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　　华北电力大学硕士论文 摘 要 电力变压器作为电力网络中最重要的一次设备之一，其安全、稳定、可靠 的运行对国民生产和生活具有非常重要的意义。传统变压器维护采用定期停电 检修的方法，该方法具有非常大的局限性，停电期间电力供应的不足、非检修 期突发故障不可预测、无故障定期检修对人力物力造成大量浪费。为解决此问 题，国内外研究机构提出了变压器故障在线监测系统。但监测系统大都为单一 的气体监测，其诊断结果模糊，故障类型过于宽泛，不能实现高效、精确的故 障诊断。本文在此背景下，提出了建立多参量变压器在线监测系统。 为解决变压器工作状态和故障类型之间存在复杂的非线性关系，本文以 IEC三比值法为例，讨论了使用BP神经网络建立变压器工作状态在线监测系统 的详细步骤。同时针对传统神经网络本身存在的一些缺点，易陷入局部最小和 收敛过慢，讨论了多种改进算法，并依次进行仿真验证，根据仿真结果选择适 当的算法。针对多参量系统，讨论了各个监测子系统输出数据值相差较大的问 题，提出数据归一化方法，为将神经网络可靠的应用于多参量监测系统提供了 保证。 针对现有的变压器状态在线监测系统故障诊断结果模糊，预测结果过于宽 泛的问题，提出建立多参量综合性变压器状态在线监测系统。根据不同监测子 系统特性，讨论了多参量综合性监测系统的组成方式。列举出了各子系统所诊 断的故障类型，以及不同系统所监测故障类型的交集，根据其监测故障交集情 况，确定各个监测系统的故障诊断重叠区，即同一故障可由多个监测系统同时 诊断。根据重叠区内故障类型和对应的多个监测系统之间的关系，确立综合性 在线监测系统构建策略，实现多个监测系统配合诊断故障。 最终根据故障重叠区各监测系统的信息，以弹性BP神经网络为拟合工具， 建立了旨在缩小故障诊断范围的多参量智能变压器在线监测系统，大大提高了 故障类型诊断的精度，取得了更精确的故障诊断结果。最后采用离线验证的方 式对系统的有效性进行考证，事实证明本系统可以有效预测变压器故障，对故 障类型和部位进行更详细的定位和诊断。 关键词：变压器；经济性策略；监测重叠区；精确故障诊断 华北电力大学硕士论文 ABSTRACT Asoneofthemost inthe network，the importantprimaryequipmentselectricity and are toindustrial and transformer’S stabilityreliablityveryimportant production life．Tranditionalmethodoftransformermaintenaceis people’Sdaily poweroutage toomuch of cost，lack rnaintenace，thisbrings unnecessary powersupplyduring un-maintenancesolvethese maintenance，faultsunpredictableduring period．To onlinetransformer institutesaroundtheworld forward problems，research put condition mostofthe isfora systems single monitoringsystems．But monitoring gas leadto thefault istOO notachieve raonitor,that diagnosis，andtype coarse，can fuzzy efficientandaccuratefault this online diagnosis．Incase，amulti—parameter isestablishedthis raonitoringsystem by paper． To betweenstatusandfaultsofthe solvethenon—linear transformer, relationship aBPneuralnetworkaimstoachieveIEC is the algorithmintroduced，andprocedure in toestablishaBPneuralnetworkisdiscusseddeta：il．Thensome improved thatcan the ofthetraditionalneural algorithmremedydisadvantages network，like lostin andthe rateistOO discussedand minimum convergenceslow,are locality point simulated，the isselectedinlineⅥ7iththesimulationresult． appropriatealgorithm With to data method regard monitoringsystem，relevantprocessing multi—parameter isintroducedtosolvethe thatthedifferencesofabsolutevaluebetweendata problem too different are providedby systemshuge． In totheblurred andthecoarseforecast results，this response diagnosis paper the toestablisha online necessary multi—parametermonitoringsystem，then proposes discussesthe ofthe inaccordancewiththecharacteristicof system composition different the offaultsthatdifferent can the systems．Listtype systemsdiagnose，and samefaultsthatcertaindifferent canmonitor．