基于D-S證據(jù)理論的變壓器絕緣老化診斷

許寅卿

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200063)

基于D-S證據(jù)理論的變壓器絕緣老化診斷

許寅卿

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200063)

為了有效評(píng)估變壓器絕緣老化狀態(tài)，提出基于模糊數(shù)學(xué)與D-S證據(jù)理論的絕緣老化評(píng)價(jià)模型。采取不停電檢測(cè)變壓器絕緣狀態(tài)的方法測(cè)量出4種參數(shù)，將4種參數(shù)通過(guò)隸屬函數(shù)模糊化后作為4個(gè)獨(dú)立的證據(jù)體，然后利用D-S證據(jù)合成理論強(qiáng)大的處理不確定信息的能力計(jì)算出診斷結(jié)果。最后通過(guò)多組實(shí)例證明了此模型的有效性。

電力變壓器；D-S證據(jù)理論；模糊數(shù)學(xué)；絕緣老化

0 引言

安全可靠的發(fā)電、輸電、變電、供電體系是整個(gè)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的保障,變壓器是這一系列環(huán)節(jié)中的基石，無(wú)論哪個(gè)環(huán)節(jié)都離不開(kāi)變壓器。隨著變壓器運(yùn)行年限的增加，其內(nèi)部絕緣老化，導(dǎo)致變壓器逐漸喪失原有的機(jī)械性能和絕緣性能，變壓器抵抗短路大電流沖擊的能力大大降低，從而影響運(yùn)行的可靠性。在影響變壓器運(yùn)行狀態(tài)和壽命的失效故障中，90%以上屬于絕緣老化問(wèn)題[1]，因此從安全性和經(jīng)濟(jì)性方面考慮，評(píng)估變壓器絕緣老化的程度，對(duì)保障變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行是必要的。

檢測(cè)電力變壓器絕緣老化的方法非常多，但這些方法都有各自的局限性，如絕緣紙聚合度的檢測(cè)需要在變壓器停電放油后才能進(jìn)行，回復(fù)電壓法(RVM)、極化/去極化電流法(PDC)等先進(jìn)的無(wú)損測(cè)量法對(duì)檢測(cè)設(shè)備和試驗(yàn)環(huán)境有較高的要求[2-3]。目前將多種檢測(cè)方法有效結(jié)合的研究還不多。基于以上考慮，本文提出采用220 kV油浸式變壓器日常檢查維護(hù)中所用到的不停電檢測(cè)方法來(lái)測(cè)量變壓器油中糠醛含量、ρCO/ρCO2、油酸值及含水量，將4個(gè)數(shù)值通過(guò)隸屬函數(shù)模糊化后作為4個(gè)獨(dú)立的證據(jù)體，應(yīng)用D-S證據(jù)理論建立不停電的變壓器絕緣老化診斷模型，最后用實(shí)例驗(yàn)證其有效性。

1 電力變壓器絕緣老化機(jī)理

油浸式電力變壓器大多使用A級(jí)絕緣，其內(nèi)部絕緣材料主要包括變壓器油、絕緣紙和絕緣紙板[2]。變壓器油填充整個(gè)變壓器內(nèi)部，起到絕緣和散熱的作用；絕緣紙和絕緣紙板用作變壓器內(nèi)部線圈匝間與相間絕緣、鐵軛絕緣、墊腳絕緣、支撐絕緣等。所有絕緣材料有一定的機(jī)械強(qiáng)度或電氣強(qiáng)度，機(jī)械強(qiáng)度是指絕緣承受機(jī)械荷載(張力、壓力、彎曲等)的能力，電氣強(qiáng)度(或稱(chēng)絕緣強(qiáng)度)是指絕緣抵抗電擊穿的能力。變壓器長(zhǎng)期運(yùn)行中，受大氣條件和其他物理化學(xué)作用的影響，絕緣材料的機(jī)械強(qiáng)度和電氣強(qiáng)度逐漸衰退的現(xiàn)象，稱(chēng)為絕緣老化。變壓器內(nèi)部絕緣老化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多種物質(zhì)，且這些物質(zhì)內(nèi)部相關(guān)的物理參數(shù)也會(huì)相應(yīng)改變，這些參數(shù)都可以作為推斷絕緣老化程度的輔助依據(jù)。

2 模糊數(shù)學(xué)和D-S證據(jù)理論

2.1模糊數(shù)學(xué)

