許寅卿

（國(guó)網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200063）

0 引言

在電力系統(tǒng)中變壓器被視為電網(wǎng)的“心臟”，它是發(fā)電、輸電、變電、供電體系中的基石，是保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要設(shè)備之一，在電能的經(jīng)濟(jì)傳輸與靈活調(diào)配中起到非常重要的作用。但隨著長(zhǎng)年累月的運(yùn)行，變壓器運(yùn)行的可靠性會(huì)隨著其絕緣性能和機(jī)械性能的下降而降低，這主要由于變壓器在短路時(shí)抗擊短路大電流沖擊的能力嚴(yán)重下降而導(dǎo)致。研究表明，變壓器絕緣老化是影響變壓器運(yùn)行狀態(tài)和壽命長(zhǎng)短的最主要因素[1－2]。大量變壓器歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，在良好的運(yùn)行條件下服役多年甚至是接近或超過(guò)使用年限的變壓器其絕緣性能仍然良好，并能繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行多年。因此，變壓器絕緣狀態(tài)的好壞決定其能否可靠運(yùn)行，準(zhǔn)確評(píng)估變壓器絕緣老化程度并及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題是保障其安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于電力變壓器絕緣老化的研究非常廣泛，但關(guān)于如何將多種檢測(cè)方法有效結(jié)合的研究分析還不多。常見(jiàn)的單一檢測(cè)方法如檢測(cè)絕緣紙聚合度需在變壓器停電的情況下才能完成并且需由廠家?guī)Щ卦囼?yàn)，試驗(yàn)周期較長(zhǎng)；再如PDC（極化/去極化電流）和RVM（回復(fù)電壓法）這類無(wú)損測(cè)量的檢測(cè)方法對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地環(huán)境以及儀器都有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，目前的變電站內(nèi)無(wú)法大范圍推廣[3－5]。以上這些方法給現(xiàn)在的電力設(shè)備運(yùn)維檢修部門帶來(lái)不便。因此考慮到實(shí)用性和準(zhǔn)確性，提出以電力檢修部門常規(guī)的不停電檢測(cè)方法為基礎(chǔ)，以模糊數(shù)學(xué)理論為橋梁，構(gòu)建一個(gè)220 kV油浸式變壓器絕緣老化狀態(tài)的評(píng)判模型。此評(píng)判模型將檢測(cè)出的變壓器油中糠醛含量、油酸值、含水量的數(shù)值、ρCO/ρCO2與專家經(jīng)驗(yàn)的評(píng)判定值相結(jié)合，通過(guò)模糊綜合評(píng)判法將4個(gè)數(shù)值通過(guò)隸屬函數(shù)進(jìn)行模糊化后作帶入特定的計(jì)算公式后得到一組結(jié)論，最后用多個(gè)實(shí)例驗(yàn)證此模型的有效性。

1 變壓器絕緣老化指標(biāo)

1.1 變壓器絕緣分類

油浸式電力變壓器內(nèi)部絕緣主要分為固體絕緣和液體絕緣2類[6]。

固體絕緣是一種纖維素的絕緣材料，包括絕緣紙（牛皮紙）、層壓紙板、墊塊等。固體絕緣老化后其聚合度和抗張強(qiáng)度逐漸降低，會(huì)產(chǎn)生諸如水、糠醛、CO和CO2等產(chǎn)物，大部分老化產(chǎn)物會(huì)對(duì)變壓器內(nèi)設(shè)備有損害，固體絕緣老化特性是不可逆轉(zhuǎn)的，也就是說(shuō)其機(jī)械強(qiáng)度或電氣強(qiáng)度的降低是無(wú)法恢復(fù)的。

