基于灰色關(guān)聯(lián)度的變壓器故障診斷

張吉林，李守學(xué)，鄒姍姍

（1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司，長春 130021；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長春 130021；3.吉林電力技術(shù)開發(fā)公司，長春 130021）

隨著我國電力行業(yè)的高速發(fā)展，電力設(shè)備的日益增多，變壓器的數(shù)量也隨之劇增。變壓器作為電力系統(tǒng)中重要的設(shè)備之一，其能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)直接關(guān)系到整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。如何較早地發(fā)現(xiàn)變壓器故障，快速準(zhǔn)確地判斷出故障類型，研究一種準(zhǔn)確、可行的變壓器故障診斷方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)油中溶解氣體（DGA）判斷變壓器故障技術(shù)，由于價廉高效且非破壞性等優(yōu)點(diǎn)，得到較為廣泛的應(yīng)用，但傳統(tǒng)離線DGA 技術(shù)存在操作過程受人為因素影響較大、復(fù)雜、時間間隔較長等缺點(diǎn)，在應(yīng)用上受到較大的制約［1］。為解決上述問題，提出了一種基于灰色關(guān)聯(lián)度的變壓器故障診斷方法，即利用灰色理論進(jìn)行故障分類識別。此方法是根據(jù)變壓器內(nèi)部發(fā)生過熱、放電等故障時，故障點(diǎn)附近的絕緣物質(zhì)分解，產(chǎn)生各種能表征故障類型的特征氣體溶解在變壓器油中，根據(jù)輸入的待診斷變壓器油中故障氣體含量值與變壓器故障的對應(yīng)關(guān)系，判斷變壓器故障類型，實(shí)現(xiàn)變壓器故障類型診斷功能。

1 灰色關(guān)聯(lián)度原理

灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)分析的一個重要方法，它是2個系統(tǒng)或系統(tǒng)內(nèi)的各因素隨時間變化時，其變化方向和速度的關(guān)聯(lián)程度。在系統(tǒng)發(fā)展過程中，哪些因素是主要影響因子，可以用關(guān)聯(lián)度的排序來分析，關(guān)聯(lián)度大的表明該因素是影響系統(tǒng)發(fā)展主要影響因子，關(guān)聯(lián)度小的說明系統(tǒng)發(fā)展不受或少受此因素的影響。通過關(guān)聯(lián)度分析，便于分析主導(dǎo)因素和潛在因素，分清優(yōu)勢與劣勢，為分析評價系統(tǒng)發(fā)展提供了相關(guān)的信息。灰色關(guān)聯(lián)度法主要通過估量各評價對象和評價指標(biāo)之間的距離，利用樣本數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)系去評價樣本，從而較好排除數(shù)據(jù)的“灰色”關(guān)系；而且評價標(biāo)準(zhǔn)并不固定，不同的年份和樣本會產(chǎn)生不同的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)值的選取結(jié)果始終是樣本在被選時段的最優(yōu)值，該評價模型具有廣泛實(shí)用性和可操作性。確定指標(biāo)體系之后，建立灰色關(guān)聯(lián)評價模型。具體步驟如下。

設(shè)測試數(shù)據(jù)中變壓器油中5種氣體含量構(gòu)成的數(shù)組為X＝｛Xi，i＝1，2，…，I｝，故障案例標(biāo)準(zhǔn)庫中數(shù)組為X0＝｛Xj，j＝1，2，…，J｝，其中Xi（或Xj）數(shù)列為某一臺變壓器的油中5種氣體含量，參數(shù)ξ為計(jì)算關(guān)聯(lián)度系數(shù)γoi時的一個系數(shù)。