模糊集合、模糊邏輯的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的模糊拓?fù)?、模糊測(cè)度論等數(shù)學(xué)領(lǐng)域統(tǒng)稱(chēng)為模糊數(shù)學(xué)，本文用到的是其中的隸屬度函數(shù)，是模糊數(shù)學(xué)理論的應(yīng)用基礎(chǔ)[4]，其原理是將評(píng)判事物的各個(gè)指標(biāo)模糊化，從而將定性的判斷變?yōu)槎康呐袛唷?/p>

2.2D-S證據(jù)理論

D-S證據(jù)理論最早用于專(zhuān)家系統(tǒng)的研究，具有解決不確定信息的處理能力[5]。將不同來(lái)源、不同原理、不同表示方法的信息整合成一個(gè)更加有效的信息描述，從而使得該信息比其他各組成部分的信息更優(yōu)越、更準(zhǔn)確。

3 建立基于D-S證據(jù)理論的變壓器絕緣狀態(tài)診斷模型

3.1構(gòu)造識(shí)別框架

圖1 變壓器內(nèi)部絕緣測(cè)量參數(shù)

表1 嶺型函數(shù)模型

傳統(tǒng)的絕緣狀態(tài)評(píng)價(jià)是按照二值邏輯評(píng)價(jià)的，這樣的評(píng)價(jià)過(guò)于籠統(tǒng)。變壓器內(nèi)部絕緣老化是一個(gè)緩慢的過(guò)程，其絕緣狀態(tài)在數(shù)學(xué)意義上是一個(gè)模糊分布狀態(tài)。本文建立的模型輸出是變壓器在某個(gè)絕緣狀態(tài)的可信度，即變壓器處于某個(gè)絕緣狀態(tài)的概率，因此根據(jù)變壓器絕緣老化機(jī)制和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在識(shí)別框架Θ=[絕緣狀態(tài)]上定義4個(gè)子集(命題)S1=[絕緣良好]、S2=[輕度老化]、S3=[中度老化]、S4=[重度老化]，其中：S1代表絕緣良好可以正常運(yùn)行；S2代表可以繼續(xù)運(yùn)行，加強(qiáng)日常巡視；S3代表繼續(xù)運(yùn)行可能存在較大風(fēng)險(xiǎn)，建議安排停電檢修；S4代表絕緣狀態(tài)很差，需要立即停止運(yùn)行后大修或更換。

3.2選擇合適的參數(shù)子空間

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知,變壓器內(nèi)部絕緣測(cè)量參數(shù)很多,如圖1所示：指標(biāo)1～4需要停電才能檢測(cè)，而且有些還需要復(fù)雜的儀器，不符合本文的初衷，因此不做考慮；指標(biāo)5～8可以在電力變壓器不停電的情況下進(jìn)行檢測(cè)[6-8]，完全與本文的初衷相符。所以指標(biāo)5～8的測(cè)量數(shù)值將作為參數(shù)子空間，具體參數(shù)說(shuō)明如下。

(1)油中糠醛的質(zhì)量濃度?？啡┦亲儔浩鲀?nèi)部紙絕緣老化的特征產(chǎn)物之一，借助糠醛分析可以進(jìn)一步近似計(jì)算絕緣紙的聚合度，因此，測(cè)量其在變壓器油中的含量可以反映變壓器內(nèi)部絕緣的老化程度。

(2)ρCO/ρCO2。在變壓器正常老化或故障狀態(tài)下，固體絕緣都會(huì)分解產(chǎn)生CO與CO2并融于變壓器油中，一般ρCO/ρCO2>7時(shí)懷疑固體絕緣老化。

(3)油酸值。油酸值是變壓器油的一項(xiàng)重要質(zhì)量指標(biāo) ，它反映了變壓器油的老化程度，有時(shí)也作為變壓器內(nèi)部故障判斷的依據(jù)。正常情況下變壓器油酸≤0.03 mg/g，當(dāng)大于這個(gè)數(shù)值后變壓器油的擊穿電壓就會(huì)大大降低。

(4)油中水的質(zhì)量濃度。微量水分可使絕緣油介質(zhì)損耗顯著增加，同時(shí)水分還會(huì)促進(jìn)有機(jī)酸對(duì)銅、鐵等金屬的腐蝕，產(chǎn)生的皂化物會(huì)惡化油的介質(zhì)損耗因數(shù)，使油生成雜質(zhì)，導(dǎo)致變壓器油油擊穿電壓降低。