液體絕緣指的是變壓器內(nèi)部的絕緣油，它不但起到加強(qiáng)電氣絕緣強(qiáng)度的作用，并且明顯加強(qiáng)了變壓器內(nèi)部熱傳遞和散熱效果。在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，變壓器油會(huì)緩慢老化，其中氧是導(dǎo)致其老化變質(zhì)的主要因素，同時(shí)銅、鐵和水分是油發(fā)生氧化的催化劑。油在氧化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)油酸值過(guò)升高和產(chǎn)生多種氧化物（不溶于油的化合物）。

總之，絕緣老化就是指變壓器內(nèi)部絕緣材料的機(jī)械性能和電氣性能降低的過(guò)程。根據(jù)大量的歷史檢修試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在變壓器內(nèi)部絕緣老化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多種氧化產(chǎn)物，同時(shí)變壓器內(nèi)部絕緣材料的一些化學(xué)和物理參數(shù)會(huì)有明顯的變化。因此判斷變壓器內(nèi)部絕緣老化程度可以用這些參數(shù)數(shù)值的變化為參考依據(jù)。

1.2 變壓器絕緣老化指標(biāo)

針對(duì)變壓器內(nèi)部絕緣的測(cè)量參數(shù)很多，參考大量文獻(xiàn)和日常運(yùn)維檢修中的檢測(cè)方法歸納總結(jié)了8個(gè)測(cè)量參數(shù)，如圖1所示。其中，參數(shù)1－4的檢測(cè)指標(biāo)在文中的絕緣老化評(píng)價(jià)模型中并未采納，主要原因是參數(shù)1需要結(jié)合變壓器停電才能檢測(cè)，極不方便，不符合要求；參數(shù)2－4的測(cè)量對(duì)于試驗(yàn)場(chǎng)地環(huán)境以及檢測(cè)所需儀器有較高的要求，暫時(shí)無(wú)法普遍推廣，不符合要求；參數(shù)5－8在文中的絕緣老化評(píng)價(jià)模型中都被采納。這4組參數(shù)的檢測(cè)方法對(duì)于環(huán)境和檢測(cè)儀器沒(méi)有過(guò)多的限制，最重要的是可以在電力變壓器帶電的情況下進(jìn)行[7－8]，完全符合在不停電情況下評(píng)判變壓器內(nèi)部絕緣老化水平的要求。參數(shù)5－8的具體說(shuō)明如下：

圖1 變壓器內(nèi)部絕緣測(cè)量參數(shù)

（1）油中糠醛含量：糠醛是變壓器內(nèi)部紙絕緣老化過(guò)程中纖維素分子斷裂產(chǎn)生的一種呋喃類產(chǎn)物。絕緣老化產(chǎn)生的糠醛會(huì)溶解于變壓器油中，因此油中糠醛含量與變壓器紙絕緣的老化程度密不可分。國(guó)內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過(guò)研究得出了油中糠醛含量與絕緣紙聚合度之間的函數(shù)關(guān)系，因此在排除變壓器換過(guò)絕緣油的情況下，油中糠醛的含量可以作為判斷變壓器內(nèi)部絕緣老化程度的依據(jù)之一。

（2）ρCO/ρCO2：變壓器正常老化或故障下都會(huì)引起絕緣材料分解，從而產(chǎn)生不同類型的特征氣體，具體包括： H2， CH4， C2H4， C2H2， C2H6， CO， CO2等，它們大都可以溶解于絕緣油中。當(dāng)變壓器內(nèi)部絕緣老化嚴(yán)重時(shí)，變壓器油中CO和CO2的含量會(huì)明顯增加。目前研究結(jié)果表明，兩者之間沒(méi)有絕對(duì)的數(shù)值規(guī)定和明顯的變化規(guī)律，通常認(rèn)為ρCO/ρCO2＞7 時(shí)懷疑固體絕緣老化。

（3）油酸值：中和1 g油中酸性物質(zhì)所需的氫氧化鉀的毫克數(shù)稱為油酸值，它不僅可以反映變壓器油的絕緣老化程度，還能作為輔助判斷變壓器內(nèi)部故障的依據(jù)之一。絕緣良好的變壓器油酸值含量一般小于0.03 mg。當(dāng)油酸值超過(guò)0.03 mg后變壓器油的擊穿電壓強(qiáng)度會(huì)明顯下降。

