利用油色谱分析诊断变压器故障

摘　要：简述了变压器故障诊断的重要性及故障诊断的发展概况，介绍了电力变压器故障诊断的方法，并对其中的气相色谱分析法做了重点的分析，最后，基于变压器故障诊断的油中溶解气体分析技术，编制了变压器故障诊断专家系统(TFDES)。
关键词：变压器 故障诊断 油色谱分析 专家系统

　　1．概述
　　1．1 变压器故障诊断的重要性
　　电力变压器是电力系统中最关键的设备之一，它承担着电压变换，电能分配和传输，并提供电力服务。因此，变压器的正常运行是对电力系统安全、可靠、优质、经济运行的重要保证，必须最大限度地防止和减少变压器故障和事故的发生。但由于变压器长期运行，故障和事故总不可能安全避免，且引发故障和事故又出于众多方面的原因。如外力破坏和影响，不可抗拒的自然灾害，安装、检修、维护中存在的问题和制造过程中遗留的设备缺陷等事故隐患，特别是电力变压器长期运行后造成的绝缘老化、材质劣化及预期寿命的影响，已成为发生故障的主要因素。同时，部分工作人员业务素质不高、技术水平不够或违章作业等，都会造成事故或导致事故的扩大，从而危及电力系统的安全运行。
　　因此及早发现这些潜伏性故障，并采取相应的措施消除这些隐患，对于保障变压器的安全可靠运行具有重要意义。
　　1．2 故障诊断的发展概况
　　我国几十年来一直沿用定期进行预防性试验的方法与制度，经过广大电力专业人员不断的积累经验和改进，对电力设备的安全运行发挥了重要作用。但随着电力设备运行电压的提高、单台容量的增大、结构品种的多样化，原主要依靠定期停电后进行绝缘预防性试验的方法已显得很不适应。不但试验时需要停电，更重要的是原有停电后的试验内容及方法，不少已难以真实的反映出被试设备在运行条件下的绝缘状况。
　　2．电力变压器故障诊断的方法
　　2．1 电力变压器预防性试验简介
　　电力变压器的预定性试验主要包括：油中溶解气体色谱分析、局部放电测量、绕组直流电阻测量、绕组及铁芯的绝缘电阻测量、吸收比测量、绕组的tanδ测量、绝缘油的电气试验和交流耐压试验等。下面对部分试验项目作一简单介绍。
　　2．1．1 测量绝缘电阻和吸收比
　　测量绝缘电阻和吸收比，是检查变压器绝缘状态简便而通用的方法。一般对绝缘受潮及局部缺陷，如瓷件破裂、引出线接地等，均能有效地查出。经验表明，变压器的绝缘在干燥前后，其绝缘电阻的变化倍数，比介质损失角的变化倍数大得多。所以变压器在干燥过程中，主要使用兆欧表来测量绝缘电阻和吸收比，从而了解绝缘情况。
　　2．1．2 泄漏电流试验
　　泄漏电流试验和测量绝缘电阻相似，但因施加电压较高，能发现某些绝缘电阻试验不能发现的绝缘缺陷。如变压器绝缘的部分穿透性缺陷和引线套管缺陷等。
　　泄漏电流值的大小，与变压器的绝缘结构、试验温度、测量方法等因素有关。一般在绝缘良好时，利用泄漏电流值换算的绝缘电阻，与使用兆欧表加屏蔽测得的绝缘电阻值接近。
　　2．1．3 绕组的直流电阻测量
　　测量绕组的直流电阻是出厂、交接和预防性试验的基本项目之一，也是变压器故障后的重要检查项目。这是因为直流电阻及其不平衡率对综合判断变压器绕组的故障具有重要意义。当导电回路局部过热故障，测量直流电阻有较高的灵敏度。
　　2．2 油中溶解气体分析法
　　目前，在变压器故障诊断中，单靠电气试验方法往往很难发现某些局部故障和发热缺陷，而通过变压器油中气体的色谱分析这种化学检测的方法，对发现变压器内部某些潜伏性故障及其发展程度的早期诊断非常灵敏而有效，这已为故障诊断的实践所证明。
　　油色谱分析的原理是基于任何一种特定的烴类气体的产生速率随温度而变化，在特定温度下，往往有某一种气体的产气率会出现最大值；随着温度升高，产气率最大的气体依次为CH4、C2H6、C2H4、C2H2。这也证明在故障温度与溶解气体含量之间存在着对应的关系。而局部过热、电晕和电弧是导致油浸纸绝缘中产生故障特征气体的主要原因。
　　变压器在正常运行状态下，由于油和固体绝缘会逐渐老化、变质，并分解出极少量的气体（主要包括氢H2、甲烷CH4、乙烷C2H6、乙烯C2H4、乙炔C2H2、一氧化碳CO、二氧化碳CO2等多种气体）。当变压器内部发生过热性故障、放电性故障或内部绝缘受潮时，这些气体含量会迅速增加。对应这些故障所增加含量的气体成分见表2-3。
　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　表2-3 不同绝缘故障气体成分的变化

