模糊理论在电力变压器绝缘老化诊断中的应用

2018-04-19许寅卿

浙江电力 2018年3期

许寅卿

（国网上海市电力公司检修公司，上海 200063）

0 引言

在电力系统中变压器被视为电网的“心脏”，它是发电、输电、变电、供电体系中的基石，是保障电网安全稳定运行的重要设备之一，在电能的经济传输与灵活调配中起到非常重要的作用。但随着长年累月的运行，变压器运行的可靠性会随着其绝缘性能和机械性能的下降而降低，这主要由于变压器在短路时抗击短路大电流冲击的能力严重下降而导致。研究表明，变压器绝缘老化是影响变压器运行状态和寿命长短的最主要因素[1－2]。大量变压器历史运行数据表明，在良好的运行条件下服役多年甚至是接近或超过使用年限的变压器其绝缘性能仍然良好，并能继续稳定运行多年。因此，变压器绝缘状态的好坏决定其能否可靠运行，准确评估变压器绝缘老化程度并及时发现问题是保障其安全稳定运行的重要手段。

目前，国内外对于电力变压器绝缘老化的研究非常广泛，但关于如何将多种检测方法有效结合的研究分析还不多。常见的单一检测方法如检测绝缘纸聚合度需在变压器停电的情况下才能完成并且需由厂家带回试验，试验周期较长；再如PDC（极化/去极化电流）和RVM（回复电压法）这类无损测量的检测方法对试验场地环境以及仪器都有着严格的标准，目前的变电站内无法大范围推广[3－5]。以上这些方法给现在的电力设备运维检修部门带来不便。因此考虑到实用性和准确性，提出以电力检修部门常规的不停电检测方法为基础，以模糊数学理论为桥梁，构建一个220 kV油浸式变压器绝缘老化状态的评判模型。此评判模型将检测出的变压器油中糠醛含量、油酸值、含水量的数值、ρCO/ρCO2与专家经验的评判定值相结合，通过模糊综合评判法将4个数值通过隶属函数进行模糊化后作带入特定的计算公式后得到一组结论，最后用多个实例验证此模型的有效性。

1 变压器绝缘老化指标

1.1 变压器绝缘分类

油浸式电力变压器内部绝缘主要分为固体绝缘和液体绝缘2类[6]。

固体绝缘是一种纤维素的绝缘材料，包括绝缘纸（牛皮纸）、层压纸板、垫块等。固体绝缘老化后其聚合度和抗张强度逐渐降低，会产生诸如水、糠醛、CO和CO2等产物，大部分老化产物会对变压器内设备有损害，固体绝缘老化特性是不可逆转的，也就是说其机械强度或电气强度的降低是无法恢复的。

液体绝缘指的是变压器内部的绝缘油，它不但起到加强电气绝缘强度的作用，并且明显加强了变压器内部热传递和散热效果。在长期运行过程中，变压器油会缓慢老化，其中氧是导致其老化变质的主要因素，同时铜、铁和水分是油发生氧化的催化剂。油在氧化过程中会出现油酸值过升高和产生多种氧化物（不溶于油的化合物）。

总之，绝缘老化就是指变压器内部绝缘材料的机械性能和电气性能降低的过程。根据大量的历史检修试验数据可知，在变压器内部绝缘老化过程中会产生多种氧化产物，同时变压器内部绝缘材料的一些化学和物理参数会有明显的变化。因此判断变压器内部绝缘老化程度可以用这些参数数值的变化为参考依据。

1.2 变压器绝缘老化指标

针对变压器内部绝缘的测量参数很多，参考大量文献和日常运维检修中的检测方法归纳总结了8个测量参数，如图1所示。其中，参数1－4的检测指标在文中的绝缘老化评价模型中并未采纳，主要原因是参数1需要结合变压器停电才能检测，极不方便，不符合要求；参数2－4的测量对于试验场地环境以及检测所需仪器有较高的要求，暂时无法普遍推广，不符合要求；参数5－8在文中的绝缘老化评价模型中都被采纳。这4组参数的检测方法对于环境和检测仪器没有过多的限制，最重要的是可以在电力变压器带电的情况下进行[7－8]，完全符合在不停电情况下评判变压器内部绝缘老化水平的要求。参数5－8的具体说明如下：

图1 变压器内部绝缘测量参数

（1）油中糠醛含量：糠醛是变压器内部纸绝缘老化过程中纤维素分子断裂产生的一种呋喃类产物。绝缘老化产生的糠醛会溶解于变压器油中，因此油中糠醛含量与变压器纸绝缘的老化程度密不可分。国内外学者经过研究得出了油中糠醛含量与绝缘纸聚合度之间的函数关系，因此在排除变压器换过绝缘油的情况下，油中糠醛的含量可以作为判断变压器内部绝缘老化程度的依据之一。

（2）ρCO/ρCO2：变压器正常老化或故障下都会引起绝缘材料分解，从而产生不同类型的特征气体，具体包括： H2， CH4， C2H4， C2H2， C2H6， CO， CO2等，它们大都可以溶解于绝缘油中。当变压器内部绝缘老化严重时，变压器油中CO和CO2的含量会明显增加。目前研究结果表明，两者之间没有绝对的数值规定和明显的变化规律，通常认为ρCO/ρCO2＞7 时怀疑固体绝缘老化。

（3）油酸值：中和1 g油中酸性物质所需的氢氧化钾的毫克数称为油酸值，它不仅可以反映变压器油的绝缘老化程度，还能作为辅助判断变压器内部故障的依据之一。绝缘良好的变压器油酸值含量一般小于0.03 mg。当油酸值超过0.03 mg后变压器油的击穿电压强度会明显下降。

