（高电压与绝缘技术专业论文）基于油中溶解气体分析的变压器绝缘故障诊断研究.pdf

华北电力人学硕士学位论文摘要 摘要 油中溶解气体分析方法是诊断变压器故障的一种有效方法。本文分析了变址器 油中气体形成机理以及国内外各种基于油中溶解气体分析的传统方法及人工智能 方法。使用l e v e n b e r g m a r q u a r d t 算法提高了神经刚络的收敛速度，同时减少了叫络 陷入局部极小点的可能性。使用多神经网络方法减少了网络的诊断误差，给出了诊 断结果的可信度。为了表达变压器故障的模糊性，使用模糊数学方法综合了特征气 体法和改良i e c 三比值法。在此基础上提出了一种利用d s 证据理论融合神经网络 和模糊数学的变压器故障诊断方法，并以该方法为基础实现了一套变压器油卞溶解 气体分析敝障诊断专家系统。 关键词：变压器，故障诊断，油中溶解气体分析，神经网络，l e v e n b e r g m a r q u a r d t 算法 a b s t r a c t d i s s o l v e dg a s i n o i l a n a l y s i s ( d g a ) i sav e r ye f f e c t i v e m e t h o do ft r a n s f o r m e r f a u l td i a g n o s i s t h ep r i n c i p l eo fg a sg e n e r a t i o ni nt r a n s f o r m e ri sa n a l y s e d ，t h et r a d i t i o n a l m e t h o d sa n da r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e m e t h o d sf o rt r a n s f o r m e rf a u l t d i a g n o s i s a r e i n t r o d u c e d l e v e n b e r g m a r q u a r d ta l g o r i t h mi s u s e dt ot r a i na n n ，t h ec o n v e t g e n c eo f a n n i sa c c e l e r a t e da n dt h ep r o p b a b i l i t yo fp l u n g i n gi n t ol o c a lm i n i m ai sd e c r e a s e d ，a t t h es a m et i m em u l t i p l ea n n sm e t h o di su s e d ，t h ed e g r e eo fb e l i e fo fa n nd i a g n o s i s r e s u l ti s g i v e nb y t h ev a r i a n c e o fm u l t i p l ea n n sd i a g n o s i sr e s u l t ，a n dt h ee r r o i o f d i a g n o s i sr e s u l ti s d e c r e a s e d f o rr e p r e s e n t i n gt h et h z z yc h a r a c t e r i s t i co ft r a n s f o r m e r f a u l t ，af u z z ym a t h e m a t i c sm e t h o di n t e g r a t i n gk e yg a s e sm e t h o da n d m o d i f i e di e c t r i r a t i om e t h o di sp r e s e n t e d ，am e t h o di n t e g r a t i n ga n n a n df u z z ym a t h e m a t i c sb yd s e v i d e n c et h e o r yi sp le s e n t e d ，a n da ne x p e r ts y s t e mf o rt r a n s f o r m e rf a u l td i a g n o s i sb a s e d o nt h i sm e t h o disr e a l i z e d x u z h i n i u ( h i g hv o l t a g ea n d i n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f l uf a n g c h e n g