變壓器復合故障智能識別與熱動力學焓變診斷技術(shù)研究.pdf

1、電力變壓器作為電力系統(tǒng)中電壓變換、電能分配及傳輸?shù)暮诵脑O備，其正常運行是保證電力系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。變壓器一旦發(fā)生事故將造成巨大經(jīng)濟損失，甚至導致嚴重的社會影響。為此，深入理解變壓器的故障機理，有效地診斷和評估變壓器內(nèi)部潛伏性故障，對于預防和降低故障的發(fā)生幾率，保障電力系統(tǒng)的可靠運行，具有十分重要的理論意義和現(xiàn)實價值。盡管目前已有多種基于油中溶解氣體分析(DGA)的故障診斷方法，但電力變壓器本身是一個十分復雜的系統(tǒng)，其內(nèi)部絕

2、緣故障的發(fā)生往往是多種類型的復合呈現(xiàn)，故障信息間也具有不確定性和模糊性特征。而且，絕緣裂化的物理化學過程尚不清楚，故障產(chǎn)氣機理不夠明晰，這是限制現(xiàn)有診斷方法僅能識別幾種故障類型而無法更加細化地評估故障嚴重程度的重要原因之一。
　　實際中變壓器內(nèi)部潛伏性故障均有一個發(fā)展過程，即不同故障類型之間不是突變的，同類故障類型的嚴重程度亦有差別，而目前基于油色譜的變壓器故障診斷尚處在將故障區(qū)分為幾類的層次，這或許與故障產(chǎn)氣的物理化學過程不清晰

3、、絕緣劣化機制不完備有關(guān)?；瘜W動力學理論認為，化學反應本質(zhì)上是舊化學鍵斷裂和新化學鍵生成，這一過程需要一定的能量破壞反應物中的化學鍵，變壓器絕緣裂解產(chǎn)氣所需的能量主要來自于放電或過熱故障。不同的鍵斷裂需要不同的能量，而且裂解能量密度越大，產(chǎn)生的烴類氣體的不飽和度應該越高。但是，現(xiàn)有診斷方法的理論基礎(chǔ)主要是基于熱力學平衡分壓理論計算不同氣體組分與溫度關(guān)系，并根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計提出氣體特征量，其中忽略了化學反應的動態(tài)變化過程，也并未考慮化學反應的

4、能量變化。為此，若想在故障診斷中進一步評估故障的嚴重程度，仍需深入研究絕緣裂化的動態(tài)過程，探索表征故障嚴重程度的新特征量，以便更為準確地評估變壓器的運行狀態(tài)。
　　在全面了解電力變壓器故障智能診斷與狀態(tài)評估相關(guān)技術(shù)背景的基礎(chǔ)上，本文通過改進復合故障類型的智能識別方法，并基于熱動力學理論研究絕緣材料微觀變化和宏觀性質(zhì)的聯(lián)系，探索表征故障嚴重程度的新指標，對電力變壓器的復合故障診斷技術(shù)進行深化研究，所取得的創(chuàng)新性成果主要包括:

5、　　針對目前眾多油色譜診斷方法的特征量不同，以及對不同故障類型診斷時可靠性存在較大差異的問題，在沿用傳統(tǒng)正確率指標的基礎(chǔ)上，引入表征故障診斷漏診程度的靈敏度指標，提出了故障診斷可靠性的雙重指標評估方法，實現(xiàn)了對油色譜診斷方法更為全面定量的評估。應用最廣泛的改良三比值法，它依然存在針對低溫過熱、火花放電、放電兼過熱等故障類型的診斷可靠性較低的問題，為此本文分別提出了01*型編碼組合、比值K和氫烴A診斷新判據(jù)，為診斷方法的進一步改進奠定了基

6、礎(chǔ)。針對故障診斷信息類型較為單一的問題，引入信息融合技術(shù)，通過綜合利用氣體比值和氣體濃度含量等特征信息，并合理分層，提出了基于多特征信息融合的分層決策故障診斷方法，有效地融合了多種診斷特征信息。
　　為進一步解決復合故障診斷中復雜的模糊對應關(guān)系，引入模糊數(shù)學理論，采用隸屬度函數(shù)對邊界進行模糊化處理，構(gòu)建了隸屬度關(guān)聯(lián)矩陣;采用模糊邏輯推理中的交集、并集分別替代二值邏輯中的與、或邏輯，導出了模糊決策多值輸出的邏輯推理模式，藉此提出了基

7、于信息融合與模糊邏輯的綜合診斷方法，實現(xiàn)了復合故障的模糊多值輸出。并基于Microsoft Access開發(fā)平臺研制了變壓器復合故障模糊診斷軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了故障診斷的可視化與智能識別。對實際故障案例的診斷分析表明，針對局部放電、火花放電、電弧放電和放電兼過熱等故障類型的診斷可靠性顯著提高。另外，該方法的模糊推理過程較為簡化，保證了故障診斷的快速性，可滿足變壓器狀態(tài)實時在線監(jiān)測的需求。
　　變壓器故障的物理化學機制尚不清晰，僅從宏觀

8、實驗結(jié)果提取特征參量并進行常規(guī)經(jīng)驗統(tǒng)計與推導較為困難，而微觀層次的分析將有助于對各種復雜現(xiàn)象的機理進行更深刻的理解。為此，本文引入基于鍵級表達的ReaxFF反應力場，分別對變壓器油和絕緣紙分子模型進行高溫熱應力下的反應分子動力學模擬，探索油中溶解氣體產(chǎn)生的微觀動態(tài)機理。采用元素追蹤法統(tǒng)計分析了變壓器油和纖維素分子模型高溫裂解的軌跡文件，明確了變壓器油的不同組分以及絕緣紙的初始裂解機理以及主要產(chǎn)物的差異性，厘清了C2H4、CH4、H2、C

9、O2等主要產(chǎn)物的生成機制。通過對裂解過程中化學鍵離解能（即反應焓變）的計算，明確了油/紙裂解產(chǎn)物的種類和數(shù)量隨時間的分布規(guī)律與微觀化學鍵離解的相關(guān)性，揭示了油/紙裂解過程的能量變化規(guī)律?；趯τ?紙絕緣裂化動態(tài)過程的分析，從原子層面揭示了變壓器油/紙裂解產(chǎn)氣的微觀動態(tài)機理，這也為故障嚴重程度評估提供了理論支撐。
　　為解決復合故障的嚴重程度評估問題，首先基于熱力學焓變理論，建立了變壓器油裂解產(chǎn)氣的生成能計算模型，根據(jù)故障特征參量的