基于模糊綜合評判的電力變壓器絕緣老化診斷

江玉蓉，王霄峰，符 楊，許寅卿

(1.上海電力學(xué)院電力與自動化工程學(xué)院，上海 200090;2.上海市電力公司嘉定供電公司，上海 201800)

大型變壓器是電力系統(tǒng)中最昂貴和最重要的設(shè)備之一，它對于整個電力系統(tǒng)的可靠運行起著非常關(guān)鍵的作用.隨著變壓器使用年限的增加，絕緣紙和紙板等固體絕緣材料逐漸老化.如何準(zhǔn)確把握變壓器絕緣材料的狀態(tài)，最終使變壓器壽命得到延長是變壓器應(yīng)用行業(yè)比較重要的課題.目前，檢測絕緣材料狀態(tài)的方法包括絕緣紙聚合度檢定、高性能液相色譜分析、氣相色譜分析法、介質(zhì)損耗因數(shù)的分析、恢復(fù)電壓法，以及極化電流法等［1-3］，但是每種方法得到的結(jié)論都有一定的局限性.本文以現(xiàn)行方法為基礎(chǔ)，引入了模糊綜合評判的概念，將電力變壓器絕緣老化的判斷依據(jù)與模糊綜合評判相結(jié)合，提出了一種電力變壓器絕緣老化模糊綜合評判法.

1 電力變壓器絕緣老化原理

油浸式變壓器的安全運行壽命主要由其絕緣老化程度決定，其主要絕緣材料為變壓器油、紙和紙板，屬于A級絕緣材料.絕緣油充滿變壓器油箱，與紙和紙板構(gòu)成具有高耐電強度的油紙絕緣結(jié)構(gòu)，在油浸式變壓器中起到絕緣、散熱的作用;紙主要構(gòu)成變壓器線圈的匝間和層間絕緣;紙板則構(gòu)成角環(huán)、紙筒、墊塊、撐條、絕緣壓板和端絕緣等，紙和紙板統(tǒng)稱為固體絕緣.變壓器的絕緣老化受到水、氧氣、溫度、光和電等因素的影響.

由老化機理可知，紙絕緣降解過程以及變壓器油老化過程為:首先，纖維素大分子的斷裂，表現(xiàn)為聚合度的下降和機械強度的降低;然后，伴隨著降解過程，產(chǎn)生多種老化產(chǎn)物，如CO，CO2，糠醛等;同時，油中的參數(shù)也會發(fā)生變化，如油酸值、含水量等;最后，變壓器相關(guān)的電氣參數(shù)發(fā)生變化，如傳導(dǎo)率、介質(zhì)損耗因數(shù)等.因此，測量這些因老化而改變或產(chǎn)生的物質(zhì)含量，可推測變壓器紙絕緣的老化狀態(tài).

2 模糊綜合評判法和層次分析法

2.1 模糊綜合評判法

模糊綜合評價法是通過構(gòu)造等級模糊子集將反映被評事物的模糊指標(biāo)進行量化(即確定隸屬度)，然后利用模糊變換原理對各指標(biāo)進行綜合，具體步驟如下:

(1)確定評價對象的因數(shù)論域，P個評價指標(biāo)，u={u1，u2，…，up};

(2)確定評語等級論域，即等級集合，v={v1，v2，…，vp}，每一個等級可對應(yīng)一個模糊子集;

(3)建立模糊關(guān)系矩陣R，在構(gòu)造了等級模糊子集后，逐個對被評事物的每個因數(shù)進行量化，即從單因數(shù)來看被評事物對等級模糊子集的隸屬度，進而得到模糊關(guān)系矩陣;

(4)確定評價因數(shù)的權(quán)向量;

(5)合成模糊綜合評判結(jié)果向量;

(6)對模糊綜合評價結(jié)果向量進行分析.

2.2 層次分析法

求權(quán)重是綜合評價的關(guān)鍵，層次分析法是一種確定權(quán)系數(shù)的有效方法，適用于那些難以用定量指標(biāo)進行分析的復(fù)雜問題.它將復(fù)雜問題中的各因數(shù)劃分為互相聯(lián)系的有序?qū)?，根?jù)對客觀實際的模糊判斷，就每一層次的相對重要性給出定量的表示，再利用數(shù)學(xué)方法確定全部元數(shù)相對重要性次序的權(quán)系數(shù).具體步驟如下:

(1)確定目標(biāo)和評價因數(shù)，P個評價指標(biāo)，u={u1，u2，…，up};

(2)構(gòu)造判斷矩陣;

(3)計算判斷矩陣;

(4)一致性檢驗.

