CN105488325A - 基于能量加权的变压器放电故障严重程度诊断方法 - Google Patents

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范辉
高骏
高树国
潘瑾
陈志勇
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State Grid Corp of China SGCC
Electric Power Research Institute of State Grid Hebei Electric Power Co Ltd
Hebei Electric Power Construction Adjustment Test Institute
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Abstract

本发明公开了一种基于能量加权的变压器放电故障严重程度诊断方法，由建立C20H42的裂解模型、由各观测周期观测到的变压器的色谱数据中特征气体浓度计算各特征气体的焓变值，再由各特征气体浓度和焓变值计算放电严重程度的特征量WETDCG。如果当前周期的放电严重程度特征量WETDCG的增长速率v大于第一周期的放电严重程度特征量WETDCG的增长速率v的5倍，诊断为变压器放电故障严重，需要对变压器停运检修。本发明法基于变压器放电故障严重程度与放电能量之间的良好对应关系，利用产生故障的气体生成能量评估的故障严重程度，直接故障能量因而更加准确。

Description

基于能量加权的变压器放电故障严重程度诊断方法
技术领域
本发明涉及一种利用油中溶解气体技术诊断变压器内部放电缺陷严重程度的方法，尤其是一种基于能量加权的变压器放电故障严重程度诊断方法，属于变电设备故障诊断技术领域。
背景技术
电力变压器是是能量转换和传输的核心，是电力系统的枢纽型性设备，一旦发生故障，将会造成重大的经济损失。其中，变压器的放电性故障是导致绝缘击穿的主要原因，因此及时诊断变压器放电故障及其严重程度对电力系统的安全运行具有重要意义。油中溶解气体分析法（DissolvedGasAnalysis,DGA）由于可以连续监视变压器的运行状态，对判断慢性局部潜在性缺陷十分有效，并提供有价值的信息进行状态评估和预测，国内在1997年颁布执行的电力设备预试规程中，把变压器油中溶解气体分析置于首要位置。
目前用来诊断放电故障严重程度的DGA方法有比值法和特征气体法以及近些年发展起来的神经网络法。对于比值类诊断方法，如经典的IEC三比值法，将放电故障类型分为四类：低能量的局部放电（Partialdischargesoflowenergy）、高能量的局部放电（Partialdischargesofhighenergy）、低能放电（Dischargesoflowenergy）和高能放电(Dischargesofhighenergy)，其放电的类型划分的依据即为能量的高低。放电故障的严重程度与放电能量有着密切关系。该方法利用气体含量的比值将故障进行分类，但未能体现故障气体所蕴含的能量信息。特征气体法通过故障气体的含量和产气速率对变压器进行状态评估。例如，IEEE57.104-2008标准根据H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6和CO的气体含量以及可燃性气体总含量（TotalDissolvedCombustibleGases，TDCG）将变压器的运行状况分为了四级，并给出了相应每一级的维修策略。但这类方法依然忽略了生成不同气体的能量差异，例如，生成相同体积C2H2所需的能量是CH4的七倍之多。
在热动力学中，焓（H）是一个基础的能量参数，通过计算焓变可以反映该化学反应进行所需要的能量。由标准状态下最稳定单质生成标准状态下1mol的化合物的热效应或焓变，称为该化合物的标准生成焓，以符号△Hf表示。各种物理化学手册中给出的生成焓是在温度为298.15K时生成lmol化合物的标准生成焓，叫做标准摩尔生成焓。化学反应的焓变值的计算方法为：
（1）
其中，△H0 f,products指的是生成物的标准生成焓，△H0 reactants指的是反应物的标准生成焓，两者之差便是该化学反应的焓变，即△H0 reaction。
变压器放电故障的严重程度与放电能量有着密切关系，可以从能量的角度去表征其严重程度。但是，现有DGA方法未能充分利用故障气体中所蕴含的能量信息来表征放电的严重程度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于能量加权的变压器放电故障严重程度诊断方法，通过计算变压器油的裂解过程中各种特征故障气体H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6和CO的生成能量，诊断变压器放电故障严重程度。
本发明所采取的技术方案是：
1、一种基于能量加权的变压器放电故障严重程度诊断方法：由以下具体步骤组成：
步骤1：建立C20H42的裂解模型：C20H42裂解产生CH4、C2H6、C2H4、C2H2、H2，以及变压器绝缘纸板的单体葡萄糖分解生成CO的化学反应方程式如下：
C20H42CH4+C19H38（1）
C20H42C2H6+C18H36（2）
C20H42C2H4+C18H38（3）
C20H42C2H2+H2+C18H38（4）
C20H42H2+C20H40（5）
1/6C6H12O6CO+H2（6）
步骤2：将观测时间段划分为一个以上周期，再将各周期划分为一个以上观测周期；连续监测各观测周期变压器的色谱数据，计算各观测周期放电严重程度的特征量WETDCG，诊断变压器放电故障严重程度，具体步骤为：
1)观测当前观测周期的特征故障气体CH4、C2H6、C2H4、C2H2、H2和CO的浓度c(CH4)、c(C2H6)、c(C2H4)、c(C2H2)、c(H2)、c(CO)，计算焓变值△H0 reaction(CH4)、△H0 reaction(C2H6)、△H0 reaction(C2H4)、△H0 reaction(C2H2)、△H0 reaction(H2)、△H0 reaction(CO)；
