（高电压与绝缘技术专业论文）基于油中溶解气体的电抗器状态预测与故障诊断研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 电抗器是超、特高压系统中关键的电气设备之一，其运行可靠性直接影响电力 系统的安全运行。因此，本文主要研究采用油色谱分析技术( d g a ) ，利用油中溶解 气体含量历史数据预测电抗器的未来运行状况，并对其进行故障诊断。 本文在研究传统灰色预测g m ( 1 ，1 ) 模型的基础上，将无偏灰色预测g m ( 1 ，1 ) 模 型引入到电抗器的状态预测中来，并通过实例验证了无偏灰色预测模型的有效性。 本文运用了一种基于可拓理论、物元模型的神经网络电抗器故障诊断方法。该方法 基于融合互补的思想，将可拓理论、物元模型和神经网络理论有机结合起来，克服 了神经网络中学习功能不完善等缺陷。通过将可拓神经网络诊断结果与传统三比值 法诊断结果的对比，验证了该诊断方法的准确性和有效性。 关键词：电抗器，状态预测，无偏灰色预测模型，故障诊断，可拓神经网络 a b s t r a c t v ，o l t a g er e a c t o ri so n eo ft h ek e ye q u i p m e n tt oe h v a n du h v s y s t e m ，i ti so p e 姐t i o n r c l i a b i l i t yd i r e c t l yi m p a c t so nt h es a f co p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m s t h e r e f o r e ，t h i sp a p e r c h r o m a t o g r 印h yu s i n go i la n a l y s i sd g a ，t h eu s eo fd i s s o l v e dg a sc o n t e n to fh i s t o r i c a l d a t ap r e d i c tt h e6 l t t l r eo ft h er e a c t o ro p e r a i t i o n ，a n df b l u l td i a g n o s i s t h er e s e 盯c hi nt h i sp a p e r t h et r a d i t i o n a lg r e yf o r e c a s t i n gm o d e lo nt h eb a s i so ft h e u n b i a s e dg r e yf o r e c a s t i n gm o d e li n t r o d u c e dt ot h er e a c t o r sc o n d i t i o nt o f o r e c a s t ， t h r o u g hm ee x 锄p l eo fu n b i a s e d 铲e yf o r e c a s t i n gm o d e lo fv a l i d i t y t h eu s eo ft h i s 砒i c l eb a s e do ne x t e n s i o nt h c 0 m a t t e r - e l e m e n tm o d e lo ft h en e u r a ln e t w o r kr e a c t o r f 撕l td i a g n o s i sm e t h o d 1 l l em e t h o di sb a s e do nt h ei n t e 伊a t i o no fc o m p l e m e n t a 哆 t h r o u g l l ，t h ee x t e n s i o nt h e o 巧o fm a t t e 卜e l e m e n tm o d e l a n dn e u m ln e t w o r kt h e o r y c o m b i n et oo v e r c o m ean e u r a ln e t w o r kt ol e 锄s h e l t e r s ，锄do t h c rd e f e c t s t h r o u 曲 c o m p a r i n gt h ee x t e n s i o nn e u r a ln e t w o r kw i t hm et r a d i t i o n a lt l l r e e r a t i om e t h o dd i a g n o s i s r e s u l t s ，t h ea c c u r a c yo fd i a g n o s t i cm e m o d sa i l dt h ee f f e c t i v e n e s so fm u l t i p l ef a u l t d i a 班o s i sw 舔v 甜f i e d z h a o a o n a ( h i g l lv 0 l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c