（电气工程专业论文）内江电业局变压器绝缘故障模糊聚类诊断技术及应用研究.pdf

重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 a b s r a c t t r a n s f o r m e ri so n eo ft h ep i v o te q u i p m e n to fp o w e rs y s t e m ，i t sr e l i a b i l i t y o fo p e r a t i o nh a sad i r e c ti n f l u e n c eo nt h es a f e l yf u n c t i o no ft h ew h o l e p o w e r s y s t e m i no r d e rt oe n s u r et h es t a b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e m ，w em u s te n h a n c e t h em o n i t o ra n dd i a g n o s i st o w a r d st r a n s f o r m e r o nt h eb a s eo fi n v e s t i g a t i o n t h es t a t u so ft h eo n l i n e m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y o fg a s e sd i s s o l v e di n t r a n s f o r m e ro i la th o m ea n da b r o a d ，a n da n a l y s iso ft h ee l e m e n t st h a tc a n a f f e c tt h eg e n e r a l l ye x p e r i m e n t a lr e s u l t so fd i s s o l v e dg a s e sa n dt h ed i a g n o s e s t e c h n o l o g y t h ec o n c l u s i o nt h a td i s s o l v e dg a s e si ng a sc o m p o s i t i o na n d c o n t e n to ft r a n s f o r m e rc o u l de m b o d yt h ei n s i d eo ft h et r a n s f o r m e r ss i t u a t i o n a b o u t t h ei n s u l a t i o nf a u l te f f e c t i v e l yi sc o n c l u d e d i nt h er e s e a r c ho fp o w e re q u i p m e n tf a u l td i a g n o s i sb a s e dd i s s o l v e dg a s e s i nt r a n s f o r m e ro i l ，t h ef a u l tt y p ei n c r e a s ec l e a r l yw i t ht h ef a u l td e v e l o p m e n t t r a d i t i o n a lw a yi si n a b i l i t yt of a u l t sd i a g n o s eo fe l e c t r i c a le q u i p m e n ts u c ha s t r a n s f o r m e rt h a tt h ef a u l tr e a s o n ，p h e n o m e n o na n dp r i n c i p l ea r ei n d e t e r m i n a c y e t c t h i sp a p e rt a k e st h ed i s s o l v e dg a s e si ng a sa st h ec h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t y ， a c c o r d i n gt ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o m p o n e n to ft h ed i s s o l v e dg a s e si n o i la n dt h ec a t e g o r yo ft r a n s f o r m e r sf a u l t ，m a k e su s eo ft h et h o u g h t so ff u z z y m a t h e m a t i c s ，r a i s eaf u z z yc l u