电力变压器故障在线监测与诊断系统

中南大学 硕士学位论文 电力变压器故障在线监测与诊断系统 姓名：夏向阳 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：罗安
20040101
中南大学硕士学位论文
摘要
摘要
本文研究课题是湖南超高压输变电公司和中南大学共同合作攻关 科研项目，其目的是开发变压器故障的在线监测诊断系统。本文通过 建立～种变压器故障综合诊断的多级决策融合模型，将油中溶解气体 分析与常规电气试验的结论结合起来，并充分借鉴现场的运行、诊断 和维修经验，具有较强的知识表示及不确定性处理能力。本文首先简 要介绍了变压器智能在线诊断的意义、国内外发展现况及故障诊断方 法；然后系统地阐述了电力变压器故障诊断模型和多种诊断理论的基 础和方法；接着结合电力变压器故障诊断的具体情况，较为深入地分 析了诊断理论用于电力系统变压器在线故障诊断时的具体实现方法， 即在信息融合思想的指导下，采用一个基于层次分类的变压器故障诊 断模型，分析利用各种诊断方法的诊断结果；最后对诊断软件的实现 进行了较详尽的论述，包括软件开发平台的确定、功能的实现以及用 到的关键技术和开发过程中碰到的一些问题与解决方法。
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本人声明，所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位 的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所做的贡献均已 在论文中作了明确的说明。
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自动进行诊断，同时根据变压器电气异常的多特征量的特点，采用信息融合技术 在线智能化检测和对故障的综合诊断，真正提高电站运行的管理水平
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１．２国内外发展状况
变压器油中溶解气体的监测～直是相关部门进行研究探讨的课题，人们首先 想到是在油气分离上作出变革，通过大量研究，采用出仅使气体分子透过的高分 子透气膜组成油气分离单元，如早在６０年代美杜邦公司就开始采用聚酯中空纤 维膜回收氢气等：其次是在气体检测单元上作出变革，不用复杂的色稽仪，而用 气敏传感器对分离气体检测，而气敏传感器的敏感度与所添加的贵重金属有关， 如美国、南非及日本的公司都曾采用了氧化物半导体传感器实施监测，英国和爱 尔兰的公司则使用催化燃烧型传感器等。在国内早在８０年代初期，北京供电局 等七省市联合研制组对聚酰亚胺膜的透气性做了大量的工作，这是国内在这领域 内最早的开发。这种膜的透气性较差，目前正在逐渐被其它膜所取代。电力部电 力科学研究院就不同膜的透气率做了反复测试，发现聚四氟乙烯膜（简称ＰＦＡ膜） 的透气性好，又有良好的机械性能和耐油、耐高温等诸多优点，因此它被普遍选 用作为油中溶解气体检测仪的透气膜。对于在线监测装置方面，特剐是近年来， 我国从国外进口了不少在线监测仪器，如加拿大Ｈ２０ｌＲ型和澳大利亚ＤＲＭｃＣ型变 压器在线监测仪器等。其中最具有代表意义和较多的是加拿大ｓＹＰＲＯＴＥｃ公司研 制的ＨＹＤＲＡＮ系列产品。加拿大７０年代就研究利用燃料电池作为检测氢气的传感 器，ｓＹＰＲＯＴＥｃ公司现已批量生产便携式１０３Ｂ型和在线式２０ｌＲ型２种类型的氢气 检测仪。ＨＹＤＲＡＮ２０ｌＲ工作原理是采用聚四氟乙烯薄膜来渗透气体，并测量溶解气 体的扩散率。运行时，安装在变压器上的薄膜与油接触，溶解气体渗透过薄膜进 入燃料电池空腔内，在空腔内，气体迅速被燃料电池消耗掉。其中每个氢分子到 达燃料电池的阳极时便会产生２个电子与２个氨离子，周围空气中的氧在阴极处 与氢离子发生还原反应生成水。由燃料电池所产生的电子流通过读取一个负载电 阻上的电压值来测定，显示出油中氢气的浓度。传感器的输出取决于通过膜渗透 的速率，而渗透速率又与油中溶解气体的浓度成正比。因此安装部位对测试数据 有较大影响。ＳＹＰＲＯＴＥＣ公司推荐安装首选是散热器底部，这里能提供一个良好的 油流流速及适当运行温度的油品。尽管Ｈ２０１Ｒ检测的精度高，重复性好，但燃料 电池的寿命有限，造价也高，并且实际测试结果受其它气体影响较大，其读数值 等于Ｈｚｘ １００％＋ｃ０×１５％＋ｃ２Ｈ２×８％＋ｃ扎×１％。该读数无法反应出各种气体的精 确含量，只是单种气体的变化可以在总读数中体现出来。其灵敏度如百分数所示。 可见当存在ｃ０气体时，测试结果实际为氢气与１５％左右的ＣＯ的总和。这样就有 可能产生误报警。｝ＩＹＤＲＡＮ仪器读出的气体数据被记录以建立一条基线，根据基线 设置对应的两级报警值，通过分析数值偏离基线上升突破报警设置，引发报警的
作者签名：烫姻篁旦 日期：世年卫月丑日
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位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全都或部分内 容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省 有关部门规定送交学位论文。
作者签名：塑翅塑 导师签名竖虫日期：戤年卫月４臼
障进行综合评判，实现智能化诊断ｆ４ｌ【刮咖９…【１８】【２３艄Ｊ【４２ Ｊ…【“１１５２】。