k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e r , f a u l td i a g n o s i s ，d g a ，a n n ，l e v e n b e r g m a r q u a r d t a l g o r i t h m 声明 本人郑重卢明：此处所提交的硕士学位论义基十油中溶解气体分析的变压器 绝缘故障诊断研究，是本人在华北电力大学攻读硕j 一学位期间，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 力念占轻闩期 1 一护啦厂上“ 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：学校有枞 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 具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蒯；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) 作者签名硷占巫 导师签名 日期：塑! 丝! ! 彩 日期 华北电力火学硕士学位论文 1 1 选题的背景及意义 第一章绪论 大型电力变压器是电力系统中重要的输变电设备，在电力系统中处于枢纽地 位，电力变压器的故障不仅影响电力系统的输电能力，还可能造成电力系统的大规 模停电，给电力系统和国民经济带来巨大损失。如能在线诊断出变压器的故障状况 将会大大减少变压器的故障发生率，剥电力系统的安全、经济运行有着不可低估的 作用。 目前电力系统中的大型变压器大多是以精炼矿物油作为绝缘和冷却的介质，变 压器在运行过程中不可避免要受到热、电和机械应力的作用，导致变压器中的绝缘 油，绝缘纸等一些材料发生分解产生低分子烃类、一氧化碳、二氧化碳等分解产物， 这些气体会溶解于油中。不同类型的故障及不同严重程度的故障产生气体的类型和 浓度是不同的，其中些气体能反映变压器故障的情况，通常称这些气体为特征气 体，它们是h z 、c h 4 、c 2 h 6 、c 2 h 4 、c z h 2 、c o 、c 0 2 。根据油中气相色谱分析获得 油中特征气体的浓度能够判断变压器的故障状况，变压器油中溶解气体分析 ( d i s s o l v e d g a s i n o i l a n a l y s i s ，简称d g a ) 就是根据气相色谱方法获得油中各种特征 气体的浓度，然后根掘获得的各种气体浓度判断敌障的种方法。由于油中溶解气 体分析方法对于判断慢性局部潜在性缺陷十分有效，而且该方法无需停电试验，方 便用于在线监测，因此，在1 9 9 7 年颁布执行的电力设备预试规程中，把变压器油 中溶解气体分析放到了首要的位置。 利用在线f i 】或离线的方法获得变压器油中溶解的特征气体浓度后，可以运用人 们总结出来的关于特征气体浓度与变压器故障类型的关系来诊断变压器故障。但是 由于变压器发生故障时气体的形成要涉及非常复杂的机理和过程，变压器的故障与 多种因素存在着耦合关系，要很好地分析变压器的故障情况需要现场人员的长期积 累，这显然不利于油中溶解气体分析方法的开展和变压器的维护。人工智能模仿人 类的思维解决问题，能从变压器油中溶解气体数据中发现规律，能很好地处理变压 器发生故障时的复杂关系，能随着环境的变化自适应地调整判断规则，有刹于油中 溶解气体分析方法的推广应用，减少变压器故障诊断的工作量，有利于潜伏性故障 的及早发现、及时处理，为变压器安全维护、电力系统稳定运行、实现更大的经济 效益和社会效益做了很好的保障。 1 。2 当前国内外的研究现状 基于油中溶解气体分析的变压器绝缘诊断方法大体上可以分为传统方法和基 l 华北电力大学硕士学位论文 于人工智能的方法。 传统方法是人们在长期的科学研究和变压器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。 ( 1 ) 特征气体法。该方法主要是根据变压器发生不同故障时，油中溶解气体的主 要成份和次要成份是有所区别来判断变压器所属故障类型。比如电弧和火花放电时 的主要成份是c 2 t t 2 、h 2 ：局部放电时的主要成份是h 2 、c h 4 ；过热时的主要成份是 c h 4 、c 2 h 4 ；当故障涉及固体绝缘时会产生大量的c o 、c 0 2 。人们根据油中各种气 体的浓度就可以大致判断故障的类型。 ( 2 ) 比值法。该方法是根据各种特征气体的比值来判断变压器所属故障类型。比 值法具体来说又可分为编码的比值法和无编码的比值法。前者有i e c 三比值法及其 改进形式，日本电协研法及其改进形式，英国的德能堡比值法，罗杰士比值法和德 国的四比值法等；后者是取消了气体比值区间对应于某编码，而直接用比值范围 对应于一种故障。