對數(shù)據(jù)序列進(jìn)行初值化

差序列

兩極最大差與最小差：

關(guān)聯(lián)度系數(shù)：

灰色關(guān)聯(lián)度：

2 建立變壓器故障診斷模型

灰色關(guān)聯(lián)度分析是基于灰色系統(tǒng)理論的一種分析方法，該方法通過對動態(tài)過程發(fā)展態(tài)勢的量化分析，完成時間序列有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)幾何關(guān)系的比較，求出各因素之間的灰色關(guān)聯(lián)度。其最大特點(diǎn)就是，對于預(yù)測模型的建立，只要掌握一些已知?dú)v史數(shù)據(jù)，再通過AGO（累加生成）運(yùn)算即可。故當(dāng)前在很多領(lǐng)域得到極其廣泛應(yīng)用，特別適合于相關(guān)變壓器油中溶解氣體濃度的預(yù)測。1臺運(yùn)行的變壓器實(shí)際上是一個復(fù)雜的系統(tǒng)（即灰色系統(tǒng)），這個系統(tǒng)有的信息能知道，有的信息知之不準(zhǔn)或不可能知道，而進(jìn)行故障診斷時，它視不確定量為灰色量并提出系統(tǒng)建模的具體數(shù)學(xué)方法，然后利用已知的有限信息，通過信息處理而進(jìn)行預(yù)測、判斷和決策?？紤]到以油中溶解氣體為特征量對故障診斷的準(zhǔn)確性達(dá)85%以上［2］，因此，在建立灰色關(guān)聯(lián)度分析的故障診斷模型之前，首先分析變壓器主要故障與油中溶解氣體特征量的關(guān)系。利用確定好參數(shù)ξ的灰色診斷模型，對發(fā)生故障的變壓器油中5種氣體含量與故障案例標(biāo)準(zhǔn)樣本庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，分析變壓器油色譜數(shù)據(jù)，判斷發(fā)生故障的變壓器對應(yīng)哪種故障類型，進(jìn)而建立了基于灰色關(guān)聯(lián)度的變壓器故障診斷模型，故障診斷流程見圖1。

建立故障案例標(biāo)準(zhǔn)庫：搜集國內(nèi)變壓器故障案例1 600余個形成故障案例標(biāo)準(zhǔn)庫，在故障案例標(biāo)準(zhǔn)庫中存儲了每個故障變壓器的油中5種故障氣體含量數(shù)據(jù)。

故障類型編碼分析：故障案例標(biāo)準(zhǔn)庫中變壓器故障與油中溶解氣體特征量的關(guān)系，對每個故障案

圖1 變壓器故障類型診斷流程圖

例進(jìn)行故障類型編碼，編碼方法見表1。

表1 變壓器故障類型編碼規(guī)則

根據(jù)測試數(shù)據(jù)調(diào)整參數(shù)ξ值，形成灰色診斷模型：利用灰色關(guān)聯(lián)度的方法，計(jì)算測試數(shù)據(jù)中故障變壓器油中5種氣體含量與故障案例標(biāo)準(zhǔn)庫中數(shù)據(jù)的灰色關(guān)聯(lián)度。

設(shè)測試數(shù)據(jù)中變壓器油中5種氣體含量構(gòu)成的數(shù)組為X＝｛Xi，i＝1，2，…，I｝，故障案例標(biāo)準(zhǔn)庫中數(shù)組為X0＝｛Xj，j＝1，2，…，J｝，其中ξ∈（0，1）如下式所示：

輸出灰色關(guān)聯(lián)度最大值對應(yīng)的故障類型，計(jì)算測試數(shù)據(jù)診斷結(jié)果的正確率，調(diào)整參數(shù)ξ直至滿足正確率要求，保存參數(shù)ξ最優(yōu)解，形成灰色診斷模型。

