CN105445584B

CN105445584B - 一种基于油色谱的变压器安全状态评估方法

Info

Publication number: CN105445584B
Application number: CN201510847477.8A
Authority: CN
Inventors: 黄绪勇; 王闸; 孙鹏; 王秀利; 耿苏杰
Original assignee: Electric Power Research Institute of Yunnan Power System Ltd
Current assignee: Electric Power Research Institute of Yunnan Power System Ltd
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2018-03-27
Anticipated expiration: 2035-11-27
Also published as: CN105445584A

Abstract

本发明实施例公开了一种基于油色谱的变压器安全状态评估方法，包括以下步骤:根据变压器内氮氧比率，确定变压器的含氧类型；根据变压器的含氧类型，获取预先设定的故障能量强度阈值L₁、L₂和L₃；获取变压器中甲烷、乙烷、乙烯和乙炔的溶解含量X1、X2、X3和X4，并根据X1、X2、X3和X4，计算故障能量强度P；根据L₁、L₂、L₃和P，计算变压器故障能量强度指数PI；根据PI，判定变压器安全状态。本发明实施例公开的油色谱变压器安全状态评估方法，与目前普遍采用的DGA法相比，设定的阈值少，计算逻辑简单，对变压器高温故障，特别对由高能过热和电弧放电等严重故障所导致的安全状态有较高的反应灵敏度。

Description

一种基于油色谱的变压器安全状态评估方法

技术领域

本发明涉及输变电设备安全与可靠性评估领域，特别是涉及一种基于油色谱的变压器安全状态评估方法。

背景技术

电力变压器的绝缘与冷却油介质在运行环境作用下会产生物理及化学变化，裂解产生少量可燃气体如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氢气以及一氧化碳和二氧化碳等。这些溶解在油介质中的气体组分与含量在一定程度上反映了变压器绝缘老化或(潜在)故障的程度。

目前，国内外电力行业实践中，普遍采用DGA法(Dissolved gas analysis,溶解气体分析法)对变压器进行安全分析，即通过分析浸油样本中的溶解气体体积浓度来判断变压器的安全状态等级。具体来说，DGA法通过监测和试验统计方法，设置各种溶解气体体积浓度的设备安全等级阈值，采用上限原则比照各溶解气体含量，只要某一种特征气体或总特征气体体积浓度值介于某安全等级上下限阈值之间，则判定变压器设备处于该安全等级。

然而，DGA法在具体应用时，存在设定的阈值较多、计算逻辑较为复杂，而且对各种不同类型的变压器故障所导致的安全状态反应灵敏度不高的缺陷。因此，需要对评估变压器安全状态的方法，进一步进行研究，以期达到能够更高效、更简便地实现对变压器安全状态进行判断的目的。

发明内容

本发明实施例中提供了一种油色谱变压器安全状态评估方法，以解决现有技术中存在的对变压器安全状态评估方法中设定的阈值较多、计算逻辑复杂，对各类变压器故障导致的安全状态反应灵敏度低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

本发明实施例公开的一种基于油色谱的变压器安全状态评估方法，包括以下几个步骤:根据变压器内的氮氧比率，确定变压器的含氧类型；根据变压器的含氧类型，获取预先设定的故障能量强度阈值L₁、L₂和L₃；获取变压器中甲烷、乙烷、乙烯和乙炔的溶解含量，分别为X1、X2、X3和X4，并根据X1、X2、X3和X4，计算故障能量强度P；根据L₁、L₂、L₃和P，计算变压器故障能量强度指数PI；根据PI，判定变压器安全状态。

优选的，根据变压器内的氮氧比率，确定变压器的含氧类型，包括：获取变压器内的氧气和氮气的溶解量；计算氮气与氧气的氮氧比率；根据变压器中预设的氮氧比率阈值，判断变压器的含氧类型，其中，如果氮氧比率大于氮氧比率阈值，则变压器为低含氧变压器，或者，如果氮氧比率小于氮氧比率阈值，则变压器为高含氧变压器。

优选的，根据变压器的含氧类型，获取预先设定的故障能量强度阈值L₁、L₂和L₃，包括：变压器的含氧类型包括低含氧和高含氧类型，变压器包括低含氧变压器和高含氧变压器；预先设定有与低含氧变压器和高含氧变压器分别对应的故障能量强度阈值；获取与变压器的含氧类型相对应的故障能量强度阈值L₁、L₂和L₃。

