基于油中溶解氣體分析的變壓器故障診斷：原理、方法與實(shí)踐一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今的電力系統(tǒng)中，變壓器占據(jù)著無可替代的關(guān)鍵地位，是保障電力穩(wěn)定供應(yīng)的核心設(shè)備之一。從發(fā)電端到用電端，電能的傳輸與分配都離不開變壓器，其承擔(dān)著電壓轉(zhuǎn)換的重要任務(wù)，確保電能能夠以合適的電壓等級(jí)輸送到各個(gè)用戶終端，滿足不同場(chǎng)景下的用電需求。一旦變壓器發(fā)生故障，不僅會(huì)影響局部地區(qū)的電力供應(yīng)，導(dǎo)致工廠停產(chǎn)、居民生活不便等問題，嚴(yán)重時(shí)還可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，造成大面積停電事故，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來巨大損失。變壓器在運(yùn)行過程中，由于受到電、熱、機(jī)械應(yīng)力以及環(huán)境因素的長(zhǎng)期作用，內(nèi)部的絕緣材料和變壓器油會(huì)逐漸發(fā)生老化和劣化，進(jìn)而可能引發(fā)各種故障。其中，絕緣故障是最為常見且危害較大的故障類型之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，因絕緣故障導(dǎo)致的變壓器事故占到變壓器總事故的85%以上。而油中溶解氣體分析（DissolvedGasAnalysis，DGA）技術(shù)正是一種能夠有效檢測(cè)變壓器內(nèi)部絕緣狀況、診斷潛伏性故障的重要手段。當(dāng)變壓器內(nèi)部存在潛伏性故障時(shí)，變壓器油和固體絕緣材料在電、熱等作用下會(huì)發(fā)生分解，產(chǎn)生諸如氫氣（H?）、甲烷（CH?）、乙烷（C?H?）、乙烯（C?H?）、乙炔（C?H?）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO?）等多種氣體，這些氣體大部分會(huì)溶解在變壓器油中。不同的故障類型和嚴(yán)重程度會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的氣體種類和含量存在差異，通過對(duì)油中溶解氣體的組分、含量及比值進(jìn)行分析，就可以推斷變壓器內(nèi)部是否存在故障以及故障的類型、部位和嚴(yán)重程度。例如，乙炔的出現(xiàn)往往與高溫過熱或放電故障相關(guān)，而一氧化碳和二氧化碳含量的變化則能反映固體絕緣材料的老化和分解情況。油中溶解氣體分析技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)，它無需對(duì)變壓器進(jìn)行拆解，屬于非侵入式檢測(cè)方法，能夠在變壓器運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)或定期進(jìn)行檢測(cè)，獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息。該技術(shù)檢測(cè)靈敏度高，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期潛伏性故障，為設(shè)備的維護(hù)和檢修提供充足的時(shí)間，避免故障進(jìn)一步發(fā)展導(dǎo)致嚴(yán)重事故。同時(shí)，檢測(cè)過程相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，便于在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。對(duì)基于油中溶解氣體分析的變壓器故障診斷方法展開深入研究，能夠進(jìn)一步提高變壓器故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理變壓器內(nèi)部的潛伏性故障，保障變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行，從而提升整個(gè)電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。這不僅有助于減少停電事故的發(fā)生，降低因停電造成的經(jīng)濟(jì)損失，還能提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，促進(jìn)電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)于保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和人們的生活質(zhì)量具有重要意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀油中溶解氣體分析技術(shù)自提出以來，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，在變壓器故障診斷領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果，研究方向涵蓋了從氣體檢測(cè)技術(shù)到故障診斷方法的多個(gè)層面。在氣體檢測(cè)技術(shù)方面，國(guó)外起步較早，美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。美國(guó)在氣相色譜技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷研發(fā)新型的檢測(cè)設(shè)備和傳感器，提高檢測(cè)的精度和速度。例如，美國(guó)某公司研發(fā)的一款高精度氣相色譜儀，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種氣體組分的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)，檢測(cè)下限達(dá)到了ppb級(jí)，大大提高了對(duì)早期故障的檢測(cè)能力。德國(guó)則側(cè)重于傳感器技術(shù)的創(chuàng)新，通過改進(jìn)傳感器的材料和結(jié)構(gòu)，提升其對(duì)不同氣體的選擇性和靈敏度。德國(guó)某科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)的一種基于納米材料的氣敏傳感器，對(duì)乙炔等特征氣體具有極高的靈敏度，能夠在變壓器油中極低濃度下檢測(cè)到這些氣體，為早期故障診斷提供了有力支持。日本在光學(xué)檢測(cè)技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)展，利用紅外光譜、光聲光譜等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)油中溶解氣體的非接觸式檢測(cè)，減少了檢測(cè)過程對(duì)變壓器運(yùn)行的影響。如日本某企業(yè)推出的基于光聲光譜技術(shù)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)變壓器油中多種氣體的含量，具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)在氣體檢測(cè)技術(shù)上也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。近年來，國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)加大了研發(fā)投入，在氣相色譜、傳感器、光學(xué)檢測(cè)等方面不斷追趕國(guó)際先進(jìn)水平。例如，國(guó)內(nèi)某高校研發(fā)的一種新型熱導(dǎo)池檢測(cè)器，通過優(yōu)化熱導(dǎo)池的結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)，提高了對(duì)氣體的檢測(cè)靈敏度和穩(wěn)定性，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。一些企業(yè)也推出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)集成了多種先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變壓器油中溶解氣體的實(shí)時(shí)、全面監(jiān)測(cè)，為變壓器的狀態(tài)檢修提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。在故障診斷方法研究上，國(guó)外同樣開展了大量工作。傳統(tǒng)的故障診斷方法如三比值法、改良電研協(xié)法等，是基于大量故障案例統(tǒng)計(jì)分析得出的經(jīng)驗(yàn)方法。這些方法在早期的變壓器故障診斷中發(fā)揮了重要作用，但隨著變壓器結(jié)構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境的日益復(fù)雜，其局限性也逐漸顯現(xiàn)。為了提高故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性，國(guó)外學(xué)者將人工智能技術(shù)引入變壓器故障診斷領(lǐng)域，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、模糊邏輯等的故障診斷方法。例如，美國(guó)學(xué)者利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了變壓器故障診斷模型，通過對(duì)大量故障樣本的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，該模型能夠準(zhǔn)確識(shí)別多種故障類型，診斷準(zhǔn)確率較高。歐洲的研究團(tuán)隊(duì)則將支持向量機(jī)應(yīng)用于變壓器故障診斷，利用其在小樣本、非線性分類問題上的優(yōu)勢(shì)，取得了較好的診斷效果。國(guó)內(nèi)學(xué)者在變壓器故障診斷方法研究方面也成果頗豐。一方面，對(duì)傳統(tǒng)故障診斷方法進(jìn)行深入研究和改進(jìn)，提高其診斷性能。如對(duì)三比值法進(jìn)行修正和完善，引入新的特征氣體比值或考慮更多的影響因素，以減少誤判和漏判的情況。另一方面，積極探索將各種智能算法與油中溶解氣體分析相結(jié)合的故障診斷方法。例如，國(guó)內(nèi)有學(xué)者提出了基于粒子群優(yōu)化算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變壓器故障診斷模型，利用粒子群優(yōu)化算法對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高了模型的收斂速度和診斷準(zhǔn)確率。還有學(xué)者將深度學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于變壓器故障診斷，通過構(gòu)建深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，自動(dòng)學(xué)習(xí)油中溶解氣體數(shù)據(jù)的特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障類型和嚴(yán)重程度的準(zhǔn)確判斷。盡管國(guó)內(nèi)外在油中溶解氣體分析技術(shù)及變壓器故障診斷領(lǐng)域取得了諸多成果，但當(dāng)前研究仍存在一些不足與空白。在氣體檢測(cè)方面，雖然檢測(cè)技術(shù)不斷進(jìn)步，但對(duì)于一些微量、痕量氣體的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性仍有待提高，尤其是在復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境下，如何保證檢測(cè)設(shè)備的可靠性和準(zhǔn)確性是亟待解決的問題。