l l i l o l o g y ) d i r c c t e db yp r o l vf 姐g c h e n g k e yw o r d s ： r e a c t o r c o n d i t i o nf o r e c a s t u n b i a s e dg r e yf o r e c a s t i n g f a u l t d i a g n o s i s ，e x t e n s i o nn e u r a in e t w o r k 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 电抗器是超、特高压系统中关键的电气设备之一，其运行可靠性直接影响电力 系统的安全运行。因此，本文主要研究采用油色谱分析技术( d g a ) ，利用油中溶解 气体含量历史数据预测电抗器的未来运行状况，并对其进行故障诊断。 本文在研究传统灰色预测g m ( 1 ，1 ) 模型的基础上，将无偏灰色预测g m ( 1 ，1 ) 模 型引入到电抗器的状态预测中来，并通过实例验证了无偏灰色预测模型的有效性。 本文运用了一种基于可拓理论、物元模型的神经网络电抗器故障诊断方法。该方法 基于融合互补的思想，将可拓理论、物元模型和神经网络理论有机结合起来，克服 了神经网络中学习功能不完善等缺陷。通过将可拓神经网络诊断结果与传统三比值 法诊断结果的对比，验证了该诊断方法的准确性和有效性。 关键词：电抗器，状态预测，无偏灰色预测模型，故障诊断，可拓神经网络 a b s t r a c t v ，o l t a g er e a c t o ri so n eo ft h ek e ye q u i p m e n tt oe h va n du h vs y s t e m ，i ti so p e 姐t i o n r c l i a b i l i t yd i r e c t l yi m p a c t so nt h es a f co p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m s t h e r e f o r e ，t h i sp a p e r c h r o m a t o g r 印h yu s i n go i la n a l y s i sd g a ，t h eu s eo fd i s s o l v e dg a sc o n t e n to fh i s t o r i c a l d a t ap r e d i c tt h e6 l t t l r eo ft h er e a c t o ro p e r a t i o n ，a n df b l u l td i a g n o s i s t h er e s e 盯c hi nt h i sp a p e r t h et r a d i t i o n a lg r e yf o r e c a s t i n gm o d e lo nt h eb a s i so ft h e u n b i a s e dg r e y f o r e c a s t i n gm o d e li n t r o d u c e d t ot h er e a c t o r sc o n d i t i o nt o f o r e c a s t ， t h r o u g hm ee x a n l p l eo fu n b i a s e d 铲e yf o r e c a s t i n gm o d e lo fv a l i d i t y t h eu s eo ft h i s 砒i c l eb a s e do ne x t e n s i o nt h c 0 m a t t e r - e l e m e n tm o d e lo ft h en e u r a ln e t w o r kr e a c t o r f a u l td i a g n o s i sm e t h o d t h em e t h o di sb a s e do nt h ei n t e 伊a t i o no fc o m p l e m e n t a 秽 t h r o u g l l ，t h ee x t e n s i o nt h e o 巧o fm a t t e 卜e l e m e n tm o d e la n dn e u m ln e t w o r kt h e o r y c o m b i n et oo v e r c o m ean e u r a ln e t w o r kt ol e 锄s h e l t e r s ，锄do t h c rd e f e c t s t h r o u 曲 c o m p a r i n gt h ee x t e n s i o nn e u r a ln e t w o r kw i t hm et r a d i t i o n a lt l l r e e r a t i om e t h o dd i a g n o s i s r e s u l t s ，t h ea c c u r a