s t e r i n gt h e o r yw h i c ht a k e st h ed i s s o l v e dg a s e s i ng a sa st h ec h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t y ，u s et od i a g n o s et h ei n s i d ei n s u la t i o nf a u l t o ft r a n s f o r m e r t h r o u g hi n s t a n c ea n a l y s i s o ff u z z yc l u s t e r i n g d i a g n o s e w h i c ht h e c h a r a c t e s t i c si sd i s s o l v e dg a s e sa n a l y s i sa n di t s p r a c t i c a la p p l i c a t i o n a n a l y s i s o nt r a n s f o r m e r so fn e i j i a n gp o w e rs t a t i o n ，t h ed i a g n o s er e s u l to f t r a n s f o r m e rf a u l tu s i n gf u z z yc l u s t e r i n gt h e o r ya n dt h er e s u l to fh a n g i n gc o r e c h e c ka l m o s tc o r r e s p o n d e n c em a t c h ，d i a g n o s er e s u l th a sb e t t e ra c c u r a c y t h r o u g ht h ec a s es t u d yd u r i n gt h eo p e r a t i o no ns p o t ，i tp r o v e dt h ee f f e c t i v eo f t h j sm e t h o d ： k e y w a r d s ：f a u l td i a g n o s i so i ld i s s o l v e dg a s e s ，f u z z yc l u s t e r i n g ，a p p l i c a t i o n a n a l y s i s 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 内江电业局实施变压器绝缘故障诊断新技术的现状及意义 随着近年来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电 网，西电东送、南北互供、全国联网的格局正在形成，电力系统的安全运行就显得 越发重要。而电气设备是组成电力系统的基本元件，是保证供电可靠性的基础，无 论是大型关键设备如发电机、变压器，还是小型设备如电力电容器、绝缘子等，一 旦发生失效必将引起局部以致全部地区的停电。而绝缘通常是电气设备中的薄弱环 节，无论什么原因，一旦设备绝缘受到损害，在设备的运行过程中就很容易发生绝 缘击穿。据统计，电力系统事故中，很大一部分就是由于设备绝缘的破坏而引起的 ”j 。大量资料表明导致设备失效的主要原因是其绝缘性能的劣化。 可见，电气设备的多数故障是绝缘性故障。设备特别是大型设备故障造成的经 济损失往往巨大，有些非大型设备虽自身价值并不昂贵，但故障后果严重，例如以 往互感器、电容器、避雷器常因绝缘故障发生爆炸和起火，不仅会波及邻近设备， 且由于故障的突发性会因爆炸而造成人员的伤亡。而主变压器是变电站里最重要和 最昂贵的电气设备，通常设有避雷器、过流、接地、瓦斯、差动等多重保护。但又 因变压器绝缘结构复杂，电场及热场的不均匀分布等原因，事故率仍然相当高。有 鉴于此，电力运行部门历来就十分重视对电气设备尤其是变压器的绝缘监督。 内江电业局目前拥有2 2 0 k v 变电站4 座，主变4 台，容量4 8 0 m v a ：1 1 0 k v 变 龟站1 6 座，主变2 4 台，容量8 4 9 5 m v a ；3 5 k v 变电站3 4 座，主变5 6 台，容量 2 5 8 3 5 m v a 。多年来我局对电气设备进行绝缘监督的主要手段一直是进行定期的绝缘 预防性试验，即根据原电力部所颁发的电气设备预防性试验规程i z 坟j 不同设备所 规定的项目和相应的试验周期，定期在停电状态下进行绝缘性能的检查性试验。预防 性试验一般在每年雷雨季前春检时进行，根据预试的结果和上述规程上的标准进行比 较，若有超标，即要安排停电和维修计划对设备进行检修，即进行“预防性维修”。此 外，还要根据原电力部颁发的设备相应的运行规程规定的期限和项目，对设备进行定 期检修。以变压器为例，变电站的主变压器在投入运行后的第5 年内和以后每隔5 1 0 年大修1 次：在此范围内按试验结果确定检修时间。