在故障診斷方法上，現(xiàn)有的智能診斷方法大多依賴于大量的故障樣本進(jìn)行訓(xùn)練，而實(shí)際運(yùn)行中的變壓器故障樣本往往有限，這限制了這些方法的泛化能力和應(yīng)用范圍。此外，不同故障診斷方法之間的融合和互補(bǔ)研究還不夠深入，如何綜合利用多種診斷方法的優(yōu)勢(shì)，提高故障診斷的全面性和可靠性，也是未來研究的一個(gè)重要方向。同時(shí)，對(duì)于變壓器故障的早期預(yù)警和趨勢(shì)分析，目前的研究還相對(duì)薄弱，缺乏有效的模型和方法來準(zhǔn)確預(yù)測(cè)故障的發(fā)展趨勢(shì)，為設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)提供更有針對(duì)性的指導(dǎo)。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究聚焦于基于油中溶解氣體分析的變壓器故障診斷方法，主要涵蓋以下幾方面內(nèi)容：油中溶解氣體分析原理：深入剖析變壓器在正常運(yùn)行及故障狀態(tài)下，變壓器油和固體絕緣材料分解產(chǎn)生氣體的機(jī)理。研究不同故障類型，如過熱、放電等，與產(chǎn)生氣體種類、含量之間的內(nèi)在聯(lián)系。例如，分析局部放電時(shí)，氫氣和甲烷的產(chǎn)生機(jī)制及增長(zhǎng)規(guī)律；探討高溫過熱故障下，乙烯、乙炔等氣體的生成條件和變化趨勢(shì)。同時(shí)，研究氣體在變壓器油中的溶解、擴(kuò)散特性，以及環(huán)境因素（如溫度、壓力）對(duì)氣體分析結(jié)果的影響，為后續(xù)故障診斷提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。傳統(tǒng)故障診斷方法研究：系統(tǒng)梳理三比值法、改良電研協(xié)法等傳統(tǒng)故障診斷方法。詳細(xì)闡述這些方法的原理、計(jì)算過程和判斷準(zhǔn)則，分析它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)與局限性。以三比值法為例，研究其基于五種特征氣體比值的編碼規(guī)則和故障類型判斷方法，探討在面對(duì)復(fù)雜故障或氣體比值處于邊界值時(shí)，該方法容易出現(xiàn)誤判、漏判的原因，明確傳統(tǒng)方法在現(xiàn)代變壓器故障診斷中的不足，為后續(xù)改進(jìn)和創(chuàng)新提供方向。智能故障診斷方法研究：將人工智能技術(shù)引入變壓器故障診斷領(lǐng)域，重點(diǎn)研究基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、模糊邏輯等的智能故障診斷方法。以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例，構(gòu)建適用于變壓器故障診斷的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，包括確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如輸入層、隱藏層、輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)）、選擇合適的訓(xùn)練算法（如反向傳播算法）以及對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練和優(yōu)化。利用大量的變壓器故障樣本數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，使其能夠?qū)W習(xí)到油中溶解氣體數(shù)據(jù)與故障類型之間的復(fù)雜映射關(guān)系。研究支持向量機(jī)在變壓器故障診斷中的應(yīng)用，分析其在小樣本、非線性分類問題上的優(yōu)勢(shì)，通過核函數(shù)的選擇和參數(shù)調(diào)整，提高故障診斷的準(zhǔn)確率和泛化能力。此外，還將探討模糊邏輯在處理故障診斷中不確定性信息方面的應(yīng)用，建立基于模糊規(guī)則的故障診斷模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器故障的模糊推理和判斷。多方法融合的故障診斷模型：考慮到單一故障診斷方法存在局限性，研究將多種故障診斷方法進(jìn)行融合的策略。例如，將傳統(tǒng)方法與智能方法相結(jié)合，利用傳統(tǒng)方法的直觀性和經(jīng)驗(yàn)性，以及智能方法的自學(xué)習(xí)和處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的能力，提高故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。通過數(shù)據(jù)融合、決策融合等方式，建立多方法融合的故障診斷模型，并通過實(shí)際案例驗(yàn)證該模型在不同故障場(chǎng)景下的診斷性能，分析融合模型相對(duì)于單一模型的優(yōu)勢(shì)和改進(jìn)效果。實(shí)際案例分析：收集電力系統(tǒng)中變壓器的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障案例，運(yùn)用所研究的故障診斷方法進(jìn)行分析和驗(yàn)證。對(duì)不同故障類型的案例進(jìn)行詳細(xì)分析，對(duì)比各種方法的診斷結(jié)果與實(shí)際故障情況，評(píng)估方法的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。通過實(shí)際案例分析，進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)故障診斷方法，使其能夠更好地應(yīng)用于實(shí)際工程中，為變壓器的運(yùn)行維護(hù)提供有效的技術(shù)支持。1.3.2研究方法為實(shí)現(xiàn)上述研究?jī)?nèi)容，本研究將綜合運(yùn)用以下方法：文獻(xiàn)研究法：廣泛查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，包括學(xué)術(shù)期刊論文、學(xué)位論文、研究報(bào)告、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等，全面了解油中溶解氣體分析技術(shù)及變壓器故障診斷領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)和存在問題。梳理和總結(jié)前人的研究成果，為本文的研究提供理論基礎(chǔ)和研究思路，避免重復(fù)研究，同時(shí)也為提出創(chuàng)新性的研究方法和觀點(diǎn)提供參考。實(shí)驗(yàn)分析法：搭建變壓器故障模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過人為設(shè)置不同類型和程度的故障，采集變壓器油中溶解氣體的數(shù)據(jù)。例如，設(shè)置不同溫度的過熱故障、不同放電強(qiáng)度的放電故障等，利用氣相色譜儀等檢測(cè)設(shè)備，準(zhǔn)確測(cè)量油中溶解氣體的組分和含量。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，研究故障與氣體產(chǎn)生之間的關(guān)系，驗(yàn)證理論分析的結(jié)果，為故障診斷方法的研究提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。此外，還可以通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同檢測(cè)技術(shù)和故障診斷方法的性能，評(píng)估它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中的可行性和有效性。數(shù)據(jù)挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí)方法：利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)大量的變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障案例數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，挖掘其中潛在的規(guī)律和特征。運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等，建立變壓器故障診斷模型，并通過對(duì)模型的訓(xùn)練、測(cè)試和優(yōu)化，提高模型的診斷準(zhǔn)確率和泛化能力。通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法，可以自動(dòng)從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)故障診斷的知識(shí)和模式，減少人為因素的干擾，提高故障診斷的效率和準(zhǔn)確性。對(duì)比分析法：對(duì)不同的故障診斷方法，包括傳統(tǒng)方法和智能方法，進(jìn)行對(duì)比分析。從診斷準(zhǔn)確率、誤診率、漏診率、計(jì)算復(fù)雜度、對(duì)樣本數(shù)量的要求等多個(gè)方面，評(píng)估各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。通過對(duì)比分析，明確不同方法的適用場(chǎng)景和局限性，為選擇合適的故障診斷方法或進(jìn)行方法融合提供依據(jù)，從而提高變壓器故障診斷的整體性能。二、變壓器油中溶解氣體分析基礎(chǔ)2.1變壓器常見故障類型變壓器在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，由于受到電、熱、機(jī)械應(yīng)力以及環(huán)境因素等多方面的影響，可能會(huì)出現(xiàn)各種類型的故障。這些故障不僅會(huì)影響變壓器自身的正常運(yùn)行，還可能對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性造成嚴(yán)重威脅。根據(jù)故障產(chǎn)生的原因和性質(zhì)，變壓器常見故障類型主要包括熱性故障和電性故障。深入了解這些故障類型的特點(diǎn)、產(chǎn)生原因以及發(fā)展過程，對(duì)于準(zhǔn)確診斷變壓器故障、及時(shí)采取有效的維護(hù)措施具有重要意義。通過對(duì)變壓器常見故障類型的研究，能夠?yàn)楹罄m(xù)基于油中溶解氣體分析的故障診斷方法提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)際應(yīng)用依據(jù)。2.1.1熱性故障熱性故障是變壓器運(yùn)行過程中較為常見的故障類型之一，主要是指由于各種原因?qū)е伦儔浩鲀?nèi)部溫度異常升高的故障情況。其產(chǎn)生的原因較為復(fù)雜，涉及多個(gè)方面。過載是引發(fā)變壓器過熱的常見原因之一。當(dāng)變壓器所帶負(fù)載超過其額定容量時(shí)，繞組中的電流會(huì)顯著增大。根據(jù)焦耳定律Q=I^2Rt（其中Q為熱量，I為電流，R為電阻，t為時(shí)間），電流增大將導(dǎo)致繞組產(chǎn)生的熱量大幅增加，超過變壓器的散熱能力，從而使變壓器內(nèi)部溫度急劇上升。例如，在一些工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景中，隨著工廠設(shè)備的不斷增加或設(shè)備運(yùn)行工況的變化，實(shí)際用電負(fù)荷可能超出變壓器的初始設(shè)計(jì)容量，長(zhǎng)期過載運(yùn)行會(huì)使變壓器繞組過熱，加速絕緣材料的老化和劣化。散熱不良也是導(dǎo)致變壓器過熱的重要因素。變壓器在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，需要通過有效的散熱方式將熱量散發(fā)出去，以維持正常的運(yùn)行溫度。然而，當(dāng)散熱裝置出現(xiàn)故障，如冷卻風(fēng)扇損壞、散熱器管道堵塞等，熱量無法及時(shí)有效地散發(fā)，就會(huì)在變壓器內(nèi)部積聚，導(dǎo)致溫度升高。此外，環(huán)境溫度過高也會(huì)影響變壓器的散熱效果。