（4）油中含水量：變壓器油中含水量是變壓器絕緣狀態(tài)的重要評(píng)估指標(biāo)之一，其含量的多少直接影響到絕緣老化速率及絕緣能力，微量水分可使變壓器絕緣結(jié)構(gòu)中介質(zhì)損耗顯著增加，還能加速有機(jī)酸對(duì)銅、鐵等金屬的腐蝕，從而使絕緣油中產(chǎn)生雜質(zhì)，最終使得變壓器油擊穿電壓強(qiáng)度大大降低。

2 基于模糊理論的變壓器絕緣老化診斷模型

模糊數(shù)學(xué)就是通過(guò)定量分析人類語(yǔ)言表達(dá)方式和思維方式中的模糊性，然后尋找到合適的計(jì)算機(jī)程序去模擬人腦進(jìn)行模糊判斷行為的一種數(shù)學(xué)工具。通過(guò)模糊數(shù)學(xué)的方法來(lái)模擬變壓器內(nèi)部絕緣特征參數(shù)的變化，把定性分析的事情模糊化是診斷變壓器設(shè)備狀態(tài)的有效途徑之一。以下采用的是模糊數(shù)學(xué)理論的一個(gè)分支——模糊綜合評(píng)判法[9－11]。其評(píng)判過(guò)程是將評(píng)判事物（變壓器內(nèi)部絕緣參數(shù)）的各項(xiàng)數(shù)值模糊化，通過(guò)確定各自的隸屬函數(shù)計(jì)算出對(duì)應(yīng)某個(gè)事件（變壓器內(nèi)部絕緣狀態(tài)程度）的隸屬度，最后經(jīng)過(guò)特定公式計(jì)算后得出結(jié)論，將定性的判斷變?yōu)槎康呐袛唷?/p>

2.1 模糊綜合評(píng)判的評(píng)判過(guò)程

在變壓器內(nèi)部絕緣老化評(píng)判中，每個(gè)因素的變化都會(huì)對(duì)絕緣老化產(chǎn)生影響，但單一因素的判別太過(guò)于片面，實(shí)際上多個(gè)因素共同影響才造成變壓器絕緣老化，每個(gè)因素之間存在相互交叉，因此最后的評(píng)判結(jié)果是多特征的評(píng)判綜合起來(lái)的結(jié)論，這也就是模糊綜合評(píng)判的核心內(nèi)容。模糊綜合評(píng)判包含以下三要素：

（1）因素集，即評(píng)價(jià)種類集合 S={s1， s2，s3，s4}。其中 S1=[油中糠醛含量]； S2=[ρCO/ρCO2]； S3=[油酸值]； S4=[油中含水量]。

（2）評(píng)判集，即最后的評(píng)判結(jié)果集合F={f1，f2，…，fn}。一般對(duì)于絕緣狀態(tài)只默認(rèn)分為“好”與“不好”2種，但是諸如這樣的評(píng)判太過(guò)于絕對(duì)和籠統(tǒng)，無(wú)法體現(xiàn)事物的客觀性。從時(shí)間上看，變壓器內(nèi)部絕緣老化是一個(gè)緩慢的過(guò)程，但從數(shù)學(xué)角度上來(lái)看其老化的過(guò)程與某個(gè)模糊分布非常相似，因此根據(jù)變壓器絕緣老化機(jī)理和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將絕緣狀態(tài)分為4種，分別為：f1=[絕緣良好]； f2=[輕度老化]； f3=[中度老化]； f4=[重度老化]。其中，f1代表變壓器內(nèi)部絕緣良好可以正常運(yùn)行；f2代表變壓器可以繼續(xù)運(yùn)行，加強(qiáng)日常巡視；f3代表變壓器繼續(xù)運(yùn)行，但可能存在較大風(fēng)險(xiǎn)，建議安排停電檢修，查看變壓器內(nèi)部是否存在絕緣故障；f4代表變壓器內(nèi)部絕緣老化嚴(yán)重，需要立即停止運(yùn)行并進(jìn)行大修或更換絕緣部件。