　　这些气体大部分溶解在绝缘油中，少部分上升至绝缘油的表面，并进入气体继电器。经验证明，油中气体的各种成分含量的多少和故障的性质及程度有关。因此在设备运行过程中，定期测量溶解与油中的气体成分和含量，对于及早发现充油电力设备内部存在的潜伏性故障有非常重要的意义和显著的成效，在1997年颁布执行的电力设备预防性试验规程中，已将变压器的气体色谱分析放到了首要的位置，并通过近些年的普通推广应用和经验积累取得了显著的成效。
　　3．气相色谱分析法
　　3．1 特征气体产生的原因
　　在一般情况下，变压器油中是含有溶解气体的，新油含有的气体最大值约为CO-100μL/L，C02-35μL/L，CH4-2.5μL/L。运行油中有少量的CO和烴类气体。但是，当变压器有内部故障时油中溶解气体的含量就大不相同了。变压器内部故障时产生的气体及其产生的原因如表3-1所示。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 表3-1 特征气体产生的原因

　　油中各种气体成分可以从变压器中取油样经脱气后用色谱分析仪得出。根据这些气体的含量、特征、成分比值（如三比值）和产气率等方法判断变压器内部故障。
　　但在实际应用中不能仅根据油中气体含量简单作为划分设备有无故障的唯一标准，而应结合各种可能的因素进行综合判断。因此，电力设备预防性试验规程d1/t596-1996专门列出油中溶气含量的注意值，这些注意值是根据对国内16个省市6000多台次变压器的实地统计而制定的，如表3-2所示。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 表3-2规程中油中溶解气体含量的注意值及统计依据

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　*（500KV变压器为1）
　　规程要求，对运行设备的油中H2与烴类气体含量（体积分数）超过表3-2数值时应引起注意。
　　3．2 气相色谱分析法的判别方法
　　3．2．1 根据油中气体含量限值进行判断
　　表3-3给出油中氢、烃气体含量限值大小用来判断变压器有无故障和故障严重程度。当有一项达到“故障”值时，说明变压器内部有故障存在；当其中有一项达到“注意”值时，应加强监视，跟踪分析。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 表3-3 氢、烃气体含量限值判断