比值法是通过对大量故障统计分析的基础上，舍弃了较小概率的 情况而得到的，所以其准确率不能达到很高，对收集的全国13 0 0 多台次故障变压器 的数据采用三比值法进行诊断的结果表明，该方法的准确率为7 4 。 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p e t r i 网等方法。 ( 1 ) 神经网络。由于变压器的复杂性，变压器发生故障时与多种因素存在着耦合 关系，导致了无法从理论上获得特征气体到变压器故障类型之问的精确映射。神经 网络具有自学习、自适应、形成非线性映射的能力【2 j ，可以很好地逼近特征气体浓 度到变压器故障类型的映射，所以在基于油中溶解气体分析的变压器故障渗断中有 着广泛的应用，目前已有多篇文献对它进行了介绍。神经网络中应用最为广泛的是 多层前馈神经网络，该网络使用最广泛的算法是b p 算法1 4 j 。目前神经网络应用还 存在着训练收敛速度慢、容易陷入局部极小点、不能给出诊断的可信度等问题，通 过引入小波分析、模糊数学、遗传算法等形成的小波网络【5 j 、模糊神经网络| 6 ”、遗 传算法结合b p 算法 8 j 等在一定程度上减轻了上述问题。 ( 2 ) 模糊数学。电力变压器发生故障时，其故障现象、故障原因及故障机理之间 存在着大量的不确定性，故障类型与比值编码的关系是模糊的，往往一种故障状态 可能引起多种故障特征，而一种故障特征也可以在不同程度上反映多种故障状态【9 j 。 所以，采用模糊数学能很好地描述变压器故障特征与故障状态的关系。目前它在变 压器故障诊断中的应用主要有模糊综合诊断和模糊聚类。模糊综合诊断是将原来的 普通故障集和故障征兆集转化为模糊集合的形式，对应于选取不同的故障征兆集， 模糊关系矩阵和模糊故障集，有不同形式的应用。以油中溶解气体为特征量的模糊 华北电力人学硕士学伉论文 聚类主要有基于模糊关系的动态聚类方法和基于目标函数的模糊聚类方法【引。基于 模糊关系的动态聚类方法l 】d j 是利用油中融解气体数据形成模糊等价矩阵后利用直 接聚类法、编网法或最大树法获得聚类结果。基于目标函数模糊聚类方法的典型代 表是模糊均值算法( f u z z yc m e a n s ) ，即f c m 算法，又叫i s o d a t a f i t e r a t i v e s e l f - o r g a n i z i n gd a t a ) 算法 1 1 。 f 3 ) 专家系统。专家系统是在一定领域内能以专家的知识和水平解决问题的软件 系统【12 。将专家系统引入到基于油中溶解气体分析的变压器故障诊断后使普通用户 也可以诊断变压器故障，它对变压器油中溶解气体分析故障诊断的推广有很大的意 义。为了有效结合其它人工智能方法，目前专家系统方法多采用神经网络、模糊数 学等方法作为知识库，这些方法的使用使专家系统的性能得到了进一步的提高。 ( 4 1 其它的智能诊断方法。除了以上提到的3 种方法，还有其它的智能方法在变 压器故障诊断中存在着一定的应用，比如数据挖掘f 1 3 】、信息融合、粗糙集理论【1 5 1 、 p e t r i 网【m 1 7 】等方法在变压器油中溶解气体分析故障诊断中也有一些应用。数据挖掘 是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的数据中，提取隐含在其中的、 人们事先不知道的、但又是潜在有用信息和知识的过程【i8 1 。信息融合是将多传感器 的数据在一定的规则下加以自动分析、综合，以完成所需的决策和评估而进行的信 息处理过程。粗糙集理论是种瓶的处理模糊和不确定性知识的数学工具，其主要 思想就是在保持分类能力不变的前提下，通过知识的约简，导出问题的决策或分类 规则。p e t r i 网是一种用网状图形表示系统建模的方法 2 0 。模糊p e t r i 网具有便于 描述系统状态的变化、对系统运行特性便于分析和可以在不同层次上变换描述等特 点1 2 1 1 。 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 成为变压器故障诊断方法发展的必然趋势。神经网络方法可以从变压器油中融解气 体数据中获得其中隐含的诊断规律，从而不需要变压器故障诊断的相关知识就可以 进行故障渗断，而且能根据实际变压器的油中融解气体数据对网络进行自适应调 整，但是该方法在利用变压器故障诊断知识方面存在着一些不足。模糨数学方法将 变压器故幛诊断的知识模糊化了，能有效描述变压器故障的实际情况，但是模糊数 学方法的学习能力存在些不足。神经网络方法、模糊数学方法各有所长，可以将 它们耿长补短综合使用作为专家系统故障诊断方法。 1 3 本文的主要工作 本课题选择将基于结合多种智能方法的变压器油中溶解气体分析的故障诊断 作为主要工作，具体内容如下： ( 1 ) 对油中溶解气体分析技术进行了机理分析。