在炎熱的夏季，外界環(huán)境溫度較高，變壓器與周圍環(huán)境的溫差減小，散熱難度增大，容易出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。比如，在一些戶外變電站中，變壓器長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫環(huán)境下，散熱條件較差，若不采取有效的降溫措施，很容易引發(fā)過熱故障。此外，變壓器內(nèi)部的一些局部問題也可能導(dǎo)致過熱。例如，繞組接頭接觸不良，會(huì)使接觸電阻增大，根據(jù)上述焦耳定律，電阻增大將導(dǎo)致接頭處產(chǎn)生過多熱量，引起局部過熱。鐵芯多點(diǎn)接地也是常見的問題，正常情況下，變壓器鐵芯應(yīng)單點(diǎn)接地，以確保鐵芯處于零電位。但當(dāng)出現(xiàn)多點(diǎn)接地時(shí)，接地點(diǎn)之間會(huì)形成閉合回路，產(chǎn)生環(huán)流，環(huán)流會(huì)使鐵芯局部過熱，嚴(yán)重時(shí)可能燒壞鐵芯，影響變壓器的正常運(yùn)行。熱性故障對(duì)變壓器運(yùn)行有著諸多不良影響。過熱會(huì)加速變壓器內(nèi)部絕緣材料的老化進(jìn)程，使絕緣性能逐漸下降。絕緣材料老化后，其機(jī)械強(qiáng)度降低，容易出現(xiàn)開裂、破損等情況，從而導(dǎo)致絕緣性能進(jìn)一步惡化，增加了發(fā)生電氣故障的風(fēng)險(xiǎn)。長(zhǎng)期過熱還可能導(dǎo)致變壓器油的性能劣化，使其絕緣和散熱能力下降。變壓器油在高溫下會(huì)發(fā)生分解，產(chǎn)生氣體和沉淀物，這些物質(zhì)會(huì)影響油的絕緣性能和散熱效果，進(jìn)一步加劇變壓器的過熱問題。如果熱性故障得不到及時(shí)有效的處理，持續(xù)發(fā)展下去可能引發(fā)更為嚴(yán)重的后果，如繞組短路、絕緣擊穿等，最終導(dǎo)致變壓器損壞，造成停電事故，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大影響。2.1.2電性故障電性故障是變壓器故障中的另一大類重要故障，主要包括內(nèi)部局部放電、電弧放電等形式，這些故障的產(chǎn)生與變壓器內(nèi)部的電場(chǎng)分布、絕緣狀況等因素密切相關(guān)。局部放電是指在變壓器內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)中，由于電場(chǎng)分布不均勻或存在缺陷等原因，在局部區(qū)域發(fā)生的放電現(xiàn)象，但放電并未貫穿整個(gè)絕緣結(jié)構(gòu)。其產(chǎn)生原因較為復(fù)雜，一方面，變壓器在制造過程中，可能存在絕緣材料質(zhì)量缺陷、絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等問題，導(dǎo)致絕緣內(nèi)部存在氣隙、雜質(zhì)等薄弱環(huán)節(jié)。在高電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，氣隙或雜質(zhì)中的氣體容易被電離，從而引發(fā)局部放電。例如，絕緣材料在生產(chǎn)過程中混入了氣泡，這些氣泡在變壓器運(yùn)行時(shí)會(huì)承受較高的電場(chǎng)強(qiáng)度，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，氣泡內(nèi)的氣體就會(huì)發(fā)生電離放電。另一方面，變壓器在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，受到電、熱、機(jī)械應(yīng)力等多種因素的作用，絕緣材料會(huì)逐漸老化、劣化，使得絕緣性能下降，也容易引發(fā)局部放電。比如，絕緣材料老化后，其介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致電場(chǎng)分布不均勻，從而在局部區(qū)域產(chǎn)生較高的電場(chǎng)強(qiáng)度，引發(fā)局部放電。電弧放電則是一種更為嚴(yán)重的電性故障，通常是由于變壓器內(nèi)部絕緣嚴(yán)重?fù)p壞，導(dǎo)致高電壓直接擊穿絕緣介質(zhì)，形成導(dǎo)電通道，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電弧。其產(chǎn)生往往是由于局部放電長(zhǎng)期發(fā)展，絕緣缺陷不斷擴(kuò)大，最終導(dǎo)致絕緣完全擊穿。此外，雷擊、操作過電壓等瞬態(tài)高電壓的作用，也可能直接導(dǎo)致變壓器內(nèi)部絕緣擊穿，引發(fā)電弧放電。例如，在電力系統(tǒng)遭受雷擊時(shí)，會(huì)產(chǎn)生幅值極高的雷電過電壓，若變壓器的防雷措施不完善，雷電過電壓可能會(huì)擊穿變壓器內(nèi)部的絕緣，引發(fā)電弧放電。無論是局部放電還是電弧放電，都會(huì)對(duì)變壓器的絕緣材料造成嚴(yán)重破壞。局部放電產(chǎn)生的電子和離子在電場(chǎng)作用下高速撞擊絕緣材料，會(huì)使絕緣材料的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂和重組，導(dǎo)致絕緣材料的性能逐漸下降。長(zhǎng)期的局部放電還會(huì)使絕緣材料表面碳化、腐蝕，進(jìn)一步降低絕緣性能。而電弧放電產(chǎn)生的高溫和強(qiáng)電場(chǎng)，會(huì)使絕緣材料迅速分解、氣化，造成絕緣材料的永久性損壞，嚴(yán)重威脅變壓器的安全運(yùn)行。2.2油中溶解氣體的產(chǎn)生機(jī)理2.2.1絕緣油分解產(chǎn)氣變壓器油主要由多種碳?xì)浠衔锓肿咏M成，分子中包含CH?、CH?和CH等化學(xué)基團(tuán)，并通過C-C鍵鍵合在一起。在變壓器運(yùn)行過程中，當(dāng)受到熱和電的作用時(shí)，絕緣油的分子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。在熱作用方面，當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)過熱故障時(shí)，溫度的升高會(huì)使絕緣油分子獲得足夠的能量，導(dǎo)致分子內(nèi)的C-H鍵和C-C鍵斷裂。大約油溫在150℃時(shí)，就能產(chǎn)生甲烷（CH?）；在150-500℃左右時(shí)產(chǎn)生乙烷（C?H?）；大約500℃時(shí)產(chǎn)生乙烯（C?H?），隨著溫度的逐漸升高，乙烯占總烴的比例越來越大；在800-1200℃左右時(shí)產(chǎn)生乙炔（C?H?）。這是因?yàn)椴煌臒N類氣體生成需要不同的能量和溫度條件，隨著溫度升高，分子鍵的斷裂和重新組合方式發(fā)生變化，從而產(chǎn)生不同種類的烴類氣體。例如，在較低溫度下，C-H鍵相對(duì)更容易斷裂，首先生成甲烷等相對(duì)簡(jiǎn)單的烴類；隨著溫度升高，C-C鍵也開始斷裂并重新組合，生成更復(fù)雜的乙烯、乙炔等氣體。在電作用方面，當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生放電故障時(shí)，放電產(chǎn)生的高能量電子和離子會(huì)與絕緣油分子發(fā)生碰撞，同樣會(huì)使C-H鍵和C-C鍵斷裂。低能量放電，如局部放電，主要通過離子反應(yīng)促使最弱的C-H鍵斷裂，重新化合成氫氣（H?）。隨著放電能量的增加，如火花放電、電弧放電，能使C-C鍵斷裂，然后迅速以C-C鍵、C=C鍵、C≡C鍵的形式重新化合成烴類氣體。例如，在電弧放電的高溫和強(qiáng)電場(chǎng)作用下，絕緣油分子會(huì)被迅速分解，產(chǎn)生大量的氫氣、乙炔等氣體。不同故障溫度下，氣體產(chǎn)生具有明顯差異。在低溫過熱（一般指低于300℃）情況下，主要產(chǎn)生甲烷和少量氫氣，此時(shí)絕緣油的分解相對(duì)較為緩慢，產(chǎn)生的氣體量較少。隨著溫度升高到中溫過熱（300-700℃），乙烷、乙烯等氣體的含量逐漸增加，甲烷和氫氣的占比相對(duì)下降。當(dāng)達(dá)到高溫過熱（高于700℃）時(shí)，乙烯成為主要的烴類氣體，同時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生少量乙炔。而在放電故障中，氫氣的產(chǎn)生較為顯著，特別是在局部放電時(shí)，氫氣是主要的特征氣體；當(dāng)放電能量較高時(shí)，乙炔的含量會(huì)明顯增加，如在電弧放電中，乙炔往往是重要的特征氣體之一。這些氣體產(chǎn)生的差異為通過油中溶解氣體分析來判斷變壓器故障類型和嚴(yán)重程度提供了重要依據(jù)。2.2.2固體絕緣材料分解產(chǎn)氣變壓器中的固體絕緣材料，如紙、層壓板或木塊等，其分子內(nèi)含有大量的無水右旋糖環(huán)和弱的C-O鍵及葡萄糖鉗鍵。這些化學(xué)鍵的熱穩(wěn)定性比油中的碳?xì)滏I要弱，在電、熱、濕度以及氧氣等因素的作用下，固體絕緣材料會(huì)發(fā)生分解。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障，導(dǎo)致溫度升高或存在局部放電等情況時(shí)，固體絕緣材料的分子結(jié)構(gòu)會(huì)受到破壞。在熱和電的作用下，聚合物裂解的有效溫度高于105℃，完全裂解和碳化高于300℃。在這個(gè)過程中，固體絕緣材料會(huì)生成水（H?O），同時(shí)產(chǎn)生大量的一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO?）以及少量烴類氣體和呋喃化合物。例如，在105℃-300℃的溫度范圍內(nèi)，固體絕緣材料中的聚合物開始逐漸裂解，C-O鍵和葡萄糖鉗鍵斷裂，生成一氧化碳和二氧化碳等氣體。隨著溫度進(jìn)一步升高，超過300℃時(shí)，固體絕緣材料會(huì)發(fā)生完全裂解和碳化，產(chǎn)生更多的氣體和碳的固體顆粒。固體絕緣材料分解產(chǎn)生的氣體與絕緣老化密切相關(guān)。隨著絕緣老化的加劇，固體絕緣材料的分解程度會(huì)加深，產(chǎn)生的一氧化碳和二氧化碳等氣體的含量也會(huì)相應(yīng)增加。通過監(jiān)測(cè)油中一氧化碳和二氧化碳的含量及其變化趨勢(shì)，可以推斷固體絕緣材料的老化程度。一般來說，當(dāng)懷疑故障涉及固體絕緣時(shí)，如果CO?/CO的比值小于3，可能表明固體絕緣材料存在老化分解的情況。此外，固體絕緣材料分解產(chǎn)生的少量烴類氣體和呋喃化合物也可以作為判斷絕緣老化的輔助指標(biāo)。例如，呋喃化合物的含量增加，通常意味著固體絕緣材料的老化程度較為嚴(yán)重。這些特征氣體的變化為評(píng)估變壓器固體絕緣材料的狀態(tài)和預(yù)測(cè)絕緣壽命提供了重要的參考依據(jù)。2.3特征氣體與故障類型的關(guān)聯(lián)2.3.1氫氣與故障關(guān)系氫氣（H?）在變壓器油中溶解氣體分析中是一種重要的特征氣體，其含量的升高與多種故障密切相關(guān)。在局部放電故障中，氫氣是主要的特征氣體之一。局部放電時(shí)，由于放電能量相對(duì)較低，主要通過離子反應(yīng)促使絕緣油分子中最弱的C-H鍵斷裂，這些斷裂產(chǎn)生的氫原子或自由基通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)迅速重新化合，形成氫氣并積累。研究表明，在局部放電初期，氫氣的產(chǎn)生速率相對(duì)較快，其含量會(huì)隨著局部放電的持續(xù)而逐漸增加。例如，在某實(shí)際案例中，當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電故障時(shí)，通過定期檢測(cè)油中溶解氣體，發(fā)現(xiàn)氫氣含量在短時(shí)間內(nèi)從正常的幾十μL/L迅速上升至幾百μL/L。這是因?yàn)榫植糠烹姴粩嗟仄茐慕^緣油分子結(jié)構(gòu)，持續(xù)產(chǎn)生氫氣。此外，當(dāng)變壓器內(nèi)部存在氣泡時(shí)，氣泡在電場(chǎng)作用下容易發(fā)生擊穿，也會(huì)產(chǎn)生氫氣。氣泡擊穿過程中，氣體分子被電離，產(chǎn)生的高能粒子與絕緣油分子碰撞，導(dǎo)致C-H鍵斷裂，進(jìn)而生成氫氣。氫氣作為故障指示氣體具有一定的特點(diǎn)。