优选的，根据X1、X2、X3和X4，计算故障能量强度P，包括：根据X1、X2、X3和X4，利用故障能量强度计算公式计算故障能量强度P，其中，故障能量强度计算公式为P＝(77.7X₁+93.5X₂+104.1X₃+278.3X₄)/(22.4×10³)。

优选的，根据X1、X2、X3和X4，计算故障能量强度P，还包括：如果变压器中溶解气体含量X1、X2、X3和X4测定时温度为T摄氏度，则利用P＝(77.7X₁+93.5X₂+104.1X₃+278.3X₄)/(22.4×10³)*273/(273+T)，计算故障能量强度P，其中，所述T为测定气体时的华氏温度。

优选的，根据L₁、L₂、L₃和P，计算变压器故障能量强度指数PI，包括以下步骤：如果P＜L₁,则PI＝1+P/L₁；或者，如果L₁≤P＜L₂，则PI＝2+(P-L₁)/(L₂-L₁)；或者，如果L₂≤P＜L₃，则PI＝3+(P-L₂)/(L₃-L₂)；或者，如果P≥L₃,则PI＝4.0。

优选的，判定变压器安全状态，具体为包括：根据计算得出的变压器故障能量强度指数PI以及预设的故障能量强度指数阈值之间的大小关系，判断变压器的安全状态；故障能量强度指数阈值设定为2.0、3.0和4.0；其中，如果PI＜2.0,则推断变压器处于正常状态；或者，如果2.0≤PI＜3.0，则推断变压器处于注意状态；或者，如果3.0≤PI＜4.0，则推断变压器处于异常状态；或者，如果PI≥4.0,则推断变压器处于严重状态。

由以上技术方案可见，本发明实施例提供的油色谱变压器安全状态评估方法，与目前普遍采用的DGA法推断变压器安全等级方法相比，设定的阈值少，计算逻辑简单，对变压器高温故障，特别对由高能过热和电弧放电等严重故障所导致的安全状态有较高的反应灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于油色谱的变压器安全状态评估方法的流程示意图；

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参见图1，为本发明实施例提供的一种基于油色谱的变压器安全状态评估方法的流程示意图。

本实施例公开的基于油色谱的变压器安全状态评估方法，选取变压器油介质中溶解气体甲烷、乙烷、乙烯和乙炔来评估其故障安全等级。在主要溶解气体中，绝大多数情况下氢气和一氧化碳含量占到所有溶解气体的72％以上，但是它们在很多情况下不是由变压器故障产生的，因此很难定量区分由非故障原因引起的氢气和一氧化碳占比。另外，氢气由于其小分子特点，在变压器运行过程中及油色谱采样时容易从油介质和油样中逃逸而对计量造成误差。因此，本实施例公开的基于油色谱的变压器安全状态评估方法所选择的溶解性气体不包含氢气和一氧化碳，借以消除产生它们的非故障因素对评估指标的影响。而根据热动力学原理，甲烷、乙烷、乙烯和乙炔则主要是变压器故障产生的，它们的物化特性决定了不同的故障所生成的这些溶解气体含量占比不同，因此可以利用它们所生成的数量以及不同气体的单位溶解气体吸能能力作为权重，并取和来表征故障能量强度，进而规范化描述为故障能量强度指数来推断变压器安全等级。

在标准温度(273K)和标准压力(101.325kPa)下，由正辛烷(n-octane)生成1摩尔甲烷气体需要的能量生成1摩尔乙烷气体需要的能量生成1摩尔乙烯气体需要的能量生成1摩尔乙炔气体需要的能量假设四种溶解气体含量分别表示为X₁，X₂，X₃和X₄，采用单位μL/L(ppm)，得出如下公式来计算故障能量强度P：

另外，如果溶解气体含量不是标准温度(273K)下测定的，那么故障能量强度P需要通过乘以温度校正系数273/(273+T)来修正，其中T是气体测定时的华氏温度。

本实施例公开的基于油色谱的变压器安全状态评估方法，包括以下几个步骤：

在S11步骤中，根据变压器内的氮氧比率，确定变压器的含氧类型，即可以利用变压器中溶解的氮气与氧气的含量比值，确定变压器的含氧类型。进一步的，S11步骤还包括以下步骤：获取变压器内的氧气和氮气的溶解量，计算氮气与氧气的氮氧比率，根据变压器中预设的氮氧比率阈值，判断变压器的含氧类型，其中，如果氮氧比率大于该氮氧比率阈值，则变压器为低含氧变压器，或者，如果氮氧比率小于氮氧比率阈值，则变压器为高含氧变压器，其中，对变压器中氮氧比率阈值的设置，可以选用IEEE/PES变压器委员会工作组在C57.104的统计研究结果中设定的变压器中溶解的氮氧比率阈值5.94。