4 灰色關(guān)聯(lián)度變壓器故障診斷方法的應(yīng)用

為了驗(yàn)證所提出的灰色關(guān)聯(lián)度變壓器故障診斷方法，對變壓器故障進(jìn)行診斷，選取吉林省內(nèi)4臺變壓器進(jìn)行檢測：某220kV 變電站1 號SFZ11－MZ－120000/220型主變油色譜定檢發(fā)現(xiàn)該變壓器油中出現(xiàn)大量乙炔組分，截至2010年6月14日，體積比達(dá)到8.22μL/L，其他氣體組分無明顯異常變化。選取多組色譜數(shù)據(jù)，利用灰色關(guān)聯(lián)度方法進(jìn)行故障診斷，結(jié)果皆為電弧放電；另一座220kV 變電站的1號SFPZ7－90000/220型主變，油色譜定檢發(fā)現(xiàn)該變壓器油中總烴超過注意值，選取多組色譜數(shù)據(jù)，利用灰色關(guān)聯(lián)度方法進(jìn)行故障診斷，結(jié)果皆為高溫過熱；某66kV 變電站1號SFZ9－31500/66型主變油色譜定檢發(fā)現(xiàn)該變壓器油中氫氣超過注意值，截至2012年12月24日，體積比達(dá)到204.08μL/L，其他氣體組分無明顯異常變化。選取多組色譜數(shù)據(jù)，利用灰色關(guān)聯(lián)度方法進(jìn)行故障診斷，結(jié)果皆為低溫過熱；某500kV 變電站3號S11－1000/66型主變油色譜定檢發(fā)現(xiàn)，該變壓器油中氫氣超過注意值，截至2013年7月26日，體積比達(dá)到728.00μL/L，且油中存在乙炔，選取多組色譜數(shù)據(jù)，利用灰色關(guān)聯(lián)度方法進(jìn)行故障診斷，結(jié)果皆為低能放電，建議立即停運(yùn)，進(jìn)行返廠處理；故障變壓器油色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

經(jīng)變壓器廠對以上設(shè)備進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)1號SFZ11－MZ－120000/220型主變C 相A 柱線圈低壓側(cè)兩個邊側(cè)壓釘與壓釘碗之間有明顯放電痕跡（A 柱線圈低壓側(cè)上部共有6個壓釘及壓釘碗對線圈進(jìn)行壓緊），接觸面有放電產(chǎn)生的麻點(diǎn)，壓釘碗內(nèi)絕緣油明顯變色臟污，產(chǎn)生大量游離碳，證實(shí)為電弧放電；SFPZ7－90000/220型主變分接開關(guān)接觸不良，引線夾件螺絲松動且接頭焊接不良，渦流引起銅過熱，證實(shí)為高溫過熱；1號SFZ9－31500/66型主變鐵心漏磁，局部短路，層間絕緣不良，鐵心多點(diǎn)接，證實(shí)為 低 溫 過 熱；3 號S11－1000/66 型 主 變 拆 解 正 常 壓釘及壓釘碗查看發(fā)現(xiàn)，接觸面光滑無任何鍍層、雜質(zhì)。接觸面有麻點(diǎn)，且有油污炭黑，初步判斷此處即為故障點(diǎn)，其他部位未發(fā)現(xiàn)異常。2個壓釘與壓釘碗存在放電缺陷，證實(shí)為低能放電。

表2 故障變壓器油色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù) μL/L

綜上所述，經(jīng)解體檢查發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象與前期故障診斷結(jié)果吻合，驗(yàn)證了應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度的變壓器故障診斷方法能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測出變壓器故障。

4 結(jié)論

灰色關(guān)聯(lián)度的變壓器故障診斷方法，能夠有效地解決以往操作過程受人為因素影響較大、且較復(fù)雜、具有較長的時間間隔等問題，可以高精度診斷變壓器故障，有效對變壓器故障進(jìn)行定性和定位。

［1］ 姜業(yè)寧，基于油色譜分析的變壓器故障在線預(yù)測方法［J］.技術(shù)研發(fā)，2013，20（3）：62－63.

［2］ 鄭海平，診斷電力變壓器故障的一種灰色關(guān)聯(lián)度分析模式及方法［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2001，21（10）：106－109.