它是各種故障特征氣體的主要組成成分之一，這是因?yàn)樵诮^緣材料的分解過程中，碳?xì)滏I的鍵能相對(duì)較低，生成熱小，所以一般總是先生成氫氣。氫氣的產(chǎn)生往往是變壓器內(nèi)部故障的早期信號(hào)，在故障初期，氫氣含量的變化可能較為敏感，能夠較早地反映出設(shè)備內(nèi)部的潛在問題。然而，僅依靠氫氣含量升高來判斷故障類型存在一定局限性，因?yàn)闅錃獾漠a(chǎn)生原因較為復(fù)雜，除了故障原因外，變壓器油中含有水時(shí)，水可以與鐵作用生成氫氣；過熱的鐵心層間油膜裂解也可以產(chǎn)生氫；新的不銹鋼在加工過程中或焊接時(shí)吸附氫，也會(huì)慢慢釋放到油中。因此，在實(shí)際診斷中，需要結(jié)合其他特征氣體的含量及變化情況，綜合判斷變壓器是否存在故障以及故障類型。2.3.2烴類氣體與故障關(guān)系烴類氣體主要包括甲烷（CH?）、乙烯（C?H?）、乙炔（C?H?）等，它們?cè)诓煌收项愋椭芯哂懈髯元?dú)特的產(chǎn)生規(guī)律，對(duì)變壓器故障診斷具有重要的指示作用。在過熱性故障中，甲烷和乙烯是常見的特征氣體。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生過熱時(shí)，絕緣油在熱作用下會(huì)發(fā)生分解。在較低溫度階段，大約150℃時(shí)就能產(chǎn)生甲烷；隨著溫度升高，在150-500℃左右時(shí)會(huì)產(chǎn)生乙烷；大約500℃時(shí)產(chǎn)生乙烯，且隨著溫度的進(jìn)一步升高，乙烯占總烴的比例越來越大。例如，在低溫過熱（一般指低于300℃）情況下，主要產(chǎn)生甲烷和少量氫氣，此時(shí)甲烷在烴類氣體中占比較大。隨著溫度升高到中溫過熱（300-700℃），乙烯的含量逐漸增加，甲烷和氫氣的占比相對(duì)下降。當(dāng)達(dá)到高溫過熱（高于700℃）時(shí)，乙烯成為主要的烴類氣體。這是因?yàn)闇囟壬呤沟媒^緣油分子的分解反應(yīng)加劇，分子鍵的斷裂和重新組合方式發(fā)生變化，從而導(dǎo)致不同烴類氣體的生成比例發(fā)生改變。乙炔的產(chǎn)生與放電性故障密切相關(guān)。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧放電時(shí)，由于放電能量高，能使C-C鍵斷裂，然后迅速以C≡C鍵的形式重新化合成乙炔。在絕大多數(shù)情況下，當(dāng)發(fā)生電弧放電時(shí)，乙炔一般占總烴的20%-70%，氫氣占?xì)錈N總量的30%-90%，并且乙烯含量高于甲烷。當(dāng)乙炔含量占主要成分且超標(biāo)時(shí)，則很可能是設(shè)備繞組短路或分接開關(guān)切換產(chǎn)生弧光放電所致。如果其他成分沒超標(biāo)，而乙炔超標(biāo)且增長(zhǎng)速率較快，則可能是設(shè)備內(nèi)部存在高能量放電故障。例如，在某變壓器繞組短路故障中，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)油中乙炔含量急劇升高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常范圍，同時(shí)伴有較高含量的氫氣和乙烯，這表明變壓器內(nèi)部發(fā)生了較為嚴(yán)重的放電故障。不同烴類氣體的產(chǎn)生與故障類型和嚴(yán)重程度之間存在明顯的關(guān)聯(lián)。通過監(jiān)測(cè)這些烴類氣體的含量及其比例變化，可以有效地判斷變壓器內(nèi)部故障的類型和嚴(yán)重程度。例如，當(dāng)總烴含量增加，且甲烷和乙烯占比較大時(shí)，可能指示存在過熱性故障；而當(dāng)乙炔含量顯著增加時(shí)，則應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注是否存在放電性故障。這種關(guān)聯(lián)為變壓器故障診斷提供了重要的依據(jù)，有助于電力運(yùn)維人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理變壓器故障，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。2.3.3一氧化碳和二氧化碳與故障關(guān)系一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO?）是變壓器油中溶解氣體的重要組成部分，它們的含量變化與固體絕緣過熱、老化密切相關(guān)，在變壓器故障診斷中起著重要的輔助作用。變壓器中的固體絕緣材料，如紙、層壓板或木塊等，其分子內(nèi)含有大量的無水右旋糖環(huán)和弱的C-O鍵及葡萄糖鉗鍵。在電、熱、濕度以及氧氣等因素的作用下，固體絕緣材料會(huì)發(fā)生分解，產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳。當(dāng)變壓器內(nèi)部存在過熱故障且涉及固體絕緣時(shí)，固體絕緣材料在高溫作用下，分子結(jié)構(gòu)被破壞，C-O鍵和葡萄糖鉗鍵斷裂，從而生成大量的一氧化碳和二氧化碳。隨著固體絕緣老化程度的加深，這些氣體的產(chǎn)生量會(huì)逐漸增加。研究表明，在固體絕緣材料開始老化時(shí)，一氧化碳和二氧化碳的含量會(huì)緩慢上升；當(dāng)老化程度加劇，特別是在高溫、高濕度等惡劣條件下，它們的含量會(huì)顯著增加。通過監(jiān)測(cè)一氧化碳和二氧化碳的含量及其比值，可以推斷固體絕緣材料的老化程度。一般來說，當(dāng)懷疑故障涉及固體絕緣時(shí)，如果CO?/CO的比值小于3，可能表明固體絕緣材料存在老化分解的情況。例如，在某變壓器運(yùn)行過程中，定期檢測(cè)油中溶解氣體發(fā)現(xiàn)，一氧化碳和二氧化碳的含量逐漸升高，且CO?/CO的比值逐漸減小至接近3，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的固體絕緣材料出現(xiàn)了明顯的老化跡象。這說明通過對(duì)一氧化碳和二氧化碳含量及比值的監(jiān)測(cè)，可以有效地預(yù)警固體絕緣材料的老化問題。此外，一氧化碳和二氧化碳的含量變化還可以與其他特征氣體相結(jié)合，綜合判斷變壓器的故障類型和嚴(yán)重程度。例如，當(dāng)同時(shí)檢測(cè)到烴類氣體含量升高以及一氧化碳和二氧化碳含量異常時(shí)，可能表明變壓器內(nèi)部既存在絕緣油的過熱分解，又存在固體絕緣材料的老化或過熱。這種綜合分析方法能夠提高故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性，為變壓器的維護(hù)和檢修提供更全面的信息。三、油中溶解氣體分析方法3.1氣相色譜法原理與應(yīng)用3.1.1氣相色譜法基本原理氣相色譜法是一種高效的分離分析技術(shù)，其基本原理基于不同氣體在固定相和流動(dòng)相中的分配系數(shù)差異。在氣相色譜系統(tǒng)中，流動(dòng)相為氣體，通常被稱為載氣，如氫氣、氮?dú)?、氬氣等，這些載氣具有化學(xué)惰性，不與待測(cè)組分發(fā)生反應(yīng)。固定相則是涂漬在固體載體上的液體或固體物質(zhì)，填充于色譜柱內(nèi)。當(dāng)待分析的混合氣體樣品被注入到氣相色譜儀后，在載氣的攜帶下進(jìn)入色譜柱。由于樣品中各氣體組分與固定相之間的相互作用力不同，導(dǎo)致它們?cè)诠潭ㄏ嗪土鲃?dòng)相之間的分配系數(shù)存在差異。分配系數(shù)小的組分，在固定相中的溶解能力較弱，在載氣的推動(dòng)下，在色譜柱中移動(dòng)速度較快；而分配系數(shù)大的組分，在固定相中的溶解能力較強(qiáng)，移動(dòng)速度相對(duì)較慢。隨著載氣的不斷流動(dòng)，各組分在固定相和流動(dòng)相之間反復(fù)進(jìn)行分配，經(jīng)過多次的分配平衡后，原本混合在一起的各氣體組分在色譜柱中逐漸分離，按照先后順序流出色譜柱。例如，對(duì)于變壓器油中溶解的氫氣、甲烷、乙烯等氣體，氫氣的化學(xué)性質(zhì)相對(duì)較為活潑，與固定相的相互作用力較弱，分配系數(shù)較小，因此在色譜柱中移動(dòng)速度較快，會(huì)率先流出色譜柱；而甲烷和乙烯等烴類氣體，與固定相的相互作用相對(duì)較強(qiáng)，分配系數(shù)較大，移動(dòng)速度較慢，會(huì)在氫氣之后依次流出色譜柱。分離后的各組分依次進(jìn)入檢測(cè)器，檢測(cè)器能夠?qū)⒏鹘M分的存在及其濃度變化轉(zhuǎn)化為可檢測(cè)的電信號(hào)。常見的檢測(cè)器有熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD）、氫火焰離子化檢測(cè)器（FID）等。熱導(dǎo)檢測(cè)器是基于不同氣體具有不同的熱導(dǎo)率這一特性，當(dāng)載氣和被測(cè)組分通過熱導(dǎo)池時(shí)，由于它們的熱導(dǎo)率不同，會(huì)導(dǎo)致熱導(dǎo)池的電阻發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電信號(hào)，該信號(hào)的大小與被測(cè)組分的濃度成正比。氫火焰離子化檢測(cè)器則是利用有機(jī)物在氫火焰中燃燒產(chǎn)生離子流，在電場(chǎng)作用下形成電流，電流大小與被測(cè)有機(jī)物的含量成正比。通過對(duì)這些電信號(hào)的檢測(cè)和記錄，就可以得到各氣體組分的色譜峰，根據(jù)色譜峰的保留時(shí)間可以對(duì)各組分進(jìn)行定性分析，確定其種類；根據(jù)色譜峰的面積或峰高，可以進(jìn)行定量分析，計(jì)算出各組分的含量。3.1.2在變壓器油中氣體分析的應(yīng)用在變壓器油中氣體分析領(lǐng)域，氣相色譜法發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變壓器油中多種溶解氣體的準(zhǔn)確分離和定量檢測(cè)。從檢測(cè)流程來看，首先需要采集變壓器油樣。在采集油樣時(shí)，要嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)程，確保油樣具有代表性且不受外界污染。例如，使用經(jīng)過嚴(yán)格清洗和密封檢查的玻璃注射器，從變壓器底部的取樣閥門取油樣，取樣過程中要避免吸入空氣，防止油樣與空氣接觸發(fā)生氧化或其他化學(xué)反應(yīng)。取完油樣后，迅速將注射器密封，避免氣體逸出或外界氣體混入。接著進(jìn)行油樣的脫氣處理，將溶解在油中的氣體釋放出來。常用的脫氣方法有機(jī)械振蕩法、真空脫氣法等。以機(jī)械振蕩法為例，將一定量的油樣和適量的氮?dú)庾⑷氲揭粋€(gè)密閉的容器中，通過振蕩使油中的氣體與氮?dú)獬浞只旌?，達(dá)到氣液平衡狀態(tài)。在這個(gè)過程中，利用氣體在油和氮?dú)庵械娜芙舛炔町?，使油中的溶解氣體轉(zhuǎn)移到氮?dú)庵?。振蕩結(jié)束后，靜置一段時(shí)間，讓氣體和油充分分離，然后抽取上層的平衡氣體，用于后續(xù)的氣相色譜分析。將脫氣后的氣體樣品注入氣相色譜儀。氣相色譜儀中的色譜柱是實(shí)現(xiàn)氣體分離的關(guān)鍵部件。對(duì)于變壓器油中溶解氣體分析，通常會(huì)選用合適的填充柱或毛細(xì)管柱。填充柱一般填充有固體吸附劑或涂漬有固定液的載體，能夠?qū)Σ煌瑲怏w組分產(chǎn)生不同的吸附或分配作用。毛細(xì)管柱則具有更高的分離效率，其內(nèi)壁涂有極薄的固定液膜，氣體在柱內(nèi)的擴(kuò)散路徑更短，分離效果更好。在載氣的推動(dòng)下，氣體樣品中的各組分在色譜柱中按照其與固定相的相互作用差異進(jìn)行分離。經(jīng)過色譜柱分離后的各氣體組分，依次進(jìn)入檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。在變壓器油中氣體分析中，熱導(dǎo)檢測(cè)器常用于檢測(cè)氫氣、氧氣、氮?dú)獾葻o機(jī)氣體，因?yàn)檫@些氣體的熱導(dǎo)率與載氣有明顯差異，能夠產(chǎn)生較大的檢測(cè)信號(hào)。氫火焰離子化檢測(cè)器則主要用于檢測(cè)烴類氣體，如甲烷、乙烯、乙烷、乙炔等，由于烴類氣體在氫火焰中能夠產(chǎn)生離子流，從而被檢測(cè)到。通過檢測(cè)器產(chǎn)生的電信號(hào)，經(jīng)放大器放大后，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)，得到各氣體組分的色譜圖。