c yo fd i a g n o s t i cm e m o d sa i l dt h ee f f e c t i v e n e s so fm u l t i p l ef a u l t d i a 班o s i sw 舔v 嘶f i e d z h a o a o n a ( h i g l lv 0 l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c l l i l o l o g y ) d i r c c t e db yp r o l vf 姐g c h e n g k e yw o r d s ： r e a c t o r c o n d i t i o nf o r e c a s t u n b i a s e d g r e yf o r e c a s t i n g f a u l t d i a g n o s i s ，e x t e n s i o nn e u r a in e t w o r k 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于油中溶解气体的电抗器状态 预测与故障诊断研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下 进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电 力大学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：j 黛蜱日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：建g 邀缉 日期：经呈应墨f 导师签名： 日 期： 华北电力入学硕十学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 随着我国电力工业和国民经济的迅速发展，电力系统正向超高压、大电网、大 容量、自动化方向发展，特别是最近几年，我国无论是装机容量还是年发电量都己 进入世界前列。但是，电力是全球人类消费的最主要的终端能源，据国外权威机构 预测，今后2 0 年，电力将是全球消费增长最快的终端能源，估计世界电力消费年平 均增长3 4 【i 】，同时从迅速发展的工农业用电和生活用电来看，同样也感到电力供 应的不足。因此，我国的电力建设必须保持一定的发展速度，以支持国家工业化和 国民经济的持续发展。然而，从发电、供电到用电己构成了不可分割的整体，任何 环节发生故障都有可能引起链式反应，导致整个系统的崩溃。因此，努力加快电力 建设，维护使用好已有的电气设备，提高设备的运行可靠性以确保国民经济的发展 以及人民生活水平的提高，就显得十分必要。 电抗器是因其电感特性而应用于电力系统中的装置或器件，是电力系统中常用 的、重要的电力设备，并且对整个系统的安全运行起着决定性的作用。如广泛应用 于电力网中的并联电抗器、串联电抗器、限流电抗器、接地电抗器、消弧线圈、阻 波器、防雷绕组等。随着电力工业的迅速发展，电抗器的电f k 等级和容量也越柬越 高，因此电抗器故障带米的损失也会越来越大【2 】。近年来，电抗器虽然由于材料的 改进、设计方法和制造技术的提高，运行可靠性有所提高，但是由于一些无法预计 的外界原因或者使用方法、运行维护方面出现的问题，电抗器的故障率远远高于变 压器和互感器。由此可见，加强对电抗器绝缘状态的监视与预测以防事故于未然， 以及在事故发生后尽快确定其性质及发生部位具有十分重要意义。 因此，如能在电抗器运行过程中通过某些方法或手段对电抗器的未来运行状况 进行及时而有效的预测与诊断，预先发现早期潜伏性故障，及时采取抢修措施，从 而可以大大减少事故的发生，这将对电力系统的安全稳定运行产生重要的意义。 1 2 电气设备故障检测技术的发展及现状 对电气设备的维护，各国均经历了事后维修制度，即设备损坏后，停电进行维 修，或者先换一台同样的设备投入运行，再对损坏的设备进行维修：然后从事后维 修逐渐发展到预测性维修，即定期更换设备的重要部件；从6 0 年代起，各国相继 制定出了比较规范的停电预防性试验标准，从而进入了预防性维修时代，即根据原 电力部门所颁发的电气设备预防性试验规程对不同设备所规定的项目和相应的 华北电力人学硕十学位论文 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，根据预防性试验的结果和上述规程中的标准进行比较，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， 还要根据原电力部门颁发的相应设备的运行规程规定的期限和项目，对设备进行定 期检修。对电抗器来说，其维修制度相似于变压器。1 1 0 k v 及以上电压等级的变压器 投运5 年进行大修一次，以后每隔1 0 年必须进行一次大修，每年进行一次小修。 故既使预防性试验不超标，到了期限也要进行大修，因此预防性维修是一种计划性 维修方式。这种从预防性试验到维修的体系可统称为“预防性维修”体系，在我国 己沿用了5 0 多年，无疑在防止电气设备事故的发生、保证安全可靠地供电方面起 到了很好的作用。但长期的运行经验也表明这样一种维修体系有它的局限性。 ( 1 ) 从经济角度看 定期试验和大修均需停电，产生很大的经济损失，同时增加了工作安排的难度。 另外定期大修和更换部件也需要投资，而这种投资是否必要尚彳好肯定，凶为设备 的实际状态西r 能完令不必做仟何维修而仍能继续长时帕j 运行，若维修水平不高，反 而可能使设备越修越坏，降低了设备的可用系数，影响了电网的供电可靠性。 ( 2 ) 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测。并且运 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故障。 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 一定的潜伏和发展时问，在此期间会发出反映绝缘状态变化的各种信息。而预防性 试验是定期进行的，通常不能及时准确地发现故障。从而出现漏报、误报或早报。 鉴于以上原因，国内外对电气设备的维护，不仅需要定期做以预防性试验为基 础的预防性维护，而且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。 从预防性维修体制形成以来，电力运行部门通过对运行中的充油电气设备定期 分析其溶解于油中的气体成分、含量及产气速率，总结出了能够及早发现充油电气 设备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油色谱分析法 ( d g a ) 。油色谱分析法是将变压器油取回到实验室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辔艿和局部放电法所不能发 现的局部性过热等缺陷。因此，电力运行部门普遍认为用油色谱法分析充油电气设 备的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。 2 华北电力人学硕十学位论文 虽然油色谱分析法比辔万和局部放电法等方法判断故障的可靠性高，但常规的 离线油色谱分析法也存在一系列不足之处：不仅脱气中可能存在较大的人为误 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其发展趋势；因受其设备费用 和技术力量的限制，不可能每个变电站都配备常规油色谱分析仪，运行人员无法随 时掌握和监视本设备的运行状况，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，充油电气设备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心的研究课题。 对于充油电气设备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，但它是直接在设备现场实现油色谱的定时在线智能化监 测与故障判断。这样，不仅可以及时掌握电气设备的运行状况，发现和跟踪存在的 潜伏性故障，并且町以及时根据诊断系统对故障自动进行诊断，以便运行人员迅速 做出处理：同时，可以降低常规油色谱分析法的误差，提高故障珍断的可靠性：还 可以在主控室对变电站每台充油设备的油色谱分析进行巡回在线监测。除此以外， 从电抗器运行可靠性的重要性与油色谱在线峪测装置的性价比来看，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，又可为从预 防性维修体系过渡到状态检修体系奠定基础。由此可见，油中溶解气体在线监测的 研究具有重要的现实意义和实用价值。 1 3 预测技术的发展 为了排除运行设备中的故障，工程上常有三种方法可以综合应用，即预防、避 免、检测与恢复。 ( 1 ) 预防 简单地说，“预防就是为了避免设备运行中出现事故而事先采取措施。“预防” 是一个排除故障的静态策略，它通过打破产生故障的必要条件来实现，即铲除设备 运行中故障产生的原因。 ( 2 ) 避免 “避免”的实质也是防止，但它是一个排除故障的动态策略。“避免”的前提 是预测，如果预测到运行设备有产生故障的可能性，就应立即采取某种安全措施防 止这一可能性转变成事实。也就是说，要想避免运行设备产生故障，必须先预测设 备是否处于安全状态。 ( 3 ) 检测与恢复 3 华北电力人学硕+ 学位论文 由于运行设备的故障发生是动态的，因此需要有专门的检测机构能检测出故障 征兆，然后通过故障诊断系统确定故障发生的原因，最后维修设备，使其恢复原本 的功能。 目前电气设备排除故障普遍采用的手段是离线的定期预防性试验，即排除故障 的静念措施。在线监测还处于试用阶段，且应用范围也较小，主要是油中溶解气体 含量、局部放电在线监测。因此，在排除运行设备故障的预防、避免、检测与恢复 三种方法中，只有“避免”这一种方法几乎很少在实际工程中得到应用。本文从故 障的出现是一个动念行为的观点出发，认为排除运行设备故障必须采用“避免”的 方法，因此提出对电气设备的状态参数进行预测。 设备运行状态的预测是从已知运行状态出发，考虑运行、环境等相关因素，对 未来的运行状况做出预测，从而可以在实际故障发生之自 ，预知电气设备的运行状 念，采取相应的检修措施，提高设备的运行可靠性。 通过多年的发展和应用，预测技术已有了长足的发展。