Thenthis createsan systems paper tothedataand thees ofthe overlapregionaccording proposestablish!ngstrategy tomakereal-time ofthetransformer． comprehensivesystem monitoring At onresilientBPneuralnetworkandthe last，based overlapregion，thispaper forwardsanonlinetransformerconditiontonarr—OWthe ofthefault put system scope and the offault validationtestis diagnosisimproveaccuracydiagnosis．Then，offiine takento theeffectivenessofthe resultsindicatethat verify system．The experimental the isreliableandeffective． system fault Keywords：transformer,economicstrategy,diagnosisareas，refined overlapping diagnosis II 华北电力大学硕士学位论文 第1章绪论 1．1课题背景及研究的目的和意义 充足的电力供应是国家一切现代化建设和发展的基础。随着工业、农业和军 事领域自动化应用程度的不断提高，人们对电力的需求和高效率输电的需求也急 剧上涨，电力技术也随之迎来了一个又一个迅猛的发展。电力变压器作为电压等 级调整、能量输送和潮流控制的核心设备，是电能输送中不可替代的一员。因此， 电力变压器的稳定、高效、安全和长久的运行必然是电力系统安全运行过程中不 可忽视的因素【lj。 作为最重要的一次电力设备之一，变压器价格非常的昂贵，不仅如此，其故 障所带来的经济损失可能远远超过设备本身的价格。还包括对电网系统带来的冲 击所产生的附加损失，工厂生产的突然中断、交通或医疗设施的断电，而这些附 加的损失往往会大大超出电力设备本身的价值，使故障所引发的后果更加严重化 和扩大化。更严重的情况下，可能会造成人员的伤亡，甚至会致使某些电力储备 不足的企业工厂生产崩溃。由此可见，保证电力设备安全、稳定、高效的运行， 对提高国家安全性、保护工业企业利益以及人民财产安全都具有十分重要的意义 和不可忽视的作用。 随着人们对电力需求的不断提高，国家电网逐步提出了建设坚强智能电网的 概念，使电力系统的运行、维护、发展和扩大逐步实现智能化。变压器作为电力 系统中最重要的一次设备之一，其监测和维护方法在很大程度上影响着电力系统 智能化进程。传统的变压器检测方式是在一定的时间周期点，对变压器各项参数、 性能和运行状态进行停机式数据采集，然后人工处理，并以此为依据对变压器进 行状态判断和控制，这种检测方法称为定期检修…。定期检修需要占用大量的人 力物力，同时在一段时间内暂停运行所检修的电力设备。这种方法无法做到实时 准确地获取变压器运行信息，大部分所获信息都是滞后的，在检修的间隔周期中， 电力系统的故障运行状态无法及时的被发现，很有可能导致严重事故产生。不仅 如此，按照硬性计划和规定对电力系统进行维护的方法业给企业和公司带来了很 多不必要的经济损失。在生产高效化、经济最大化和运行安全化的大趋势下，这 种方法已经不再适用于对电力设备实时准确的监测和维护了。一种全面、准确、 实时、智能和高速的变压器监测系统就成了建设智能电网不可或缺的一部分。 华北电力大学硕士学位论文 上世纪七八十年代，国外一些高校、科研机构和大企业开始着手研究变压器 在线。并且随着各种传感器、电子设备和通信系统的高速发展，所 j千发的变压器状态在线监测系统的可靠性和准确性也得到了很大的提高。变压器 在线监测系统工作的核心部分是计算机，由不同的传感器和监测设备将所采集的 变压器运行状态信号通过各自的通信系统传送到各个不同的监控中心，大量数据 经过监控中心的相应软件的分析处理，给出监控人员直观的监测结果。这种方式 很大程度上增加了整套监测系统的实时性和灵活性，使监测系统实现智能化控 制，同时降低了电力从业者的劳动强度，将传统的变压器检测方法带来的信息之 后性和检修复杂性降到最低，极大程度的提高了整套系统的运行效率和稳定性 【：!】。 1．2变压器在线监测系统国内外发展现状 1．2．1国外在线监测系统的发展 国外最早对变压器在线监测系统进行研究开发的机构，是北美的美国国家电 力科学研究院(EPRI)。上世纪七十年代，随着电力行业对变压器的稳定、安全 运行的重要性的进一步重视，美国电力科学研究院开始着手研发一种新的实时性 更高、准确性更强的变压器在线监测系统，以顺应电力发展的大趋势。1992年， 美国开始施行能源开放政策，在这种政策的影响下，能源领域的竞争日益激烈， 进一步压缩设备成本和实现智能化控制成了各个变压器生产厂家新的议题，从而 进一步推动了变压器在线监测系统的发展和推广应用。／＼十年代后，日本、欧洲 和澳洲也相继投入大量的人力和物力对变压器在线监测系统进行研发和推广。 众多变压器在线监测系统生产厂家和产品中，比较具有代表性的是美国GE 公司的HYDRAN系列产品。GE公司于1 974年推出的HYDRAN技术是被 地的电力公司用作维护管理的基本设备来使用，有效的预测并避免了很多的电力 设备故障的发生。HYDRAN201i气体监测系统主要由两大部分组成：传输器 HYDRAN201Ti 和 主体无源传感器进行连续性监测，各个智能传感器独立：]二作。在短距离通信控制 中由RS232主导控制监测数据的传输，在远距离通讯情况下则通过modem转 R．$485的通讯方式实现监测状态信息的读取。然后上位机软件接受监测系统传来 的数据，为电力设备维护人员提供实时的设备工作状态情况，以便根据实际情况 2 华北电力大学硕士学位论文 及时做出应对措施，保证电力设备运行在最优化的状态。 a)HYDRAN201传输器 b)HYDRAN201控制器 a1YDRAN201Ti Ci一1 b)YDRAN201 图1．1HYDRAN系统传输器和控制器 ThetransmitterandcontrolleroftheHYDRAN Fig．