分析了变压器存在潜伏性故障时 3 华北电力大学硕士学位论文 酒中和固体绝缘中气体产生的机理，介绍了传统的特征气体法和比值法的具体应 用。收集了有效的变压器油中溶解气体分析样本7 0 0 多例。 ( 2 1 构造了适合于变压器油中溶解气体分析故障诊断的神经网络。该神经网络采 用多层前馈的拓扑结构。针对传统的b p 算法收敛速度慢、容易陷入局部极小点的 缺点引入了基于一阶偏导和二阶偏导混台的l e v e n b e r g - m a r q u a r d t 算法，与标准b p 算法、加动量项b p 算法比较发现该算法提高了收敛速度，同时减少了网络陷入局 部极小点的可能性。 由于单个神经网络不能给出诊断结论的可信度，对于与训练样本偏差较大的变 压器油中溶解气体数据容易误诊断，本文提出了采用多神经网络方法。多神经网络 输出的平均作为网络输出减少了诊断误差，根据多神经网络输出的方差给出了网络 输出的可信度，从而给人们更好的提示作用。 ( 3 ) 构造了个变压器油中溶解气体分析故障诊断专家系统。系统的诊断方法采 用改良i e c 三比值法、神经网络法和一种基于模糊的诊断方法，采用了d - s 证据理 论将神经网络和模糊数学的诊断结论融合形成一个综合结论。为方便用户的使用， 系统还给出了诊断的详细过程。 ( 4 ) 开发了基于油中溶解气体分析的变压器故障诊断软件。该软件采用 c + + b u l i d e r 编写，数据库采用m ss q l s e r v e r2 0 0 0 。采用组件对象模型技术对系统 中用到的三种故障诊断方法，即改良i e c 三比值法、神经网络法和模糊数学法进行 了封装，方便了系统的开发和调试、实现了系统的可重用、简化了系统的升级。实 现了基于油中溶解气体分析故障诊断专家系统的网络发布r 使用户能远程查看变压 器油中溶解气体分析信息和诊断结论。 华北电力人学硕十学位论文 第二章 变压器油中溶解气体分析的原理及方法 充油电力变压器在正常运行过程中受到热、电和机械方面力的作用下逐渐老 化，产生某些可燃性气体，当变压器存在潜伏性故障时，其气体产生量和气体产生 速率将逐渐明显，人们取变压器油样使用气相色谱方法获得油中溶解的特征气体浓 度后，就可以对变压器的故障情况进行分析。由于大型充油电力变压器是一一个非常 复杂的电气设备，变压器存在潜伏性故障时与多种因素存在耦台，特征气体形成涉 及的机理十分复杂，这些机理及由这些机理导出的诊断方法对智能诊断方法有很好 的借鉴意义。 2 1 变压器油及固体绝缘的成份及气体产生机理分析 虽然s f 6 气体绝缘、蒸发冷却式气体绝缘变压器和干式变压器、交联聚乙烯绕 组变压器等有着良好的发展前景，但是变压器油优良的绝缘和散热能力是它们所不 能替代的，目前高电压、大容量的电力变压器仍然普遍采用充油式。充油电力变压 器内部的主要绝缘材料是变压器油、绝缘纸和纸板等a 级绝缘材料，当运行年限为 2 0 年友右时，最高允许的温度为10 5 左右。变压器油中特征气体是由变压器油及 固体绝缘产生的，与它们的性能存在着密切的关系。 21 1 变压器油的成份及气体产生机理 变压器油是由天然石油经过蒸馏、精炼而获得的一种矿物油。它是由各种碳氢 化合物所组成的混合物，其中碳、氢两元素占全部重量的9 5 9 9 。主要的碳氢 化合物有环烷烃( 5 0 以上) 、烷烃( 1 0 4 0 ) 和芳香烃( 5 15 ) 组成 9 1 。不同变压 器油各种成份的含量有些不同。 变压器油中不同烃类气体的性能是不同的。环烷烃具有较好的化学稳定性和介 屯稳定性，黏度随温度的变化很小。芳香烃化学稳定性和介电稳定性也较好，在电 场作用下不析出气体，而且能吸收气体；但芳香烃易燃、黏度大、凝固点高，且在 电弧的作用下生成的碳粒较多，会降低油的电气性能。环烷烃中的石蜡烃具有较好 的化学稳定性和易使油凝固，但在电场的作用下易发生电离而析出气体，并形成树 枝状的x 蜡，影响油的导热性。 变压器浊在运行中受到温度、电场、氧气及水分和铜、铁等材料的催化作用会 形成某些氧化物及其油泥、氢、低分子烃类气体和固体x 蜡等，这就是绝缘油的老 化和劣化作用。正常的老化和劣化情况下，变压器油中仅能产生少量的气体，通常 它们的含量在临界值之下。 但存在潜伏性故障时情况就不同了，当变压器油受到高电场的作用时，即使温 华北电力大学硕士学位论文 度较低也会分解产生气体。在场强为13 0 k v c m 的电场作用下，变压器油在2 5 3 0 。c 时气体产生成份如表2 一l 所示。同样仅在高温的作用下变压器油也会分解出气 体，在2 3 0 。c 6 0 0 。c 时变压器油中气体产生情况表2 - 2 所示。 一 试样编号c h a c 2 h 6c 2 h 4c2 h 2 l3 3j7i 930 2221 42 32 4 337 210 】1 6 1】4 2 表2 - 22 3 0 6 0 0 。