由于预测对象的不同， 出现了多种多样的预测技术，主要有常舰单一的参数值预测方法、趋势外推预测方 法、回归模型预测方法、时间序列预测方法、灰色预测方法等。 灰色系统理论p l j 这一新兴横断学科属于系统科学学科群，它的，也生和迅速发 展成为当代科学发展的二大景观。灰色系统指的是信息不完全的系统。信息不完全 是指系统因素、因素关系、系统结构及系统作用原理这四个方面的信息缺乏，它以 “部分信息已知，部分信息未知”的“小样本”、“贫信息”不确定性系统为研究对 象，主要通过对“部分”己知信息的生成、丌发，提取有价值的信息，实现对系统 运行行为的币确认识和有效控制。 灰色系统理论将一切随机变量看作是在一定范围内变化的灰色量，将随机过程 看作是在一定范围内变化的，与时间有关的灰色过程，对灰色量的处理采用数据处 理的方法，即数据生成，将杂乱无章的原始数据整理成规律性较强的生成数列进行 研究。它着重研究概率统计、模糊数学所不能解决的“小样本、贫信息”不确定问 题，并依据信息覆盖，通过序列生成寻求现实规律。 短短二十几年，灰色系统理论不仅在理论上迅速发展，日臻完善，而且在社会、 经济、科技等各方面得到日益广泛和深入的应用，成功地解决了生产、生活和科学 研究中的大量实际问题，取得了一系列重大成果。目前，英国、美国、德国、日本、 澳大利亚、加拿大、奥地利、俄罗斯、台湾、香港地区及国际组织等有许多知名学 者从事灰色系统的研究和应用，海内外上百所高校开设了灰色系统课程，数百名博 士、硕士研究生运用灰色系统的思想方法开展科学研究。国际、国内多种学术期刊 发表过灰色系统论文，许多国际会议把灰色系统列为讨论专题。 4 华北电力人学硕十学位论文 现有的灰色系统方法有灰色关联度分析、灰色聚类评估、灰色系统建模、狄色 预测、灰色组合、灰色决策、灰色规划、灰色投入与产出、灰色控制等，并在电力 系统的预测、自然灾害预测、水文预测、模式识别、故障渗断等技术领域得到了应 用【1 2 2 4 1 。 电抗器油中溶解气体是一个多因素、多层次、多结果的相互联系、相互作用的 复杂系统。油中溶解气体的产生、变化过程是由许多错综复杂的关系所组成的灰色 动念过程。它包括电抗器本身结构、运行条件、地理环境等信息，具有明显的灰色 性质特征，是一个典型的狄色系统。因此，油中气体含量是个信息不完全的灰色量。 灰色系统理论通过对灰色过程的生成方法，将具有随机性的数据列转化为一个具有 较强规律性的数据列，从而可以建立连续微分方程模型。灰色系统分析用生成的方 法对原始数据进行处理，可以弱化不确定性，强化规律性，因而可以用少量数据及 存在灰色信息情况下，建立系统的连续微分方程。本文将无偏灰色建模理论应用于 电抗器油中溶解气体，预测未来油中溶解气体含量。该法与传统的灰色模型相比， 不存在固有偏差，因而也就消除了传统灰色模型在原始数据序列增长率较大时失效 的现象，其应用范围更广。 1 4 电气设备故障诊断技术的发展 基于油中溶解气体分析的充油电气设备绝缘诊断方法大体上町以分为传统方 法和基于人工智能的方法。 传统方法是人们在长期的科学研究和充油电气设备故障诊断实践中总结出来 的由特征气体浓度信息直接或通过简单的计算比值判断故障类型的方法，主要有特 征气体法、比值法等。 基于人工智能的诊断方法是目前研究的热点和重点，主要有神经网络、模糊数 学、专家系统、信息融合、数据挖掘、粗糙集理论和可拓理论等方法。 1 4 1 基于模糊理论( f u z z yt h e o r y ) 的诊断 模糊理论【2 5 ，2 6 】是依据诊断对象模糊症状进行状态识别、推理并做出决策的一门 科学，犹如医生可以根据病人的模糊症状进行病理诊断一样。 自1 9 6 5 年美国自动控制专家l a z a d e h 提出模糊集( f u z z ys e t s ) 理论以来，模糊数 学的理论与应用研究取得了许多重大的进展。目前有关故障诊断的基础性理论研究 和应用技术研究的机构己遍及美国、日本的许多大学以及国防军事和民用工业企业 的研究部门。我国在这领域的研究也己蓬勃开展，并且在冶金、化工、机械、交通、 电力及核工业部门取得了一批卓有成效的成果。 现有的模糊诊断方法有：模糊逻辑诊断、模糊聚类诊断、模糊可能性模型诊断、 5 华北电力人! 学硕十学位论文 模糊时序模型诊断、智能化模糊诊断和模糊可靠性分析等。目前的研究主要朝着两 个方向进行：一是将模糊渗断与其它诊断方法相结合，相辅相成；二是为模糊诊断 引进组织、自学习的功能。 但是，也应看到模糊数学在电气设备绝缘故障诊断应用中的不足，它着重研究 “认知不确定性”问题，主要是凭经验借助于隶属函数进行处理，其研究对象具有 “内涵明确、外延不明确”的特点，而目前电气设备发生故障时的故障现象、故障 原因及故障机理之间的许多“内涵”联系尚未研究清楚。所以，模糊数学理论在电 气设备故障诊断中的应用具有其局限性。 1 4 2 基于专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 的诊断 专家系统是人工智能的一个重要分支，产生于6 0 年代中期，它是利用人类专家 的权威性知识和推理过程去解决某一领域内通常需要具有专家水平的知识和经验 彳能解决的复杂问题的一组计算机程序系统。