通常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。对于多数大型变压器，目 前几乎都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， 丽与绝缘油的种类和牌号无关忙】。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，可以作为反映变压器电气异常的特征 量。因此对变援器油中溶解气体分析的在线检测方法，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，并且可以及时根据专家系统对故障
现今电力部门对设备维修观念也随着电网容量和电网等级不断提高发生变 化，从事故后维修制到预防性维修制，在到以在线检测状态为基础的预知性维修 铡的形式。预知性维修制是实时或定肘灼在线了解变压器的运行状态，以埂能及 时采取有效的维护对策，消除潜伏性故障和缺陷，尽可能地减少停电损失。在线 检测与诊断的重要特征是检测系统中采用了高灵敏度的传感器对反映电力设备在 运行中劣化的信息（特征量）进行采集１３ｍ２１１１９】㈣，根据信息处理和诊断技术对故
Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ ｔｌｌｒｅｅ ｍ血ｓｕｂ．ｍｏｄｕｌｅ ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｈｄｅｓ ｉＩｌｆｂ姗ａｔｉｏｎ
ｃ０１ｌｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ，出慨ｍ柚ａｇｅｍｅｎｔ ｍｏｄｕｌｅ，ｆａｕｌｔ ｄｉ楚皿ｏｓｉｓ ｍｏｄｌｌｌｅ．Ｉｎ ｆ撕ｈ ｄｉａ驴ｏｓｉｓ ｍｏｄｕｌｅ， ｉｎｔｅｇｒａ【ｅｄ ｄｉａ印ｏｓｉｓ ｍｏｄｕｌｅ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ。１ｈｅ ｄｉａ驴ｏｓｔｉｃ
整个系统可分为三个大模块：信息采集模块、数据管理模块和故 障诊断模块。其中诊断模块是以集成诊断形式出现，利用决策融合网 络将基于不同诊断机理与方法的诊断子模块进行融合，提高了诊断确 诊率。本系统可提高电网运行的可靠性，并切实提升用户对电气设备 进行状态诊断的自动化及智能化水平。
关键词：变压器，信息融合，故障诊断，专家系统
ｓｔｒＩｉｃｔｌＩｒｅ ｏｆ ｍｅ ｗｈ０１ｅ ｓｖｓｔｅｍ ａｎｄ ｉｔｓ ｗｏｒｋ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｒｅ ｉＴｌ仃ｏｄｕｃｅｄ ｄｅ协ｉｌｅｄｌｖ：
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ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｆａｕｌｔ ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｂｕｉｌｔ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ ｄｉｓｓ０１ｖｅｄ ｇａｓ—ｉｎ，ｏ订ａＪｌａＩｙｓｉｓ ａｎｄ ｌｌｌｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｔｅｓ忸ｏｆ ｐｏｗｅｒ
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第一章 绪 论
１．１引言
随着国民经济的发展，电力事业迅速增长，装机容量和电网规模在日益增大， 一个大型的设备系统往往由大量的工作部件组成，不同的部件之间互相关联，紧 密耦合。这一方面提高了系统的自动化水平，为生产带来了可观的经济效益，另 一方面，由于影响系统运行的因数剧增，使其产生故障或失效的潜在可能性越来 越大。一个部件的故障常常会弓ｌ起链式反应，导致整个系统甚至整个生产过程不 能正常运行乃至瘫痪，这些无不在提醒人们对电力系统中设备的运行可靠性的要 求不断提高。在现代电力设备的运行和维护中，电力变压器不仅属于电力系统中 最重要的和最昂贵的设备之列，而且是导致电力系统事故最多的设备之一１１”。因 此国内外一直把电力变压器在线检测与诊断技术作为重要的科研攻关项目，现今 大多数运用的技术有局部放电法、介质测试法及变压器油色谱分析法等 【ｌｌｆ２１【，，ｊＩ删㈤【４６１１５”，其中又以通过检测油中溶解的特征气体含量来判断潜伏性故障 的方法作为在电力部门保证变压器安全运行的重要手段‘’Ⅱ”】【２０】【“】【３５Ｉ刚【”】【…。
打ａｎｓｆｏｎｎｅｒｓ ａｒｅ ｃｏⅡｌｂｉｎｅｄ ｔｉ曲ｔｌｙ．ｎｅ ｏｎ—ｓｉｔｅ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ ｉｎ ｏｐｅｒａｌｉｏｎ，ｄｉａ朗ｏｓｉｓ
ａＩｌｄ ｍａｉｍｅｎａｎｃｅ ａｒｅ ｈｉ曲ｌｙ ｕｔｉｌｉｚｅｄ ｉｎ ｍｅ ｍｏｄｅｌ．ｎ ｈａｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｌｌｌｅ ｍｏｄｅｌ ｐｏｓｓｅｓｓｅｓ ｓａｔｉｓｆａｃｔｏ巧ｃ印ａｃ时ｏｆ ｈｏｗＩｅｄ驴ｒｅｐｒｅｓｅｌｌ协ｔｉｏｎ ａＩｌｄ ｓ仃ｏｎｇ ｓｏｌＶｉＩｌｇ
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ｏｎｌｉｎｅ ｄｉ孵１０ｓｉｓ ｔｅｃｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｉｔｓ ｄｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｃｔｕａｌｉｔ），ａｒｅ ｇｉＶｅｎ ｂｒｉｅｆｌｙ，ｔｈｅ
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