基于油中溶解氣體分析的電力變壓器絕緣故障診斷方法

1、基于油中溶解氣體分析的電力變壓器絕緣故障診斷方法摘要:電力變壓器是電力系統(tǒng)的樞紐設(shè)備,其運行可靠性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定,油中溶解氣體分析方法作為一種有效的充油電力設(shè)備異常監(jiān)測手段,在電力系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。本文綜述了基于油中溶解氣體分析的電力變壓器故障診斷技術(shù)的產(chǎn)生背景、研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向?，F(xiàn)代變壓器相對于早期的設(shè)計采用了更為緊湊的絕緣方式,因此在運行中其內(nèi)部絕緣所需承受的熱和電應(yīng)力水平顯著提高。目前110kV及以上等級的大型電力變壓器仍主要采用油紙絕緣結(jié)構(gòu),在正常老化過程及故障初期,油紙絕緣劣化所形成的低分子烴、氫氣以及碳的氧化物等氣態(tài)化合物絕大部分將溶解于油中。采用IEC567號

2、出版物所述的方法1,能夠從油樣中分離出這些溶解氣體,并可利用色譜技術(shù)對其進(jìn)行定量分析。變壓器油中溶解的各種氣體成分的相對數(shù)量和形成速度主要取決于故障點能量的釋放形式及故障的嚴(yán)重程度,所以根據(jù)色譜分析結(jié)果可以進(jìn)一步判斷設(shè)備內(nèi)部是否存在異常,推斷故障類型及故障能量等。油中溶解氣體分析(Dissolved Gases Analysis,簡稱DGA作為目前電力系統(tǒng)中對充油電力設(shè)備常規(guī)使用的重要監(jiān)測手段,因能夠及時發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部存在的早期故障,在以往的運行維護(hù)中消除了不少事故隱患。據(jù)統(tǒng)計2,我國電網(wǎng)中有50%以上的故障變壓器是通過該試驗結(jié)果檢出的。由于這一檢測技術(shù)能夠在無須停電的情況下進(jìn)行,不受外界電場

3、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(jìn)行診斷,有利于促進(jìn)由定期維修方式向狀態(tài)維修方式的過渡。1 電力變壓器DGA分析方法的研究現(xiàn)狀所有運行中的變壓器,包括一直運行良好的輕負(fù)載設(shè)備,都會產(chǎn)生一定數(shù)量的H2和CH4,總的氣體含量一般取決于運行時間和負(fù)載情況。從1968年起,英國的CEGB就開始對數(shù)量不斷增加的超高壓變壓器進(jìn)行常規(guī)的DGA分析,截止到1970年每年檢查的總設(shè)備量已超過了1000臺。根據(jù)這些檢查結(jié)果的統(tǒng)計分析,曾嘗試建立了一個油中溶解氣體含量的注意值標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)是基于90%的變壓器是運行正常的,而將其余10%高于此標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備認(rèn)為內(nèi)部存在著可能引發(fā)事故的早期故障。對于運行設(shè)

4、備來說,溶解氣體的不安全或不可接受的水平至今仍是一個有爭議的問題,最近Duval等提出了更為合理的方法3,該方法是基于對運行變壓器所發(fā)生的故障和事故真實幾率的分析而得出的。Halstead在1973年發(fā)表的報告中,對油中分解的碳?xì)錃鈶B(tài)化合物的產(chǎn)生過程進(jìn)行了熱動力學(xué)理論分析,認(rèn)為對應(yīng)于不同溫度下的平衡壓力,一種碳?xì)錃怏w相對于另一種碳?xì)錃怏w的比例取決于熱點的溫度4。因此建立了如下假設(shè):特定碳?xì)錃怏w的析出速率隨溫度而變化,每種氣體在不同的溫度下達(dá)到其最大析出速率,在特定溫度下各類氣體的相對析出速率是固定的。根據(jù)這一假設(shè),隨著溫度升高,析出速率達(dá)到最大值的次序依次為:H2、CH4、C2H6、C2H4和

5、C2H2。Halstead假說是應(yīng)用油中溶解氣體比值法診斷設(shè)備故障類型并估計熱點溫度的理論基礎(chǔ)。根據(jù)這一假設(shè),隨溫度的變化,故障點產(chǎn)生的各氣體組分間的相對比例是不同的。Rogers由此選擇5種特征氣體的4個相對比例CH4/H2、C2H6/CH4、C2H4/C2H6和C2H2/C2H4來進(jìn)行故障診斷5。由于C2H6/CH4只能反映油紙分解的極有限的溫度范圍,所以在后來的IEC標(biāo)準(zhǔn)中將此比值刪去,修改后的三比值法被普遍認(rèn)為是最為簡明的解釋6,這些比值將已知故障按從早期故障到重大故障的順序作了較合理的排列。Rogers對IEEE和IEC的編碼和使用方法作了詳細(xì)的說明7。此后,IEC三比值法一直是利用

6、DGA結(jié)果對充油電力設(shè)備進(jìn)行故障診斷的最基本的方法。但在長期的實踐中發(fā)現(xiàn)IEC599所提供的編碼是不完全的,實際應(yīng)用中有相當(dāng)一部分DGA結(jié)果落在所提出的編碼之外,以至于對某些情況無法進(jìn)行診斷。日本電氣協(xié)同研究會提出的電協(xié)研法8和我國湖北電力試驗研究所提出的改良電協(xié)研法9都對IEC 編碼作了進(jìn)一步的補(bǔ)充。其他一些利用DGA結(jié)果分析變壓器故障的較直觀的圖形方法在現(xiàn)場也得到了廣泛的應(yīng)用,如以CH4、C2H4和C2H2三組分相對含量為基礎(chǔ)的三角圖法10,以H2、CH4、C2H4、C2H6和C2H2相對濃度比為基礎(chǔ)的氣體主導(dǎo)型圖法11等。這些方法大多仍局限于閾值診斷的范疇。2 AI技術(shù)在絕緣故障診斷中的