（3）構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣R，即單個(gè)指標(biāo)的評(píng)判結(jié)果，是單因素對(duì)評(píng)判集內(nèi)元素的隸屬度。

最終決策模型為：

式中：A 為權(quán)重向量，A={a1， a2，a3， a4}，其中 a1，a2，a3，a4分別為第 1，2， 3， 4個(gè)因素評(píng)判結(jié)果的權(quán)重； B 為結(jié)果向量，B={b1，b2，b3， b4}，其中b1， b2， b3， b4分別為絕緣狀態(tài) f1， f2， f3， f4的可信度； MAX（b1， b2， b3， b4）即為最后的評(píng)判結(jié)果； ?為模糊算子，文中選取模型（·，⊕），即加權(quán)求和模型，其優(yōu)點(diǎn)是既能突出主要因素，又能兼顧其他因素，體現(xiàn)了綜合評(píng)價(jià)的本質(zhì)，可以表現(xiàn)出數(shù)據(jù)的整體特性。完全符合變壓器絕緣老化過(guò)程是多因素共同作用下的結(jié)果，可以全面反映出一臺(tái)變壓器的絕緣狀況。

模糊綜合評(píng)判法中對(duì)于A和隸屬函數(shù)的選擇與確定是能否成功建立模型的關(guān)鍵因素。

2.2 權(quán)重向量A的確定

在模糊綜合評(píng)判法中，權(quán)重代表了每個(gè)評(píng)判指標(biāo)的重要程度，在文中它代表每個(gè)檢測(cè)指標(biāo)的貢獻(xiàn)度和作用大小。但是文中選擇的4個(gè)指標(biāo)沒(méi)有明確的數(shù)據(jù)能說(shuō)明各自的正確度或者重要程度，采取的是專家評(píng)價(jià)法來(lái)確定各自的權(quán)重，具體數(shù)值如下：

2.3 隸屬函數(shù)的確定

鑒于絕緣狀態(tài)變化是緩慢的過(guò)程，比較各種常見(jiàn)的模糊分布后選取嶺型模糊分布作為隸屬函數(shù)的模型。隸屬函數(shù)模型如圖2所示，函數(shù)中a1—a12分別為文中所述4個(gè)檢測(cè)指標(biāo)中某個(gè)指標(biāo)的所有模糊邊界值，4個(gè)指標(biāo)分別對(duì)應(yīng)4組不同的a1—a12值，篇幅所限不一一列出。

3 實(shí)例分析

選取3臺(tái)已知絕緣老化狀態(tài)的220 kV油浸式變壓器T1，T2，T3作為測(cè)試樣本，其中T1為輕度絕緣老化，T2為重度絕緣老化，T3為重度絕緣老化，得到測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 變壓器測(cè)量參數(shù)

按照文中所述模糊綜合評(píng)判診斷模型得到診斷結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 隸屬度函數(shù)分布

表2 診斷結(jié)果

最后通過(guò)最大隸屬度法區(qū)確定：T1為輕度絕緣老化（f2=0.553）；T2為重度絕緣老化（f4=0.626）；T3為中度絕緣老化（f3=0.632）。T1與T2的診斷結(jié)果與實(shí)際情況一致，T3變壓器診斷結(jié)果與實(shí)際情況不同。經(jīng)查證，T3在運(yùn)行過(guò)程由于嚴(yán)重內(nèi)部故障更換過(guò)變壓器油，導(dǎo)致變壓器油中測(cè)量參數(shù)無(wú)法按實(shí)際的測(cè)量數(shù)值計(jì)算，以上海電網(wǎng)為例，像這類更換過(guò)絕緣油的占220 kV以上變壓器總數(shù)不到1%。以上診斷結(jié)果說(shuō)明文中所提絕緣老化評(píng)價(jià)模型能有效診斷變壓器絕緣老化狀態(tài)，如T3這樣的變壓器為數(shù)極少，目前是需要停電檢測(cè)的。