3.3建立相關(guān)證據(jù)體

油中糠醛的質(zhì)量濃度、ρCO/ρCO2、油酸值、油中水的質(zhì)量濃度作為參數(shù)子空間，由此確定了4組證據(jù)體的來(lái)源就是4個(gè)檢測(cè)數(shù)值，但這4個(gè)數(shù)值是絕對(duì)的且沒(méi)有定量的描述，無(wú)法直接作為證據(jù)體(無(wú)法分配概率)，因此本文引入隸屬度函數(shù)來(lái)建立證據(jù)體。根據(jù)相關(guān)規(guī)程并結(jié)合專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)，將檢測(cè)參數(shù)的評(píng)判數(shù)值按相對(duì)老化程度劃分范圍，鑒于絕緣狀態(tài)變化是緩慢的過(guò)程，本文選取嶺型模糊分布將參數(shù)模糊化，最后建立4個(gè)參數(shù)相對(duì)老化程度的隸屬函數(shù)，函數(shù)模型見(jiàn)表1(函數(shù)中a1～a12為評(píng)判數(shù)值區(qū)間的邊界值)。將單個(gè)數(shù)值的檢測(cè)結(jié)果模糊化為一組診斷結(jié)果，作為一個(gè)獨(dú)立的證據(jù)體，這樣就形

續(xù)表

表2 變壓器測(cè)量參數(shù)

5 結(jié)束語(yǔ)

基于D-S證據(jù)理論的變壓器絕緣老化診斷模型還是一個(gè)比較新的課題，通過(guò)本文的論述，D-S證據(jù)理論可以很好地將多種信息相融合得到最優(yōu)的結(jié)論，最后的實(shí)例也驗(yàn)證了此模型的可行性。此方法還有很大的研究空間，在這個(gè)模型中，如果變壓器運(yùn)行過(guò)程中換過(guò)變壓器油，則診斷結(jié)果會(huì)有較大出入，這是日后需要進(jìn)一步研究的課題。

[1]楊啟平，薛五德，藍(lán)之達(dá).變壓器絕緣老化評(píng)估技術(shù)的研究[J].變壓器，2006，43(5)：1-5.

[2]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.

[3]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.

[4]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.

[5]何小飛，童曉陽(yáng)，孫明蔚.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和D-S證據(jù)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.

[6]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.

[7]油浸式變壓器絕緣老化判斷導(dǎo)則：DL/T 984—2005[S].

[8]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(píng)估[J].變壓器，2004，41(2)：13-17.

(本文責(zé)編：劉芳)

成了4組獨(dú)立的證據(jù)體。為了使證據(jù)體更加客觀可靠，還要在各證據(jù)體中引入一個(gè)可靠系數(shù)λ，其代表對(duì)某一個(gè)證據(jù)來(lái)源的信任程度。

3.4多證據(jù)體融合

將4組證據(jù)體歸一化后的計(jì)算數(shù)值(MASS函數(shù))通過(guò)D-S證據(jù)合成法融合成為一個(gè)全新的MASS函數(shù)，這組MASS函數(shù)就是最后診斷的數(shù)據(jù)來(lái)源，通過(guò)最大隸屬度法算出這組數(shù)中最大數(shù)值對(duì)應(yīng)的絕緣老化狀態(tài)即為最后的診斷結(jié)論。模型診斷流程如圖2所示。

圖2 診斷模型流程

4 實(shí)例分析

選取2個(gè)已知絕緣老化狀態(tài)的220 kV油浸式變壓器作為測(cè)試樣本(樣本T1為重度絕緣老化，樣本T2為輕度絕緣老化)，2組變壓器的測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

按照本文的診斷模型，根據(jù)變壓器的初步測(cè)量參數(shù)，通過(guò)隸屬度函數(shù)得到相應(yīng)的4組集合，見(jiàn)表3。

接著，對(duì)4個(gè)初步證據(jù)體引入可靠系數(shù)后重新計(jì)算出4組MASS函數(shù)，再將4個(gè)MASS函數(shù)通過(guò)D-S證據(jù)合成法融合后生成最終的MASS函數(shù)，見(jiàn)表4。

表3 證據(jù)體初步診斷結(jié)果

最后，通過(guò)最大隸屬度法來(lái)確定：T1樣本S4=0.684，為重度絕緣老化；T2樣本S2=0.934，為輕度絕緣老化。診斷結(jié)果與實(shí)際結(jié)果一致，說(shuō)明本模型能有效診斷變壓器絕緣老化狀態(tài)。

表4 初步診斷MASS函數(shù)與最終診斷MASS函數(shù)

TM 411

：A

：1674-1951(2017)09-0020-03

2017-07-13；

:2017-08-11

許寅卿(1993—)，男，上海人，工程師，工程碩士，從事高壓電氣設(shè)備運(yùn)行維護(hù)方面的工作(E-mail:qq49876545@163.com)。