1—1 system ii liiiii 监一一i 遥控电脑 RS485 Modem 图1-2HYDRAN系统远程监测通讯图 Theremote communicationschematicoftheHYDRAN Fig．1-2 monitoring system 推出了自己的变压器在线监测系统产品，并在市场上占领了一定的份额。 1．2．2国内在线 华北电力大学硕士学位论文 我国的变压器在线监测系统发展始于上世纪八十年代末，并且随着电力设备 微机化、数字化、远程化的发展，电力监测设备的智能化也成了国内各电力设备 公司和高校的研究主题。众多高校中，上海交通大学、西安交通大学和清华大学 相继研发出了故障监测诊断系统，并与各个电力设备公司进行产学研合作，大大 提高了产品的实用性。 1997年8月，南方某地市电力局安装了第一台智能变压器早起故障监测装 置，并在接下来的一年多的时间内对全市33台220KV主变压器安装了在线监测 装置。各个不同的监测装置实现全局联网，并通过通讯控制器、调制解调器和公 用通讯网向监控中心传送在线监测的有关信息。同时通过计算机对各个变压器状 态进行每日每月的参数纪录和分析，远程设置和修改监测系统的运行状态，传递 报警信号。逐步实现了对全市所有主变压器的连续性、持久性和数字化的监控维 护，预测并避免了很多隐藏性电力故障，极大程度上确保了全市电力系统的稳定 安全运行。所采集纪录的数据和信息也为国内各个高校和电力研究院提供了丰富 的研究材料，为国内的变压器在线监测系统研发提供了一手的信息。 国内现有的在线监测系统主要有两种工作模式：集中式和分散式。集中式系 统在监测过程中对各个电力设备进行巡回重复的数据采集，分散式系统则利用单 一参量监测设备对特定的信号进行就地测量【3】。两种方法均有各自的优势和局限 性，集中式系统测量信号重复性较低，传感器信号精确度不足，分散式系统缺少 综合测量和不同数据整合处理的性能。因此，国内的变压器在线监测系统还有非 常大的发展空间。 1．3变压器在线变压器检修发展历史 变压器检修经历了三个发展阶段，50年代以前采用事故检修方法，60到70 年代之间主要使用定期检修方法，70年代之后则进入状态检修阶段【41。事故检修 阶段，变压器结构简单，容量较小，并且因为电网供电压力并不是非常大，设备 停运影响不是很大，所以维修时间比较充裕，检修也比较容易。而进入60年代 之后，随着科技的发展和社会用电量要求的提高，变压器的容量随之上升，生产 效率也有了大幅度的提高。事故检修在这种用电背景下已经不能满足稳定供电的 要求，突发故障所带来的损失越来越大，设备停运影响也越来越大。各个电力公 司开始采用定期检修的方式，以避免电力供应的突然中断。通过定期检修，设备 可以恢复到接近新设备的状态，但是同时对企业自身的利益造成了很多不必要的 4 华北电力大学硕士学位论文 成本浪费，而定期设备停运也给用电企业带来了不必要的损失【31。进入70年代 之后，状态检修方式开始逐步进入电力行业的维护工作中。1978年，状态检修 首次应用于美国海军舰艇设备的检修和维护中。并在80年代开始大范围推广到 核工业领域，开始广泛的应用于电力设备的检修中。这种方法针对性强，经济合 理，有效的避免了之前定期检修所带来的人力物力财力的浪费。 1．3．2变压器状态在线监测的经济意义 变压器定期检修方式下，经济损失主要可以分为如下三大类： (1)检修人员成本及检修过程中消耗的物化成本； (2)设备检修停运导致间断供电带来的损失； (3)检修周期间隔中，设备突发故障导致的经济损失，包括设备的维修和 更换费用，供电中断导致的间接损失【3】； 根据国内某地市电力局截至2008年12月的统计数据，在定期检修模式下， 每年需要大修12台变压器，而在状态检修的模式下，每年只需要大修3台，变 压器专业设备开展状态检修较定期检修可减少检修成本大约75％。德国也对在线 监测系统使用情况应用进行了估计，及早预测变压器故障可使维护成本降低 75％，税收降低63％，每年节约的费用相当于一台新变压器价格的3％。美国对 典型电厂开展的状态检修统计也显示，在400～1400MW的电厂成功应用状态检 修后，每年每个电厂可降低成本开支大约160万美元，相当于一亿元人民币。由 此可见，状态检修模式下，资金使用率获得大大提高，检修的针对性也显著上升。 同时，由于大型变压器价格在百万甚至千万元级别，所以有效避免变压器的不可 修复性故障，相当于同时大幅度的压缩成本、节约资金。 变压器状态在线监测系统可以有效的预防避免重大事故的发生，同时最大程 度的降低设备停运时间，是一种回报率非常高的生产投资，其经济效益显著，在 有效降低变压器本体维护成本的同时避免了一定的附加性故障损失。 1．4本文研究内容 本文根据大量文献数据的收集，列举并分析了变压器的不同故障类型，及用 于预防监测各个故障的监测子系统。总结出不同等级变压器在线监测系统的优化 安装方法；以IEC三比值法【2卜241为例，讨论了神经网络建立变压器故障在线监 测系统的过程及方法。同时为解决传统神经网络的局限性，对不同改进算法进行 了仿真分析，确定了BP神经网络的改进方法【17】。对各个监测系统的监测故障进 华北电力大学硕士学位论文 行了列举对比，在此基础上建立了综合性智能监测系统，以缩小故障诊断范围， 提高诊断精度具体研究内容如下： (1)综述了变压器监测方式的发展历史，对不同监测方式各自的监测原理 进行了详细的介绍，并结合实际数据论证了变压器在线监测系统的必要 性和可行性。 (2)阐述了变压器不同故障下的监测对象，并结合变压器不同故障的发生 比例和维修监测成本，对变压器监测维护的经济性进行了分析对比。综 合分析以上数据，得出针对不同等级变压器，故障监测系统安装的配合 方式。 (3)对智能在线监测系统所使用的神经网络的构建方法进行了详细的描述， 包括神经网络层数的确定、各层神经元个数的选择、不同传递函数的选 择。 (4)针对传统神经网络的局限性，列举出了不同的改进算法，并对各个算 法进行仿真分析，根据网络训练的收敛情况、学习时间、训练步数和最 终误差选择适当的算法，最终建立了用来实现IEC三比值法的弹性BP 神经网络。对已建立的神经网络进行验证，包括Matlab验证【18-201和实 际运行验证，论证该算法的可行性。 (5)根据各个监测子系统的不同针对性，选择多参量智能在线监测系统的 组成方法，用以缩小传统在线监测系统诊断故障的范围，细化输出的故 障监测类型。对所选各个监测子系统及其参数情况做出详细介绍，包括 直接性监测参量、监测精度、安装方法等，最终确定不同监测系统配合 诊断的方法。 (6)细化在线监测系统最终的输入输出情况，结合已讨论的改进BP网络 的建立方法构建最终的智能在线监测系统。在已有的监测系统配合策略 的前提下，对不同输入数据类型进行整合归一化，最终训练出理想的神 经网络模型。最后对系统进行离线验证，结果表明所建立的智能在线监 测系统可以对故障类型进行更精确的定位和诊断，改善了传统在线监测 系统故障预测模糊，范围过于宽泛等问题。 6 华北电力大学硕士学位论文 第2章变压器故障类型及监测系统 2．1引言 变压器故障种类非常多，造成故障产生的原因也多种多样，包括生产过程中 的规格不严谨、运输中的不可预测性损坏、自然和环境突发事件引起的故障、人 为操作失误或维护不当导致的故障，以及变压器自然的设备老化等原因【l3】。本 章将对油浸式变压器的不同故障类型做一个详细的综述，并根据不同故障类型的 产生原因、发生比例和对变压器正常运行造成的不同影响，综合得出变压器在线 监测系统的经济化安装策略。 2．2变压器结构及故障类型 2．2．1变压器的主要电气结构 电力变压器是根据电磁场能量转换原理实现电能传输和电压等级转换的重 要电力一次设备。根据种类及容量的不同，变压器的结构也有一定的区别，本文 以油浸式高压变压器为例进行分析讨论。油浸式变压器主要组成部分有：变压器 器身、调压装置、油箱及冷却装置、保护装置和绝缘套管等其他结构【2】。 (1)变压器器身装置 铁芯、绕组、引线和一定的绝缘部件构成了变压器的器身部分。其中铁芯 构成闭合磁回路，变压器通过缠绕在一次侧铁心上的绕组产生交变磁场，由闭合 的磁通路将磁场能量传递N-次侧。在二次侧绕组输出端，根据绕组线圈匝数情 况感应出相应电动势，完成电能传递和电压变换。 (2)调压装置 分接开关作为变压器的调压设备，可以通过改变变压器的有效线圈匝数的 方法，实现对变压器工作参数(容量、电压、电流)的调节。根据动作时是否带 有负载，可以将分接开关分为有载分接开关和无载分接开关两种。 (3)油箱及冷却装置 油箱是变压器的外壳，内部装有被变压器油浸泡着的铁芯和绕组，变压器 油主要起绝缘和散热作用。大型变压器通常配备两个油箱，一个为本体油箱，内 华北电力大学硕士学位论文 曼舅皇曼曼曼曼曼曼曼量置鼍量皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼舅鼍曼量曼曼曼!曼曼曼邕曼曼曼量量鼍量量曼巴曼曼!曼曼曼蔓曼曙鼍鼍量曼曼量曼曼曼曼曼曼曼皇曼量舅量量曼曼曼曼曼曼曼 部安装铁芯和绕组；另外一个是有载调压油箱，内部装有分接开关。这是因为有 载调压过程中可能会产生电弧火花，劣化变压器油的品质，所以将其与本体装置 分开。根据容量的不同，可将油箱分为箱式油箱、钟罩式油箱和密封式油箱三种 主要结构。根据是否安装散热风机及其他辅助散热机构，变压器冷却方式可分为： 水冷ODWF)方式。 (4)保护装置 保护装置包括储油柜、安全气道、吸湿器、气体继电器、净油器，以及其他 类型的传感器和二次装置。 (5)绝缘套管 绝缘套管是油浸式变压器的主要绝缘装置，变压器引出线经过绝缘套管引出 到油箱外部。绝缘套管具备足够的电气强度和良好的热稳定性，使引出线对地和 外壳绝缘，同时起到固定引线的作用。绝缘套管内部和变压器主体油箱相通，内 部充满变压器油。 2．2．2变压器故障类型 根据分类标准的不同，变压器故障可以分成很多种类。根据故障位置可分为： 外部故障和内部故障。其中内部故障从性质上又可分为电故障和热故障，热故障 通常会表现为变压器油箱内部局部过热、温度明显升高。根据热源点不同，热故 障可以分为四种情况：热点温度低于150℃时，为轻度过热；热点温度位于 150．300℃之间时，为低温过热；热点温度位于300．700。C之间时，为中温过热； 热点高于700℃的情况，则属于高温过热。电故障通常指变压器内部在高电场强 度的作用下，绝缘材料的绝缘性能发生劣化的故障。根据放电的能量密度不同， 21。 电故障又分为局部放电故障、火花放电故障和高能电弧放电故障三种类型【l 根据故障回路分为：电路故障、磁路故障和油路故障。 根据故障的主体结构的不同可分为：绕组故障、铁芯故障、附件故障和油质 故障。 其他故障还包括变压器出口短路故障、变压器渗漏故障、油流带电故障、保 护误动故障。而对变压器本身影响最严重、目前发生几率最高的是变压器出口短 路故障，同时还存在变压器渗漏故障、油流带电故障、保护误动故障等等。所有 这些不同类型的故障，有的可能反映的是热故障，有的可能反映的是电故障，有 的可能既反映过热故障同时又存在放电故障，而变压器渗漏故障在一般情况下可 华北电力大学硕士学位论文 能不存在热或电故障的特征。 根据变压器发生部位及组件的不同，不同故障在变压器事故中发生的比例也 是不同的，英国的Alstom公司曾经对325变压器进行数据统计，根据所采集的 数据绘制出不同故障发生比例饼状图如下： ◆蒸瓣麟 线变压器不同故障比例分布饼状图 Piechartofthe oftheoccurrenceofvarioustransformerbreakdown Fig．2—1 proportion 由上图可知，变压器故障率最高的分别是有载调压开关、线圈绕组和绝缘套 管。 2．3在线监测对象及对应故障类型 2．3．1变压器油中溶解气体 监测故障类型：变压器内部故障，如局部过热、放电、绝缘纸老化等【l引。 对变压器油中气体的检测分析是对变压器运行状态进行判断的重要监测手 段[11,21-24】。其主要监测故障类型是变压器在运行中由于种种原因产生内部绝缘劣 化分解的故障，如局部过热、放电、绝缘纸老化等。不同的故障类型引起油分解 所产生的气体组分也不尽相同(见表1)，从而可通过分析油中气体组分的含量 来判断变压器的内部故障或潜伏性故障。