一种油色谱变压器安全状态的评估方法与流程

本申请涉及输变电设备安全与可靠性评估技术领域，尤其涉及一种油色谱变压器安全状态的评估方法。

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发生物理及化学变化，裂解产生少量可燃气体甲烷(ch4)、乙烷(c2h6)、乙烯(c2h4)、乙炔(c2h2)、氢气(h2)、一氧化碳(co)和二氧化碳(co2)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，普遍采用溶解气体分析法(dissolvedgasanalysis,dga)，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。具体地，dga方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。

国际电工委员会iec60599-2007标准中，通过对dga中每种特征气体设置两个阈值把变压器安全状态分成三个等级，即正常状态、注意状态和报警状态。ieeec57.104-2008标准中，对dga中每种特征气体和总特征气体分别设置三个阈值，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，其中后两种安全状态对应iec的报警状态。

由上可知，iec和ieee标准所提供的变压器安全状态评估方法，设置的阈值太多，计算较为复杂。因此，需要提供一种新的油色谱变压器安全状态的评估方法。

技术实现要素：

本申请提供了一种油色谱变压器安全状态的评估方法，以解决变压器安全状态评估过程中，阈值太多，计算复杂的问题。

一种油色谱变压器安全状态的评估方法，包括如下步骤：

步骤一、采集油色谱变压器的样本数据，根据所述样本数据，确定所述变压器的含氧量级别；

步骤二、根据所述变压器的含氧量级别，确定所述变压器的安全等级的阈值；

步骤三、根据所述样本数据中相关气体的含量值，确定所述变压器的故障能量强度；

步骤四、根据所述阈值和所述故障能量强度，确定所述变压器的故障能量强度指数；

步骤五、根据所述故障能量强度指数，获得所述变压器的安全状态等级。

进一步地，当所述样本数据仅包括一组时，所述根据所述样本数据，确定所述变压器的含氧量级别，包括：计算所述样本数据的氮氧比率，根据所述氮氧比率，确定所述变压器的含氧量级别。

进一步地，当所述样本数据包括多组时，所述根据所述样本数据，确定所述变压器的含氧量级别，包括：计算每一组样本数据的氮氧比率，根据所述氮氧比率的中位数，确定所述变压器的含氧量级别。

进一步地，所述相关气体包括甲烷、乙烷、乙烯和乙炔。

进一步地，所述故障能量强度的计算公式为：

其中，x1、x2、x3、x4分别为甲烷、乙烷、乙烯、乙炔的含量；分别为甲烷、乙烷、乙烯、乙炔的吸能权重。

进一步地，所述根据所述样本数据中相关气体的含量值，确定所述变压器的故障能量强度，包括：

根据所述变压器中气体的测定温度，确定变压器的修正故障能量强度；根据所述阈值和所述修正故障能量强度，确定所述变压器的故障能量强度指数。

进一步地，所述修正故障能量强度的计算公式为：

p′＝273p/(273+t)

其中，p′为修正故障能量强度，p为故障能量强度，t为气体测定时的华氏温度。

进一步地，所述根据所述阈值和所述故障能量强度，获得所述变压器的故障能量强度指数，包括：

如果p＜l1，则pi＝1+p/l1；

如果l1≤p＜l2，则pi＝2+(p-l1)/(l2-l1)；

如果l2≤p＜l3，则pi＝3+(p-l2)/(l3-l2)；

如果p≥l3，则pi＝4.0；

其中，p为故障能量强度，pi为故障能量强度指数，l1为正常状态和注意状态的阈值；l2为注意状态和异常状态的阈值；l3异常状态和严重状态的阈值。

进一步地，所述根据所述故障能量强度指数，获得所述变压器的安全状态等级，包括：

当pi＜2.0时，推断变压器处于正常状态；

当2.0≤pi＜3.0，推断变压器处于注意状态；

当3.0≤pi＜4.0，推断变压器处于异常状态；

当pi≥4.0，推断变压器处于严重状态；

其中，pi为故障能量强度指数。

本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果：

本申请在分析各种故障生成不同溶解气体特征基础上，选择甲烷、乙烷、乙烯和乙炔四种气体，分别以它们吸收故障所释放热能的能力作为权重，计算变压器油样中四种气体总组分含量的故障能量强度指数，并对比故障能量强度指数与设定的阈值来推断变压器安全状态等级。该方法需要设定的阈值少，计算简单，而且对各类变压器故障特别是高能过热和电弧放电等严重故障所导致的安全状态反应灵敏度较高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种油色谱变压器安全状态的评估方法的连接框图。

图2为本申请提供的一种油色谱变压器安全状态的评估方法的流程图。

具体实施方式

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请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。

实施例1

本发明结合某一额定功率为31.5mva、额定电压为110kv油浸变压器，对本申请提供的油色谱变压器安全状态的评估方法进行详细说明，结合图1和图2，该方法的具体步骤如下：