4 結(jié)語(yǔ)

模糊理論在變壓器絕緣老化評(píng)價(jià)模型中的應(yīng)用是一個(gè)比較新的課題，模糊綜合評(píng)判法可以將多種因素有效地整合在一起，通過(guò)隸屬函數(shù)將事物評(píng)判從定性的判斷轉(zhuǎn)為定量的判斷，最終能在變壓器不停電的情況下得到更加合理的結(jié)論，并且通過(guò)多組實(shí)例證明了該判別模型的可行性與可靠性。另外，該模型還存在很大的提高和改進(jìn)空間，例如現(xiàn)在還無(wú)法對(duì)在運(yùn)行中更換過(guò)絕緣油的變壓器給出正確的評(píng)判結(jié)論，這類變壓器數(shù)目有限，可供研究的樣本太少，無(wú)法定量分析，這是日后需要進(jìn)一步研究的課題。

參考文獻(xiàn)：

[1]許寅卿.基于D－S證據(jù)理論的變壓器絕緣老化診斷[J].華電技術(shù)，2017，39（9）∶20－22.

[2]劉江明，孫正竹，艾云飛，等.500 kV變壓器鐵心接地引出線斷線故障分析[J].浙江電力，2017，36（2）∶38－42.

[3]貢春艷.極化去極化電流法和回復(fù)電壓法融合的油紙絕緣老化狀態(tài)評(píng)估[D].重慶：重慶大學(xué)，2013.

[4]梁穎輝，歐樹(shù)華，Kachler A J.診斷變壓器絕緣狀態(tài)及老化的 PDC 技術(shù)的研究[J].變壓器，2007，44（6）∶35－39.

[5]黃皓煒.變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理及應(yīng)用[J].浙江電力，2016，35（2）∶31－35.

[6]樂(lè)波，成永紅，陳小林，等.基于人工智能的大電機(jī)主絕緣老化狀態(tài)評(píng)估軟件[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29（14）∶78－82.

[7]何小飛，童曉陽(yáng)，孫明蔚.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和模糊理論的分布式電網(wǎng)故障診斷[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35（10）∶42－47.

[8]江玉蓉，王霄峰，符楊，等.基于模糊綜合評(píng)判的電力變壓器絕緣老化診斷[J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，28（5）∶431－434.

[9]李林，萬(wàn)志聰.基于模糊三比值法的電力變壓器絕緣故障診斷研究[J].浙江電力，2011，30（2）∶12－14.

[10]張怡.基于模糊聚類的顏色塊自動(dòng)模式識(shí)別方法研究[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，28（5）∶80－83.

[11]油浸式變壓器絕緣老化判斷導(dǎo)則：DL/T 984－2005[S].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[12]許寅卿，胡炎.基于改良三比值法的變壓器模糊綜合評(píng)判法[J].電力與能源，2017，38（2）∶132－136.

[13]劉太洪，趙永雷.動(dòng)態(tài)加權(quán)模糊聚類在變壓器故障診斷中的應(yīng)用研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2016，32（4）∶89－92.

[14]江丹宇，高波，吳廣寧，等.變壓器油浸絕緣紙老化產(chǎn)生甲醇的途徑[J].廣東電力，2017，30（7）∶110－114.

[15]陳濤濤，陸金，許小飛.電容式電壓互感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].江蘇電機(jī)工程，2016，35（5）∶63－66.

[16]韋瑋，李鑫，徐曉剛，等.基于Fluent的植物絕緣油配電變壓器溫度場(chǎng)有限元仿真分析[J].廣東電力，2016，29（10）∶121－126.