对变压器油中溶解气体采用在线 华北电力大学硕士学位论文 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量舅舅舅舅置曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼量曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼量曼量鼍曼曼曼曼曼曼曼皇皇曼量曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇皇皇量舅曼量曼曼曼曼曼蔓 法，能准确地反映变压器的主要状况，使管理人员能随时掌握各站主变的运行状 态，以便及时做出对应的决策，预防严重性事故的发生。 表2—1不同故障类型所产生的油中溶解气体种类 Table2-1Classificationofdissolved differentof gasproducedby faultstransformer Z3．2变压器内部暂态声波信号 监测故障类型：变压器局部放电故斟12,25-27]。 局部放电是变压器最常见的故障类型之一，当变压器内部发生局部放电故障 时，油箱内部所产生的电弧会发出暂态声波信号。根据国内外运行经验，变压器 若出现几千pC(是电荷的计量单位：微微库仑，即十的负十二次方库仑)的局 部放电量，仍然可以继续运行。但如果局部放电量达到10000 pC以上时，则表 明变压器绝缘的缺陷已经十分严重【l21。从变压器内部出现局部放电到绝缘击穿， 有一个演变过程。对局部放电监测的阈值报警和视在放电量的历史数据的发展趋 势的分析，可以判断变压器内部的绝缘状况。阈值报警就是当高频信号的幅值和 每周期脉冲个数达到设定的阈值，以及脉冲波形达到脉冲宽度和频度时，由局部 放电监测装置自动发出的阈值报警信号。 2．3．3变压器短路阻抗 监测故障类型：变压器绕组故障，如绕组变形故斟311、绕组匝间短路故障。 10 华北电力大学硕士学位论文 由图2．1统计数据可知，变压器线圈绕组故障概率占变压器总故障的30％， 是故障多发部件之一。变压器绕组变形故障是指在外部机械力或非正常电动力作 用下，尺寸、位置或形状发生了非预测性的不可逆变化，如轴向和径向尺寸畸变、 绕组位置偏移、阻体变形肿胀、匝间短路等。引发变压器绕组变形故障的主要因 素有：①变压器运行中发生各种短路故障，尤其是变压器出口短路或近距离短 路故障引起的巨大电动力冲击，使绕组产生不可恢复性变形。②运输和安装过程 中，外界和人为因素对变压器造成的意外碰撞，产生机械力致使绕组变形【3¨。 变压器绕组发生变形后，除了少数情况会立即发生变压器损坏事故，更多情 况下，变压器仍能继续正常运行。这样可能会使某些变压器的绕组变形故障被忽 略，故障变压器仍正常工作运行。如果不及时发现并对绕组变形进行维修，其累 积效应可能会导致更严重后果的发生。继续运行过程中的其他故障，如过电压等 情况，很有可能会直接引发不可修复性故障，因此，对变压器绕组变形进行持续 性监测和及时的修复具有非常重要的意义。 2．3．4变压器铁芯对地电流 01。 监测故障类型：变压器铁芯多点接地故障【3 正常运行的变压器，通常将铁芯通过外壳一点接地。以抵消运行时铁芯带电 绕组在交变磁场下产生的对地悬浮电位。防止悬浮电位过高，击穿各组件间的绝 缘层，发生局部放电。同时，铁芯接地点必须唯一，如果铁芯同时通过两点或两 点以上接地，则铁芯和大地之间会形成环流，最大电流可以高达几十安培。这种 对地环流可能会致使铁心损耗增加，铁心局部过热，甚至烧坏，或者导致变压器 内部温升，使变压器油分解，产生气体引起绝缘油性能下降。因此，及早地发现 并处理铁心接地故障对整套变压器系统的安全稳定运行具有非常重要的意义。 2．3．5变压器振动频谱 监测故障类型：有载调压开关、绕组和铁芯机械性故障【32弓41。 变压器振动频谱的监测，可以预测变压器内部的机械结构稳定性，当出现绕 组或铁芯的机械性故障，如固定机构松动、机械性变形移位，和局部放电引起的 严重故障时，变压器主体会发生不稳定运行振动。通过监测变压器器身振动情况， 可以从机械稳定性角度对设备内部运行稳定性进行预判分析，及时发现并排除不 安全因素，保证变压器运行正常。 华北电力大学硕士学位论文 皇曼曼曼曼曼量曼量皇曼曼曼曼曼舅曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇舅鼍曼曼曼曼!曼曼笪曼量量鼍曼曼曼!曼曼曼曼曼量舅舅曼曼曼曼曼曼曼笪皇鼍舅曼曼曼曼 幺3．6套管功率因数和电容 监测故障类型：套管绝缘故障【3们。 变压器套管起到绕组线圈的引出线对地和对外壳绝缘的作用，同时可以固定 引出线。其内部与主体油箱相通，充满变压器油。绝缘套管的故障通常是老化或 闪络、短路故障，造成绝缘高管损坏或击穿，严重情况下可能发生渗油，使变压 器内部油面下降，对变压器的绝缘和正常散热功能造成影响。 2．3．7变压器各部位热点温度 监测故障类型：冷却系统故障、内部部件热故障[28,129】。 有统计资料标明，变压器内部油箱温度过高时，随着温度的升高，变压器油 会逐步分解，释放气体，降低变压器油的品质和绝缘性。某些部件温度过高甚至 可以发生变形或击穿，对变压器的正常运行造成很大影I晌。 2．4常用监测方法和监测系统 (1)变压器油中气体监测方法 根据油中溶解气体含量结合制定算法实现的在线监测，主要包括道奈堡判断 各种不同分析方法的原理和分析目标有很多共同点，都是以最终得出准确的不同 气体的含量和比值，以及预测出发展趋势为目标的方法。 改良罗杰斯法是日本电协研将逻杰斯法予以简化和改进后建立的一个四比 值法，其编码组合与所对应的故障类型关系如下表所示。 表2-2改良罗杰斯法判断表 电协研法把故障类型划分为高、中、低过热和高、低能量放电5类【11】，并 12 华北电力大学硕士学位论文 可按图2．2所示进行判断，但它不能对两种故障同时存在的情况做出判断，因此 其应用仍具有一定的局限性。 鱼生…………………………………………一 C2乏L 低能量放电 3}…………………………………………………’ 高能量放电 0．1j……………… 过热 过热 过热 C2H4 o．01； (低) (中) (高) c2H6 0．1 1 3 10 图2-2电协研法故障判断图 The oftheDIANXIEYANmethod Fig．2-2diagram 表2—3和2．