變壓器故障診斷的油色譜分析方法綜述論文

1、摘 要對變壓器故障診斷的油色譜分析方法進行了綜述，首先分析了變壓器的常見故障，給出了變壓器運行狀態(tài)的主要測試與檢測手段，然后著重介紹了一種變壓器故障的綜合檢測判斷方法油色譜分析法。其中重點討論了基于專家系統(tǒng)的故障診斷方法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡的故障分析方法。并進一步探討了基于油色譜分析進行變壓器故障診斷的前景以及需要解決的問題。本次課題使用VC軟件設計實現(xiàn)了通過三比值法實現(xiàn)變壓器的油色譜分析。實驗結果驗證了三比值方法的可行性。關鍵詞：變壓器；油色譜分析；故障診斷；神經(jīng)網(wǎng)絡；三比值法緒論變壓器是電力系統(tǒng)中的重要電氣設備之一，它一旦發(fā)生故障，將會帶來嚴重后果。油中溶解氣體分析是診斷油浸式大型電力變壓器潛伏

2、性故障的最有效的方法之一。采用故障特征氣體在線監(jiān)測手段可以克服傳統(tǒng)離線試驗周期長，從取樣、測結果，提供完整的趨勢信息，及時發(fā)現(xiàn)潛在故障，確定變壓器的維護周期，進行壽命預測，實現(xiàn)狀態(tài)檢修具有決定性性作用。1.1概述變壓器油中溶解氣體檢測包括單組分氣體（H2）、總可燃氣體（TCG）、多組分氣體以及對故障診斷有利的全組分氣體的監(jiān)測。目前采用的全組分在線監(jiān)測技術主要有在線色譜技術以及傅立葉紅外光譜技術。其中，在線色譜技術的發(fā)展相對較成熟，實用化程度較高。國外最早在20世紀80年代初由日本關西電力和三菱電機公司采用色譜分離技術研制出“變壓器油中氣體自動分析裝置”，并投入現(xiàn)場使用。我國從20世紀90年代初

3、開始研制在線色譜監(jiān)測裝置，經(jīng)過多年的探索與實踐，已逐步走向應用化階段。近年來，由于變壓器在線監(jiān)測技術的不斷進步和電力行業(yè)狀態(tài)檢修的迫切需要，各種變壓器油中氣體在線色譜監(jiān)測儀不斷涌現(xiàn),國內(nèi)關于這方面的報道很多。盡管其可檢測的氣體種類和體積分數(shù)范圍參差不齊、檢測方法也各有千秋，但其最佳檢測指標卻不斷提高并向?qū)嶒炇覛庀嗌V逼近。在線色譜監(jiān)測技術涉及方面廣，現(xiàn)場條件苛刻，近年來一直處于發(fā)展完善之中。電力變壓器是電力系統(tǒng)的樞紐設備，在碧娜電站中，主變壓器能否安全可靠運行，直接關系到電網(wǎng)的安全運行。要使祝變壓器安全運行，提高供電可靠率，除了應選用技術過硬、產(chǎn)品質(zhì)量過好的變壓器以外，關鍵要不斷提高主變壓器的

4、運行、維護、檢修水平。而故障診斷技術則為此提供了一種有效的手段。采用氣相色譜法分析判斷變壓器故障，是從運行中的變壓器中取油樣，對油樣中所溶解的氣體進行分離和分析，根據(jù)實驗結果來判斷變壓器的運行狀態(tài)和故障類別。在變壓器全部項預防性試驗項目中，首先把油中溶解氣體色譜分析放在了第一位。同時在規(guī)定判斷故障時可供選用的實驗項目中，也將油中氣體分析判斷異常作為首選。而且，在判斷故障的六項供選項目中，僅判斷絕緣受潮可不考慮油中溶解氣體的分析，其余君吧油中溶解氣體的分析列入檢查故障的實驗項目中。由此可見，油中溶解氣體色譜分析，在變壓器的安全運行和故障判斷中占有相當重要的地位。在變壓器故障的診斷檢測技術中，用油