c 局部加热时变压器油分解的气体绁分( j0 - 1 m g g 油) j 1 气体的种类2 3 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 1氢 1 5 23 2 0 甲烷 4 25 85 84 8 乙烷 o 4 52 60 l 乙烯 0 i73 2 4 7 丙烷 1 1820 8 l异丁烷 32 669 7 l二氧化碳 o 170 2 221 906 702 8 其它 o9 622 5 变压器油是由许多不同分子量的碳烃化合物分子组成的混合物，分子中存在着 c h 3 、c h 2 + 和c h 等化学基团，含有c ，c 键和c h 键。在电或热的作用下使某些 c c 键和c h 键断裂，形成了不稳定的氢原子和碳氢化合物的自由基，这些氢原子、 自由基迅速重新化合生成氢气和低分子烃类气体。不同的键断裂需要不同的能量， c ，h 键f 3 3 8 k j m 0 1 ) 断裂生成氢气，这在局部放电的情况下就能达到。对c c 键需要 较多的能量，然后迅速以c c 键( 6 0 7 k j t 0 0 1 ) ，c = c 键( 7 2 0 k j m 0 1 ) 和c = - c 键( 9 6 0 k j t 0 0 1 ) 化合分别生成相应的乙烷、乙烯和乙炔，需要的能量越来越高。人们通过热力动力 学模拟计算出每种气体产物的分压作为温度函数的关系如图2 1 所示。 从图中可以看出乙炔仅在接近1 0 0 0 的时候才产生，满足这种条件的只有高温 过热和放电；甲烷在低温下产生较多，主要是在低温过热和局部放电，随着温度的 升高气体的产生速率反而下降了；乙烷始终未能成为主要的气体成份：乙烯在低温 下产生很少，但随着温度丹高到中商温过热时气体产生速率大大提高了。 21 2 变压器固体绝缘的成份及气体产生机理 固体绝缘在变压器绝缘中应用广泛，主要有绝缘纸和绝缘纸板。绝缘纸包括电 缆纸、电话纸、金属皱纹纸、点胶绝缘纸等，虽然它们的名称各不相同，但它们的 华北电力大学硕士学位论文 主要成份都是纤维素，其分子式是( c 5 h 1 0 0 5 ) 。，分子中含有氢键，氢键是山于与电负 图2 - 1 哈斯特气体分压温度关系图 性很大的元素( o ) 相结合的氨原子与另一个分子中电负性很大的原子涮的引力而形 成，所以固体绝缘有很大的强度和弹性，机械性能良好。”表示长链并联的个数， 称为聚合度，一般新纸1 2 13 0 0 ，当固体绝缘的寿命接近终止时它的聚合度为l5 0 2 0 0 。变压器固体绝缘材料中古有大量的无水右旋糖环和弱的c o 键，它们的稳定 性比油中的c h 键弱，固体绝缘中聚合物裂解的有效温度高于10 5 ，完全裂解和 碳化温度高于3 0 0 。在生成水的同时，生成大量的c o 和c 0 2 及少量的烃类气体 和呋哺化合物，同时油被氧化。c o 和c 0 2 的产生速率随温度升高而加快，也随油 中氧含量和纸湿度的增加而增大。表2 3 是纤维素在4 7 0 。c 下分解产生的产物。 表2 - 3 温度为4 7 0 c 时纤维素分解产物 1分解产物重量分解产物重量 水 3 5 5 c 0 2 104 0 醋酸1 4 0c 04 2 0 丙酮 0 0 7c h d02 7 焦油 4 2 0 c 2 h 4 0 1 7 其它有机化合物 5 2 0焦炭3 95 9 ( 7 乓弓、d 6 华北电力大学硕士学位论文 2 2 变压器典型的内部故障 充油电力变压器内部的故障模式主要是机械、热和电三种类型，其中以后两者 为主，并且机械性故障常以热或电故障的形式表现出来。人们对3 5 9 台故障变压器 实例统计得知过热性故障和高能放电故障是变压器故障的主要类型，分别占总数的 5 3 和1 8 1 ，其次分别是过热兼高能放电故障、火花放电故障和受潮或局部放电 故障【9j 。人们根据故障的原因及严重程度将变压器的典型故障分为6 种，各种故障 类型及其可能的原因列于表2 4 。 表2 4 充油电力变压器的典型故障 敞障类型故障的叮能原因 局部放电由不完全浸渍、高湿度的纸、油的过饱和，或空腔造成的充气空腔 中的局部放电，并导致形成x 蜡。 不良连接形成的不同电位或悬浮电位造成的火花放电或电弧，可发 生在屏蔽环、绕组中的相邻线饼间或导体问，以及连线开焊处或铁 低能放电j 苍的闭合回路中。夹件间、套管与箱壁、线圈内的高压和地端的放 电。本质绝缘块、绝缘构件胶合处以及绕组垫块的沿面放电。油 击穿、选择开关的切断电流。 局部高能量或短路造成的闪络，沿面放电或电弧。低j - t - l j 地、接头 高能放电之间、线圈之间、套管与箱体之间、铜排与箱体之间、绕组与铁芯 之间的短路。环绕主磁通的两个邻近导体之间的放电。铁一出的绝缘 螺丝、阎定铁芯的金属环之间的放电。 低温过热( 3 0 0 )救急状态下变压器超铭牌运行、绕组中油流被阻塞、铁轭央件中的 杂敞磁通过大。 中温过热( 3 0 0 。