4给出了电协研法的编码规则及故障判断方法 表2-3电协研法编码规则(1) Table2-3The rulesoftheDIANXIEYAN encoding method(1) 13 华北电力大学硕士学位论文 曼曼曼曼曼曼曼量皇鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼邕曼皇皇曼量量量量曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼皇皇皇皇曼量曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量蔓皇曼皇鳖曼曼曼量量曼曼曼曼曼曼曼曼曼量量蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼 表2-4电协研法编码规则(2) The Table2-4 rulesoftheDIANXIEYAN encoding method(2) 下表2．5给出了传统IEC三比值法判断规则： 表2-5IEC三比值法编码规则 Table2-5The rulesoftheIECthree-ratiomethod encoding (2)局部放电监测方法 局部放电的在线监测是变压器在线监测系统中，最重要的几种监测技术之 一。常用的局部放电监测方法通常有以下几种： a) 脉冲电流法 脉冲电流法是通过接入到测量回路中的阻抗来检测。，监测变压器套管末屏接 地线、外壳接地线、中性点接地线、铁芯接地线以及绕组中由于局放引起的脉冲 电流，获得视在放电量【I引。脉冲电流法是研究最早、应用最广泛的一种检测方 常被用于变压器出厂时的型式试验以及其他离线测试中，．其离线测量灵敏度高。 脉冲电流法的问题在于以下几方面：其抗干扰能力差，无法有效应用于现场的在 线监测；对于变压器类具有绕组结构的设备在标定时产生很大的误差；由于检测 阻抗和放大器对测量的灵敏度、准确度、分辨率以及动态范围等都有影响，因此 当试样的电容量较大时，受耦合阻抗的限制，测试仪器的测量灵敏度受到一定限 14 华北电力大学硕士学位论文 制；测量频率低、频带窄，包含的信息量少。 b) 溶解气体分析法(DGA法) DGA法是通过检测变压器油分解产生的各种气体的组成和浓度来确定故障 状态，如局放、过热等。该方法目前已广泛应用于变压器的在线故障诊断中，并 且建立起模式识别系统可实现故障的自动识别，是当前在变压器部放电监测领域 非常有效的方法。但是油气分析是一个长期的监测过程，因而无法发现突发性故 障，而且该方法无法确定故障部位。 c) 光测法 光测法利用局部放电产生的光辐射进行检测。在变压器油中，各种放电发出 分析局放特征及绝缘劣化等方面已经取得了很大进展，但是由于光测法设备复杂 昂贵、灵敏度低，且需要被检测物质对光是透明的，因而在实际中无法应用。 d) 射频监测法 利用罗果夫斯基线圈从变压器中性点处提取信号，测量的信号频率可以达到 3万千赫兹，大大提高了局放的测量频率，同时测试系统安装方便，检测设备不 改变电力系统的运行方式【25,27】。但对于三相电力变压器，得到的信号是三相局放 信号的总和，无法进行分辨，且信号易受外界干扰。随着数字滤波技术的发展， 射频检测法在局放在线检测中得到了较广泛的应用。 e) 超声波法 超声波法是通过检测变压器局放产生的超声波信号来测量局放的大小和位 变压器的机械振动噪声[27】。由于超声波法受电气干扰小以及可以在线测量和定 位，因而人们对超声波法的研究较深入。但目前该方法存在着很大的问题：目前 的超声传感器灵敏度很低，无法在现场有效地测到信号；传感器的抗电磁干扰能 力较差。因此，超声监测主要用于定性地判断局放信号的有无，以及结合脉冲电 流法或直接利用超声信号对局放源进行物理定位。在电力变压器的离线和在线监 测中，它是主要的辅助测量手段。 f) 超高频法 近年来，一种新的局部放电检测方法得到迅速发展，它避开该干扰频带并将 测量频率移至O．3～3GHz超高频(UHF)频带，能有效地抑制现场测量的干扰， 及充气绝缘电缆(GIC)的局放监测[1l-12】，随后试用于电机、聚乙烯及交联聚乙 烯绝缘电力电缆的局放监测。超高频检测和数字化测量的结合，将是未来的电力 变压器局放监测(特别是在线检测)的发展主方向。 华北电力大学硕士学位论文 曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼量舅曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼笪量皇皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇量量舅曼曼曼曼曼曼曼曼邕笪曼曼鼍量量量曼曼曼曼曼曼曼曼蔓皇皇曼鼍量舅曼曼曼曼曼蔓笪 (3)变压器绕组温度在线监测方法 国内外研究人员已经尝试利用半导体吸收式光纤温度传感器对变压器绕组 温度进行在线测量，并取得了比较好的效果。同时，荧光光纤测温技术也是近年 来新兴的一种温度检测技术，其精度非常高，但是传感器价格昂贵。温度数据的 处理系统主要以间接计算法为基础，国内外研究人员已经在此基础上将人工智能 应用于变压器温度在线监测，西安交通大学的常炳国等人建立了基于模糊神经网 数神经网络建立的过载时热点温度预测模型能根据实际情况增减网络输入信号， 灵活性与可靠性有较大提高。 (4)变压器铁芯接地电流在线接地方法 预防维修和预知维修中，国内外都把铁芯接地电流作为诊断大型变压器铁芯 短路故障的特征量。大型变压器在运行时，其铁芯接地电流很小，约为几毫安到 几十毫安，但当变压器发生铁芯多点接地故障时，其铁芯接地电流将增大到几安 培甚至几十安培，从而会导致局部铁芯过热，严重时可能造成轻瓦斯动作甚至重 瓦斯动作跳闸【3们。目前，现场人员多采用钳形电流表夹住铁芯接地线来监测其 电流，但由于变压器强磁场的干扰，测量值很不精确，甚至出现同一测量点几次 测量值差别迥异的情况，这样测量的参考价值值得怀疑；而国内有些单位研制的 自动监测装置虽能及时发现多点接地故障，但缺乏故障后的实时监测功能。因此， 目前国内外还没有比较完善的变压器铁芯接地电流监测系统。 (5)变压器振动在线监测方法 加速度传感器配合数据采集卡可以对变压器振动情况进行监测，将所采集的 数据输入BP神经网络分析，根据网络输出情况，预测出不同振幅所代表的故障 类型。例如BOOTH和MIT曾合作通过BP神经网络监测变压器振动，他们计算 ：广100、200、300Hz振动的振幅组成作为变压器监测点的铁心振动、电流和温 度三个主要的谐波。