在色譜圖上，每個(gè)色譜峰對(duì)應(yīng)一種氣體組分，根據(jù)色譜峰的保留時(shí)間，可以確定各氣體的種類。例如，在標(biāo)準(zhǔn)色譜圖中，氫氣的保留時(shí)間最短，甲烷次之，依次類推。通過與標(biāo)準(zhǔn)色譜圖進(jìn)行對(duì)比，就能夠準(zhǔn)確識(shí)別出變壓器油中溶解氣體的成分。而色譜峰的面積或峰高則與該氣體組分的含量成正比，通過測(cè)量色譜峰的面積或峰高，并結(jié)合事先繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線，就可以計(jì)算出各氣體組分的含量。標(biāo)準(zhǔn)曲線是通過對(duì)已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行分析，得到色譜峰面積或峰高與氣體濃度之間的關(guān)系曲線。在實(shí)際分析中，根據(jù)樣品中各氣體組分的色譜峰面積或峰高，從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得對(duì)應(yīng)的濃度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器油中溶解氣體的定量檢測(cè)。氣相色譜法在變壓器油中氣體分析方面具有諸多優(yōu)勢(shì)。它具有極高的分離效率，能夠?qū)⒆儔浩饔椭卸喾N性質(zhì)相近的溶解氣體有效分離，實(shí)現(xiàn)對(duì)各組分的準(zhǔn)確檢測(cè)。檢測(cè)靈敏度高，能夠檢測(cè)到變壓器油中微量的溶解氣體，對(duì)于早期故障的發(fā)現(xiàn)具有重要意義。例如，能夠檢測(cè)到氫氣含量低至幾個(gè)μL/L的水平。分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠，重復(fù)性好，通過嚴(yán)格控制分析條件和定期校準(zhǔn)儀器，可以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。該方法的應(yīng)用范圍廣泛，不僅可以檢測(cè)變壓器油中常見的氫氣、甲烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳等氣體，還可以對(duì)其他可能存在的氣體雜質(zhì)進(jìn)行分析。然而，氣相色譜法也存在一定的局限性。分析過程相對(duì)復(fù)雜，需要專業(yè)的操作人員進(jìn)行樣品采集、脫氣處理、儀器操作和數(shù)據(jù)分析等工作，對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求較高。分析時(shí)間較長(zhǎng)，從樣品采集到得到最終分析結(jié)果，通常需要數(shù)小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間，難以滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。氣相色譜儀設(shè)備成本較高，且需要定期維護(hù)和校準(zhǔn)，運(yùn)行成本也相對(duì)較高，包括載氣的消耗、色譜柱的更換等。此外，該方法對(duì)環(huán)境條件較為敏感，如溫度、濕度等環(huán)境因素的變化可能會(huì)影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。3.2其他分析方法簡(jiǎn)介3.2.1光聲光譜法光聲光譜法是一種基于光聲效應(yīng)的氣體檢測(cè)技術(shù)，其原理具有獨(dú)特性和創(chuàng)新性。當(dāng)調(diào)制后的特定波長(zhǎng)的光照射到氣體樣品上時(shí)，氣體分子會(huì)選擇性地吸收與其分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)相匹配的光子能量。分子吸收光子后，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的分子不穩(wěn)定，會(huì)通過與周圍分子的碰撞等方式將能量以熱能的形式釋放出來，導(dǎo)致氣體溫度升高。這種溫度的變化會(huì)引起氣體的熱脹冷縮，從而產(chǎn)生壓力波，即光聲信號(hào)。例如，對(duì)于變壓器油中溶解的氫氣、甲烷等氣體，它們各自具有特定的分子結(jié)構(gòu)和能級(jí)分布，會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的光，產(chǎn)生相應(yīng)的光聲信號(hào)。在變壓器故障診斷中，光聲光譜法具有顯著的優(yōu)勢(shì)。它無需對(duì)變壓器進(jìn)行拆卸或破壞，只需采集變壓器油樣，將油中的溶解氣體釋放出來后，就可以對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)分析，屬于非侵入式檢測(cè)方法，不會(huì)對(duì)變壓器的正常運(yùn)行造成影響。該方法檢測(cè)靈敏度高，能夠檢測(cè)出低濃度的氣體成分，對(duì)于變壓器早期潛伏性故障的診斷具有重要意義。它可以實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)，在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)變壓器油中溶解氣體的分析，及時(shí)為故障診斷提供數(shù)據(jù)支持。通過光聲光譜分析，可以得到氣體成分的種類和濃度信息，并以圖像或數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)，便于專業(yè)人員進(jìn)行直觀的分析和判斷。光聲光譜法在變壓器故障診斷領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著電力系統(tǒng)對(duì)變壓器運(yùn)行可靠性要求的不斷提高，對(duì)變壓器故障診斷技術(shù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性也提出了更高的要求。光聲光譜法作為一種高效、準(zhǔn)確的檢測(cè)技術(shù)，有望在未來得到更廣泛的應(yīng)用。它可以與其他檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，如與氣相色譜法、紅外光譜法等互補(bǔ)，提高故障診斷的全面性和準(zhǔn)確性。在智能電網(wǎng)的建設(shè)中，光聲光譜法可以作為變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。然而，光聲光譜法也面臨一些挑戰(zhàn)和問題。激光源的選擇和優(yōu)化是關(guān)鍵問題之一，需要選擇高功率、穩(wěn)定性好、波長(zhǎng)可精確調(diào)節(jié)的激光源，以滿足對(duì)不同氣體檢測(cè)的需求。聲波傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性也有待進(jìn)一步提高，以確保能夠準(zhǔn)確檢測(cè)到微弱的光聲信號(hào)。譜圖處理算法的準(zhǔn)確性和效率也需要不斷改進(jìn)，以提高對(duì)氣體成分和濃度的分析精度。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，還需要考慮環(huán)境因素的影響，如溫度、濕度、電磁干擾等，這些因素可能會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生干擾，需要采取相應(yīng)的措施進(jìn)行補(bǔ)償和校正。3.2.2紅外光譜法紅外光譜法基于氣體分子對(duì)紅外光的特征吸收特性來實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體成分的分析。每種氣體分子都具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，其原子之間的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)是量子化的，只有當(dāng)紅外光的頻率與分子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷頻率相匹配時(shí)，分子才能吸收紅外光的能量。例如，氫氣分子（H?）的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)決定了它對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光有吸收作用，同樣，甲烷（CH?）、乙烯（C?H?）等氣體分子也各自有其特定的紅外吸收譜線。當(dāng)紅外光照射到氣體樣品上時(shí)，氣體分子吸收特定波長(zhǎng)的紅外光后，會(huì)使分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起紅外光強(qiáng)度的衰減。通過測(cè)量紅外光在不同波長(zhǎng)處的吸收強(qiáng)度，就可以得到氣體的紅外吸收光譜。根據(jù)光譜中特征吸收峰的位置和強(qiáng)度，可以確定氣體的種類和含量。例如，在變壓器油中溶解氣體分析中，若檢測(cè)到某一特征吸收峰與甲烷的特征吸收峰位置一致，且強(qiáng)度與甲烷濃度具有相關(guān)性，就可以判斷油中存在甲烷，并通過強(qiáng)度計(jì)算其含量。在變壓器油中氣體檢測(cè)方面，紅外光譜法具有一些獨(dú)特的應(yīng)用特點(diǎn)。它具有快速檢測(cè)的能力，能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)多種氣體成分的分析，為變壓器故障診斷提供及時(shí)的數(shù)據(jù)支持。檢測(cè)過程相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要對(duì)樣品進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理，只需將變壓器油中的溶解氣體釋放出來，直接進(jìn)行紅外光譜檢測(cè)即可。該方法還可以同時(shí)檢測(cè)多種氣體，對(duì)于變壓器油中溶解的氫氣、甲烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳等多種氣體，能夠一次性進(jìn)行分析，獲取各氣體的含量信息。然而，紅外光譜法也存在一定的局限性。在檢測(cè)多組分氣體時(shí)，容易受到氣體間交叉干擾的影響。由于不同氣體的紅外吸收譜線可能存在重疊部分，當(dāng)多種氣體同時(shí)存在時(shí)，會(huì)導(dǎo)致吸收峰的重疊和變形，從而影響對(duì)各氣體成分和含量的準(zhǔn)確判斷。例如，一氧化碳和二氧化碳的紅外吸收譜線在某些波長(zhǎng)區(qū)域存在一定程度的重疊，這就給它們的準(zhǔn)確檢測(cè)帶來了困難。紅外光譜儀的價(jià)格相對(duì)較高，設(shè)備成本和維護(hù)成本也比較大，這在一定程度上限制了其在一些預(yù)算有限的場(chǎng)合的應(yīng)用。四、基于油中溶解氣體分析的故障診斷方法4.1特征氣體法4.1.1特征氣體含量判斷標(biāo)準(zhǔn)特征氣體法是基于油中溶解氣體分析進(jìn)行變壓器故障診斷的基礎(chǔ)方法之一，其核心在于依據(jù)氫氣、乙炔、總烴等特征氣體的含量來判斷變壓器的運(yùn)行狀態(tài)及故障類型。在實(shí)際應(yīng)用中，這些特征氣體含量的閾值設(shè)定具有重要意義，它們與故障類型之間存在著緊密的對(duì)應(yīng)關(guān)系。氫氣（H?）作為一種重要的特征氣體，其含量變化能反映出變壓器內(nèi)部的多種故障情況。一般來說，當(dāng)氫氣含量超過150μL/L時(shí)，就應(yīng)引起關(guān)注。在變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，由于放電能量主要促使絕緣油分子中C-H鍵斷裂，重新化合生成氫氣，因此氫氣含量會(huì)顯著增加。如某變壓器在運(yùn)行過程中，檢測(cè)到氫氣含量從正常的幾十μL/L迅速上升至200μL/L以上，后續(xù)檢查發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部存在局部放電現(xiàn)象。