c螺柃连接处( 特别是铝排) 、滑动接触面、选择丌关内的接触面，以 t 7 0 0 )油箱和铁：b 上大的环流，油箱壁未补偿的磁场过高、形成一定的电 流，铁芯叠片之间的短路。 根据大量的试验和故障变压器实例可知，高能的电弧放电变压器油主要分解出乙 炔、氢气及少量的甲烷；局部放电变压器油主要分解出氢气和甲烷；过热时变压器 油主要分解出氢气、甲烷、乙烯等；固体绝缘在过热时主要分解出氧化碳和二氧 化碳等。不同故障类型所产生的主要特征气体和次要特征气体归纳于表2 5 中。 2 3 基于油中溶解气体分析的故障诊断方法 华北电力大学硕士学位论文 故障类型主要气体组分 次要气体组分 油1 寸孰 c h 私c 2 h 4 h 2 、c 2 h 6 油和纸过热 c h 4 、c 2 h 4 、c o 、c 0 2 h 2 、c 2 h 6 l油和纸绝缘中局部放电h ”c h 4 、c o c 2 h 2 、c 2 h 6 、c 0 2 l油中火花放电 h 2 、c 2 h 2 i油中电弧 h 2 、c 2 h 2 c h 4 、c 2 h 4 、c 2 h 6 l油和纸中电弧 h 2 、c 2 h 2 ，c o 、c 0 2 c l q 4 、c 2 h 4 、c 2 h 6 充泊电力变压器在长期的运行过程中受到电或热的作用会老化和劣化，产生少 量的气体。当变压器存在热或电故障时，产生气体的速度要加快，如果产生的气体 导致油中溶解气体饱和，气体就会进入气体继电器，导致变压器报警。人们将变压 器油中溶解气体中对判断变压器故障有价值的7 种气体即氢气( h 2 ) 、甲烷( c h 。) 、乙 烷( c 2 h 6 ) 、乙烯( c 2 h 4 ) 、乙炔( c 2 h 2 ) 、一氧化碳( c o ) 、二氧化碳( c 0 2 ) 称为特征气体， 把甲烷、乙烷、乙烯、乙炔的总和称为总烃。 2 31 判断变压器是否有故障的方法 判断变压器是否有故障的方法有根据气体浓度判断变压器是否故障的方法、根 据绝对产气速率判断变压器是否故障的方法和根据相对产气速率判断变压器是否 故障的方法。 ( 1 ) 根据气体浓度判断变压器是否故障的方法 f 常运行情况下，充油电力变压器在受到电和热的作用会产生一些氢气、低分 子烃类气体及碳的化合物。当变压器发生故障时气体产生速度要加快，所以根据气 体的浓度可以在一定程度上判断变压器是否发生故障，人们总结的变压器运行过程 中气体浓度的极限值如表2 - 6 所示。 表2 - 6 变压器投运前后气体浓度的极限值r 口l l ) j 纽分 h 2 c h 4 c 2h 6c 2 h 4c 2 h 2总烃c 0c 0 2 l 投运h _ f i 、 i 投运前或7 2 小时试5 01 0 51 0 痕( 0 5 12 02 0 015 0 0 1运行期内 运行半年内 l o o1551 0 痕( 1 0 0 “l l ，c h 4 占总烃的主要成份 火花放电 总烃不高，c 2 h 2 1 0 l l ，h 2 较高 l电弧放电 总烃高，c 2 h 2 高并构成总烃中的主要成份，h ：含量高 ( 2 ) i e c 三比值法 i e c 三比值法最早是由国际电工委员会( i e c ) 在热力动力学原理和实践的基础 上推荐的。我国现行的d l t 7 2 2 2 0 0 0 变压器油中溶解气体分析和判断导则擢荐 的就是改良的三比值法。其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5 种气体中选择两种溶解度 和扩散系数相近的气体组分组成三对比值，以不同的编码表示，根据比值的编码判 断变压器所属的故障类型。表2 - 9 和表2 1 0 是我国d l t 7 2 2 2 0 0 0 推荐的改良三比 值法的编码规则和故障类型判断方法。 三比值法原理简单、计算简便且有较高的准确率，在现场有着广泛的应用。三 比值法中各种气体针对的是变压器本体内的油样，对气体继电器中的油样无效，只 有根据气体各组分含量的注意值或气体增长率的注意值有理由判断变压器存在故 障时，气体比值才是有效的，对于正常的变压器比值没有意义。同时三比值法还存 在一些不足，比如实际情况中可能出现没有对应比值编码的情况、对多故障并发的 情况判断能力有限、不能给出多种故障的隶属度、对故障状态反映不全面f 9 1 。 表2 9 三比值法的编码规则 气体比值范围比值范围编码 c 2 h 2 c 2 h 4c h 4 h 2c z h 4 c 2 h 6 = o1 = l = 3 222 华北电力大学硕士学位论文 表2 1 0 故障类型判断方法 编码组合 故障类型判断 lc 2 h 2 c 2 h 4c h h 2c 2 h 4 c 2 h 6 oo l 低温过热( 低于l5 0 度) 20 低温过热( 15 0 度3 0 0 度) 2l 中温过热( 3 0 0 度7 0 0 度1 0 ，1 ，22 高温过热( 高于7 0 0 度) 10局部放电 2o ，10 ，1 。