第一章 绪论
1.1 变压器故障诊断的重要意义
通过对电力变压器等电气设备进行故障检测和分析诊断，从而准确、可靠地发现这些设备中逐步发展的潜伏性故障，有效防止由此引起的重大电力事故，实现从现行的预防性检修方式向状态检修方式转变，对实现电力系统运行的安全可靠性和维护经济性都具有十分重要的意义。
1.2 变压器绝缘材料的化学组成及故障产生的原因
电力变压器由绝缘材料、导电材料、导磁材料及结构材料构成。绝缘材料大多为有机材料，如矿物油、绝缘纸及各种有机合成材料。油浸式电力变压器的绝缘材料主要是绝缘油和绝缘纸。绝缘油是天然石油经过蒸馏、精炼而获得的一种矿物油。石油基碳氢化合物有烷烃、环烷烃、芳香烃和烯烃等，它们是由各种碳氢化合物所组成的混合物。碳、氢两元素占其全部重量的 95%~99%，其它为硫、氮、氧以及极少量的金属元素等。烷烃又称石蜡烃，包括直链烷烃和异构烷烃，分子通式为 CnH2n+2。直链烷烃的凝点高，在高压条件下易分解产生氢气，因此很少使用。异构烷烃则有许多优良的理化性质，例如凝点低（<-45℃），闪点较高（>170℃），酸值低（<0.001mgKOH•g-1），氧化安定性好及界面张力高等，它是变压器油的理想组分。
环烷烃的分子通式为 CnH2n、CnH2n-2、CnH2n-4等，分子结构比较复杂，有单环、双环和多环，并带有烷基侧链。由于环烷烃具有较高的抗爆性，低凝点及较好的润滑性，会使制得的油品具有良好的热稳定性和化学安定性，是电力用油的主要理想成分之一。芳香烃的分子通式为 CnH2n-6、CnH2n-12等，跟环烷烃相比，芳香烃化学性质更为活泼，它们的活性完全由侧链的数量和大小决定。芳香烃是生成渣滓的主要物质，是精炼过程中应去除的成分。石油中芳香烃的含量约在14%~30%之间变化，一般新变压器油分子量在 270~310 之间变化，每个分子的碳原子数在 19~23 之间，其化学组成至少包含 50%的烷烃，10%~40%的环烷烃以及 5%~15%的芳香烃。
绝缘纸、绝缘纸板等都以木浆为原料，从化学成分来看，是由纤维素、半纤维素、木质素及各种微量金属等物质所组成的。其中主要组分是纤维素，它是由未漂硫酸盐纤维经造纸而成。电力设备用的绝缘纸是尽量除去极性物质的高质量纸，其杂质如木质、糖类、无机盐等的总量不超过百分之几。绝缘纸的主要成分是 α-纤维素，它是由葡萄糖基借 1-4 配糖键连结起来的聚合度达到 2000 的链状高聚合碳氢化合物，其化学通式为(C6H10O5)n，结构式如图 1.2 所示，其中 n为聚合度。绝缘纸的第二种重要成分是半纤维素，它是聚合度小于 250 的碳氢化合物。纸纤维长度可达 1-4mm。绝缘纸平均聚合度（DP）约为 1200 左右，目前国内外还没有绝缘纸寿命终止的标准。一般认为，极度老化以致寿命终止的绝缘纸平均聚合度约为 200 左右。实测结果表明，当平均聚合度达到 250 左右时，油中糠醛浓度达 5mg/L 以上，此时绝缘纸已经严重脆化。
无论何种原因引起变压器发生故障，比如短路故障、过热故障等最终都将导致变压器绝缘损坏或击穿，从而导致事故。绝缘系统很大程度上决定了变压器运行的经济性能以及可靠性。正常运行及注意进行维修管理的变压器，其绝缘材料具有很长的使用寿命。国外根据理论计算及实验研究表明，当小型油浸配电变压器的实际温度维持在 95℃时，理论寿命将可达 400 年。设计和现场运行的经验说明，维护好的变压器，实际寿命能达到 50~70 年；按照制造厂的设计要求和技术指标，一般把变压器的预期寿命定为 20~40 年。因此，保护变压器的正常运行及加强对绝缘系统的合理维护，可以保证变压器具有较长的使用寿命，预防性和预知性的维护是提高变压器使用寿命和提高供电可靠性的关键。
第二章 二苄基二硫对绝缘油腐蚀的研究
油浸绝缘结构被广泛应用于变压器、电容器等电力设备中，其绝缘是以绝缘纸、塑料薄膜和层压板等多层绝缘卷绕并浸渍绝缘油构成。基于油浸绝缘结构在电力系统中应用的广泛性和重要性，对此，模拟变压器绝缘系统，往油中加入二苄基二硫（DBDS），通过加速热老化实验，研究了 DBDS 的存在对油物化、电气性能的影响，二苄基二硫对铜片的腐蚀机理方面进行了初步探讨。本章对变压器油中腐蚀性硫来源、测试方法、故障机理及减轻其危害的途径等方面内容进行阐述。
2.1 油中腐蚀性硫的来源
腐蚀性硫是指存在于变压器油中的腐蚀性硫化物（包括游离硫），变压器油中不允许存在腐蚀性硫。某些活性硫化物对铜、银（开关触头）等金属表面有很强腐蚀性，特别是在一定温度下，能与铜导体化合形成硫化铜，导致变压器中的铜线腐蚀，侵蚀绝缘纸，降低绝缘强度，甚至引发绝缘事故。
变压器新油中的总硫含量，是由原油的含硫量和生产该变压器油的工艺所决定。电力系统中广泛使用的变压器油，大多数是由天然石油炼制而成。石油化学组成十分复杂，碳和氢这两种元素是组成石油的主要元素。在大部分石油中，碳的含量介于 84%～87%之间，氢的含量介于 12%～13%，而硫、氮和氧的总含量一般约占 1%～3%。炼制变压器油过程中，减压蒸馏、常压蒸馏、催化、加氢精制等工艺能除去硫、硫醇这些具有腐蚀性的活性硫化物或者转化成比较稳定的形态。然而，不完善的炼制工艺难免会在油中留有残余硫醇，而且加氢精制可能会产生元素硫或硫化氢。