它能根据用户提供的数据、信息或事 实，运用系统中存贮的专家经验或知识进行推理判断，最后给出结论及结论的可信 度以供用户决策之用【2 。 但是，专家系统有其固有的局限性：知识获取的瓶颈问题，通常这种系统的 知识获取主要依靠人工移植，即山知识工程师将领域专家的知识移植到计算机中， 这一方式费时费力且效率低下：知识维护困难，许多号家系统均采用较简单的产 生式结构构造知识库，算法复杂； j 于推理方法简单、诊断策略不灵活，因而推 理能力较弱，容易现匹配冲突，容错能力较差，推理速度慢，难以满足监测控制 实时性的要求。 1 4 3 基于神经网络( n e u r ain e t w o r k ) 的诊断 神经网络( a n n ) 【2 8 】是一种模拟人类智能的方法和技术。它和专家系统的机理不 同，不需要从领域专家那罩提取显示知识形成知识库，而只需根据领域问题组织训 练样本，通过自组织、自学习就可以获得独立的领域知识。在众多的神经网络模型 中b p 网络模型具有结构简单、收敛速度较快且易处理分类等特点，因此在模式识别、 故障诊断中获得了广泛的应用。 目前，国内外学者将神经网络理论用于电力设备绝缘故障诊断的新趋势是在神 经网络理论中融入其它人工智能或数理统计知识中的方法，两者或多者的结合可以 使各自取长补短，形成一种全新的电力设备绝缘故障诊断方法，能有效地提高故障 的诊断精度。 文献【2 9 】中将范例推理引入到电力变压器的故障诊断，对常用的神经网络模型 进行了修改，得出的一种新范例检索算法实现了对电力变压器的绝缘故障诊断。 6 华北电力人学硕十学位论文 文献【3 0 】中提出基于a n n 状态识别系统的变压器故障检测方法，该系统主要由 神经网络变压器一次电压非线性估计器、比较器、计数器等构成，通过比较一次电 压实际值与估计值的大小，识别变压器内部是否发生故障。 文献 3 l 】中提出了将神经网络用于变压器模糊故障诊断的方法，它能够不必事 先通过人为经验或统计方法确定故障隶属函数；计算结果和诊断实例表明，该方法 能够较为有效地诊断变压器的绝缘故障。 尽管人工神经网络理论的应用在变压器绝缘故障诊断中取得了一系列的成就， 但它也有自身的局限性：神经网络极易陷入局部极小点，且相比较而言收敛速度 较慢：神经网络对奇异故障模式的判断能力差，应用神经网络只能是一个不断完 善的过程，而网络自身对这种完善的调度性能较差；神经网络不擅长处理启发性 知识；神经网络缺乏解释自身行为和输出结果的能力。 1 4 4 基于可拓理论( e t e n sio nn e u t rai ) 的诊断 由我国学者繁文等人于1 9 8 3 年创立的可拓学【3 2 】，它采用形式化的工具，从定性 和定量两个角度去研究解决矛盾问题的规律和方法。事物发展变化的可能性称为事 物的可拓性，事物的发展变化及其过程称为丌拓。可拓学研究解决矛盾问题的规律 和方法，研究事物的可托性及事物的j i ：拓规律和方法。它是一门系统科学、思维科 学、哲学和数学交叉的边缘学科，是贯穿f 自然科学和社会科学且应用较广的横断 学科。可拓学的理论框架有两个支柱，一个是研究可拓元及其变换的可拓理论，一 个足建立在可拓集合基础之上的数学工具一可拓数学。町拓学在解决矛盾问题方面 得到了广泛的应用，它与其它学科对矛盾问题的研究不同之处在于使用了形式化的 模型，运用了可拓变换和可拓推理的方法。利用形式化的方法处理客观世界中各种 矛盾问题，研究了如何描述客观世界中的各种事物。在可拓学中建立了物元、事元、 关系元和复合元，统称为可拓元。 可拓学利用可拓元模型形式化地描述矛盾问题，把问题分为目标和条件两部 分，并用可拓元加以表示，然后利用可拓集合来描述问题或矛盾的程度。可拓集合 建立了物元可拓集合和事元可拓集合，用表示事物某些特征的物元或事元在可拓集 合中的负域或正域来描述矛盾和相容，用关联函数值的大小来描述矛盾的程度或相 容的程度，关联函数值的改变就表示了事物的量变或质变。但可拓学容错能力比较 弱，没有很好的处理方法。 由于单独的一种智能方法不可避免存在着局限性，将各种智能方法结合使用已 成为充油电气设备故障诊断方法发展的必然趋势。可拓学和神经网络在处理问题时 有许多相同的领域，且各自有自己的优点和缺点。可拓物元可以很好的表示维数很 大的复杂数据，同时关联函数和可拓距离可以让定性数据和定量数据结合、转化从 7 华北电力人学硕十学位论文 而解决存在的问题，利用发散树方法可以找到与数据相关的、有用的其它项。但可 拓学容错能力比较弱，没有很好的处理方法。神经网络具有较强的并行处理、容错、 逼近和分类能力。在处理不准确、不完整知识方面，神经网络显示出较强的适应能 力。人工神经网络的重要特点是具有学习功能，学习功能应有两个方面：结构学习 和参数学习。参数学习通常采用教师数据指导学习，而结构学习是一个未完善解决 的问题，网络结构的确定往往缺乏理论依据。可拓学注重可拓元可拓性的研究，注 重分析推理的层次性和方向性。从这点上看，可拓学可以为神经网络的结构学习提 供理论依据并指导结构学习。这样可拓学和神经网络的结合必将更好的处理好大系 统中的非线性问题，具有更好的并行计算处理能力，可以将它们取长补短综合使用 作为电抗器故障诊断方法。 1 5 本文的主要工作 通过对充油电气设备状态顶测方法和故障渗断方法国内外研究现状的分析，并 结合我国丌展电抗器故障诊断的迫切需要，针对目前电抗器故障发生率高而故障渗 断方法少的问题，本文拟进行以下几方面的研究工作： ( 1 ) 通过实际调研，了解电抗器的结构特点和困内外对比情况，总结电抗器在 运行中出现的主要问题。 ( 2 ) 对油中溶解气体分析技术进行机理分析。分析电抗器存在潜伏性故障时油 中和阎体绝缘中气体产，卜的机理，介绍传统的特征气体法和比值法的具体应用。 ( 3 ) 研究灰色预测g m ( 1 ，1 ) 模型的建模理论、检验方法和预测步骤。在此基础上， 结合实际要求，本文拟将无偏灰色预测g m ( 1 ，1 ) 模型应用到基于油中溶解气体的电 抗器状态预测中。 ( 4 ) 基于电抗器油中溶解气体分析原理，本文拟运用可拓理论、物元模型和神 经网络的电抗器在线故障诊断方法。该方法基于融合互补的思想，将可拓理论、物 元模型和神经网络理论有机结合起来，能克服神经网络中学习功能不完善等缺陷。 8 华北电力人学硕+ 学位论文 第二章电抗器油中溶解气体常规分析方法 对于大型油浸绝缘高压电气设备，变压器油( 即矿物绝缘油) 与油中的固体有机 绝缘材料( 纸和纸板等) 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；同时，内部绝缘故 障伴随着局部过热和局部放电现象，使油和纸分解产生c h 、c ! h 。、c ：h 1 、c ：h ：、 h ：、c o 和c 0 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 泡在油罩经对流、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。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充油 电气设备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 现油浸电气设备内部的发热和放电性故障。此外，对于油浸绝缘设备内部机械故障， 如螺栓松动，会在设备运行过程中伴随局部过热现象，也可用色谱分析检测出来。 虽然干式电抗器例如树脂浇注干式电抗器等有着很好的发展f j 订景，但是矿物绝 缘油优良的绝缘和散热能力是它们所不能替代的，目奇才高电压、大容量的电抗器仍 然普遍采用充油式。充油电抗器内部的主要绝缘材料是矿物绝缘油、绝缘纸和纸板 等a 级绝缘材料。由此可见，油中溶解气体的组分和翕量可以作为反映电气设备电 气异常的特征量。 2 1 高压电抗器的结构特点 高压电抗器从结构上看，无论国内或国外生产厂家，目前大多采用芯式或壳式 两种，这两种结构均能满足电力系统的稳定性要求。绕组采用层式线圈或饼式线圈， 油箱采用桶式油箱或方油箱。 2 1 1 两种高压电抗器结构对比分析 2 1 1 1 芯式与壳式 外国公司一般根据自己的习惯来选择芯式或壳式，而对有速饱和特性要求的产 品则必须做成芯式。 ( 1 ) 一般情况下壳式不如芯式经济。电抗值大时，即小容量、高电压的产品， 壳式肯定不经济，只有对容量很大的产品采用壳式才有可能较经济。 ( 2 ) 采用壳式结构时，其铁轭磁密取得很低，否则振动大，因而其铁芯重量并 9 华北电力人学硕十学位论文 不比芯式小，况且其线圈匝数多很多，用铜量多，损耗大。 ( 3 ) 壳式振动小、噪声低，但芯式也可以解决这两个问题。 ( 4 ) 有速饱和特性要求( 如要求1 2 5 u n 以下饱和) 的产品选芯式，有慢饱和特性 要求( 要求2 0 u n 以上不饱和) 的产品选壳式，介于二者之问的按习惯。 壳式结构所需的专用套管及线圈内瓷屏图内没有，其常用的蝴蝶形层式线圈绕 制工艺较复杂，质量不好保证。而根据目前电网保护措施已经大大改善而用户对线 性度的要求普遍为饱和后的电抗不低于额定电抗的l 3 来看，目前多数厂家所生产的 高压电抗器都采用芯式结构，只有一部分厂家生产的高压电抗器采用壳式结构。 2 1 1 2 层式线圈与饼式线圈 层式线圈纵截面有宝塔形和蝴蝶形两种：宝塔形用于芯式，蝴蝶形用于壳式。 饼式线圈纵截面为矩形，芯式或壳式都可用。对芯式而言采用层式线圈较为经济， 但绕制层式线圈层绝缘需要纵式丌卷机等专用设备，线圈要在绝缘干燥和径向加压 的状念下卷制，否则干燥后松动。 2 1 1 3 桶式油箱与方油箱 与方油箱相比，桶式油箱经济性好，它不需要加强铁，其几何形状也使变压器 油少，但其拱顶、拱底相当于弹簧振动系统，器身坐在两端固定而中部悬空的简支 梁上，无论简支梁的刚性多好，其材质毕竟是钢材，它与拱底形成一个弓形振动支 撑，器身强大的电磁振动力作用于其上，j j 剧了振动，成为威胁电抗器运行安全性 和稳定性的极其不利的因素。 2 1 2 国内厂家高压电抗器的结构特点 本文主要以西安变压器厂生产的高压并联电抗器结构为例给予介绍。 2 1 2 1 铁芯 并联电抗器铁芯，单相为单心柱两旁柱结构，三相为品字形心柱、卷铁轭结构。 铁轭宽度大于心柱直径，以使吸收部分端部漏磁。以5 0 0k v5 0m v a r 单相并联电抗 器为例，其中心柱是由1 8 只辐射式环氧浇注的铁芯饼叠成，饼间垫以特殊气隙垫 块，整体浇注在一起。铁芯材料采用优质冷轧硅钢片，大饼由坏氧树脂浇注成型， 铁轭与旁柱用环氧玻璃丝粘带绑扎，铁芯压力大，整体性好，损耗低，振动及噪音 小。