基于色谱数据拆分的变压器混合型故障缺陷诊断法

摘要

本发明涉及一种基于色谱数据拆分的变压器混合型故障缺陷诊断法，属于变压器故障诊断领域。本发明将两种及以上单一类型缺陷、且其中一种缺陷为火花放电构成的混合型缺陷的色谱数据进行科学拆分，拆分为几种单一类型缺陷的特征数据，从而逐一进行缺陷诊断，并将几种单一类型缺陷诊断结论进行综合分析，最终获得相对准确且全面的诊断结论。

说明书

技术领域

本发明属于变压器内部故障诊断领域，尤其是指一种应用于电力系统变压器内 部故障诊断的方法。

背景技术

气相色谱仪在电力系统内广泛应用已经几十年了，利用色谱分析方法能有效检 测充油设备存在的各类缺陷。诊断缺陷的方法主要有特征气体法、改良三比值法、 大卫三角形法等诊断方法，一般情况下都能十分有效地诊断出缺陷性质和部位，有 利地指导了设备的检修和试验工作。但上述各类缺陷的诊断方法主要对单一类型的 缺陷性质确定有效，如单一类型的放电或过热缺陷的诊断，然而对于两种或两种以 上单一类型缺陷构成的混合型缺陷的性质及部位诊断，上述方法的准确率将大大降 低，甚至得出的结论不合常理，更无法为缺陷性质和位置的确定提供科学的诊断意 见。

发明内容

本发明提供一种基于色谱数据拆分的变压器混合型故障缺陷诊断法，以解决目 前各类缺陷的诊断方法主要对单一类型的缺陷性质确定有效，而对于两种或两种以 上单一类型缺陷构成的混合型缺陷的性质及部位诊断的准确率大大降低，甚至得出 的结论不合常理，更无法为缺陷性质和位置的确定提供科学的诊断意见的问题。

GB/T 7252-2001《变压器油中溶解气体分析和判断导则》为电力系统行业内分 析判断变压器油中溶解气体组分及含量，评估变压器运行状态的标准。标准中所涉 及到的变压器油色谱数据包括氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化 碳和总烃。其中三比值编码涉及到的油色谱数据不包括一氧化碳和二氧化碳，因此 本发明所述的色谱数据拆分法涉及到的变压器色谱数据为氢气、甲烷、乙烷、乙烯、 乙炔和总烃。

本方法采取的技术方案是，包括下列步骤：

一、用色谱仪测得H₂的组分浓度为AμL/L，CH₄的组分浓度为BμL/L，C₂H₄的组分浓度为CμL/L，C₂H₆的组分浓度为DμL/L，C₂H₂的组分浓度为EμL/L，C1+C2 的组分浓度为FμL/L，根据实际情况及色谱数据的数值确定变压器内部发生的故障 缺陷为混合型缺陷，其色谱数据为混合型缺陷的数据；

二、对该混合型缺陷色谱数据应用常规色谱分析方法，如特征气体法、三比值 法进行初步诊断，分析该混合型缺陷其中之一是火花放电；

三、应用已经掌握的火花放电缺陷色谱数据的规律，对该混合型缺陷色谱数据 进行数学上的拆分，其中乙炔气体组分含量数值能被唯一确定，其余组分含量数值 依据三比值法的气体比值范围极限获得，获得一组对应火花放电的单一类型缺陷色 谱数据其中火花放电各组分浓度如下：

H₂的组分浓度为A_火μL/L，CH₄的组分浓度为B_火μL/L，C₂H₄的组分浓度为C _火μL/L，C₂H₆的组分浓度为D_火μL/L，C₂H₂的组分浓度为E_火μL/L，CO+CO₂的组 分浓度为F_火μL/L；

E_火＝E，A_火＝E_火，B_火＝A_火/6，C_火＝B_火×0.8，D_火＝B_火×0.05，F_火＝B_火+C _火+D_火+E_火；

各组分原始浓度与火花放电各组成浓度之差构成的未知缺陷各组分浓度，该未 知缺陷各组分浓度如下：

H₂的组分浓度为A_XμL/L，CH₄的组分浓度为B_XμL/L，C₂H₄的组分浓度为C_XμL/L，C₂H₆的组分浓度为D_XμL/L，C₂H₂的组分浓度为E_XμL/L，CO+CO₂的组分浓 度为F_XμL/L；

具体拆解方法如下：

A_x＝A‐A_火；

B_x＝B‐B_火；

C_x＝C‐C_火；

D_x＝D‐D_火；

E_x＝0；

F_x＝F‐F_火；

对上述数构成的色谱数据应用常规色谱分析方法进行诊断；

四、再将所有单一类型缺陷诊断结论进行汇总，形成变压器混合型缺陷的综合 诊断结论。

本发明优点是将两种及以上单一类型缺陷、且其中一种缺陷为火花放电构成的 混合型缺陷的色谱数据进行科学拆分，拆分为几种单一类型缺陷的特征数据，从而 逐一进行缺陷诊断，并将几种单一类型缺陷诊断结论进行综合分析，最终获得相对 准确且全面的诊断结论。

具体实施方式

本发明所述的色谱数据拆分法的主要理论依据是基于单纯火花放电的产气特征 的几个规律：1)变压器内发生火花放电时相当于针板电极发生长间隙(距离3mm及 以上)、短间隙(1mm及以下)火花放电；2)单纯火花放电发生时，氢气/甲烷＝3～ 11，统计后比值可以取6，乙烯/甲烷＝0.5～1.1，统计后比值取0.8，乙烷/甲烷 ＝0.01～0.1，统计后比值取0.05，氢气/乙炔＝0.8～1.4，统计后比值取1。