5、中可燃性特征氣體的成分和含量來分析診斷變壓器內(nèi)部故障的方法，由于其靈敏有效，在供電生產(chǎn)實際中愈加受到關注和應用。特別是在變壓器運行過程中，采用該方法能夠發(fā)現(xiàn)其潛伏性的早期故障，可避免和減少變壓器損壞故障的發(fā)生，是目前所有電氣試驗項目無法替代的。這是由于有些故障不發(fā)展到一定的程度，其電氣特性就不會發(fā)生任何質(zhì)的變化，實驗項目的電氣量也就不能充分體現(xiàn)。但由于變壓器油中可燃性特征氣體的來源較為復雜，氣相色譜法也有一定的局限性，如很難判斷故障的準確部位和部件，甚至還會由于誤判而造成不必要的檢修。因此，氣相色譜分析法判斷故障，必須和電氣試驗項目有機結合，進行綜合分析判斷，才能準確地對故障做定性和定量的識別

6、。1.2常見變壓器故障分析1）導電回路過熱故障 主要有引線不良（包括將軍帽接線裝置過熱）、線圈導線接頭焊接質(zhì)量差以及虛焊、過負荷運行等都會引起導線回路局部過熱。 2）絕緣水平下降 主要有變壓器進水受潮（包括將軍帽密封不良進水）、變壓器油油質(zhì)差（如介損偏大、有微生物、含水量高等），變壓器內(nèi)部局部過熱也會造成絕緣損壞以及絕緣材料的熱解。變壓器所用的電氣材料包括絕緣材料、導體（金屬）材料兩大類。變壓器的絕緣材料主要是絕緣油和絕緣紙，故障下產(chǎn)生的氣體也主要來源于油和紙的熱分解。絕緣油是由烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴等碳氫化合物組成的混合物。絕緣紙的成分是纖維素，主要是由糖和多糖類單體構成的高分子碳水化合物。絕

7、緣油熱分解時，因分子鏈的斷裂反應產(chǎn)生低分子烴類氣體。絕緣油大約在300左右就開始熱分解，但如果延長加熱時間或存在某些催化劑時，則在120150也會產(chǎn)生熱分解。絕緣紙熱分解時，因分子鏈反應將產(chǎn)生二氧化碳、一氧化碳及少量低分子烴類氣體。絕緣紙的熱分解的溫度也是300左右，但如果長時間加熱，在120150也會分解而產(chǎn)生碳酸氣。其他絕緣物質(zhì)的熱分解物大體和絕緣油相似，但各有特點。金屬材料在絕緣物的熱分解過程中會起到熱分解作用，當有水分存在時，還會產(chǎn)生氫氣。3）產(chǎn)氣故障 常見的產(chǎn)氣故障有過熱和放電兩種類型。放電故障可分為局部放電和其他形式的放電故障來年各種類型。過熱故障的主要原因有：導體故障；磁路故障；

8、接點接觸不良。熱點溫度的高低、產(chǎn)氣組分的相對濃度特征有所不同，熱點與局部放電，電弧放電時的產(chǎn)氣組份濃度特征也不相同。4）調(diào)壓開關故障 調(diào)壓開關主觸頭沒有到位，調(diào)壓開關抽頭引線松動，調(diào)壓開關觸頭燒毛，調(diào)壓開關觸頭壓力不夠，還有有載調(diào)壓開關中的切換開關接觸不良， 切換開關觸頭燒毛，過度電阻斷線、調(diào)壓時滑檔等，另外還有滲油，即切換開關中油滲到本體中引起本體油色譜異常等。5）變壓器繞組變形 由于運輸過程中不注意或沒有采取安全措施使繞組發(fā)生位移。由于抗短路能力差，當發(fā)生出口短路時變壓器繞組變形或散架，嚴重時造成變壓器燒毀。6）變壓器滲油缺陷（包括冷卻器滲油）。7）電容套管故障 主要是進水受潮、油介損不好

9、或整體介損不好，制造質(zhì)量比較差內(nèi)部存在嚴重的局部放電（運行中油色譜異常），運行中因接地不良等造成套管絕緣不良或絕緣損壞等事故發(fā)生。 以上變壓器的常見故障有很多種測試和監(jiān)視手段，這些手段有的能夠測試出部分故障，有的可以綜合判斷運行狀態(tài)及故障點、故障原因。1.3變壓器運行狀態(tài)的主要測試與監(jiān)測手段1）直流電阻的測量、 直流電阻雖然是一個測試方法比較簡單的實驗，但它能夠比較直觀地確認繞組、引線、調(diào)壓開關等導電回路是否正常。它能發(fā)現(xiàn)繞組導線的焊接質(zhì)量，引線接頭是否擰緊接觸是否良好，調(diào)壓觸頭接觸是否良好等。2）油色譜分析 通過油色譜分析可以判斷變壓器內(nèi)部是否存在著過熱性故障（導電回路、鐵芯多點接地引起過熱