此外，變壓器內(nèi)部進(jìn)水受潮或油中存在氣泡時(shí)，也可能導(dǎo)致氫氣含量升高。因?yàn)樗c鐵作用會(huì)生成氫氣，而氣泡在電場(chǎng)作用下的擊穿也會(huì)產(chǎn)生氫氣。乙炔（C?H?）的出現(xiàn)通常與較為嚴(yán)重的放電故障相關(guān)。正常運(yùn)行的變壓器油中，乙炔含量極低，甚至檢測(cè)不到。一旦乙炔含量超過5μL/L，就需要高度警惕。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧放電時(shí)，由于放電能量高，能使C-C鍵斷裂并迅速以C≡C鍵的形式重新化合成乙炔，此時(shí)乙炔含量會(huì)急劇上升。例如，在某變壓器繞組短路故障中，油中乙炔含量高達(dá)幾百μL/L，遠(yuǎn)超正常范圍，這表明變壓器內(nèi)部發(fā)生了嚴(yán)重的電弧放電故障?？偀N是甲烷（CH?）、乙烷（C?H?）、乙烯（C?H?）和乙炔（C?H?）等烴類氣體含量的總和?？偀N含量的變化能反映變壓器內(nèi)部絕緣油的熱分解程度。當(dāng)總烴含量超過150μL/L時(shí)，可能意味著變壓器存在過熱故障。在過熱故障初期，總烴含量會(huì)緩慢上升；隨著故障的發(fā)展，總烴含量會(huì)迅速增加。在不同的過熱溫度區(qū)間，總烴中各成分的比例也會(huì)發(fā)生變化。在低溫過熱（低于300℃）時(shí)，甲烷和氫氣占比較大；隨著溫度升高到中溫過熱（300-700℃），乙烯含量逐漸增加；當(dāng)達(dá)到高溫過熱（高于700℃）時(shí)，乙烯成為主要成分，且可能伴有少量乙炔。一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO?）主要與固體絕緣材料的分解和老化有關(guān)。雖然目前難以給出普遍適用的注意值，但對(duì)于特定變壓器，通過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)其含量變化及CO?/CO的比值，可以推斷固體絕緣材料的狀態(tài)。當(dāng)懷疑故障涉及固體絕緣時(shí)，如果CO?/CO的比值小于3，可能表明固體絕緣材料存在老化分解的情況。例如，某變壓器在運(yùn)行過程中，CO和CO?含量逐漸上升，且CO?/CO的比值從正常的5逐漸減小至接近3，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的固體絕緣材料出現(xiàn)了明顯的老化跡象。這些特征氣體含量閾值并非絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)受到變壓器的型號(hào)、運(yùn)行年限、負(fù)荷情況以及環(huán)境因素等多種因素的影響。在實(shí)際故障診斷中，需要綜合考慮這些因素，結(jié)合變壓器的歷史數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀況，進(jìn)行全面分析，以準(zhǔn)確判斷故障類型和嚴(yán)重程度。4.1.2實(shí)例分析為了更直觀地展示特征氣體法在變壓器故障診斷中的應(yīng)用，以某實(shí)際變壓器故障案例進(jìn)行深入分析。某變電站一臺(tái)110kV的變壓器，型號(hào)為SSZ9-63000/110，額定容量為63000kVA，額定電壓為110±8×1.25%/38.5±2×2.5%/6.3kV，于2002年3月出廠，2002年7月投入運(yùn)行。在投運(yùn)后的跟蹤分析中，發(fā)現(xiàn)總烴含量達(dá)150×10??，氫氣（H?）、甲烷（CH?）、乙烯（C?H?）、乙烷（C?H?）呈上升趨勢(shì)，并且出現(xiàn)乙炔（C?H?）達(dá)5×10??，C?H?和總烴上升并超過標(biāo)準(zhǔn)值，總烴還在逐步增長(zhǎng)。其部分跟蹤試驗(yàn)結(jié)果如下表所示：時(shí)間取樣部位H?COCO?CH?C?H?C?H?C?H?總烴2002-7-13下部035.967.552.5243.50802002-8-15下部3212.1290.259.1191.666.40.7317.82003-3-10下部67.5330.1330.188.4330.694.11.4514.52003-3-20下部94.8400.1447.494.1390105.34.2593.62003-4-3下部103.2377.1400.1106.7447.4152.66.8713.52003-7-5下部100.1345377.188.4330.6151.66.2576.82003-7-12下部116.2619.6762.7106.772.38.78.3196根據(jù)特征氣體含量判斷標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)總烴含量超過150μL/L，且出現(xiàn)乙炔時(shí)，變壓器內(nèi)部可能存在故障。在該案例中，總烴含量遠(yuǎn)超150μL/L，且乙炔含量也超過了正常范圍，這表明變壓器內(nèi)部存在異常情況。從氣體含量的變化趨勢(shì)來看，氫氣、甲烷、乙烯、乙烷等氣體含量持續(xù)上升，說明變壓器內(nèi)部的故障在不斷發(fā)展。其中，乙炔的出現(xiàn)和增長(zhǎng)尤為關(guān)鍵，因?yàn)橐胰餐ǔＪ欠烹娦怨收系奶卣鳉怏w。結(jié)合總烴含量的大幅增加，初步判斷變壓器內(nèi)部可能存在放電兼過熱故障。為了進(jìn)一步驗(yàn)證診斷結(jié)果，對(duì)變壓器進(jìn)行了吊芯檢查。檢查發(fā)現(xiàn)，變壓器內(nèi)部的分接開關(guān)接觸不良，存在明顯的放電痕跡，同時(shí)部分繞組絕緣也因過熱而出現(xiàn)老化現(xiàn)象。這與根據(jù)特征氣體含量判斷的故障類型和嚴(yán)重程度基本一致，證明了特征氣體法在變壓器故障診斷中的有效性和準(zhǔn)確性。通過該實(shí)例可以看出，特征氣體法能夠依據(jù)油中溶解氣體的含量及變化趨勢(shì)，較為準(zhǔn)確地判斷變壓器的故障類型和嚴(yán)重程度。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于變壓器故障的復(fù)雜性和多樣性，僅依靠特征氣體法可能存在一定的局限性。因此，在進(jìn)行變壓器故障診斷時(shí)，通常還需要結(jié)合其他診斷方法，如電氣試驗(yàn)、局部放電檢測(cè)等，進(jìn)行綜合分析，以提高故障診斷的可靠性和準(zhǔn)確性。4.2比值法4.2.1改良三比值法原理與應(yīng)用改良三比值法是在傳統(tǒng)三比值法基礎(chǔ)上發(fā)展而來，在變壓器故障診斷中應(yīng)用廣泛，具有重要的理論和實(shí)踐意義。其原理基于充油電氣設(shè)備內(nèi)油、絕緣在故障下裂解產(chǎn)生氣體組分含量的相對(duì)濃度與溫度的相互依賴關(guān)系。在變壓器運(yùn)行過程中，當(dāng)內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，變壓器油和絕緣材料會(huì)分解產(chǎn)生多種氣體。改良三比值法從氫氣（H?）、甲烷（CH?）、乙烷（C?H?）、乙烯（C?H?）、乙炔（C?H?）這五種特征氣體中，選取兩種溶解度和擴(kuò)散系數(shù)相近的氣體組成三對(duì)比值。這三對(duì)比值分別為C_2H_2/C_2H_4（乙炔與乙烯的比值）、CH_4/H_2（甲烷與氫氣的比值）、C_2H_4/C_2H_6（乙烯與乙烷的比值）。之所以選擇這三對(duì)比值，是因?yàn)樗鼈兡軌蚋行У胤从彻收系男再|(zhì)和嚴(yán)重程度。例如，C_2H_2/C_2H_4的比值對(duì)放電性故障較為敏感，當(dāng)比值增大時(shí)，往往意味著存在放電故障，且比值越大，放電故障的可能性越高；CH_4/H_2的比值可以反映故障的溫度范圍，在不同的溫度區(qū)間，該比值會(huì)呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律；C_2H_4/C_2H_6的比值則與過熱故障的嚴(yán)重程度相關(guān)，隨著過熱程度的加劇，該比值會(huì)逐漸增大。根據(jù)這三對(duì)比值的大小，按照特定的編碼規(guī)則進(jìn)行編碼。具體編碼規(guī)則如下表所示：氣體比值范圍C_2H_2/C_2H_4CH_4/H_2C_2H_4/C_2H_6<0.10000.1-11111-3222>3222不同的編碼組合對(duì)應(yīng)著不同的故障類型。如下表所示：編碼組合故障類型0、0、1低溫過熱（低于150℃）0、2、0中溫過熱（300-700℃）0、2、2高溫過熱（高于700℃）1、0、0局部放電1、0、1低能放電1、0、2低能放電兼過熱2、0、2電弧放電2、2、2電弧放電兼過熱在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)通過氣相色譜法等手段檢測(cè)出變壓器油中溶解氣體的含量后，計(jì)算出這三對(duì)比值，然后根據(jù)編碼規(guī)則得到相應(yīng)的編碼組合，再對(duì)照故障類型判斷表，就可以初步判斷變壓器內(nèi)部的故障類型。例如，若某變壓器油中溶解氣體分析結(jié)果顯示C_2H_2/C_2H_4=0.05，CH_4/H_2=0.8，C_2H_4/C_2H_6=1.5，按照編碼規(guī)則，C_2H_2/C_2H_4的編碼為0，CH_4/H_2的編碼為1，C_2H_4/C_2H_6的編碼為2，編碼組合為0、1、2，對(duì)照故障類型判斷表，可判斷該變壓器可能存在低能放電兼過熱故障。改良三比值法在變壓器故障診斷中具有一定的優(yōu)勢(shì)。它能夠通過氣體比值的變化，較為準(zhǔn)確地判斷故障類型，為變壓器的維修和維護(hù)提供重要依據(jù)。與單純的特征氣體含量判斷法相比，它考慮了氣體之間的相對(duì)比例關(guān)系，能夠更全面地反映變壓器內(nèi)部的故障情況，減少誤判和漏判的可能性。該方法具有一定的通用性，適用于不同型號(hào)和規(guī)格的變壓器，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。4.2.2比值法的局限性與改進(jìn)措施盡管比值法在變壓器故障診斷中發(fā)揮著重要作用，但在實(shí)際應(yīng)用中，它也暴露出一些局限性。編碼邊界模糊是比值法面臨的一個(gè)重要問題。在改良三比值法中，編碼規(guī)則是基于大量的故障樣本統(tǒng)計(jì)得出的，然而實(shí)際運(yùn)行中的變壓器故障情況復(fù)雜多樣，氣體比值可能處于編碼邊界附近。當(dāng)C_2H_2/C_2H_4的比值接近0.1或1時(shí)，按照編碼規(guī)則，稍有偏差就可能導(dǎo)致編碼不同，進(jìn)而判斷出不同的故障類型。這種編碼邊界的模糊性使得在實(shí)際診斷中，對(duì)于處于邊界值的情況難以準(zhǔn)確判斷故障類型，增加了診斷的不確定性。多種故障聯(lián)合作用時(shí)，比值法容易出現(xiàn)誤判。在變壓器實(shí)際運(yùn)行中，可能同時(shí)存在多種故障，如過熱和放電故障同時(shí)發(fā)生。此時(shí)，油中溶解氣體的組成和含量會(huì)受到多種因素的綜合影響，導(dǎo)致氣體比值不能準(zhǔn)確反映單一故障類型的特征。例如，當(dāng)過熱和放電故障同時(shí)存在時(shí)，C_2H_2/C_2H_4、CH_4/H_2、C_2H_4/C_2H_6這三對(duì)比值可能會(huì)出現(xiàn)異常變化，難以按照常規(guī)的編碼規(guī)則和故障類型判斷方法進(jìn)行準(zhǔn)確診斷，容易導(dǎo)致誤判為單一的過熱故障或放電故障。為了克服比值法的這些局限性，研究人員提出了一系列改進(jìn)措施。針對(duì)編碼邊界模糊的問題，可以引入模糊數(shù)學(xué)理論。模糊數(shù)學(xué)能夠處理不確定性和模糊性問題，通過建立模糊隸屬度函數(shù)，將氣體比值與故障類型之間的關(guān)系進(jìn)行模糊化處理。對(duì)于處于編碼邊界的氣體比值，不再簡(jiǎn)單地按照固定的編碼規(guī)則進(jìn)行編碼，而是計(jì)算其對(duì)不同故障類型的隸屬度，根據(jù)隸屬度的大小來綜合判斷故障類型。