包括下列步骤：

一、用色谱仪测得H₂的组分浓度为AμL/L，CH₄的组分浓度为BμL/L，C₂H₄的组分浓度为CμL/L，C₂H₆的组分浓度为DμL/L，C₂H₂的组分浓度为EμL/L，C1+C2 的组分浓度为FμL/L，根据实际情况及色谱数据的数值确定变压器内部发生的故障 缺陷为混合型缺陷，其色谱数据为混合型缺陷的数据；

二、对该混合型缺陷色谱数据应用常规色谱分析方法，如特征气体法、三比值 法进行初步诊断，分析该混合型缺陷其中之一是火花放电；

三、应用已经掌握的火花放电缺陷色谱数据的规律，对该混合型缺陷色谱数据 进行数学上的拆分，其中乙炔气体组分含量数值能被唯一确定，其余组分含量数值 依据三比值法的气体比值范围极限获得，获得一组对应火花放电的单一类型缺陷色 谱数据其中火花放电各组分浓度如下：

H₂的组分浓度为A_火μL/L，CH₄的组分浓度为B_火μL/L，C₂H₄的组分浓度为C _火μL/L，C₂H₆的组分浓度为D_火μL/L，C₂H₂的组分浓度为E_火μL/L，CO+CO₂的组 分浓度为F_火μL/L；

E_火＝E，即所有C₂H₂均由火花放电产生，A_火＝E_火，B_火＝A_火/6，C_火＝B_火×0.8， D_火＝B_火×0.05，F_火＝B_火+C_火+D_火+E_火(根据GB/T 7252‐2001《变压器油中溶 解气体分析和判断导则》)

各组分原始浓度与火花放电各组成浓度之差构成的未知缺陷各组分浓度，该未 知缺陷各组分浓度如下：

H₂的组分浓度为A_XμL/L，CH₄的组分浓度为B_XμL/L，C₂H₄的组分浓度为C_XμL/L，C₂H₆的组分浓度为D_XμL/L，C₂H₂的组分浓度为E_XμL/L，CO+CO₂的组分浓 度为F_XμL/L；

具体拆解方法如下：

A_x＝A‐A_火；

B_x＝B‐B_火；

C_x＝C‐C_火；

D_x＝D‐D_火；

E_x＝0；

F_x＝F‐F_火；

对上述数构成的色谱数据应用常规色谱分析方法进行诊断；

四、再将所有单一类型缺陷诊断结论进行汇总，形成变压器混合型缺陷的综合 诊断结论。

为了研究单纯火花放电的产气特征，我们做了充油变压器放电模型，通过针板 电极和板板电极两种放电模型模拟了裸金属时长、短间隙(模拟长间隙规定电极距 离在1mm以上，模拟短间隙规定电极距离在1mm及以下)的放电情况，并通过针板 电极和板板电极两种放电模型模拟了电极覆有电缆纸时长、短间隙的放电情况，综 合实验数据获得单纯火花放电的产气特征，具体实验数据如下：

表1：针板电极第一类型火花放电模拟试验产气结果

表2：针板电极第二类型火花放电模拟试验产气结果

表3：针板电极第三类型火花放电模拟试验产气结果

分析变压器内部火花放电色谱数据特征，我们得到如下规律：

1)变压器内发生火花放电时相当于针板电极发生长间隙(距离3mm及以上)、 短间隙(1mm及以下)火花放电。

2)不同间隙时发生的火花放电产气特征基本以乙炔、氢气为主体，并且产气 特征基本一致。

3)火花放电发生时，氢气与乙炔组分含量比值范围为0.8～1.4，统计后比值取 1；乙炔与甲烷组分含量比值范围为4～8，统计后比值可以取6；乙烯与甲烷组分 含量比值范围为0.5～1.0，统计后比值取0.8；乙烷与甲烷组分含量比值范围为 0.01～0.1，统计后比值取0.05。

4)火花放电发生时能首先确定乙炔组分含量，然后能确定氢组分和甲烷组分 含量，甲烷确定后便能确定乙烯、乙烷的组分含量。

下面通过应用例对本发明的效果做进一步的说明。

某变电站主变色谱数据发生异常，根据三比值法判断设备缺陷为“电弧放电兼 过热”，设备解体后未发现电弧放电的迹象，缺陷存在于磁回路有可能是火花放电。 因此利用三比值法判断此缺陷类型并不准确，需利用本发明所述的色谱拆分法进行 分析。

应用已经掌握的火花放电缺陷色谱数据的规律，对混合型缺陷色谱数据进行数 学上的拆分，得到的某变电站主变各项色谱数据以及拆分结果如表4所示：

表4应用色谱数据拆分法得到某变电站主变的各项色谱数据

拆分后得到一套火花放电缺陷的色谱数据和另一套未知缺陷的色谱数据，根据 GB/T 7252《变压器油中溶解气体分析和判断导则》三比值法判断，故障编码为0、 2、2，为典型的高温过热缺陷特征。综合上述分析得到该变压器主变存在火花放电 和高温过热缺陷。

为了验证结论的正确性，该设备经过返厂解体，发现上铁轭与C相心柱交接处 面向B相的位置有一片边长15mm的等腰三角形硅钢片角料，该角料掉落至C相心 柱与地屏之间，造成19片硅钢片部分片间短路形成高温过热同时该角料在硅钢片切 面上不断移动构成悬浮放电间隙从而引发火花放电。充分验证了应用色谱数据拆分 法判断此类故障的准确性。