缘介入，都会产生c o 和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 产生见；水份在电场作用下的电解作用和水与铁的化学反应，也可产生大量风， 故受潮设备中日，在氢烃总量中占比重高，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0 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，要进行综合分析。 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 7 给出不同的变压器故障类型和产生气体的组分关系。 有时设备内并不存在故障，而由于其它原因，在油中也会出现上述气体，要 注意这些可能引起误判断的气体来源。例如：有载调压变压器切换开关油室的油 向本体渗漏或某种范围内开关动作时悬浮电位放电的影响：设各曾有过故障，而 故障排除后绝缘油未经彻底脱气，部分残余气体仍留在油中：设备油箱曾带油补 焊：原注入的油就含有某几种气体等。还应注意油冷却系统附属设备( 如潜油泵、 油流继电器等) 的故障产生的气体也会进入变压器本体的油中。 变压器产生故障时，油中含有气体除上述用于气相色谱分析有用的几种之外， 还有原子氧( 0 ) ，臭氧( 0 ，) ，一氧化氮( n o ) ，二氧化氮( n 0 2 ) 等。这些气体与油 中水分起化学作用后会产生硝酸和亚硝酸。它们对绝缘材料起到强烈的腐蚀作 ：= ：垫垄錾里堡l 幽童窒茎丝墼堑壅垄茎 用，并与导线裸铜起化学反应后产生铜绿和硝酸铜粉末，使镝导体腐蚀，所以变 压器故障后，必须对油进彳亍净化和脱气处理。 表2 7 变压器故障类型和产生气体的组分关系 故障类型产生的主要气体组分产生的次要气体组分 油过热c h 4 、c 2 h 4符2 、c 2 抒6 油和绝缘纸过热c h 4 、c 2 h 4 、c o 、c 0 2日2 、c 2 风 油中有电弧日2 、c 2 h 2c h 4 、c 2 矾、c 2 h 6 油和绝缘纸中电弧h 2 、c 2 h 2 、c o 、c d 2c h 4 、c 2 h 4 、c 2 h 6 油中局部放电h 2 、c h 4 、c 2 h 2c 2 胃6 油和纸中局部放电h 2 、c h 4 、g h 2 、c oc 2 乩、c 0 2 油中火花放电日2 、c 2 h 2 进水受潮或油中气泡日2 2 3 三比值诊断法及其分析 2 3 1 三比值诊断法 如上节所述，不同性质的故障所产生的油中溶解气体的组分是不同的，据此 。可以判断故障的类型。因热性故障产生的特征气体主要是c h pc ，h 。，电性故障 主要是c ：h ：、h ：，为此，可以用c h j h ：比值来区分是放电故障还是热故障： 根据故障点温度愈高，c 2 日占总烃比例将增加的特点，c ：h c ：h 。的比值可区 分温度高低。因纸过热主要分解c o 和次要的c h 。的特点，也可用c 阿。区分 温度高低，温度越高，c o c h 。值越小；根据火花放电故障时有c ：h ：，其次是 c ：手l ，而局部放电一般无c ：日：的特征，可用c ：h ：c 2 h 。的比值来区分放电故障 的类型。 表2 8 三比值法的编码规则 气体比值比值范围的编码 说明 范围 c 2 h 2 c 2 h c h 4 h 2c 2 h 4 c 2 h 6 o 1o 1d 例如： 0 1 11oo c 2 h 2 c 2 凰= 1 3 时编码为1 1 3121 c h 。h 2 - - - - 1 3 时编码为2 3222c 2 h 4 c 2 风= 1 3 时编码为l 用油中溶解气体色谱法测得油中气体浓度后，国际电工委员会( i e c ) 和我国国 标推荐用c ：h 2 c ：士、c h 。：、c 2 h 。c 2 h 。这三个比值大小来判断变压器存 在的故障情况，这种方法为三比值法。三比值法中，对于相同的比值以不同的编 码表示出来。表2 8 给出三比值法的编码规则，表2 9 j 给出三比值法的故障类型 判断方法“。 表2 9 三比值法的故障类型判断方法 编码组合 故障类型故障实例 c 2 日2 c 2 h 4c h h 2c 2 h c 2 h 6 低温过热 绝缘导线过热，注意c o 0l 和c o ：的含量以及 ( 低于1 5 0 c ) c o c 0 2 值 低温过热 2o 分接开关接触不良，引线 ( 1 5 0 3 0 0 ) 0中温过热 夹件螺丝松动或接头焊接 21不良，涡流引起铜过热，铁 ( 3 0 0 7 0 0 ) 心漏磁，局部短路。层间绝 高温过热 0 ，l ，22缘不良，铁心多点接地等 ( 高于7 0 0 ) 高湿度、高含气量引起油 lo局部放电 中的能量密度局部放电 引线对电位未固定的部 0 ，10 ，1 ，2低能放电 件之间联系火花放电，分接 2 抽头引线和油隙闪络，不同 低能放电兼 电位之间油中火花放电或 20 ，1 ，2 过热 悬浮电位之间的火花放电 线圈匝问、层间短路、相 0 ，10 ，1 ，2电弧放电 间闪络、分接头引线间油隙 闪络、引线对箱壳放电、线 l 电弧放电兼 圈熔断、分接开关飞弧、因 20 ，1 ，2 环路电流引起电弧、引线对 过热 其他接地点放电等 2 3 2 对三比值法的分析 比值法判断变压器故障类型己在我国采用十几年了，以前三比值法的诊断准 确率可达8 0 左右1 ，根据中华人民共和国国家经济贸易委员会2 0 0 0 n - - 0 3 发布的中华人民共和国电力行业标准( d l t7 2 2 2 0 0 0 ) 之变压器油中溶解气体分析 和判断导则给出的改良三比值法，其判断故障的准确率提高了很多。但在实际使 用中显示出以下不足： ( 1 ) 比值法推荐的故障性质比值范围编码不多，检验此法的故障事例相当有 坠查錾生壁堡塑耋垂垂堑笪堑查琶垄 限： ( 2 ) 实际中往往出现没有包括在比值范围内的比值组合而无法判断： ( 3 ) 每一种故障对应一组比值，对多种哉障的联合作用，可能找不到相对应的 比值组合； ( 4 ) 有些情况下按三比