故即使预试不超标，到了期 限也要进行大修( 吊芯检修) ，故预防性维修是一种计划性维修方式。这种从预试到 维修可统称为“预防性维修”体系，在我国己沿用了4 0 多年，我局也长期采用这种方 式，这种计划性维修方式确实在防止设备事故的发生、保证安全可靠地供电方面起着 很好的作用。但长期的工作经验也表明这样一个维修体系有它的局限性； 从经济角度，定期试验和大修均需停电，不仅要损失电量，而且增加了工 重庆，撑工程硕士学位论文 l 绪论 作安排的难度。加以定期大修和更换部件也需投资，而这种投资是否必要尚不好 肯定e 因为设备的实际状态可能完全不必作任何维修而仍能继续长时运行，若维 修水平不高，反而可能使设备越修越坏，从而产生新的经济损失。 从技术角度分析。离线的定期预防性试验有两方面的局限性。 1 ) 试验条件不同于设备运行条件，多数项目是在低电压下进行检查。例如介 质损耗正切t 9 6 是在1 0 千伏下测试的，而设备的运行电压特别是超高压设备远比 1 0 千伏要高。另外运行时还有诸如热应力等其它因素的影响无法在离线试验时再 现。这样就很可能发现不了绝缘缺陷和潜在的放障。 2 ) 绝缘的劣化、缺陷的发展虽然具有统计性，发展速度有快有慢，但总是有 定的潜伏和发展时间，在此期间会发出反映绝缘状态变化的各种信息。而预试 是定期进行的，常不能及时准确地发现故障。从而出现： 弘漏报，印预试通过后仍有可能发生故障，甚至严重事故。 b 、误报或早报，例如预试结果虽超标，但若故障不进一步发展，可不必马上 停电检修而仍可继续运行，只需加强监视即可。若按预试结果作出诊断，就会损 失停电检修的费用。 我局针对预防性检修存在的问题，近几年来提出了设备状态检修的策略，根 据设备的实际状态进行检修安排，而不再进行定期检修，但设备的实际状态的确 定仅基于平常的运行监视和预防性试验的结果，由上可知，离线的定期预防性试 验有其局限性，不能保证设备状态检修的实施，由此，实施实时或定时的在线监 测来诊断设备的运行状态成为我局的迫切需要。 近年来国内外相继都在研究以在线监测为基础的预知性维护策略，以便实时 或定时在线监测与诊断潜伏性故障或缺陷。对变电站的主设备变压器的在线监测 和诊断显得尤其重要，变压器在发生突发性事故之前，绝缘的劣化及潜伏性故障 在运行电压下将产生光、电、声、热、化学变化等一系列效应及信息。对于大型 电力变压器，目前几乎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( 纸和纸板等) 在运行电压下因电、热、氧化和局部电弧等多种因素作用会逐 渐变质，裂解成低分子气体；变压器内部存在的潜伏性过热或放电故障又会加快 产气的速率。随着故障的缓慢发展，裂解出来的气体形成气泡在油中经过对流、 扩散作用，就会不断地溶解在油中。同一类性质的故障，其产生的气体量随故障 的严重程度而异，而与绝缘油的种类和牌号无关。由此可见，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，可以作为反映电气 设备电气异常的特征量口“。 当然，凡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。但不能及时发现设备内部的绝缘隐患，停电检修后的设备在运行中时有 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 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，使加强追 踪监测尚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；并且预簖性维修的检修费用高，停电试验还要造成巨大的经济损失。随着 电网向高度自动化方向发展和国计民生对供电可靠性的要求越来越高，迫切需要对 现行的设备维修体系进行变革，以在线监测及故障诊断技术为基础的状态维修体系 逐渐取代预防性维修体系或用来追踪监视故障的发展趋势已成为必然， 从预防性维修制形成以来电力运行部门通过对运行中的变压器定期分析其溶 解于油中的气体组分、含量及产气速率，总结出了能够及早发现变压器内部存在潜 伏性故障、判断其是否会危及安全运行的方法即a 包谱分析法。众所周知，局部放 电韵在线监测方法因受现场电磁场干扰的豳扰，放电的检测、放电源的确定等目前 都尚未解决；油色谱分析法是将变压器油取回到实验中用色谱仪进行分析，不仅不 受现场复杂电磁场的干扰，而且可以发现油设备中一些用t 9 6 和局部放电法所不能发 现的局部性过热等缺陷【6 】。因此，运行部门普遍认为用色谱法分析变压器故障是一 种重要的有实际意义的方法，其有效率可达8 5 以上，并得到了广泛的使用【6 j 。 虽然油色谱分析法比局部放电法等判峨故障的可靠性高，但常规的油色谱分析 法存在一系列不足之处：不仅脱气中可能存在较大的误差，而且检测曲线的人工 修正也会加大误差；从取油样到实验室分析，作业程序复杂，花费的时间和费用 较高，在技术经济上不能适应电力系统发展的需要；检测周期长，不能及时发现 潜伏性故障和有效的跟踪发展趋势：因受其设备费用和技术力量的限制，不可能 每个电站都配备常规油色谱分析仪，运行人员无法随时掌握和监视本站变压器的 运行状况，从而会加大事故率。