第三章 电力变压器油中糠醛含量......................... 35-41
3.1 糠醛测定方法......................... 35
3.2 检测条件和参数的选择试验 .........................35-37
3.2.1 样品和仪器......................... 35-36
3.2.2 紫外吸收波长的选择......................... 36-37
3.2.4 流动相流速选择......................... 37
3.3 结果与讨论......................... 37-40
3.3.1 流动相的准备......................... 37
3.3.2 样本的预处理 .........................37-38
3.3.3 标准曲线的绘制 .........................38-39
3.3.4 实例样品的测试......................... 39-40
3.4 小结......................... 40-41
第四章 油中溶解气体分析技术与故障......................... 41-58
4.1 油纸绝缘材料分解产气的机理 .........................41-44
4.1.1 绝缘油的老化机理分析 .........................41-43
4.1.2 绝缘纸的老化机理分析......................... 43-44
4.2 故障诊断......................... 44-49
4.2.1 故障类型与油中气体含量......................... 44-46
4.2.2 故障诊断步骤 .........................46-47
4.2.3 故障诊断方法判断 .........................47-48
4.2.4 实例分析......................... 48-49
4.3 神经网络在故障诊断中的运用......................... 49-57
4.4 小结......................... 57-58
结论
本论文总结了国内外对电力变压器绝缘故障的研究现状，分析了变压器绝缘材料的老化机理，讨论了绝缘材料老化与变压器故障之间的对应关系。针对现阶段大型电力变压器中油硫腐蚀引起的绝缘事故，开展了油-纸试品热老化试验，通过实验模拟高温条件下二苄基二硫对铜片的腐蚀，以及变压器油各特征参量在老化过程中随时间的变化规律，运用线性回归方程对试验数据展开了分析。为更好表征变压器绝缘老化的特征参数——油中糠醛含量，采用液相色谱法对油中糠醛含量测定条件进行了探讨，得出了液相色谱检测油中糠醛含量的最佳条件。分析了变压器绝缘材料的老化机理，讨论了油中溶解气体分析技术在故障诊断中的运用。在此基础之上，结合当前研究的热点，将人工智能方法成功引入到变压器的故障诊断，构建了基于油中溶解气体分析的PSO-BP网络模型。综上所述，可以得到以下结论：
(1) 随着电力消耗增长及变压器负载的不断增加，腐蚀硫引发的变压器绝缘故障也在增加，怎样防治腐蚀硫引发的故障成为一个重大问题。与腐蚀硫相关的变压器故障大多和高温绕组有关，大多数是绕组不完全冷却或设计缺陷造成。铜导体以及与它毗邻绝缘纸上出现的硫化亚铜，表示这些部位存在过热点，在原本正常的绕组或者有故障的绕组引发额外过热，导致纤维素的高程度断链，断链程度甚至超过了运行变压器寿命所能估计数值。含腐蚀硫的变压器油在高温热点常常出现铜硫沉积物，表明腐蚀硫化物及温度影响是引发这些故障的主要原因，或者至少是重要的导致因素，不能用现有的气相色谱、高电压测试等常规方法监测硫腐蚀引发的变压器故障。因此，对于怎样预防及降低腐蚀硫引发的故障非常关键，它对保障变压器正常运行乃至整个电网安全起着决定性作用。
(2)应用高效液相色谱法测定绝缘油中糠醛含量，既可判断固体绝缘的正常劣化状况，也能判断固体绝缘的非正常劣化程度，灵敏度高，准确性好。由于各种不同方式的油处理过程会造成部分糠醛损失，故定期对油纸绝缘设备进行油中糠醛含量测定是必要的。考虑今后通过模拟油纸绝缘系统的加速老化情况，测定油中糠醛含量、水分含量以及绝缘纸的聚合度等特征参数，并用数学方程拟合这些特征量间的关系，以更好表征各特征参数随绝缘纸老化的变化情况。
(3)对变压器油中溶解气体进行色谱分析，可以有效发现变压器内部故障，及时予以处理能避免事故的发生，为设备的安全运行提供保障。在电应力，热应力，机械应力等外界因素的影响下，加速了绝缘材料的老化进程。为了预测变压器的老化寿命，考虑运用化学反应的动力学分析老化过程中涉及的动力学参数，然后建立动力学方程。
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