步骤一、采集油色谱变压器的样本数据，根据所述样本述数据，确定所述变压器的含氧量级别。

该变压器已投入运行3年10个月，对该变压器油样本进行油色谱试验，在20℃的环境下，测得油样本中各个溶解气体的含量(μl/l)数据，该样本数据仅为一组，具体如表1所示：

表1变压器油样本数据

注：tdcg表示溶解可燃气体总量。

ieee/pes变压器委员会工作组c57.104的研究结果表明，变压器役龄、额定功率、电压等级及储油系统类型等因素都对油介质中溶解气体含量有影响，但其中影响因素的最大效果可表征为介质油中溶解氮与氧的比率变压器油介质中氧含量越高，则溶解碳氢化合物浓度越低。本申请采用ieee/pes变压器委员会工作组c57.104的统计研究结果，设定变压器中溶解的氮氧比率的阈值为5.94，高于该阈值的变压器称为低含氧变压器，否则称为高含氧变压器。

对于本发明实施例，根据表1所示的样本数据，计算所述样本数据的氮氧比率。具体地，该变压器的氮氧比率由于该变压器的氮氧比率大于5.94，因此，确定该变压器为低含氧变压器。

步骤二、根据所述变压器的含氧量级别，确定所述变压器的安全等级的阈值。

具体地，根据ieee/pes变压器委员会工作组所设定的变压器安全等级中的溶解气体含量阈值，计算得到如下阈值。针对高含氧类的变压器，设定l1＝0.39(kj/kl)为变压器的正常状态和注意状态的阈值，设定l2＝0.72(kj/kl)为变压器注意状态和异常状态的阈值，设定l3＝1.98(kj/kl)为变压器异常状态和严重状态的阈值。针对低含氧类的变压器，设定l1＝1.02(kj/kl)为变压器的正常状态和注意状态的阈值，设定l2＝1.87(kj/kl)为变压器注意状态和异常状态的阈值，设定l3＝4.00(kj/kl)为异常状态和严重状态的阈值。

对于本发明实施例，由于该变压器为低含氧变压器，因此，设定l1＝1.02(kj/kl)为该变压器的正常状态和注意状态的阈值，设定l2＝1.87(kj/kl)为该变压器注意状态和异常状态的阈值，设定l3＝4.00(kj/kl)为该变压器异常状态和严重状态的阈值。

步骤三、根据所述样本数据中相关气体的含量值，确定所述变压器的故障能量强度；

通常情况下，变压器油中溶解的气体包括h2、ch4、c2h6、c2h4、c2h2、co、tdcg、n2、o2等多种气体。在主要溶解气体中，一般h2和co含量占到溶解气体的72％以上，但它们的产生很多情况下不是变压器故障引起的，很难定量区分由非故障原因引起的h2和co占比。另外，h2由于分子小，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造成误差。而根据热动力学原理，甲烷、乙烷、乙烯和乙炔主要是变压器故障引起的，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，本申请所选择甲烷、乙烷、乙烯和乙炔作为评估变压器安全状态评估的相关气体。

变压器发生故障时会在附近油浸环境形成特定的能量与温度分布场，从而导致变压器浸油分解裂化，经过复杂的化学反应最终生成甲烷、乙烷、乙烯和乙炔等碳氢化合物。变压器发生故障大小会表现为其引起的能量与温度分布场的强度和持续时间。而故障能量与温度分布场的强度和持续时间不同将导致产生油介质中甲烷、乙烷、乙烯和乙炔的含量不同。这四种气体的含量大小也和它们的吸收故障能量的能力有关。

本申请从溶解气体产生的热动力学原理出发，选择甲烷、乙烷、乙烯和乙炔作为相关气体，根据它们所生成的数量以其单位溶解气体吸能能力作为权重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。

具体地，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)，则故障能量强度(p)的计算公式如下所示：

对于本发明实施例，将变压器溶解气体甲烷(ch4)、乙烷(c2h6)、乙烯(c2h4)和乙炔(c2h2)的含量值x1＝97.1，x2＝62.0，x3＝117.8和x4＝0.3代入式(2)，得出故障能量强度值为：

可选地，如果溶解气体含量不是标准的273k(0℃)情况下测定的，则根据所述变压器中气体的测定温度，确定变压器的修正故障能量强度。

具体地，所述修正故障能量强度的计算公式为：

p′＝273p/(273+t)(4)

其中，p′为修正故障能量强度，p为故障能量强度，t为气体的测定华氏温度。

对于本发明实施例，由于变压器油样的取样温度t＝20℃，该温度不是在标准的273k(0℃)，因此，要对故障能量强度进行修正。

所述修正故障能量强度值为：

步骤四、根据所述阈值和所述故障能量强度，确定所述变压器的故障能量强度指数正。

进一步地，当根据所述变压器中气体的测定温度，确定变压器的修正故障能量强度之后，根据所述阈值和所述修正故障能量强度，确定所述变压器的故障能量强度指数。具体包括：

如果p＜l1，则pi＝1+p/l1；

如果l1≤p＜l2，则pi＝2+(p-l1)/(l2-l1)；

如果l2≤p＜l3，则pi＝3+(p-l2)/(l3-l2)；

如果p≥l3，则pi＝4.0；

其中，p为故障能量强度，pi为故障能量强度指数，l1为正常状态和注意状态的临界阈值；l2为注意状态和异常状态的临界阈值；l3异常状态和严重状态的临界阈值。

对于本发明实施例，故障能量强度为1.07(kj/kl)，该变压器的正常状态和注意状态的阈值为l1＝1.02(kj/kl)；该变压器注意状态和异常状态的阈值为l2＝1.87(kj/kl)，该变压器异常状态和严重状态的阈值为l3＝4.00(kj/kl)。