10、等）嚴重的局部放電、電弧放電故障等，這是一個綜合判斷變壓器運行狀態(tài)的重要手段之一。3）絕緣性能測試 通過絕緣電阻、吸收比、極化指數(shù)、介損、電容量（包括電容套管）、泄露測試等試驗可掌握變壓器的繞組絕緣水平和鐵芯對其絕緣。通過油介損、油簡化測試可反映絕緣介質(zhì)的好壞。4）遠紅外測溫 通過紅外線測溫可以隨時掌握各出線引線接觸是否良好。5）有載調(diào)壓開關特性測試 通過有載調(diào)壓開關切換時間、周期、切換的波形測量可以掌握變壓器的有載調(diào)壓開關性能是否良好。6）繞組變形測試和低電壓短路阻抗的測試 可以掌握變壓器出口短路后變壓器繞組是否發(fā)生變形和位移。 以上方法各有特點，其中油色譜分析師一種綜合的判斷方法。據(jù)統(tǒng)計，

11、我國電網(wǎng)中有50%以上的故障變壓器是通過該實驗結果檢出的。由于這一檢測技術能夠在無需停電的情況下進行，不受外界電場和磁場因素的影響，因此可以在線對變壓器內(nèi)部絕緣狀況進行診斷，有利于狀態(tài)維護的發(fā)展。油色譜分析可以在變壓器運行中隨時取樣分析，也可以采用在線絕緣的油色譜裝置（也是有源的）全面分析。這種方法從運行的角度看應該是一種比較理想的主要監(jiān)測分析方法。第二章 基于油色譜分析方法的變壓器故障診斷技術電力變壓器運行時，往往會存在一些潛在故障。而如何通過變壓器的外部數(shù)據(jù)來檢測并診斷其內(nèi)部故障將會在本章中介紹。2.1診斷依據(jù) 利用氣相色譜分析技術，檢測絕緣油中氣體含量以實現(xiàn)對電力變壓器潛在故障的監(jiān)測診斷

12、，在我國鐵路系統(tǒng)已得到廣泛應用，并已有多年的實際經(jīng)驗。其原理為：運用中的變壓器，正常情況下絕緣油在熱和電的作用下，會逐漸老化和分解，產(chǎn)生少量的低分子烴類及一氧化碳、二氧化碳和氫氣等氣體并多數(shù)溶解在油中，一旦變壓器產(chǎn)生過熱或放電故障時，就會加快這些氣體的產(chǎn)氣速率，隨著故障的發(fā)展，氣體的數(shù)量隨溫度的上而急劇增加。用一定方式脫出溶解在油中的混合氣體，采用色譜分離原理是混合物中各組分在兩相之間進行分配，其中一相是不動的，組成固定相，另一相則是推動混合物經(jīng)過固定相的流體，成為流動相。當流動相中所含有的混合物經(jīng)過固定相時，就會與固定相發(fā)生作用，根據(jù)不同組分在固定相中的滯留時間長短，以達到混合物中各組分的分

13、離，進而根據(jù)各組分的增長趨勢定量分析，已確定變壓器工作是否正常。因此，在變壓器運行過程中定期分析溶解于油中的氣體成分，能夠早期發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的潛在故障。2.2油中溶解氣體的產(chǎn)生 充油變壓器的絕緣材料主要是絕緣油、油浸紙，精煉后的新絕緣油中不含低分子烴類氣體，絕緣油由于電熱分解，會產(chǎn)生可燃和非可燃的各種氣體，一般多達20種左右，其中對判斷故障有價值的氣體有：甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳、氫氣等。變壓器新投入運行時，除能檢測出大量的氮和氧之外，還有少量的一般在幾十（含量110）的一氧化碳和幾百（含量110）的二氧化碳，有的還有少量的幾個或幾十個（含量110）的烴類氣體，但沒有乙炔。當

