變壓器復(fù)合故障智能識(shí)別與熱動(dòng)力學(xué)焓變?cè)\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(shè)備，其正常運(yùn)行是保證電力系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。變壓器一旦發(fā)生事故將造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的社會(huì)影響。為此，深入理解變壓器的故障機(jī)理，有效地診斷和評(píng)估變壓器內(nèi)部潛伏性故障，對(duì)于預(yù)防和降低故障的發(fā)生幾率，保障電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，具有十分重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)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(gè)十分復(fù)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(fù)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(xué)過程尚不清楚，故障產(chǎn)氣機(jī)理不夠明晰，這是限制現(xiàn)有診斷方法僅能識(shí)別幾種故障類型而無(wú)法更加細(xì)化地評(píng)估故障嚴(yán)重程度的重要原因之一。
　　實(shí)際中變壓器內(nèi)部潛伏性故障均有一個(gè)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(yán)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(xué)過程不清晰

3、、絕緣劣化機(jī)制不完備有關(guān)?；瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)理論認(rèn)為，化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)上是舊化學(xué)鍵斷裂和新化學(xué)鍵生成，這一過程需要一定的能量破壞反應(yīng)物中的化學(xué)鍵，變壓器絕緣裂解產(chǎn)氣所需的能量主要來(lái)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(yīng)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(xué)平衡分壓理論計(jì)算不同氣體組分與溫度關(guān)系，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)提出氣體特征量，其中忽略了化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化過程，也并未考慮化學(xué)反應(yīng)的

4、能量變化。為此，若想在故障診斷中進(jìn)一步評(píng)估故障的嚴(yán)重程度，仍需深入研究絕緣裂化的動(dòng)態(tài)過程，探索表征故障嚴(yán)重程度的新特征量，以便更為準(zhǔn)確地評(píng)估變壓器的運(yùn)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(píng)估相關(guān)技術(shù)背景的基礎(chǔ)上，本文通過改進(jìn)復(fù)合故障類型的智能識(shí)別方法，并基于熱動(dòng)力學(xué)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(yán)重程度的新指標(biāo)，對(duì)電力變壓器的復(fù)合故障診斷技術(shù)進(jìn)行深化研究，所取得的創(chuàng)新性成果主要包括:

5、　　針對(duì)目前眾多油色譜診斷方法的特征量不同，以及對(duì)不同故障類型診斷時(shí)可靠性存在較大差異的問題，在沿用傳統(tǒng)正確率指標(biāo)的基礎(chǔ)上，引入表征故障診斷漏診程度的靈敏度指標(biāo)，提出了故障診斷可靠性的雙重指標(biāo)評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油色譜診斷方法更為全面定量的評(píng)估。應(yīng)用最廣泛的改良三比值法，它依然存在針對(duì)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(jìn)一步改進(jìn)奠定了基

6、礎(chǔ)。針對(duì)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(jìn)一步解決復(fù)合故障診斷中復(fù)雜的模糊對(duì)應(yīng)關(guān)系，引入模糊數(shù)學(xué)理論，采用隸屬度函數(shù)對(duì)邊界進(jìn)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)了復(fù)合故障的模糊多值輸出。并基于Microsoft Access開發(fā)平臺(tái)研制了變壓器復(fù)合故障模糊診斷軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了故障診斷的可視化與智能識(shí)別。對(duì)實(shí)際故障案例的診斷分析表明，針對(duì)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(jiǎn)化，保證了故障診斷的快速性，可滿足變壓器狀態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的需求。
　　變壓器故障的物理化學(xué)機(jī)制尚不清晰，僅從宏觀

8、實(shí)驗(yàn)結(jié)果提取特征參量并進(jìn)行常規(guī)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)與推導(dǎo)較為困難，而微觀層次的分析將有助于對(duì)各種復(fù)雜現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行更深刻的理解。為此，本文引入基于鍵級(jí)表達(dá)的ReaxFF反應(yīng)力場(chǎng)，分別對(duì)變壓器油和絕緣紙分子模型進(jìn)行高溫?zé)釕?yīng)力下的反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)模擬，探索油中溶解氣體產(chǎn)生的微觀動(dòng)態(tài)機(jī)理。采用元素追蹤法統(tǒng)計(jì)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(jī)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(jī)制。通過對(duì)裂解過程中化學(xué)鍵離解能（即反應(yīng)焓變）的計(jì)算，明確了油/紙裂解產(chǎn)物的種類和數(shù)量隨時(shí)間的分布規(guī)律與微觀化學(xué)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。基于對(duì)油/紙絕緣裂化動(dòng)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(dòng)態(tài)機(jī)理，這也為故障嚴(yán)重程度評(píng)估提供了理論支撐。
　　為解決復(fù)合故障的嚴(yán)重程度評(píng)估問題，首先基于熱力學(xué)焓變理論，建立了變壓器油裂解產(chǎn)氣的生成能計(jì)算模型，根據(jù)故障特征參量的