由于上述原因，不能充分发挥油色谱分析法的有 效性和优点，因此，变压器油中溶解气体色谱分析的在线监测就成为运行部门极 为关注的研究课题。 对于变压器油中溶解气体色谱分析的在线监测方法，虽然仍以油中溶解气体为 反映故障的特征量，但它是直接在变压器现场实现油色谱的定时在线智能化监测 与故障诊断。这样，不仅可以及时掌握变压器的运行状况，发现和跟踪存在的潜 伏性故障，并且可以及对根据专家系统对故障自动进行诊断，以便运行人员迅速 作出处理；同时，可以降低常规油色谱分析法的误差。提高故障诊断的可靠性： 可以在主控室对变电站每台主变的油色谱分机进行巡回在线监测；根据需要，还 可以实现反映变压器电气异常的多特征量( 色谱、局放、介损等) 的在线智能化 监测和对故障综合评判诊断，以及与变电站其它在线监铡与诊断装置联机，实现 整个变电站运行工况的在线智能化监测与诊断：除此以外，从变压器运行可靠性 的重要性和变压器与油色谱在线监测装置的价格比来看，采用在线监测装置在技 术经济上都有显著的优势，既提高了变电站运行的管理水平，y p - i n 从预防性维 重庆大学工程硕士学位论文 i 绪论 修体系过渡到预知性维修体系奠定基础。因此，变压器油中溶解气体在线监测及 故障诊断技术的研究具有重要的现实意义和实用价值。 1 t 2 变压器绝缘故障诊断新技术的国内外研究现状及发展趋势 近几年来，电力行业积极应用在线监测技术，开展状态维修，加强设备的常规 测试及综合分析、及时消除了一些设备的绝缘隐患，提高电力系统电气设备运行的 可靠性，使全国电网2 0 0 1 年的供电可靠率有了明显的提高，但与发达国家的供电可 靠率相比仍有很大差距。电气设备故障一直是危及电网安全运行的主要因素，如 2 0 0 1 年国家电网的变压器共发生非计划停运达2 1 6 次，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。按1 9 9 9 年电力工业统计摘要，除地方电网和工矿企业的变电站之外，仅 国家电网3 5 k v 以上的变电站就达2 1 1 6 7 余座，主变压器达3 7 1 0 8 余台，而且近两 年来国家电网新建变电站和新投运的主变压器增长率远高于1 9 9 9 年。因此，电力变 压器可靠运行是提高电网供电可靠率的关键。 变压器在长期运行过程中，由于受到制造水平、电压、温度、湿度、污染、电 动力、发热等多种因素的作用，不可避免地会出现绝缘劣化及潜伏性故障或缺陷， 在发生事故之前它们在运行电压下将产生光、电、声、热、化学变化等系列效应 及信息，变压器油与油中的固体有机绝缘材料在运行电压下因电、热、氧化和局部 电弧等多种因素作用会逐渐变质，裂解成低分子气体；变压器内部存在的潜伏性过 热或放电故障会加快产气速率，随着故障的缓慢发展，裂解出来的气体形成气泡在 油中经过对流、扩散作用，就会不断地溶解在油中。同一性质的故障，其产生的气 体量随故障的严重程度而异而与绝缘油的种类和牌号无关，由此可见，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，可以作为反映 电气设备电气异常的特征量。 目前对变压暑故障进行诊断的方法主要有：国际电工委员会( 】e c ) 和我国国标推荐 采用的三比值法，改良电协研法，基于神经网络的故障诊断方 去j 9 1 t 1 0 1 “】 1 2 】，基于模糊理 论的故障诊断方法f 1 3 l 【5 1 ，基于专家系统的故障诊断方法f 8 1 【2 0 l 。 三比值法( i e c ) 法，用油中溶解气体色谱法测得油中气体浓度后，用c 2 h 2 c 2 h 4 、 c h d h 2 、c 2 h o , c 2 h 6 三个比值来判断故障的性质，其准确率约8 0 ，它是目前i e c 和国标的推荐方法。 改良电协研法：对三比值法作某些改进后推出的新三比值法，其准确率据统计 约为9 7 1 ，很多单位为确诊故障也采用此法1 2 l 盈j 。 氢气主导型故障的相关分析法：通过对油中溶解气体的动态观察，依据- 2 、c h 4 、 和c o 的相关分析来判断充油电力设备以氢气为主导型故障的具体原因1 。 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 模糊诊断法：以传统三比值编码的特征函数为原型结合常用的模糊分布确定隶属度 函数的方法，对比值编码组合进行模糊化处理，从而提高编码及编码组合的准确度。 由前述可见，常规的油色谱分析法与在线监测分析法都是分析油中溶解气体的 组分及浓度，本质上都与变压器的运行状态有关。因此，其故障诊断的方法应用同 标准，但在线监测的数字信号传输、处理等是在现场进行，必须采取良好的防干 扰措旌，才可能使在线监测的诊断结果与离线诊断结果具有可比性。 虽然各国对油色谱分析的故障诊断方法有所不同，但基本上都以国际电工委员 会( i e c ) 的三比值法为基础( 表1 1 ) 。