2)以CH4的焓变值△H0 reaction(C2H4)为基准，计算当前观测周期的CH4、C2H6、C2H4、C2H2、H2和CO的相对焓变值r1、r2、r3、r4、r5、r6；
3)计算当前观测周期的放电严重程度特征量WETDCG：
WETDCG=r1*c(CH4)+r2*c(C2H6)+r3*c(C2H4)+r4*c(C2H2)+r5*c(H2)+r6*c(CO)（7）
4)由代表当前观测周期的开始和结束时的放电严重程度特征量WETDCG的归一值cc1和cc2，表示时间间隔△t计算当前观测周期的放电严重程度特征量WETDCG的增长速率v；
5)诊断变压器放电故障严重程度：如果当前周期的放电严重程度特征量WETDCG的增长速率v大于第一周期的放电严重程度特征量WETDCG的增长速率v的5倍，诊断为变压器放电故障严重，需要对变压器停运检修。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明法基于变压器放电故障严重程度与放电能量之间的良好对应关系，利用产生故障的气体生成能量评估的故障严重程度，直接故障能量因而更加准确。
附图说明
图1是本发明的各观测周期的放电严重程度的特征量WETDCG归一值趋势发展图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
1、一种基于能量加权的变压器放电故障严重程度诊断方法，其特征在于：由以下具体步骤组成：
步骤1：建立C20H42的裂解模型：C20H42裂解产生CH4、C2H6、C2H4、C2H2、H2，以及变压器绝缘纸板的单体葡萄糖分解生成CO的化学反应方程式如下：
C20H42CH4+C19H38（1）
C20H42C2H6+C18H36（2）
C20H42C2H4+C18H38（3）
C20H42C2H2+H2+C18H38（4）
C20H42H2+C20H40（5）
1/6C6H12O6CO+H2（6）
步骤2：将观测时间段划分为一个以上周期，再将各周期划分为一个以上观测周期；连续监测各观测周期变压器的色谱数据，计算各观测周期放电严重程度的特征量WETDCG，诊断变压器放电故障严重程度，具体步骤为：
1)观测当前观测周期的特征故障气体CH4、C2H6、C2H4、C2H2、H2和CO的浓度c(CH4)、c(C2H6)、c(C2H4)、c(C2H2)、c(H2)、c(CO)，计算焓变值△H0 reaction(CH4)、△H0 reaction(C2H6)、△H0 reaction(C2H4)、△H0 reaction(C2H2)、△H0 reaction(H2)、△H0 reaction(CO)；
2)以CH4的焓变值△H0 reaction(C2H4)为基准，计算当前观测周期的CH4、C2H6、C2H4、C2H2、H2和CO的相对焓变值r1、r2、r3、r4、r5、r6；
3)计算当前观测周期的放电严重程度特征量WETDCG：
WETDCG=r1*c(CH4)+r2*c(C2H6)+r3*c(C2H4)+r4*c(C2H2)+r5*c(H2)+r6*c(CO)（7）
4)由代表当前观测周期的开始和结束时的放电严重程度特征量WETDCG的归一值cc1和cc2，表示时间间隔△t计算当前观测周期的放电严重程度特征量WETDCG的增长速率v；
5)诊断变压器放电故障严重程度：如果当前周期的放电严重程度特征量WETDCG的增长速率v大于第一周期的放电严重程度特征量WETDCG的增长速率v的5倍，诊断为变压器放电故障严重，需要对变压器停运检修。
DGA所检测的故障气体除CO外，都是变压器油裂解反应的产物。因此，产生这些故障气体所需的能量可以根据变压器油的裂解反应的焓变值来计算。实际的变压器油的裂解过程是十分复杂的，不可能把所有的裂解反应都考虑在内，只选取与产生故障气体相关的最简单的化学反应方程来表征整个裂解过程。变压器油的平均碳分子数在20左右，其主要成分是链烷烃、环烷烃和芳香烃。其中，链烷烃的分子结构最不稳定，最易分解。因此，本文选取C20H42作为起始反应物，其裂解产生CH4、C2H6、C2H4、C2H2、H2。除上述几种故障气体外，通过气相色谱测得的气体还有CO、CO2，但CO2的浓含量易受空气的影响，现有的DGA诊断方法中都没有涉及CO2。变压器绝缘纸板的主要成分为纤维素，式（6）的反应即为构成纤维素的单体葡萄糖分解生成CO的反应。
各种物理化学手册中给出的生成焓是在温度为298.15K时生成lmol化合物的标准生成焓，叫做标准摩尔生成焓。表1给出了本发明文所涉及反应的所有生成物及反应物的标准生成焓。以（1）式表示的化学反应为例，计算焓变值：
△H0 reaction(CH4)=(△H0 f(CH4)+△H0 f(C19H38))-△H0 f(C20H42)
=(-74.48-345.9)-(-455.8)=35.42kJ/mol（8）
（1）式表示的化学反应的焓变值为35.42kJ/mol，即通过该化学反应裂解生成1molCH4所需的能量为35.42kJ。表2给出了生成六种故障气体的焓变值大小。表1列出了其余反应焓变的相对值。
基于此，计算修正之后的放电严重程度的特征量WETDCG。WETDCG即为能量系数加权后的TDCG，简称为ETDCG（Energy-weightedTotalDissolvedCombustibleGases）。
本实施例中，观测时间分为两个周期，第一周期为2003/10/23至2004/1/8；第二周期为2004/2/10至2004/3/1。各周期均以1个月作为1个观测周期。变压器每月例行监测的色谱数据如表3所示。通过式（7）对每月色谱数据进行能量加权，并除以9月23日的WETDCG值进行归一，结果如表4所示。归一值趋势发展图如图1所示。根据其增长趋势，将其根据式（8），第一周期WETDCG增长速率为（1.73-1.7）/3=0.01。
同理第二周期中WETDCG增长速率求得为1.65.增长速率超过第一周期的5倍，建议对变压器进行停运检查。
表1
表2
表3
表4