由于故障能量强度由l1＜p＜l2，故障能量强度指数为：

pi＝2+(p-l1)/(l2-l1)＝2+(1.07-1.02)/(1.87-1.02)＝2.06(6)

步骤五、根据所述故障能量强度指数，获得所述变压器的安全状态等级。

具体地，所述故障能量强度指数，获得所述变压器的安全状态等级，包括：

当pi＜2.0时，推断变压器处于正常状态；

当2.0≤pi＜3.0，推断变压器处于注意状态；

当3.0≤pi＜4.0，推断变压器处于异常状态；

当pi≥4.0，推断变压器处于严重状态；

其中，pi为故障能量强度指数。

对于本发明实施例，由于pi＝2.06，且2.0＜pi＜3.0，因此，可以推断该变压器安全等级属于注意状态。

实施例2

本发明实施例结合一额定功率为250mva、额定电压为500kv，于2005年6月1日投入运行的油浸电力变压器的样本数据，对本申请的变压器安全状态的评估方法进行进一步说明。

当变压器具有多个油色谱样本数据时，可以使用本申请提供的方法计算每个样本的故障能量强度指数，通过比较分析来掌握变压器安全状态的变化情况与发展趋势，为更具体和深入的变压器故障检测和试验提供依据。

在该变压器运行过程中，对其进行4次油色谱试验，在0℃环境下，测得油样本中各个溶解气体的含量(μl/l)数据。该样本数据为多组，所述样本数据及其统计结果如表2所示。

本实施例对样本数据的处理方法与实施例1中提供的方法基本相同，其相同之处本实施中将不在赘述，其不同之处，在于：

(1)在步骤一中，对于本发明实施例，所述样本数据包括多组，因此，确定该变压器的含氧量级别，包括：

计算每一组样本数据氮氧比率，根据所述氮氧比率的中位数，确定所述变压器的含氧量级别。根据表2所述的样本数据，氮氧比率的中位数由于该变压器的氮氧比率大于5.94，因此，确定该变压器为低含氧变压器。

(2)在步骤三中，由于本发明实施例中的溶解气体含量是在标准的273k(0℃)情况下测定的，因此，不需要对故障能量强度进行修正。

表2变压器油样本数据及统计结果

注：tdcg表示溶解可燃气体总量。

由于该变压器的样本数据是在变压器的不同使用阶段采集的，因此，可通过统计结果对其安全状态趋势进行分析。结合表2，具体分析如下所示：

(1)样本数据1为该变压器投运4年后的样本数据。可以看出，此时变压器油中的甲烷、乙烷、乙烯含量均不高。此时的故障能量强度值p＝0.45，故障能量强度指数pi＝1.44，此时该变压器安全处于正常状态。

(2)样本数据2为该变压器投运5年后的样本数据。可以看出，该样本数据2中的甲烷、乙烷、乙烯含量与样本数据1相比显著增加，特别是高温过热故障t3的关键气体乙烯含量绝对值增加更显著。

此时的故障能量强度值p＝1.97，故障能量强度指数pi＝3.05。此时，该变压器呈现出明显的高温过热t3故障征兆，变压器安全等级进入异常状态，需要密切关注变压器故障风险。

(3)样本数据3为该变压器投运5年6个月后的样本数据。虽然与样本数据2的采样时间仅相隔半年，但可以明显看出，样本数据3中甲烷、乙烯、乙炔含量比上次采样增加了近46％。

此时的故障能量强度值p＝2.88，故障能量强度指数pi＝3.47。尽管变压器安全等级仍处于异常状态，但高温过热t3故障征兆更加显著，表明变压器故障风险进一步加大，并且呈加速之势。

(4)样本数据3为该变压器投运5年9个月后的样本数据。可以看出，该样本数据4中的甲烷、乙烷、乙烯、乙炔的含量比上次采样增加了64.3％。

此时的故障能量强度值p＝4.86，故障能量强度指数pi已超过4.0。使得变压器安全等级进入严重状态。故障能量强度指数pi表明变压器随时可能发生失控，需要马上停运。几天后变压器停运，检查发现变压器高压侧绕组已出现了匝间短路现象。

该方法需要设定的阈值少，计算简单，而且对各类变压器故障特别是高能过热和电弧放电等严重故障所导致的安全状态反应灵敏度较高。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。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申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请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。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。