14、運行一段時間后由于變壓器中的絕緣材料、殘存水分與鋼材的反應而產(chǎn)生一氧化碳和氫氣逐步釋放于油中，當這種氣體達到一定極限含量之后，還會出現(xiàn)逐步下降的趨勢。在正常溫度運行下油和固體絕緣正常老化過程中，產(chǎn)生的氣體主要是一氧化碳、二氧化碳，在油紙絕緣中存在局部放電時，油裂解產(chǎn)生的氣體主要是氫和甲烷，在故障溫度略高于正常溫度時，油裂解的產(chǎn)物主要是甲烷，隨著溫度的升高，乙炔和乙烷的產(chǎn)生逐步變成主要特征，在溫度高于1000時，或產(chǎn)生電?。?000以上）的作用下，油分解產(chǎn)物中含有較多的乙炔，如果故障涉及到固體絕緣材料時，會產(chǎn)生較多的一氧化碳和二氧化碳。 這里需要說明的是，有時內(nèi)部變壓器并不存在故障，但由于某種原

15、因可能造成油中溶解氣體的升高，造成的原因有的是前次故障排除后油中故障氣體沒有完全除凈，也有的是油箱曾做過帶油補焊，致使油中融入氣體以及其它等原因，這就要使分析研究人員對該變壓器的運用維修狀態(tài)有一個全面的掌握，不至于錯判而造成損失。2.3色譜分析方法研究的重要性進行變壓器油中氣體分析需要解決一下四個問題。油中氣體的分離。在這項工作的研究初期，國內(nèi)外的有關技術人員大多采用真空法。到20世紀末，國內(nèi)大多數(shù)單位都改為采用振蕩脫氣法。從理論上來說，真空脫氣法影噶是最好的油中氣體分離方法，但是在實際操作中卻遇到一個難題，那就是如何確定和檢測脫氣系統(tǒng)的實際真空度、系統(tǒng)漏氣的程度，以及如何及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在漏氣

16、的程度。如果這些問題不能解決，就很難保證分析結果的可靠性。色譜分析方法的研究。即如何將油中混合氣體中的乙炔、乙烯、甲烷、氫氣、乙烷、一氧化碳和二氧化碳等七種氣體分開。這是油中氣體分析的最關鍵、最核心的問題。色譜分析譜圖的自動處理和色譜數(shù)據(jù)和圖譜的保存管理。如何利用油中氣體色譜分析結果，需回答以下問題：變壓器運行狀態(tài)是否正常？如果不正常，那么存在什么種類故障？故障程度怎樣？故障部位大致在哪里？故障發(fā)展趨勢怎樣？故障危險性評估。如何處理？2.4三比值方法“三比值法”是檢測變壓器運行狀態(tài)的重要方法。充油的電力設備（如變壓器、電抗器、電流互感器、充油套管和充油電纜等）的絕緣主要是由礦物質(zhì)油和浸在油中的

17、有機絕緣材料（如電纜紙、絕緣紙板等）所組成。其中礦物絕緣油幾變壓器油，是石油的一種分餾產(chǎn)物，其主要成分是烷烴、環(huán)烷族飽和烴、芳香族不飽和烴等化合物。有機絕緣材料主要是由纖維素構成。在正常運行狀態(tài)下，由于油和固體絕緣會逐漸老化、變質(zhì)，會分解除少量的氣體（主要有氫、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳和二氧化碳等七種氣體）。當電力設備內(nèi)部發(fā)生過熱性故障、放電性故障或受潮情況時，這些氣體的產(chǎn)量會迅速增加。 三比值法就是選用以上5種特征氣體（氫、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔）構成三對比值，在相同的情況下把這些比值以不同的編碼表示，根據(jù)測試結果把三對比值換算成對應的編碼組，然后查表對應得出故障類型和故障的大體部位

18、的方法。 變壓器運行時出現(xiàn)內(nèi)部故障原因往往不是單一的，一般存在熱點的同時還有局部放電，而且故障是在不斷發(fā)展和轉(zhuǎn)化的。在判斷設備有無故障及其嚴重程度時，要根據(jù)設備運行的歷史記錄和設備特點以及外部環(huán)境等因素進行綜合判斷。故障產(chǎn)氣與正常產(chǎn)氣在技術上是不可分離的。經(jīng)驗表明，當懷疑設備固體材料老化時，一般CO2 /CO大于7；當懷疑故障涉及到固體材料時，CO2 /CO可能小于3；當懷疑絕緣紙或紙板過度老化時，應適當測試油中糠醛含量，或測試紙樣聚合度。在線檢測可隨時檢測油中溶解氣體含量，對保證主網(wǎng)安全運行有重大意義。但在線監(jiān)測儀器出現(xiàn)警報時，必須由實驗室色譜儀分析其組分和質(zhì)量分數(shù)，再做進一步判斷。有載調(diào)壓