例如，當(dāng)C_2H_2/C_2H_4的比值接近0.1時(shí)，通過模糊隸屬度函數(shù)計(jì)算它對(duì)“低能放電”和“局部放電”這兩種故障類型的隸屬度，若對(duì)“低能放電”的隸屬度較高，則更傾向于判斷為低能放電故障，但同時(shí)也會(huì)考慮“局部放電”的可能性，給出一個(gè)綜合的診斷結(jié)果，從而提高診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)于多種故障聯(lián)合作用導(dǎo)致的誤判問題，可以結(jié)合其他檢測(cè)手段和診斷方法。在進(jìn)行油中溶解氣體分析的同時(shí)，開展電氣試驗(yàn)，如繞組直流電阻測(cè)試、絕緣電阻測(cè)試、介損測(cè)試等，通過電氣試驗(yàn)結(jié)果來輔助判斷變壓器的電氣性能是否正常，進(jìn)一步驗(yàn)證故障類型。還可以進(jìn)行局部放電檢測(cè)，通過檢測(cè)變壓器內(nèi)部的局部放電信號(hào)，確定是否存在放電故障以及放電的位置和強(qiáng)度。將這些檢測(cè)手段和診斷方法與比值法相結(jié)合，綜合分析各種信息，能夠更全面、準(zhǔn)確地判斷變壓器內(nèi)部的故障情況，減少誤判的發(fā)生。例如，當(dāng)比值法判斷可能存在過熱故障，但同時(shí)局部放電檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在較強(qiáng)的局部放電信號(hào)時(shí)，就需要綜合考慮過熱和放電兩種故障同時(shí)存在的可能性，對(duì)診斷結(jié)果進(jìn)行修正。4.3人工智能方法4.3.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在故障診斷中的應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為人工智能領(lǐng)域的重要技術(shù)之一，在變壓器故障診斷中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用基于強(qiáng)大的非線性映射能力和自學(xué)習(xí)特性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過構(gòu)建復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由大量的神經(jīng)元相互連接組成，這些神經(jīng)元按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列，通常包括輸入層、隱藏層和輸出層。在變壓器故障診斷中，輸入層負(fù)責(zé)接收油中溶解氣體的特征數(shù)據(jù)，如氫氣、甲烷、乙烯、乙炔等氣體的含量以及相關(guān)的比值數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)的輸入信息，被傳遞到隱藏層。隱藏層是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核心部分，其中包含多個(gè)神經(jīng)元，神經(jīng)元之間通過權(quán)重連接。權(quán)重是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的關(guān)鍵參數(shù)，它決定了神經(jīng)元之間信號(hào)傳遞的強(qiáng)度和方向。隱藏層的神經(jīng)元通過對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的非線性變換，提取數(shù)據(jù)中的深層次特征。例如，通過激活函數(shù)（如Sigmoid函數(shù)、ReLU函數(shù)等）對(duì)加權(quán)后的輸入進(jìn)行處理，將線性不可分的數(shù)據(jù)映射到高維空間，使得數(shù)據(jù)之間的特征能夠更加明顯地展現(xiàn)出來。經(jīng)過隱藏層的處理后，數(shù)據(jù)被傳遞到輸出層，輸出層根據(jù)隱藏層提取的特征，輸出故障診斷結(jié)果，如判斷變壓器是否存在故障，以及故障的類型（過熱、放電等）。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程是其實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確故障診斷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在訓(xùn)練過程中，需要大量的變壓器故障樣本數(shù)據(jù)。這些樣本數(shù)據(jù)包括正常運(yùn)行狀態(tài)下和各種故障狀態(tài)下的油中溶解氣體數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的故障類型標(biāo)簽。將這些樣本數(shù)據(jù)輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，通過不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重和閾值，使得網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果與實(shí)際的故障類型標(biāo)簽盡可能接近。這個(gè)調(diào)整過程通常采用反向傳播算法（BackpropagationAlgorithm）。反向傳播算法的基本思想是，首先計(jì)算網(wǎng)絡(luò)輸出與實(shí)際標(biāo)簽之間的誤差，然后將誤差從輸出層反向傳播到隱藏層和輸入層，根據(jù)誤差的大小來調(diào)整權(quán)重和閾值，使得誤差逐漸減小。在訓(xùn)練過程中，會(huì)不斷迭代這個(gè)過程，直到網(wǎng)絡(luò)的誤差達(dá)到一個(gè)可以接受的水平，或者達(dá)到預(yù)設(shè)的訓(xùn)練次數(shù)。通過訓(xùn)練，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)W習(xí)到油中溶解氣體數(shù)據(jù)與故障類型之間的復(fù)雜映射關(guān)系，從而具備對(duì)新的未知數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確故障診斷的能力。以某實(shí)際應(yīng)用案例為例，某電力公司采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其管轄范圍內(nèi)的多臺(tái)變壓器進(jìn)行故障診斷。他們收集了大量的變壓器油中溶解氣體數(shù)據(jù)，包括不同故障類型下的氣體數(shù)據(jù)以及正常運(yùn)行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，按照一定的比例劃分為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集。訓(xùn)練集用于訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，驗(yàn)證集用于調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的超參數(shù)（如隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)、學(xué)習(xí)率等），測(cè)試集用于評(píng)估網(wǎng)絡(luò)的性能。經(jīng)過多輪訓(xùn)練和優(yōu)化，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在測(cè)試集上取得了較高的診斷準(zhǔn)確率。在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)監(jiān)測(cè)到變壓器油中溶解氣體數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，將數(shù)據(jù)輸入到訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，能夠快速準(zhǔn)確地判斷出變壓器是否存在故障以及故障類型。例如，當(dāng)檢測(cè)到某臺(tái)變壓器油中乙炔含量異常升高時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過分析輸入的氣體數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確判斷出該變壓器存在放電故障，及時(shí)通知運(yùn)維人員進(jìn)行檢修，避免了故障的進(jìn)一步擴(kuò)大。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在變壓器故障診斷中具有顯著的優(yōu)勢(shì)。它能夠處理復(fù)雜的非線性關(guān)系，對(duì)于變壓器油中溶解氣體數(shù)據(jù)與故障類型之間的復(fù)雜映射，能夠通過自學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行準(zhǔn)確建模。具有較強(qiáng)的泛化能力，經(jīng)過大量樣本訓(xùn)練后，能夠?qū)ξ匆娺^的新數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的故障診斷。它還能夠自動(dòng)提取數(shù)據(jù)特征，減少了人工特征工程的工作量和主觀性。然而，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也存在一些局限性。訓(xùn)練過程需要大量的故障樣本數(shù)據(jù)，而實(shí)際運(yùn)行中的變壓器故障樣本往往有限，這可能會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練效果和泛化能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇具有一定的主觀性，不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置可能會(huì)導(dǎo)致診斷性能的差異。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可解釋性較差，其內(nèi)部的決策過程難以直觀理解，這在一定程度上限制了其在一些對(duì)解釋性要求較高的場(chǎng)景中的應(yīng)用。4.3.2支持向量機(jī)等其他智能算法支持向量機(jī)（SupportVectorMachine，SVM）是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的智能算法，在變壓器故障診斷中具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。其核心思想是通過尋找一個(gè)最優(yōu)分類超平面，將不同類別的樣本數(shù)據(jù)盡可能準(zhǔn)確地分開。在變壓器故障診斷中，將正常運(yùn)行狀態(tài)和各種故障狀態(tài)的油中溶解氣體數(shù)據(jù)看作不同類別的樣本，支持向量機(jī)的目標(biāo)就是找到一個(gè)合適的超平面，使得正常樣本和故障樣本在這個(gè)超平面的兩側(cè)，并且兩類樣本到超平面的距離最大化，這個(gè)距離被稱為間隔。為了找到這個(gè)最優(yōu)分類超平面，支持向量機(jī)引入了核函數(shù)（KernelFunction）。核函數(shù)的作用是將低維空間中的非線性可分?jǐn)?shù)據(jù)映射到高維空間，使得在高維空間中數(shù)據(jù)變得線性可分。常見的核函數(shù)有線性核函數(shù)、多項(xiàng)式核函數(shù)、徑向基核函數(shù)（RadialBasisFunction，RBF）等。在變壓器故障診斷中，徑向基核函數(shù)應(yīng)用較為廣泛，它能夠有效地處理非線性分類問題，提高故障診斷的準(zhǔn)確率。例如，在面對(duì)變壓器油中溶解氣體數(shù)據(jù)與故障類型之間復(fù)雜的非線性關(guān)系時(shí)，徑向基核函數(shù)可以將數(shù)據(jù)映射到高維空間，使得支持向量機(jī)能夠找到合適的分類超平面，準(zhǔn)確地判斷變壓器的故障類型。支持向量機(jī)在小樣本、非線性分類問題上表現(xiàn)出色。