在S12步骤中，根据变压器的含氧类型，获取预先设定的故障能量强度阈值L₁、L₂和L₃，这里为了便于本文描述，设定L₁＜L₂＜L₃。变压器的含氧类型包括低含氧和高含氧类型，变压器包括低含氧变压器和高含氧变压器，预先设定有与低含氧变压器和高含氧变压器分别对应的故障能量强度阈值。在预先设定变压器故障能量强度阈值时，可以根据变压器的含氧类型，获取与该种变压器含氧类型相应的四种气体，即甲烷、乙烷、乙烯和乙炔的溶解含量的上限的四个阈值、下限的四个阈值及运维人员针对特定变压器修正给出的该四种气体的四个溶解含量阈值，并分别根据该上限阈值、下限阈值及人工修正所得阈值，利用故障能量强度公式计算故障能量强度阈值L₁、L₂和L₃。进一步的，S12步骤还包括以下步骤：预先设定变压器故障能量强度阈值时，还可以根据变压器的含氧类型，按照IEEE给定的低含氧变压器或者高含氧变压器对应的四种气体溶解含量的四个上限阈值、四个下限阈值及运维人员对特定变压器修正给出的四种气体的四个溶解含量阈值，利用变压器故障能量强度公式进行计算。

在S13步骤中，获取变压器中甲烷、乙烷、乙烯和乙炔的溶解含量，分别对应表示为X1、X2、X3和X4，并根据X1、X2、X3和X4，计算故障能量强度P。利用故障能量强度计算公式计算故障能量强度P时，将获取的变压器中甲烷、乙烷、乙烯和乙炔的溶解含量X1、X2、X3和X4分别对应公式中X₁、X₂、X₃和X₄，带入公式，进行计算，得出故障能量强度P的数值。如果该变压器中溶解气体含量X1、X2、X3和X4在测定时的温度不是标准温度(273K)，而是T摄氏度，则利用公式P＝(77.7X₁+93.5X₂+104.1X₃+278.3X₄)/(22.4×10³)*273/(273+T)，计算故障能量强度P，其中，T为测定气体时的华氏温度，带入方法同上。

在S14步骤中，根据L₁、L₂、L₃和P，计算变压器故障能量强度指数PI。在利用L₁、L₂、L₃和P计算PI时，如果P＜L₁,则PI＝1+P/L₁，或者，如果L₁≤P＜L₂，则PI＝2+(P-L₁)/(L₂-L₁)，或者，如果L₂≤P＜L₃，则PI＝3+(P-L₂)/(L₃-L₂)，或者，如果P≥L₃,则PI＝4.0。

在S15步骤中，根据PI，判定变压器安全状态。选取变压器的安全状态时可以按照IEEE C57.104-2008标准，把变压器安全状态分成四个等级，即正常状态、注意状态、异常状态和严重状态。进一步的，S15步骤还包括以下步骤：根据计算得出的变压器故障能量强度指数PI以及预设的故障能量强度指数阈值之间的大小关系，判断变压器的安全状态，设定故障能量强度指数阈值为2.0、3.0和4.0，其中，这里故障能量强度指数阈值可以依据区间分布和实际的设备情况进行确定，如可以参考运维人员对设备的评估情况进行确定。根据PI数值，如果PI＜2.0,则推断变压器处于正常状态，或者，如果2.0≤PI＜3.0，则推断变压器处于注意状态，或者，如果3.0≤PI＜4.0，则推断变压器处于异常状态，或者，如果PI≥4.0,则推断变压器处于严重状态。