每个铁芯饼由3 2 组三角形块组成，每组三角形由1 0 0 种不同尺寸的硅钢片构 成，这样使铁芯柱有较高的空间系数，又可避免由于磁通边缘效应所产生的局部过 热。上铁轭与旁轭采用特殊的方法连接，避免了以往用对接法引起的较大振动，整 个铁芯用若干根特殊的高强度反磁不锈钢螺杆通过盆形弹簧拉紧。 2 1 2 2 线圈 1 0 华北电力人学硕十学位论文 线圈采用多层圆筒式，具有良好的冲击特性。共分1 9 层，每层间有6 m m 油道 散热，在内外径均采用铝薄电缆纸作静电屏，使整个电场分布均匀。导线采用小规 格的换位导线，最大限度降低线圈中的附加损耗。 2 1 2 3 引线 电抗器的5 0 0 k v 引出线的绝缘隔板，按照引线电场的分布采用成型绝缘件，基 本形状与电场等位线一致，保证5 0 0 k v 高电压区域有良好的绝缘性能。引线焊接采 用冷压焊，焊头用半导体填料填平，形成光滑的圆弧，外包镀铝皱纹纸，防止尖角， 降低局部放电量。 2 1 2 4 油箱 电抗器油箱为钟罩式结构，便于用户维护和检修。为提高油箱机械强度，油箱 为圆柱形或多边形，箱盖和箱底均为一次成型封头结构，取消加强筋。在箱壁内侧 装有磁分路装置，尽可能降低山于漏磁在油箱上产生的附加损耗，消除了箱壁的局 部过热。宽片散热器直接装在油箱上，便于安装，减少占地面积。其强度高，振动 小，结构紧凑。另外，单相电抗器的油箱和铁芯问设有防止器身在运输过程中发生 位移的强力定位装置。 2 1 2 5 冷却系统 采用o n a n 冷却方式，降低了噪音，节省了电能，便于维护。 2 1 2 6 保护系统 保护系统包括各种温度计、瓦斯继电器、释j 丘器、互感器。储油柜装有富有弹 性的尼龙橡胶薄膜袋，使空气与矿物绝缘油不能直接接触。 2 1 3 国外电抗器产品结构特点 国外高压电抗器生产厂家主要有a b b 公司、法国a l s t h o m 公司、日本三菱、 日本富士、俄罗斯、乌克兰v i t 等，早期的还有瑞典a s e a 、加拿大a s e a 和德国b b c 公司。其中法国a l s t h o m 公司的设计制造技术，8 0 年代初由我国的西变、沈变引 进；乌克兰v i t 的电抗器设计制造技术由特变电工衡阳变压器厂2 0 0 2 年引进，并生 产了我国首台7 5 0 k v 超高压并联电抗器；日本三菱的壳式电抗器设计制造技术由保 定天威变压器厂2 0 世纪9 0 年代后期引进并合作生产。 2 2 运行高压电抗器存在的主要问题 油浸式铁芯电抗器在运行中存在的主要问题可以分为绝缘问题、铁芯漏磁、振 动噪音和渗漏油【3 3 】等。 2 2 1 绝缘问题 l l 华j 匕电力人学硕十学位论文 并联电抗器只要接入电网的一次线圈，投运后即满负荷运行，并且经常处于高 电压状态，因此，运行温度高，线圈绝缘和绝缘油都容易老化。在运行中可能发生 的故障有线圈绝缘对地击穿、匝绝缘短路，三相电抗器还可能发生相问绝缘击穿故 障。 2 2 2 铁芯漏磁发热问题 因为气隙的存在，电抗器的漏磁通密度比变压器大得多。在靠近铁芯、铁轭和 线圈支架的漏磁通比变压器要大几倍。这些漏磁通穿过磁性会属部件矽钢片将会产 生附加损耗和过热点，特别是当漏磁通穿过与其垂直的铁轭侧面的央铁和矽钢片 时，附加损耗和过热温度将会很高，这是油浸铁芯式电抗器在超高压电网中运行的 主要问题。 2 2 3 振动和噪音问题 电抗器的磁路由气隙分隔成若干段，各段分别产生磁极，各个气隙间磁极吸引 力的变化引起振动。由铁芯块、锻块和铁轭组成的系统还有可能出现机械共振现象， 因此电抗器的振动和噪音都比变压器大。有一些故障，如瓦斯继电器误动、高压引 线均压环接地铝片断裂、穿缆引线绝缘磨损、芯块接地片松脱以及铁芯限位装置放 电等郜是长期振动造成的结果。噪音是伴随铁j 笛振动而发生的。 2 2 4 渗漏油问题 渗漏油i 、u j 题给运行带米了麻烦，给环境带来了污染，给安全带束了威胁。无论 国产或进口的油浸铁芯式电抗器都存在严重的渗漏油问题。渗漏油的原因主要是制 造厂工艺质量问题，运输过程中和运行电抗器的振动也促进了渗漏油的现象。 2 3 油中溶解气体的产生、溶解及正常运行时的含量 2 3 1 油中溶解气体的产生机理 油浸绝缘高压电气设备内部主要绝缘材料有变压器油( 即矿物绝缘油) 、纸和纸 板等a 级绝缘材料。在运行设备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受热分解而产生气体，油和绝缘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。 绝缘油，其主要成分是碳氢化合物。在电、热、机械应力和氧、水分及铜、铁 等金属的作用下，这些碳氢化合物将发生氧化裂解，c h 、c c 键断裂，形成不稳 定的h 、c h 3 、c h 2 、c h 、c 等游离基，这些游离基通过复杂的化学反应最终生成 1 2 华北电力人学硕十学位论文 氧化物，如：酸、脂、油泥、水、x 蜡等，除此之外，还会生成一些气体，如：低 分子烃类气体、氢气及少量的一氧化碳、二氧化碳等。在这一过程中，氧气是基本 因素，而水分、铜、铁是主要的催化剂，电、热、机械应力则起到了加速剂的作用。 绝缘纸和纸板，主要是由纤维素组成，而纤维素则是由许多葡萄糖借1 4 配键 连接起来的大分子。当受到电、热、机械应力及氧、水分等作用时，同样