同时，可以从噪声的角度研究变压器振动情况，根据变压器 噪声辐射的特点，通过改变电压器的磁通密度来研究变压器振动的特点，并由此 得出，变压器的噪声的声压级与磁通密度的关系，进行这方面研究的主要有上海 交通大学的顾晓安等人。 (6)变压器套管在线监测方法 变压器套管是将变压器内部的导线引到油箱外的出线装置，是变压器的重要 附件。对套管进行主绝缘和末屏对地介质损耗进行在线监测，是及时发现套管绝 缘问题、防止套管运行事故的有效手段之一【36】。在线年代 提出，当时主要采用带电测试方法，该方法设备简单，测试项目少，设备灵敏度 较差，技术水平较低。从90年代开始，随着DSP芯片的出现，DSP技术的发展 16 华北电力大学硕士学位论文 及计算机技术的推广使用，出现以计算机技术为核心的微机多功能绝缘在线监测 系统。主要使用的方法有套管功率因数测量法(tang测量法)和套管电容测量法。 2．5故障发生率及监测维护成本分析 变压器在线监测系统的安装成本取决于所使用的传感器数量、等级及相应处 理系统的价格总和，其安装对象应是对国民生产影响较大变压器，故障后造成后 果非常严重，经济损失无法用确定数额衡量的，甚至可能超过变压器本身价值的 大型及特大型变压器。在线监测系统的安装费用不应超过变压器故障所造成的损 失总和，包括变压器本体维修、器件更换、人力投入，以及因变压器故障停电所 带来的附加性生产停滞的损失，这些参数暂时无法精确量化。根据国家相关部门 的事故推算率，在线监测成本不应超过一台全新变压器本体价格的10％。 国际上将在线监测预防变压器故障并拖延故障时间所带来的隐性经济效益 称为战略性效益【l】。德国电力行业统计数据显示，变压器故障可降低维 护成本75％，减少税收63％，每年节约费用相当于一台新变压器本体价格的3％。 国际大电网会议上，确定了在线监测的效益公式，首先确定变压器总失效率如下： P=f(r·以) (2-1) 式中，P为在线监测变压器故障的总概率；匕为各个部件的故障率；d。为各 个部件的监测率。根据以上公式，结合变压器故障成本，可计算出变压器在线监 测每年带来的经济效益： 在线监测的经济效益=Px故障成本 整套在线监测系统所带来的总的经济效益为每年的经济效益与正常工作年 限的乘积。以一台容量为6．3万KVA的大型变压器为例，2010年大型电力变压 压器价格大约为780～850万元。取10％的监测系统成本，其在线监测系统允许 成本约为78～85万元。常用的变压器故障在线监测子系统大致价格见下表： 表2-6监测系统价格表 Table2-6Listofthe of pricemonitoringsystems 现以国家相关电力成本规定为分析依据，变压器监测系统的安装成本不应超 过变压器本体价格的10％。根据上表中统计的监测子系统价格数据可知，常用的 17 华北电力大学硕士学位论文 曼曼曼曼曼曼曼曼量量曼曼曼曼曼曼曼曼量皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼笪量量曼量曼曼曼曼曼岂曼量量曼曼曼曼曼曼曼曼曼量量曼量墅曼曼曼曼量曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅舅曼曼曼曼!曼 ；六种在线监测系统全部安装的价格大约为56万至93万。对于6．3万KVA及以 上容量的变压器，变压器主体价格约为800万元，且与容量成正比，取主体价格 的10％(80万元)作为允许的监测系统成本价格。发现对于容量6．3万KVA以 上变压器，其允许安装的监测系统成本价格可以涵盖表2-6中所有的六种监测系 统，即对于6．3万KVA以上容量变压器，可以同时安装六种监测系统。 但对于较低容量的变压器，变压器主体成本价格比较低，同时安装六种监测 系统的成本会超出变压器本体价格的10％。因此需要进行相应的成本预算，结合 ；卞同监测系统成本价格和对应的故障维护费用，合理制定安装计划。首先，绝大 多数故障都可以导致油中溶解气体和变压器过热的产生，所以此处分别将油色谱 监测系统和安装温度监测系统优先级设为一级和二级；其次，根据相关电力部门 统计，变压器放电性故障占总故障的比例大约为三分之一，约为24％，所以局部 放电监测系统优先级仅次于油色谱监测和温度监测系统。其他监测系统是否安 装，根据实际的变压器类型，由变压器价格所决定的监if瞄系统成本，以及不同的 应用环境情况酌情考虑是否安装。比如在某些环境下设备容易发生出口短路，导 致绕组变形，则优先安装振动监测系统。 表2．7安装监测系统一栏中，编码1、2、3、4、5、6分别表示对油色谱监 测系统、UHF监测系统、振动监测系统、温度监测系统、接地电流监测系统和 套管监测系统的安装。根据由变压器本体价格确定的允许安装的监测系统的成 同容量变压器监测系统的最经济化安装策略，见下表： 表2．7监测系统安装建议 Table2-7Installationrecommendationsofdifferent monitoringsystems 变压器在线监测系统的安装可综合考虑变压器的实际运行环境与其他相关 因素，结合上表给出的建议安装类型进行成本预测和项目实施。 华北电力大学硕士学位论文 2．6本章小结 作为建立综合性在线监测系统的基础，本章对变压器的基本结构进行了简要 的介绍，根据实际数据对变压器运行中出现的不同故障及其发生几率进行了描 述。同时结合不同故障下的监测变量，对各个监测系统进行了详细的分析，列举 出常用的故障诊断监测系统及其算法。 根据国内变压器维护成本经验，本章对变压器在线监测系统的经济性进行了 分析计算，公式2．1给出了在线监测系统经济效益的估算方法。然后结合大量搜 集的数据，列出不同等级变压器价格以及不同监测系统安装费用情况。根据监测 系统安装费用不超过变压器本体价格10％的原则，建立了不同容量变压器监测系 统的经济化安装策略，同时也为多参量在线监测系统最终的实际推广应用打下了 坚实的经济基础。 19 华北电力大学硕士学位论文 第3章改进BP神经网络模型的研究 =；．1引言 变压器运行状态和故障现象之间存在着复杂的非线性关系，普通的线性算法 无法对变压器故障进行实时监测。为此，国内外研究机构及高校研究人员提出了 多种解决方案，其中最主要的三种方法包括神经网络法、模糊算法和专家法。神 经网络法因其优越的非线性逼近能力和算法数据处理的灵活性，获得了较为广泛 的应用。