19、操作產(chǎn)生氣體與低能量放電相符，當主油箱C2H2/H2大于23時，可能是有載調(diào)壓污染主油箱，可利用比較主油箱、有載調(diào)壓郵箱和儲油罐油中溶解氣體來確定，或通過油柱靜壓調(diào)實驗法和氣體試漏法來檢漏。對變壓器故障部位的準確判斷，有賴于對其內(nèi)部結構和運行狀態(tài)的全面掌握，并結合歷年色譜數(shù)據(jù)和其他試驗（直阻、絕緣、變比、泄露、空載等）進行比較，色譜分析與判斷的技術應借鑒新方法結合使用。三比值法基于測量的準確度，是一種比較簡便易行的判斷方法。日本電氣協(xié)同研究會提出的電協(xié)研發(fā)和湖北電力研究所提出的改良電協(xié)研發(fā)都是對它的補充。2.5基于專家系統(tǒng)的故障診斷方法 人工智能的出現(xiàn)為變壓器故障診斷提供了良好的新途徑。判斷故

20、障類型、故障點、故障狀況需要大量的經(jīng)驗，而專家系統(tǒng)正好適合解決這類問題。該領域最早使用的專家系統(tǒng)是Riese的TOGA系統(tǒng)。國內(nèi)也有根據(jù)油色譜分析和電氣試驗作為主要監(jiān)測數(shù)據(jù)來源的一套電力變壓器故障診斷專家系統(tǒng)。這方面還有采用正反混合推理的研究及應用系統(tǒng)實例。但是，專家系統(tǒng)所采用的判斷規(guī)則和專家?guī)熘薪?jīng)驗的準確度卻成為專家系統(tǒng)的“瓶頸”。即專家?guī)煨枰粩嗟匦拚蛿U充。許文等將模糊數(shù)學理論和專家系統(tǒng)相結合，形成模糊推理知識庫，應用于變壓器故障診斷。2.6基于神經(jīng)網(wǎng)絡的故障診斷方法 神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)具有自組織、自學習的能力，它不包含具體的診斷規(guī)則，而是將診斷規(guī)則隱含于權值矩陣中，通過對故障矩陣樣本的自學習

21、來自動修正和擴充對故障的判斷能力。目前，變壓器故障診斷中使用最多的是BP神經(jīng)網(wǎng)絡。Zhang等人為具有單隱層的神經(jīng)網(wǎng)絡分類效果最優(yōu)，它具有最小運算量，同時完全滿足故障現(xiàn)象和故障原因之間的非線性映射。但是BP神經(jīng)網(wǎng)絡容易收斂到局部最優(yōu)解，為了解決這個問題，已提出了幾種結合其他方法的學習算法。其中有結合遺傳算法的多層前饋網(wǎng)絡，其進行網(wǎng)絡訓練的初始權值是全解空間中的最優(yōu)解。而另一種在學習算法中加入隨機擾動的方法也是取得了較好的效果。國內(nèi)也有研究實例，應鴻等就利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡建立了油色譜分析故障診斷的模型，對比了用不同激勵函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡的收斂性。并采用基于局部特征量的神經(jīng)網(wǎng)絡方法建立了相應的壓縮模型，用以診斷傳統(tǒng)的三比值法無法診斷的故障。王財勝提出了以七種氣體含量所占的相對百分比和四比值為輸入矢量的兩種輸入方法。錢政等將范例推理引入到電力變壓器的故障診斷，修改BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，得出范例檢索算法，還在決策樹的基礎上，建立組合神經(jīng)網(wǎng)絡模型，提出一種基于多元統(tǒng)計分析的訓練樣本及輸入矢量選擇方法。Li等提出一種用于信號分類識別的小波神經(jīng)網(wǎng)絡，其網(wǎng)絡權值由小波函數(shù)集充當。在學習過程