3 電力變壓器絕緣老化的模糊綜合診斷模型

3.1 變壓器絕緣老化模糊綜合評價體系

根據(jù)《變壓器絕緣老化判斷導(dǎo)則》和相關(guān)文獻可以將變壓器絕緣老化程度的評價等級分為4級，即:絕緣良好;中期老化;嚴(yán)重老化;壽命終止.根據(jù)測量參數(shù)的方法性質(zhì)可以分為2個一級指標(biāo)和8個二級指標(biāo)，分別為:化學(xué)檢測指標(biāo);電檢測指標(biāo)和聚合度;糠醛含量;CO2/CO;絕緣油中含水量;油酸值;傳導(dǎo)率;介質(zhì)損耗因數(shù);恢復(fù)電壓波形.該綜合評價體系如圖1所示.

圖1 變壓器絕緣老化綜合評價體系

(1)聚合度(B1)新變壓器紙絕緣的聚合度大約為1 000.實驗表明，紙的抗張強度隨著聚合度的下降而逐漸下降，當(dāng)聚合度降到250時，抗張強度出現(xiàn)突降，說明紙深度老化;當(dāng)聚合度為150時，絕緣紙完全喪失機械強度.

(3)CO2/CO(B3)《變壓器絕緣老化判斷導(dǎo)則》中指出當(dāng)懷疑變壓器固體絕緣材料老化時，一般CO2/CO比值大于7;當(dāng)懷疑故障涉及固體絕緣材料時(大于200℃)，CO2/CO比值小于3.

(4)絕緣油中含水量(B4)一般規(guī)定，330～500 kV電壓等級的設(shè)備，運行油水分含量注意值為15 mg/l;200 kV電壓等級的設(shè)備，運行水分含量注意值為25 mg/l;110 kV以下電壓等級的設(shè)備，運行油水分含量注意值為35 mg/l.

(5)油酸值(B5)酸值上升是絕緣油初始老化的標(biāo)志，酸性物質(zhì)的存在將不可避免地產(chǎn)生油泥，如果設(shè)備中同時含有水分的話，則會使鐵生銹，同時對絕緣系統(tǒng)也是有害的.其中，酸值的國標(biāo)注意值為 0.1 mg/l.

(6)傳導(dǎo)率(B6)利用PDC技術(shù)分析變壓器的老化程度，測量其極化/去極化電流得到的ip和id值，從而計算出不同的傳導(dǎo)率，變壓器老化程度就可由不同傳導(dǎo)率σ反映出來.絕緣老化越嚴(yán)重，傳導(dǎo)率σ的值越大.

(7)介質(zhì)損耗因素(B7)在允許的電壓范圍內(nèi)，良好絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)(tgδ)隨著電壓升高應(yīng)無明顯變化.當(dāng)tgδ隨電壓升高而明顯增加或減少時，說明絕緣有可能存在缺陷.

(8)恢復(fù)電壓波形(B8)當(dāng)變壓器絕緣正常時，恢復(fù)電壓波形只有一個波峰;當(dāng)變壓器絕緣老化時，恢復(fù)電壓波形有多個波峰.

3.2 權(quán)重及隸屬函數(shù)的確定

在模糊綜合評判體系中，權(quán)重體現(xiàn)了每項指標(biāo)的重要程度，是評價過程中的一個極為重要的因數(shù)［4，5］.

為保證食品安全，武漢理工大學(xué)強化食材源頭管理，實行食堂大眾物資公開招投標(biāo)采購制度，引進有信譽、有實力、有社會責(zé)任感的供貨商，建立和完善《食品采購索證制度》、《食品原材料采購查驗制度》、《庫房驗收制度》和《采購記錄制度》，嚴(yán)禁無牌、無證、無生產(chǎn)廠家、無生產(chǎn)日期、無保質(zhì)期物資進入食堂；建立完善的食品留樣制度，將需要留樣的菜品按衛(wèi)生執(zhí)法部門的要求每份留樣至少125克，冷藏保存48小時以上，留樣記錄齊全；實行食品添加劑記錄臺賬制度；每日實行職工晨檢制度，保證健康上崗。

3.2.1 一級指標(biāo)權(quán)重

構(gòu)造判斷矩陣:

其對應(yīng)的特征向量為:A=(0.75，0.25).