在變壓器故障診斷中，實(shí)際獲取的故障樣本數(shù)量往往有限，支持向量機(jī)能夠在小樣本情況下，通過對(duì)樣本數(shù)據(jù)的有效學(xué)習(xí)和分析，準(zhǔn)確地識(shí)別故障類型。它能夠處理數(shù)據(jù)中的噪聲和干擾，對(duì)數(shù)據(jù)的適應(yīng)性較強(qiáng)。與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，支持向量機(jī)的訓(xùn)練過程相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算復(fù)雜度較低，并且具有較好的泛化能力，在新的樣本數(shù)據(jù)上能夠保持較高的診斷準(zhǔn)確率。例如，在某地區(qū)的電力系統(tǒng)中，采用支持向量機(jī)對(duì)多臺(tái)變壓器進(jìn)行故障診斷。由于該地區(qū)的變壓器運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，獲取的故障樣本數(shù)量有限，但支持向量機(jī)通過對(duì)這些小樣本數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和分析，成功地識(shí)別出了多起變壓器故障，包括過熱故障和放電故障等，診斷準(zhǔn)確率達(dá)到了90%以上，為該地區(qū)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。除了支持向量機(jī)，模糊邏輯也是一種在變壓器故障診斷中具有應(yīng)用價(jià)值的智能算法。模糊邏輯能夠處理不確定性信息，它基于模糊集合理論，將傳統(tǒng)的二值邏輯（真或假）擴(kuò)展為模糊邏輯，即一個(gè)命題可以具有介于0（假）和1（真）之間的任意真值。在變壓器故障診斷中，由于油中溶解氣體分析結(jié)果存在一定的不確定性，如氣體含量的測(cè)量誤差、故障類型與氣體含量之間關(guān)系的模糊性等，模糊邏輯可以有效地處理這些不確定性。通過建立模糊規(guī)則庫，將油中溶解氣體的含量、比值等信息與故障類型之間的關(guān)系用模糊規(guī)則進(jìn)行描述。例如，“如果氫氣含量較高且甲烷含量適中，則可能存在過熱故障”，這里的“較高”“適中”等概念都是模糊的，通過模糊邏輯可以對(duì)這些模糊概念進(jìn)行量化和推理。根據(jù)輸入的油中溶解氣體數(shù)據(jù)，利用模糊推理機(jī)制，得出變壓器故障類型的模糊判斷結(jié)果。模糊邏輯在處理不確定性信息方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠更貼近實(shí)際的故障診斷情況，減少因不確定性導(dǎo)致的誤判和漏判。支持向量機(jī)、模糊邏輯等智能算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合應(yīng)用具有廣闊的前景。不同的智能算法在變壓器故障診斷中各有優(yōu)勢(shì)和局限性，將它們結(jié)合起來，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。可以將支持向量機(jī)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，利用支持向量機(jī)在小樣本、非線性分類問題上的優(yōu)勢(shì)，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)和特征提取能力。在訓(xùn)練過程中，先用支持向量機(jī)對(duì)小樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分類，然后將分類結(jié)果作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，進(jìn)一步訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提高其對(duì)復(fù)雜故障類型的識(shí)別能力。也可以將模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，利用模糊邏輯處理不確定性信息的能力，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將不確定的信息轉(zhuǎn)化為模糊變量，再輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行處理，從而提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在面對(duì)不確定性數(shù)據(jù)時(shí)的診斷性能。通過多智能算法的融合，可以為變壓器故障診斷提供更加全面、準(zhǔn)確的解決方案，滿足電力系統(tǒng)對(duì)變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行的需求。五、應(yīng)用案例分析5.1實(shí)際變壓器故障案例5.1.1案例背景與故障現(xiàn)象某220kV變電站中的一臺(tái)主變壓器，型號(hào)為SFPSZ11-180000/220，于2010年投入運(yùn)行，承擔(dān)著該地區(qū)重要的供電任務(wù)，長(zhǎng)期處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。在2022年5月的一次日常巡檢中，運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)氣體繼電器動(dòng)作，發(fā)出輕瓦斯信號(hào)。同時(shí)，通過變壓器監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到變壓器油溫升高，頂層油溫從正常運(yùn)行時(shí)的55℃左右迅速上升至70℃，且仍有繼續(xù)上升的趨勢(shì)。變壓器的聲音也出現(xiàn)異常，比正常運(yùn)行時(shí)更加嘈雜，伴有輕微的“嗡嗡”聲。運(yùn)行人員立即對(duì)變壓器進(jìn)行外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯的油滲漏、套管閃絡(luò)等外部故障跡象。為了進(jìn)一步確定故障原因，運(yùn)維人員迅速采集了變壓器油樣，準(zhǔn)備進(jìn)行油中溶解氣體分析。由于該變壓器對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的重要性，一旦發(fā)生嚴(yán)重故障，將對(duì)周邊多個(gè)區(qū)域的工業(yè)生產(chǎn)和居民生活造成重大影響，因此及時(shí)準(zhǔn)確地診斷故障類型和嚴(yán)重程度迫在眉睫。5.1.2油中溶解氣體數(shù)據(jù)分析對(duì)采集的變壓器油樣進(jìn)行氣相色譜分析，得到了以下各特征氣體含量的數(shù)據(jù)：時(shí)間氫氣（H?）甲烷（CH?）乙烯（C?H?）乙烷（C?H?）乙炔（C?H?）一氧化碳（CO）二氧化碳（CO?）總烴2022-5-10180μL/L120μL/L200μL/L40μL/L25μL/L350μL/L1200μL/L385μL/L從數(shù)據(jù)可以看出，氫氣含量為180μL/L，超過了注意值150μL/L；乙炔含量達(dá)到25μL/L，遠(yuǎn)超正常運(yùn)行時(shí)的極低含量，也超過了注意值5μL/L；總烴含量為385μL/L，同樣超過了注意值150μL/L。為了更清晰地了解氣體含量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，對(duì)該變壓器近幾個(gè)月的油中溶解氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，如下表所示：時(shí)間氫氣（H?）甲烷（CH?）乙烯（C?H?）乙烷（C?H?）乙炔（C?H?）一氧化碳（CO）二氧化碳（CO?）總烴2022-2-1080μL/L60μL/L80μL/L20μL/L0μL/L200μL/L800μL/L160μL/L2022-3-10100μL/L80μL/L100μL/L30μL/L2μL/L250μL/L900μL/L212μL/L2022-4-10130μL/L100μL/L150μL/L35μL/L5μL/L300μL/L1000μL/L290μL/L通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，從2022年2月到5月，氫氣、甲烷、乙烯、乙炔等特征氣體含量均呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，尤其是乙炔含量，從2月的0μL/L逐漸上升到5月的25μL/L，增長(zhǎng)迅速?？偀N含量也從2月的160μL/L增長(zhǎng)到5月的385μL/L。根據(jù)這些油中溶解氣體數(shù)據(jù)分析，氫氣含量的升高可能暗示變壓器內(nèi)部存在局部放電或過熱故障；乙炔作為放電性故障的重要特征氣體，其含量的顯著增加表明變壓器內(nèi)部很可能發(fā)生了放電故障；總烴含量的持續(xù)上升進(jìn)一步說明變壓器內(nèi)部的故障在不斷發(fā)展，絕緣油的分解程度在加劇。綜合這些數(shù)據(jù)和變化趨勢(shì)，可以初步判斷該變壓器內(nèi)部存在放電兼過熱故障，需要進(jìn)一步采取措施進(jìn)行詳細(xì)診斷和處理，以避免故障進(jìn)一步惡化，確保變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。5.2故障診斷過程與結(jié)果5.2.1采用多種方法診斷故障為了準(zhǔn)確判斷該變壓器的故障類型和嚴(yán)重程度，運(yùn)用多種故障診斷方法對(duì)上述油中溶解氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。首先采用特征氣體法進(jìn)行初步判斷。根據(jù)特征氣體含量判斷標(biāo)準(zhǔn)，氫氣含量180μL/L超過了150μL/L的注意值，表明變壓器內(nèi)部可能存在局部放電或過熱故障。乙炔含量25μL/L遠(yuǎn)超正常運(yùn)行時(shí)的極低含量，且超過了5μL/L的注意值，這是放電性故障的重要特征，說明變壓器內(nèi)部很可能發(fā)生了放電故障?？偀N含量385μL/L也超過了150μL/L的注意值，進(jìn)一步表明變壓器內(nèi)部的絕緣油分解程度加劇，故障在發(fā)展。從這些特征氣體含量來看，初步判斷變壓器存在放電兼過熱故障。接著運(yùn)用改良三比值法進(jìn)行分析。根據(jù)油中溶解氣體數(shù)據(jù)，計(jì)算三對(duì)比值：C_2H_2/C_2H_4=25?·200=0.125，CH_4/H_2=120?·180a??0.67，C_2H_4/C_2H_6=200?·40=5。按照編碼規(guī)則，C_2H_2/C_2H_4的編碼為1，CH_4/H_2的編碼為1，C_2H_4/C_2H_6的編碼為2。編碼組合為1、1、2，對(duì)照故障類型判斷表，可判斷該變壓器可能存在低能放電兼過熱故障。最后采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障診斷。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型經(jīng)過大量變壓器故障樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練，具有較高的診斷能力。將上述油中溶解氣體數(shù)據(jù)作為輸入，輸入到訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中。經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的計(jì)算和分析，輸出診斷結(jié)果為變壓器存在放電兼過熱故障，且故障嚴(yán)重程度較高。通過對(duì)比三種診斷方法的結(jié)果，特征氣體法初步判斷為放電兼過熱故障，改良三比值法判斷為低能放電兼過熱故障，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷為放電兼過熱故障且故障嚴(yán)重程度較高。雖然三種方法在具體故障嚴(yán)重程度的描述上存在一定差異，但都指向了變壓器存在放電兼過熱故障，這進(jìn)一步驗(yàn)證了故障判斷的