　　3．2．2 三比值法判断变压器故障
　　通过气相色谱分析判断变压器故障方法很多，如改良电协研法、HAY判断法、浓度谱图法、三比值判断法等。在修理单位常用三比值判断法。
　　3．2．3 故障点的产气速率
　　为了准确判断故障，还要考虑故障发展趋势，故障点的产生气体速率快慢与故障能量大小有关，一般采用绝对产气速率来判断。
　　若运行的变压器油中产气速率小于表中值，认为变压器正常，无故障；若大于表3-4中值，则表明变压器有潜伏性故障。
　　4．利用专家系统的故障诊断
　　4．1 专家系统简介
　　4．1．1 专家系统的产生及特点
　　以往的问题求解程序缺少通用性，所以人工智能专家决定开发在比较特别的问题上集中力量开发通用的方法或技术，使计算机程序具有了智能性。但是要使一个程序具有智能，必须给它提供大量有关问题领域的高质量的专门知识。这一认识导致了专用计算机程序的开发，这种程序能在某些狭窄的问题领域具有与人类专家同等程度的解题能力。人们称其为专家系统。
　　专家系统是一个在某特定领域内，用人类专家水平去解决该领域中难以用精确数学模型表示的困难问题的计算机程序。人类专家之所以能成为求解某领域问题的专家，关键在于他掌握了求解有关领域问题的大量的专门知识。这些知识一部分是书本知识，但主要是在长期实践中逐渐积累起来的经验性的知识。因此专家系统的基本思想是让计算机能够存储某一领域的专门知识，并能像专家那样有效的利用这些知识去解决该领域的复杂问题。
　　4．1．2专家系统的组成
　　专家系统的组成可分为如下几部分：
　　1、知识库 存放系统求解问题所需要的领域专门知识。
　　2、全局数据库(或工作存储器) 存放所解问题的原始数据(事实)和推理过程中得到的各种中间信息，为了使推理机能方便的求解问题，数据的表示和组织形式应尽量和知识库的表示相容。
　　3、推理机 它是一种程序，用来控制，协调整个专家系统的工作。根据数据库中的信息，利用知识库中的知识，按一定的推理策略去解决所研究的问题。推理机还具有向知识库添加新内容或删去旧内容的功能。
　　4、知识获取机制 也称学习功能。它为知识库的建立，修改知识库中已有的知识和扩充新的知识提供了手段。它是保证系统灵活性的必要部分。直接影响系统的生命力。
　　5、解释机制 负责对推理出的结果作出必要的解释，以便向用户说明推理过程，使用户容易接受推理的结果，同时也有利于新手向专家学习和为用户维护和管理专家系统提供方便。
　　6、人机接口 人机接口负责把用户熟悉的信息表示手段(如自然语言，表格，图形)，转换成内部表示形式，再交给各相应的组成部分去处理。专家系统输出的信息也由人机接口转换成用户能理解的形式显示给用户。
　　4．1．3专家系统在电力系统中的应用
　　随着电力系统规模的不断扩大和运行复杂性的不断提高，传统的对单个元件的研究以及对整个系统简化得出定性了解明显满足不了需求。虽然计算机的离线与在线应用取得了卓有成效的进展，但是电力系统中仍有不少问题需要依靠专家来完成，因为目前电力系统的某些问题还不能建立精确的，贴切放映实际的数学模型，有些问题规模和复杂性太大。计算机主要处理数字，而专家系统用以处理符号，引入了判断、推理、决策等功能。
　　建立专家系统的关键是知识的采集和获取。目前的专家系统，其所用的知识大量的和主要的是通过知识工程师与人类专家的交流，靠人工获取。这是一个非常艰苦费时的过程，满足不了便捷高效的需求。成为开发一个实用专家系统的“瓶颈”问题。选择适合于电力系统的知识表示方法将会大大提高专家系统的可靠性、灵活性，延长它的寿命。
　　4．2故障诊断
　　基于变压器故障诊断的油中溶解气体分析技术，我们编制了变压器故障诊断专家系统(TFDES)，该专家系统能够根据油中溶解气体分析数据对变压器状况进行诊断的基础上，根据特征气体含量、产气速率等对变压器内部状况做出最终诊断。专家系统主要包括知识库和推理机两大部分，TFDES由以下几部分组成：1、知识库；2、推理机；3、数据库；4、人机接口。如图4-1所示

　　4．2．1 变压器故障诊断的知识库
　　下面列出几个典型的规则：
　　RULE1 IF CH4/H2大于0.1且小于1.0
　　　　并且 C2H6/CH4小于1.0
　　　　并且 C2H4/C2H6小于1.0
　　　　并且 C2H2/C2H4小于0.5
　　　　THEN 变压器正常
　　RULE2 IF 运行中大于0.1mg(KDH)/g(油)
　　　　THEN 绝缘油酸值过大
　　5．结论
　　变压器故障诊断专家系统是在广泛收集专家知识、经验的基础上使用Delphi语言进行编制的，该专家系统通过分析油中溶解气体，分析试验数据，得出的诊断结论准确、可靠，能够有效地发现变压器内部电弧、局部放电、局部过热等潜伏性故障。
　　但需要说明的是：TEDES从使用角度进行开发。目的是诊断运行中变压器的内部潜伏性故障，为现场运行人员提供咨询意见，而不是完全取代运行人员。