2 低能放电 20 ，l ，2 低能放电兼过热 0 ，10 ，1 ，2 电弧放电 【 1 20 ，i ，2电弧放电兼过执 比值法除了i e c 三比值法外还有得能堡比值( d o e r m e n b u r gr a t i o s ) 法、劳杰士 ( r o g e r s ) 比值法、德国四比值法、同本的电协研法等。这些方法都是根据两种气体 比值后形成编码来判断变压器故障类型的，与三比值法不同就是使用的气体种类、 编码方法和编码对应的故障类型不同。 ( 3 ) 无编码的比值法瞰l 三比值方法存在着找不到对应故障类型的隋况，而且判断方法相剥复杂。学者 杜样在1 0 年中通过对国内外大量变压器故障实例的分析和研究，提出了一种“无 编码比值法”，该方法在一定程度上解决了三比值法故障编码缺少，有的故障用三 比值法无法诊断的问题。无编码比值法故障诊断方法如表2 1 l 所示。 表2 1 1 无编码比值故障诊断方法 【敌障性质 c 2 h 2 c 2 h 4c 2 h 4 c 2 h 6c h j h 2 l低温过热 3 0 0 - c ol l无关 中漏对执3 0 0 7 0 0 0 !】 k g 值 7 0 0 3 无关 高能放电 0 1 比值 3无关 1 高能放电兼过热 0 1 3无关 3无关 1 2 4 其它的各种辅助判断方法 上述方法仅考虑到发生的故障是由变压器内部缺陷产生的，没有考虑到变压器 进水、进气等其它因素，没有给出变压器故障是否涉及到固体绝缘，且不能给出变 压器故障严重程度的信息，所以在实际情况中还应浚考虑到以下一些辅助因素。 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 比值c 0 2 c o 当变压器涉及到固体绝缘时会引起c o 和c 0 2 的明显增长，但是固体绝缘的老 化与故障情况下的分解产气并没有明显的界限，其主要原因是从空气中吸收的c 0 2 及固体绝缘和油长期老化形成的c o 和c 0 2 过高导致的。但是老化产生的c 0 2 与 c o 的比值与故障涉及固体绝缘时c 0 2 与c o 的比值是不同的，根据它们的比值可 以判断变压器是否涉及固体绝缘。经验证明，当怀疑变压器固体绝缘老化时，一般 c 0 2 c o 7 ，当怀疑故障涉及固体绝缘材料时( 高于2 0 0 。c ) ，可能c 0 2 c o 3 ，必要 时应从最后一次的测试结果减去上一次的测试数据，重新计算比值，以确定故障是 否涉及固体绝缘。 ( 2 ) 比值0 2 n 2 由于变压器油中0 2 和n 2 相对溶解度的不同，一般0 2 小2 接近于o 5 。当变压器 发生故障时氧气的含量就会下降，当0 2 n 2 2 时认为 是有载调压污染的迹象，此时可以通过比较主油箱和储油罐的油中溶解气体浓度确 定主油箱中溶解气体异常的真正原因。 ( 4 1 油中微水测试 变压器进水时，溶解在油中的水受到铁、氧等作用会分解出氢气，此时油中的 气体产物与变压器发生局部放电时的产物是很接近的，同时溶解于油中的水可能会 产生局部放电，所以变压器进水与发生局部放电很难区分。可以通过油中微水测试 来判别，当使用特征气体法或比值法判断变压器属于局部放电，且变压器油中微水 含量很高，就有理由怀疑油中特征气体异常是由于变压器进水受潮造成的。 ( 5 ) 故障源温度的估计 故障源温度与故障产生的能量相关，而能量又与分解产物有关，所以故障源温 度与分解产物有关，根据分解产物可以估计故障源温度。日本学者月冈淑郎提出了 一个根据气体比值估计故障源温度的经验公式，针对变压器油过热，当热点温度高 于4 0 0 。c 时有以下经验公式。 ，h t = 3 2 2 1 9 等+ 5 2 5 ( 2 _ 3 ) 26 f 6 ) 故障源功率的估算 变压器油裂解产生标准状况下2 2 4 l 的气体需要的能量是2 1 0 k j 。则裂解每升 1 1 华北电力大学硕士学位论文 气体需要的能量q 1 = 2 1 0 2 24 = 9 3 8 k w 。热解系数定义为吸收能量占总“f l e 4 m - 比值 所以故障源功率估计公式为 p：业(2-4) 岛 式中，p 是故障源功率，单位为k w ；q ，如前所述；v 是故障时间内气体产生量，单 位为l ；f 是故障持续时间，单位为s ：s 是热解系数，不同故障对应的热解系数如 下 局部放电 铁j b 局部短路 线圈层间短路 式中，为热源温度，单位为。 2 5 本章小结 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) r 2 - 7 1 分析了变压器油和固体绝缘的成份以及气体产生的机理，给出了变压器内部典 型的6 种故障及其对应的产气特征，介绍了变压器是否故障的判断方法以及变压器 故障类型的判断方法，同时给出了辅助的故障判断方法，为专家系统中的故障诊断、 人工智能方法的应用建立了坚实的基础。 