7、應(yīng)用近年來,人工智能(Artificial Intelligence,簡稱AI理論的出現(xiàn)及其在故障診斷中的成功應(yīng)用,為變壓器故障診斷技術(shù)的發(fā)展開拓了新的途徑。熟練維修人員的高齡化和年輕維修人員的培養(yǎng)不足是當(dāng)前電力運行單位所面臨的一個主要問題。專家系統(tǒng)是一種具有大量專門知識的程序系統(tǒng),它根據(jù)多個專家提供的專業(yè)知識進(jìn)行推理,解決通常需要專家才能解決的復(fù)雜問題。借助專家系統(tǒng)的幫助,使運行和維護(hù)人員可以迅速、準(zhǔn)確地將異常設(shè)備分選出來,從而在一定程度上緩解了現(xiàn)場對維修人員在經(jīng)驗方面的要求。用于電力變壓器故障診斷的專家系統(tǒng)最早見于Riese 在1986年公布的TOGA系統(tǒng)12,其后有很多類似的系統(tǒng)被應(yīng)用到

8、實際工程當(dāng)中13。任何專家系統(tǒng)的有效性完全取決于它所采用的判斷規(guī)則和領(lǐng)域經(jīng)驗的質(zhì)量。但實際上故障診斷知識的獲取是非常困難的,這一直是阻礙傳統(tǒng)專家系統(tǒng)應(yīng)用的“瓶頸”問題。等人利用Kohonen自組織網(wǎng)絡(luò)對英國NGC約600臺變壓器的色譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了聚類分析20,結(jié)果表明通過對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q可以將電弧性故障和過熱性故障非常簡便、直觀地分離開來。由于在使用DGA進(jìn)行故障診斷時,存在各種不確定性。為此,部分研究者更傾向于將模糊數(shù)學(xué)的推理方法應(yīng)用于變電設(shè)備絕緣診斷的研究中。模糊集合論的應(yīng)用,其背景在于如何用數(shù)學(xué)的手段,把人類對復(fù)雜事物進(jìn)行的描述、模糊判斷、推理及決策等能力移植到自動診斷過程中。將模

9、糊數(shù)學(xué)用于故障的診斷中,可以用精確的數(shù)學(xué)方法把模糊不清的概念或自然語言清晰化,從而對故障現(xiàn)象能夠合理地加以量化。Tomsovic K 構(gòu)造了一種針對電力變壓器的模糊推理機(jī),允許對各種診斷結(jié)果(如溶解氣體分析、超聲檢查、電氣試驗等建立開放式的組合方案21。C. E. Lin針對常規(guī)DGA診斷方法中對特征氣體含量所規(guī)定的注意值和IEC三比值法標(biāo)準(zhǔn)過于絕對的缺陷22,在統(tǒng)計某電力公司大量試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,提出了與各種故障相對應(yīng)的特征氣體含量及其比值的隸屬函數(shù),為保證科學(xué)地確定隸屬函數(shù)作出了努力。Huang Yann-Chang進(jìn)一步開發(fā)了模糊評估系統(tǒng)對初始診斷結(jié)論進(jìn)行優(yōu)化處理23。模糊數(shù)學(xué)作為一種處

10、理不精確信息的有效工具,毫無疑問它將有助于提高診斷系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。但是還應(yīng)看到,目前確定隸屬函數(shù)的方法還較簡單,缺乏令人信服的客觀依據(jù)。結(jié)合各種人工智能技術(shù)的綜合診斷方法也相繼被提出,何躍英等初步實現(xiàn)了模糊推理方法和專家系統(tǒng)的結(jié)合24;徐文等嘗試將專家系統(tǒng)與ANN通過協(xié)商機(jī)制結(jié)合起來25,以克服二者單獨進(jìn)行診斷的“脆弱性”這些方法在應(yīng)用中都取得了一定的效果。3 討論與展望具有一定規(guī)模的電力系統(tǒng)總是逐步發(fā)展起來的,往往陸續(xù)裝備了各個時期制造的型號、材質(zhì)及工藝不同的變壓器,這就給建立通用的診斷方法造成了很大的困難。迄今為止,變壓器故障診斷技術(shù)的研究還遠(yuǎn)不夠完善,特別是在所使用的分析方法與具體診斷領(lǐng)域知識的有效結(jié)合方面還存在諸多問題,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:1現(xiàn)有的診斷方法都未將診斷對象看成一個有機(jī)的整體。大多利用診斷對象所表現(xiàn)出的特定信號來診斷特定類型的故障,未能有效地考慮各種故障現(xiàn)象之間可能存在的相互關(guān)聯(lián)。2目前大部分研究者在根據(jù)DGA結(jié)果判斷變壓器故障類型方面,仍主要局限于IEC三比值法的分析思想,僅從分析故障點的物理特性出發(fā),最終的判斷結(jié)果實際上僅能給出故障所表現(xiàn)的征兆(如過熱或放電,對維修策略的制定缺乏指導(dǎo)意義。3由于油中溶解氣體的累積效應(yīng)和取樣分析時的誤差影響,目前常規(guī)的DGA診斷方法很難在溶解氣體含