變壓器油中溶解氣體碳納米管氣敏檢測與動(dòng)態(tài)隧道模糊診斷.pdf

1、電氣設(shè)備的安全運(yùn)行是電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。隨著特高壓電網(wǎng)建設(shè),電力輸送容量更大,覆蓋范圍更廣,全國各級電網(wǎng)聯(lián)系也更加緊密,因此電網(wǎng)事故的危害性更大。大型電力變壓器是電力系統(tǒng)的樞紐設(shè)備,實(shí)時(shí)檢測變壓器絕緣狀態(tài),準(zhǔn)確預(yù)知故障,做到防患于未然,是保證電網(wǎng)安全運(yùn)行、提高設(shè)備利用率和降低設(shè)備檢修費(fèi)用的重要舉措,也是建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)課題,意義十分重大。油中溶解氣體分析是目前判斷油浸式電力變壓器早期潛伏性故障最方便、最有效

2、的方法,實(shí)際應(yīng)用最為廣泛,已成為判斷充油電氣設(shè)備內(nèi)部故障和監(jiān)視設(shè)備安全運(yùn)行不可缺少的手段。近年來,應(yīng)用氣體傳感技術(shù)開發(fā)研制小型氣體檢測裝置,已成為新的發(fā)展趨勢,目的在于實(shí)現(xiàn)對變壓器油中溶解氣體進(jìn)行在線監(jiān)測,隨時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀況。近年來傳感技術(shù)取得了突破性進(jìn)展,特別是納米技術(shù)的發(fā)展,為傳感器研發(fā)提供了全新的材料和加工方法,其中碳納米管氣敏傳感器已經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)。
　　 本文在現(xiàn)有變壓器油中氣體檢測和分析方法研究基礎(chǔ)上,對納米

3、氣敏傳感技術(shù)應(yīng)用于油中氣體檢測和分析進(jìn)行了深入研究,研制了新型碳納米管氣體傳感器,對碳納米管氣敏機(jī)理和特性進(jìn)行研究,并通過氣敏試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行驗(yàn)證,掌握了基本規(guī)律,提出了一種基于動(dòng)態(tài)隧道模糊C均值的油中溶解氣體故障診斷算法,豐富了變壓器故障特征分析手段。對碳納米管的制備、化學(xué)修飾以及表征方法進(jìn)行了探討,首次提出通過對碳納米管進(jìn)行化學(xué)修飾,來實(shí)現(xiàn)對變壓器油中溶解氣體的檢測。采用透射電子顯微鏡技術(shù)對碳納米管進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)分析,表明化學(xué)修

4、飾使碳納米管長度變短,端口打開,比表面積增大,同時(shí)管壁被撕裂,缺陷變大增多；采用紅外吸收光譜分析技術(shù)進(jìn)行了碳納米管活性官能團(tuán)分析,發(fā)現(xiàn)碳納米管端頭、部分側(cè)壁或有缺陷的位置接上了羥基、羧基、羰基等活性官能團(tuán),可以作為吸附油中溶解氣體分子的中心。表明化學(xué)修飾可以提高碳納米管對變壓器油中溶解氣體的敏感性。研制了一種碳納米管薄膜傳感器(MWNTs),構(gòu)建了傳感器檢測油中溶解氣體試驗(yàn)裝置。在此基礎(chǔ)上,對碳納米管的溫度特性進(jìn)行了測試,分析了碳納米管

5、薄膜的導(dǎo)電模型,發(fā)現(xiàn)化學(xué)修飾改變了碳納米管的電學(xué)特性,使其具有更好的半導(dǎo)體性質(zhì)。進(jìn)行了油中溶解氣體碳納米管的氣敏檢測,機(jī)理分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,混酸修飾使碳納米管產(chǎn)生了大量的活性官能團(tuán),為氣體的吸附增加了更多的活性點(diǎn),提高了傳感器對油中溶解氣體的敏感性；采用氯化鎳摻雜加劇了碳納米管的結(jié)構(gòu)缺陷,改變了表面勢壘,構(gòu)造了局部催化活性中心,提高了電荷轉(zhuǎn)移能力,進(jìn)一步改善了碳納米管的氣敏性,檢測靈敏度更高。對羥基化碳納米管(SWNT-OH)對變壓器

6、油中各溶解氣體的吸附特性進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真,基于第一性原理及密度泛函理論,采用Materials Studio進(jìn)行了大量計(jì)算,結(jié)果表明SWNT-OH對有機(jī)氣體的吸附能力大于無機(jī)氣體,而且在有機(jī)氣體中,對C2H2最為敏感。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比分析,得到了很好的驗(yàn)證。針對模糊C均值聚類算法(FCM)用于溶解氣體分析時(shí)易陷入局部極小的問題,利用全局最優(yōu)化性能強(qiáng)的動(dòng)態(tài)隧道算法,將兩種算法結(jié)合,提出一種基于動(dòng)態(tài)隧道FCM聚類的變壓器故障診