华北电力大学硕士学位论文 第三章神经网络在变压器油中溶解气体分析故障诊断中的应用 由于变压器油中溶解气体的形成涉及复杂的机理，而且与电、热、机械等方面 的作用相互耦合，通过理论方法无法完全精确地确定从变压器油中溶解的特征气体 浓度到变压器所属的故障类型及严重程度之间的映射关系。多层前馈神经网络具有 形成非线性映射、自学习、自适应等优点，非常适合于逼近故障特征气体浓度到故 障类型的映射，所以它在基于油中溶解气体分析的变压器故障诊断中有着十分广泛 的应用。在建立适合于变压器油中溶解气体分析故障诊断神经网络模型后就可以使 用一定数量有效的样本对神经网络训练，神经网络的学习并不需要专家的先验知 识，训练后的神经网络能学习到样本中隐藏的规律，此后给定油中溶解气体浓度通 过神经网络就能快速地获得变压器的故障情况。 3 1 神经网络基础 3 11 神经网络的定义 神经网络是人们从模仿入脑的工作杌理中得来的，它是个非线性信息处理系 统。神经网络由许多个人工神经元互连而成，人工神经元是信息处理单元，整个神 经网络可以完成复杂的信息处理过程。神经网络通过训练算法学习到隐吉在训练样 本中的知识，这些知识将隐含在神经网络的权值和阀值中，此后神经网络可以利用 这些知识进行相应的应用。 3 12 神经网络的特点 神经网络在各个领域有着广泛的应用，它必然存在着其它信息处理系统所不具 备的优点，总的来说神经网络主要有以下几个方面优点【2 j ： ( 1 ) 非线性 人工神经元可以采用线性或非线性形式，一个使用大量非线性神经元连接而成 的神经网络在本质上是非线性的，它的非线性存在于网络分布连接的所有范围内。 非线性是一个高度重要的特性，自然界中存在的许多映射就是非线性的，比如语音 信号的产生。 ( 2 ) 输入输出映射 神经网络的监督学习就是根据训练样本修改神经网络的可变参数，即神经网络 的权值和阈值。样本中包含神经网络的输入部分和希望得到的输出部分，网络通过 不断调整可变参数使它对学习样本中的输入部分能给出相应的输出部分，此目神经 网络相当于一个从样本输入部分到样本输l p , 部分的映射，它是一种非模型估计方 华北屯力大学硕t 学位论文 法，使用神经网络实现的映射不需要问题的先验知识。 ( 3 ) 自适应 神经网络具有能根据周围环境的变化自适应调整网络可变参数的性能，而且对 于环境的微小改变，神经网络能很快地调整参数适应新的环境。当神经网络用于动 态改变的环境时，网络能改变可变参数实时地适应环境，已经训练完成的网络遇到 新样本时，网络可以通过训练学习到新样本中隐藏的信息，使网络在不断使用中能 不断地学习到样本中隐藏的规律。 f 4 1 可信度估计 当用于模式识别时，神经网络不仅可以提供样本属于何种模式，而且它还可以 提供结论的可信度。结论的可信度可以用于拒绝模棱两可的问题，所以能提高神经 网络分类的性能。 f s ) 信息的分布式存储 知识存储于神经网络的每个神经元的结构和激活状态中，每个神经元所反映的 知识受到其它神经元的影响，这样神经网络所实现的信息处理就自然分布于各个神 经元中了。 ( 6 ) 容错性 神经网络具有内在的容错性，也就是某些神经元的损坏对它整体计算性能的影 响并不大。也就是说个别神经网络及其连接权值的损坏并不会影响网络的使用，随 着损坏部件的增多，网络性能的损坏是渐近的，不是突发的。 ( 7 ) 非常大规模的集成( v a r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e d ，v l s i ) 电路- 的实现 神经网络内在巨大的并行处理特性使它能快速地解决一些问题，同样也使它能 使用v l s i 技术去实现，使用v l s i 能使神经网络内在并行的计算能力得到彻底地发 挥。 313 人工神经元模型 人工神经网络由大量的人工神经元构成，神经元的特性很大程度上影响网络的 性能。目前人工神经元模型大多采用由m c c u l l o c h 和p h t s 共同提出的m p 模型一 图3 。l 表示一个人工神经元模型。 它由三个基本要素组成： ( 1 ) 一组连接( 对应生物神经元的突触) ，连接强度由各连接上的权值表示，权值 为正表示激活，负表示抑制。此外还有个闽值0 。( 或偏置以= 一吼) ，有时为了表示 方便将阈值看成权值的一个元素。 f 2 ) - 个求和单元，用于求取各输入信号的加权和。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 一个非线性激活函数，起非线性映射的作用，并将神经元输出的幅值限制在 一定的范围内( 一般是限值在( 0 ，1 ) 或( 一1 ，+ 1 ) 之间) 。 神经元实现的是一个多输入单输出的非线性函数，其作用可用式( 3 1 ) 表示： 输x 2 入 信 号 连接权 图3 + 1 人丁神经元模型 p “女= w 目z j ，