Claims (1)

1.一种基于能量加权的变压器放电故障严重程度诊断方法，其特征在于：由以下具体步骤组成：
步骤1：建立C20H42的裂解模型：C20H42裂解产生CH4、C2H6、C2H4、C2H2、H2，以及变压器绝缘纸板的单体葡萄糖分解生成CO的化学反应方程式如下：
C20H42CH4+C19H38（1）
C20H42C2H6+C18H36（2）
C20H42C2H4+C18H38（3）
C20H42C2H2+H2+C18H38（4）
C20H42H2+C20H40（5）
1/6C6H12O6CO+H2（6）
步骤2：将观测时间段划分为一个以上周期，再将各周期划分为一个以上观测周期；连续监测各观测周期变压器的色谱数据，计算各观测周期放电严重程度的特征量WETDCG，诊断变压器放电故障严重程度，具体步骤为：
观测当前观测周期的特征故障气体CH4、C2H6、C2H4、C2H2、H2和CO的浓度c(CH4)、c(C2H6)、c(C2H4)、c(C2H2)、c(H2)、c(CO)，计算焓变值△H0 reaction(CH4)、△H0 reaction(C2H6)、△H0 reaction(C2H4)、△H0 reaction(C2H2)、△H0 reaction(H2)、△H0 reaction(CO)；
以CH4的焓变值△H0 reaction(C2H4)为基准，计算当前观测周期的CH4、C2H6、C2H4、C2H2、H2和CO的相对焓变值r1、r2、r3、r4、r5、r6；
计算当前观测周期的放电严重程度特征量WETDCG：
WETDCG=r1*c(CH4)+r2*c(C2H6)+r3*c(C2H4)+r4*c(C2H2)+r5*c(H2)+r6*c(CO)（7）
由代表当前观测周期的开始和结束时的放电严重程度特征量WETDCG的归一值cc1和cc2，表示时间间隔△t计算当前观测周期的放电严重程度特征量WETDCG的增长速率v；
诊断变压器放电故障严重程度：如果当前周期的放电严重程度特征量WETDCG的增长速率v大于第一周期的放电严重程度特征量WETDCG的增长速率v的5倍，诊断为变压器放电故障严重，需要对变压器停运检修。
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