本实施例公开的基于油色谱的变压器安全状态评估方法，综合了甲烷、乙烷、乙烯和乙炔四种溶解气体含量及其吸能能力来计算变压器安全状态指标，并且进行了规范化表征，PI值的大小可以直接反应扩散到变压器油介质中的故障能量大小，同时，本实施例公开的基于油色谱的变压器安全变态评估方法，仅使用三个阈值来判断变压器安全等级状态，推断逻辑较为简单，而且计算实现同样简单易行，另外，PI考虑了所产生的故障气体从油介质中吸收能量的效果作为加权因子，其中以乙炔权重最大，乙烯次之，而由于乙烯和乙炔是高温和高能故障所生成的关键气体，因此，本实施例公开的基于油色谱的变压器安全变态评估方法对变压器高温故障，如电弧放电及高温过热等严重故障所导致的安全状态具有较好的敏感性。再者，尽管不同企业可以就其特定变压器及运行环境，借助所积累的数据库经验性地设定各溶解气体安全阈值和变压器氮氧比率阈值，但用其所计算的PI值来解释的变压器安全状态不会受到运维人员所设定的阈值影响，所以，本发明提供的基于油色谱的变压器安全状态评估方法还适用于不同企业，为企业自身进行变压器安全状态评估提供了新的思路。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种基于油色谱的变压器安全状态评估方法，其特征在于，包括以下几个步骤:

根据变压器内的氮氧比率，确定所述变压器的含氧类型；

根据所述变压器的含氧类型，获取预先设定的故障能量强度阈值L₁、L₂和L₃；

获取所述变压器中甲烷、乙烷、乙烯和乙炔的溶解含量，分别为X₁ 、 X₂ 、 X₃ 和 X₄ ，并根据所述X₁ 、 X₂ 、 X₃ 和 X₄ ，计算故障能量强度P，所述故障能量强度计算公式为P＝(77.7X₁+93.5X₂+104.1X₃+278.3X₄)/(22.4×10³)；

根据所述L₁、L₂、L₃和P，计算所述变压器故障能量强度指数PI，包括：

如果P＜L₁，则PI＝1+P/L₁，或者，

如果L₁≤P＜L₂，则PI＝2+(P-L₁)/(L₂-L₁)，或者，

如果L₂≤P＜L₃，则PI＝3+(P-L₂)/(L₃-L₂)，或者，

如果P≥L₃，则PI＝4.0；

根据所述PI，判定所述变压器安全状态。

2.根据权利要求1所述的基于油色谱的变压器安全状态评估方法，其特征在于，所述根据变压器内的氮氧比率，确定所述变压器的含氧类型，包括：

获取变压器内的氧气和氮气的溶解量；

计算所述氮气与氧气的比率；

根据变压器中预设的氮氧比率阈值，判断所述变压器的含氧类型，其中，如果所述氮氧比率大于所述氮氧比率阈值，则所述变压器为低含氧变压器，或者，如果所述氮氧比率小于所述氮氧比率阈值，则所述变压器为高含氧变压器。

3.根据权利要求2所述的基于油色谱的变压器安全状态评估方法，其特征在于，所述根据所述变压器的含氧类型，获取预先设定的故障能量强度阈值L₁、L₂和L₃，包括：所述变压器的含氧类型包括低含氧和高含氧类型，所述变压器包括低含氧变压器和高含氧变压器；

预先设定有与所述低含氧变压器和高含氧变压器分别对应的故障能量强度阈值；

获取与所述变压器的含氧类型相对应的故障能量强度阈值L₁、L₂和L₃。

4.根据权利要求1所述的基于油色谱的变压器安全状态评估方法，其特征在于，所述根据所述X₁ 、 X₂ 、 X₃ 和 X₄ ，计算故障能量强度P，还包括：

如果所述变压器中溶解气体含量X₁ 、 X₂ 、 X₃ 和 X₄ 测定时温度为T摄氏度，则利用P＝(77.7X₁+93.5X₂+104.1X₃+278.3X₄)/(22.4×10³)*273/(273+T)，计算所述故障能量强度P，其中，所述T为测定气体时的华氏温度。

5.根据权利要求1所述的基于油色谱的变压器安全状态评估方法，其特征在于，所述判定所述变压器安全状态，具体为包括：

根据计算得出的所述变压器故障能量强度指数PI以及预设的故障能量强度指数阈值之间的大小关系，判断所述变压器的安全状态；所述故障能量强度指数阈值设定为2.0、3.0和4.0；其中，

如果PI＜2.0,则推断变压器处于正常状态；或者，

如果2.0≤PI＜3.0，则推断变压器处于注意状态；或者，

如果3.0≤PI＜4.0，则推断变压器处于异常状态；或者，

如果PI≥4.0,则推断变压器处于严重状态。