3.2.2 二級指標(biāo)權(quán)重

(1)確定B1～B5指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)造判斷矩陣:

其對應(yīng)的特征向量為:

(2)確定B6～B8指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)造判斷矩陣:

其對應(yīng)的特征向量為:

經(jīng)過計算得出的一致性指標(biāo)，均通過了一致性檢驗，這說明權(quán)系數(shù)的分配是合理的.由此可以得出變壓器絕緣老化模糊綜合評判各指標(biāo)的權(quán)重如表1所示.

表1 變壓器絕緣老化綜合評判各指標(biāo)權(quán)重

3.2.3 指標(biāo)的模糊隸屬度

采用模糊分析法對檢測指標(biāo)的定量數(shù)據(jù)進行分析.由于三角形隸屬函數(shù)具有簡單、有效等優(yōu)點［6，7］，本文利用三角形和半梯形組合的分布函數(shù)，建立各指標(biāo)對應(yīng)于不同狀態(tài)等級的隸屬函數(shù)，如圖2所示.

圖2 半梯形和三角形隸屬函數(shù)分布

隸屬函數(shù)確定的具體方法是:按照相對劣化度的計算式，對原始資料進行劣化度計算，然后根據(jù)有關(guān)規(guī)程和專家經(jīng)驗，確定圖中三角形和半梯形相結(jié)合的分布函數(shù)的相對劣化度對于4種絕緣老化等級的模糊分界區(qū)間，最后建立相對劣化度對于各個絕緣老化等級的隸屬函數(shù).

例如，聚合度指標(biāo)的隸屬度為:

4 實例分析

某變壓器型號為SFSZ9-31500/110，運行25年后，測量數(shù)據(jù)見表2.

表2 變壓器測量數(shù)據(jù)

按照上述模糊綜合評判模型，根據(jù)變壓器測量數(shù)據(jù)，建立各級評判指標(biāo)的評判矩陣，并計算其評價向量.

得到 B1～B5指標(biāo)的評價向量為:D1=(0，0.386，0.508，0.106).得到B68指標(biāo)的評價向量為:D2(0，0.264，0.736，0).

由此得出的一級指標(biāo)的評判矩陣為:

最后得到一級指標(biāo)的評價矩陣為:

從評判結(jié)果可以看出，變壓器絕緣老化狀態(tài)處于“嚴(yán)重老化”的隸屬度最大，但與“中期老化”的隸屬度相差較小.從整體老化狀態(tài)的隸屬度來看，中期老化和嚴(yán)重老化的隸屬度分別為0.356和0.565，而“絕緣良好”和“壽命終止”的隸屬度分別只有0和0.08.由此可以推斷，變壓器絕緣老化狀態(tài)大致處于中期老化和嚴(yán)重老化之間.

5 結(jié)語

用模糊綜合評判法來診斷電力變壓器絕緣的老化狀態(tài)，這在電力系統(tǒng)中還是一個相對較新的課題，從研究工作的情況來說，模糊綜合評判的數(shù)學(xué)理論依據(jù)是合理可操作的，此方法還有很大的研究空間.本文的設(shè)計如果能成功地運用于各個電廠、變電站中，將能為變壓器絕緣狀態(tài)判斷提供強大的技術(shù)保障，帶來更大的收益.

［1］楊啟平，薛五德.變壓器故障診斷技術(shù)的研究［J］.變壓器，2002(10):38-42.

［2］楊啟平，薛五德，藍(lán)之達(dá).變壓器絕緣老化的診斷與壽命評估［J］.變壓器，2004(2):13-17.

［3］梁穎輝，歐楊華，KACJER 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(6):34-39.

［4］劉晉芳，韓富春.基于灰色層次分析法的電力變壓器運行狀態(tài)綜合評估［J］.水電能源科學(xué)，2009，27(1):192-193.

［5］熊浩，孫才新，張昀，等.電力變壓器運行狀態(tài)的灰色層次評估模型［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，31(7):22-25.

［6］王新洲.模糊空間信息處理［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2003:130-131.

［7］李士勇.工程模糊數(shù)學(xué)及應(yīng)用［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004:101-108.