我国的“变压器油中溶解气体分析和判断导 则 s d l 8 7 8 6 与i e c 标准也基本一致，导则中列出了不同故障类型所产生的气( 表 1 2 ) 和油中的溶解气体的应注意值( 表1 3 ) 。 表i - 1 - - l l 值法( i e c ) 的编码规则 特征气体 比值范围编码 的比值 g c h 4 c 2 乩 说明 c 一。h 2 岛也 ( o 10 1 o 例如：c , h ：= l 3 时编码为1 ；曼生= 1 3 时， 0 1 1lo0 clhhl l 312】 编码为2 ；垦丝= 1 3 时，编码为1 。 3 2 2 2 g 风 故障性质的判断 比值范围编码 序 故障性质 c ：以c h 4 g 风 典型例子 号 c l h4 g 纸 含气的空腔中的放电，这种空腔是不完全浸 o无故障000 渍，气体过饱和，空隙作用或高温度的原闲 造成的。 同上，但已导致同体绝缘的放电痕迹或穿 l低能每密度的局部放电o】0 孔。 不同电位的不良连接点间或对悬浮电位体 2 高能量密度的局部放电 l1 o 的连续火花放电，固体材料之间油的击穿。 有工频续流的放电，线圈之间线 饼、线匝之间或线圈对地间油的 3低能量的放电1 2 o 1 2 电弧击穿，有载分接开关的选择 开关的切断电流。 4高能量放电 10 2通常是包有绝缘的导体过热。 5低于1 5 0 c 的热故障o0l 由于磁通集中引起的铁芯局部过 1 5 0 c 3 0 0 c 低温范围 6 o2o 热，热点温度依。f 述情况为顺序而增加：从 的过热故障 铁芯中的小热点，铁芯短路，由于涡流引起 3 0 0 c 7 0 0 c 中等温度 的铜过热702l 范围的热故障 接头或接触不照( 形成焦炭) 铁芯和外壳 高于7 0 0 c 高温范围的热 的环流。 8o22 故障 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 表l 一2 不同故障类型所产生的气体 t a b l e l - 2g a s e sp r o d u c e db yd e f f e r c n tf a u l tt y p e s 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 4 1 t 2 、c 2 风 油和纸过热 c h 4 、c s h 4 、c o 、c 0 21 4 , 、c 2 t t 6 油纸中局放 胁、c h 4 、c s l t 2 、c 0 c j 成、c o s 油中火花放电 c 2 h s 、h 2 油中龟弧 g 胁、h s c h 4 、c s l 4 4 、c 2 风 油纸中电弧 q t - 1 2 、i - l s 、c o 、c o s c h 4 、c 2 1 1 4 、c s 玩 受潮或油有气泡 2 表l 一3 油中溶解气体的应注意值 t a b l e l - 3t h en o t i c e dv a l u eo f o i ld i s s o l v e dg a s e s 设备 气体组分 含量( p p m ) 变压器 总烃1 5 0 乙炔5 和电抗器 氢 】5 0 总烃1 0 0 互感器乙炔3 氢1 5 0 甲烷 1 0 0 套管乙炔5 氢5 0 0 总烃产生速率的注意值 油保护方式总烃绝对产气速率( 毫升d , 时)总烃相对产气速率 开放式 0 2 5l o 隔膜式 0 5 三比值法判断故障的正确率虽然可达8 0 左右，但推荐的故障性质比值范围编 码不多，实际工作中又往往查不到比值范围而无法判断：日本在i e c 法的基础上先 后提出了“电协研法”和“改良电协研法”，其“改良电协研法”( 表1 4 ) 的判断正确率 可达9 7 。现有国外的几种方法对故障的判断正确率如表1 5 所示。 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 表1 4 改良电协研法 t a b l e l - 4i m p r o v e dm e t h o d 比值范围的编码 气体的比值范围 c 2 吼c 2 地c h 4 1 1 2c 2 t t 4 c 2 h 6 1 0 0 a t l l ，c l - h 占总烃中的主要成分 4 火花放电 总烃不高c 2 h 2 1 0 础，心较高 5电弧放电 总烃高c 2h 2 高并构成总烃中的主要成分，h 2 含量高 从表2 2 所统计的结果可知：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 h 2 的含量差异很大；同时还要注意，低能量的局部放电 并不产生c 2 h 2 ，或仅仅产生很少量的c 2 h 2 。因此，c 2 h 2 既是故障点周围绝缘油分 解的特征气体，而c 2 h 2 的含量又是区分过热和放电两种故障性质的主要指标。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1 0 0 0 。c 以上时会有较多的c 2 h 2 出现， 但1 0 0 0 ( 2 以上的高温既可以由能量较大的放电引起，也可以由导体过热而引起；又 如分接开关出现热故障时也出现有