在现有的实际变压器在线监测系统中，应用最为广泛的是误差反向传播 神经网络【l61。监测系统将传感器采集到的数据信号输入到BP网络的输入端，然 后经过指定的算法处理，得到对应的预测故障诊断结果。 现有最常用的传统故障诊断方法是IEC三比值法，本章以IEC三比值法为 例讨论改进BP神经网络模型的建立方法，以此为多参：量综合性在线监测系统的 建立做准备。IEC三比值法是根据传感器所采集到的五种气体：CH4、总、c，只、 然后根据不同的气体比例情况，对变压器故障进行诊断。三比值法的理论依据是 论分析。现代的变压器在线监测系统大都采用这种方法，但该方法存在一定的局 限性，如系统收敛速度慢、目标函数易陷入局部极小点等。本章将针对此问题， 研究了不同改进型BP神经网络应用于变压器在线监测系统的效果，并对不同类 型BP网络训练误差和学习时间进行比较，选出理想的网络模型。 本文最终要建立的是一个综合性多参量智能变压器在线监测系统，以实现多 个不同参量的同时监测、配合诊断，缩小诊断故障的范围。而对于多参量监测系 统，不同监测传感器所输出的数据类型不同，其输出标量值的数量级也相差很大。 如果将这些值直接作为神经网络的输入，会造成输入向量中值比较小的元素被吞 没，从而使神经网络输出产生很大的误差。本章将根据神经网络输入数据归一化 原理，对输入数据的归一化方法进行讨论研究，为下文综合性监测系统的建立提 供理论依据和方法保证。 20 一—————型兰兰些鲨兰———————一 曼皇蔓舞置鼍曼曼曼皇蔓舞墨詈曼曼曼篁舞寡曼鼍曼曼!。5—一一 3．2人工神经网络算法模型 3．2．1人工神经元模型结构 型 和的嘛√ 诽鄯：；i茎玩一一一燃～一一黼 象本份，一 拟成府勰 ，单伺暨 是位佛璀 肛艏删凇 {藿塌黼愀的最擒削椭教瀚盯 一一一～ ，力任 慧嚣 悭№撇船 磁一恸胜刺妇劫龇 哪个杂神们啡啪 葛u坠降瓷‰／ f 。叁伍习 文 《厂]j 图3-1神经元模型结构图 model theneuron of Structurediagram Fig．3．1 一个最基本的神经元单位主要由三个部分组成：输入加权、求和模块和激励 函数。 (1)输入加权：每个神经元单位所连接的不同输入的强度值，输入参量乘 以连接权值后作为神经元单位的实际输入数值。 求和模块：用于求取神经元单位的各个输入量的线) 设定的阈值谚求差，作为输出舵岛。 (3)激励函数：非线性函数，对求和模块的输出进行特定的处理，处理后 结果作为神经元最终输出。 每个神经元模型中的数据都要经过以下公式处理： ，z “伽=∑鼍·嘞 (3-1) iIl H _=∑t。嘞一日l (3—2) j=l (3—3) Yi2F(vi) 华北电力大学硕士学位论文 式中鼍为输入信号，峋为每个输入信号对应的加权值，“伽为求和函数总输 入值，9f为求和函数阈值，u为求和函数的输出信号，咒为神经元最终输出信 号值。F函数为神经元的激励函数，常见的有以下四种类型： (1)阈值型 f1Nef．

　　-0 f(Netz)210NeZ≤0 (2)分段线 Neti≤Net,．o Netio

　　netft f(netf)={knetf 【五酥 neti≥neti， (3)sigmoid函数型(s型) 1 f(netf)=—二丽 1+p一了 (4)tan函数型 警 一学 ‘ p 一p f(net，)=鼍f÷丽 e了+e一了 大量神经元构成的智能网络，可以突破传统的计算方法，实现数据的非线性 化处理，打破信息存储的集中性和任务处理的串行性，为解决变压器的在线连续 监测提供了可能。 3．2．2bp神经网络算法的实现过程 人工神经网络发展过程中，有很长一段时间无法对隐含层的权值进行有效的 一问趔201。 华北电力大学硕士学位论文 图3-2工作信号正向、反向传播示意图 andbackwardofthe schematicoftheforward spread operatingsignal fig．3-2 图中实线为工作信号正向传递方向，虚线为误差信号反向传递方向。 一个bp神经网络由信息的正向传播和误差的反向传播两部分构成，其工作 流程为： (1)输入层神经元节点负责采集外界输入信息。 (2)输入层将采集到的信息传递到中间层神经元进行数据信息的处理和 变换。 (3)根据实际模型需要，中间层可以是单隐含层结构，也可以使多隐含层 结构，每一层根据当前权值对经过的信息进行相应的处理。 (4)最外部隐含层将信息传递到输出层各个神经元，经过进一步的处理之 后，完成一次正向的信息传播过程。 (5)输出层将处理结果输出到外部接口。 (6)当实际的输出数据偏离期望值时，bp网络将进入误差的反向传播阶 段。按照误差梯度递减的方式，依次进入不同隐含层，直至最后传递 到输入层，对每一层的权值进行依次矫正。 (7)当误差反向传递到输入层时，bp网络就完成了一次自学习的权值整 定过程。 华北电力大学硕士学位论文 输 入 层 隐 含 层 输 出 层 图3—3bp神经兀网络正同工作流程图 theflowchartofthe workofthebpneuralnetwork fig．3-3 positive 下面结合公式说明基于sigmoid激励函数的多层前馈网络自适应的bp算 法： 假设系统第n次迭代的输出总误差为： e(，z)=去∑《(以) (3-4) 输出信号，丸(，z)为期望得到的输出信号。 bp神经网络权值的修正过程分为隐含层与输出层权值修正和隐含层之间的 权值修正两部分，其权值修正量与误差对权值的偏微分成正比，下面分别对这两 种权值修正过程进行简要的介绍： (1)隐含层，与输出层p之间权值修正量的确定 权值修正量与误差对权值偏微分成正比： 吲啦器 (3-5) 24 因为有 盟：旦盟塾盟亟盟型 魄(，z)吆(，2)oy如(咒)砒；(，z)ow．，p(n) 式中，％∽)为隐含层与输出层的突触权值，％@)为输出层第p个神 经元的误差信号，“；(，z)为第p层第p个神经元的输入，％(咒)为实际输出 信息，又 器州，筹叫，端巍㈣，，硒oupp(n)柏 可将权值修正量公式简化为 丽c3e(n)=一％(，z)砘(以))∥(刀) (3—6) 设局部梯度 啪卜器=砒砌∞) 限7) 激励函数为逻辑函数： 八功2鬲妄丽∥湖，删q

　　GB T 32610-2016_日常防护型口罩技术规范_高清版_可检索.pdf