（4）油中含水量：变压器油中含水量是变压器绝缘状态的重要评估指标之一，其含量的多少直接影响到绝缘老化速率及绝缘能力，微量水分可使变压器绝缘结构中介质损耗显著增加，还能加速有机酸对铜、铁等金属的腐蚀，从而使绝缘油中产生杂质，最终使得变压器油击穿电压强度大大降低。

2 基于模糊理论的变压器绝缘老化诊断模型

模糊数学就是通过定量分析人类语言表达方式和思维方式中的模糊性，然后寻找到合适的计算机程序去模拟人脑进行模糊判断行为的一种数学工具。通过模糊数学的方法来模拟变压器内部绝缘特征参数的变化，把定性分析的事情模糊化是诊断变压器设备状态的有效途径之一。以下采用的是模糊数学理论的一个分支——模糊综合评判法[9－11]。其评判过程是将评判事物（变压器内部绝缘参数）的各项数值模糊化，通过确定各自的隶属函数计算出对应某个事件（变压器内部绝缘状态程度）的隶属度，最后经过特定公式计算后得出结论，将定性的判断变为定量的判断。

2.1 模糊综合评判的评判过程

在变压器内部绝缘老化评判中，每个因素的变化都会对绝缘老化产生影响，但单一因素的判别太过于片面，实际上多个因素共同影响才造成变压器绝缘老化，每个因素之间存在相互交叉，因此最后的评判结果是多特征的评判综合起来的结论，这也就是模糊综合评判的核心内容。模糊综合评判包含以下三要素：

（1）因素集，即评价种类集合 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）评判集，即最后的评判结果集合F={f1，f2，…，fn}。一般对于绝缘状态只默认分为“好”与“不好”2种，但是诸如这样的评判太过于绝对和笼统，无法体现事物的客观性。从时间上看，变压器内部绝缘老化是一个缓慢的过程，但从数学角度上来看其老化的过程与某个模糊分布非常相似，因此根据变压器绝缘老化机理和现场实际情况，将绝缘状态分为4种，分别为：f1=[绝缘良好]； f2=[轻度老化]； f3=[中度老化]； f4=[重度老化]。其中，f1代表变压器内部绝缘良好可以正常运行；f2代表变压器可以继续运行，加强日常巡视；f3代表变压器继续运行，但可能存在较大风险，建议安排停电检修，查看变压器内部是否存在绝缘故障；f4代表变压器内部绝缘老化严重，需要立即停止运行并进行大修或更换绝缘部件。

（3）构造模糊关系矩阵R，即单个指标的评判结果，是单因素对评判集内元素的隶属度。

最终决策模型为：

式中：A 为权重向量，A={a1， a2，a3， a4}，其中 a1，a2，a3，a4分别为第 1，2， 3， 4个因素评判结果的权重； B 为结果向量，B={b1，b2，b3， b4}，其中b1， b2， b3， b4分别为绝缘状态 f1， f2， f3， f4的可信度； MAX（b1， b2， b3， b4）即为最后的评判结果； ◦为模糊算子，文中选取模型（·，⊕），即加权求和模型，其优点是既能突出主要因素，又能兼顾其他因素，体现了综合评价的本质，可以表现出数据的整体特性。完全符合变压器绝缘老化过程是多因素共同作用下的结果，可以全面反映出一台变压器的绝缘状况。

模糊综合评判法中对于A和隶属函数的选择与确定是能否成功建立模型的关键因素。

2.2 权重向量A的确定

在模糊综合评判法中，权重代表了每个评判指标的重要程度，在文中它代表每个检测指标的贡献度和作用大小。但是文中选择的4个指标没有明确的数据能说明各自的正确度或者重要程度，采取的是专家评价法来确定各自的权重，具体数值如下：

2.3 隶属函数的确定

鉴于绝缘状态变化是缓慢的过程，比较各种常见的模糊分布后选取岭型模糊分布作为隶属函数的模型。隶属函数模型如图2所示，函数中a1—a12分别为文中所述4个检测指标中某个指标的所有模糊边界值，4个指标分别对应4组不同的a1—a12值，篇幅所限不一一列出。

3 实例分析

选取3台已知绝缘老化状态的220 kV油浸式变压器T1，T2，T3作为测试样本，其中T1为轻度绝缘老化，T2为重度绝缘老化，T3为重度绝缘老化，得到测量数据见表1。

表1 变压器测量参数

按照文中所述模糊综合评判诊断模型得到诊断结果见表2。

图2 隶属度函数分布

表2 诊断结果

最后通过最大隶属度法区确定：T1为轻度绝缘老化（f2=0.553）；T2为重度绝缘老化（f4=0.626）；T3为中度绝缘老化（f3=0.632）。T1与T2的诊断结果与实际情况一致，T3变压器诊断结果与实际情况不同。经查证，T3在运行过程由于严重内部故障更换过变压器油，导致变压器油中测量参数无法按实际的测量数值计算，以上海电网为例，像这类更换过绝缘油的占220 kV以上变压器总数不到1%。以上诊断结果说明文中所提绝缘老化评价模型能有效诊断变压器绝缘老化状态，如T3这样的变压器为数极少，目前是需要停电检测的。

4 结语

模糊理论在变压器绝缘老化评价模型中的应用是一个比较新的课题，模糊综合评判法可以将多种因素有效地整合在一起，通过隶属函数将事物评判从定性的判断转为定量的判断，最终能在变压器不停电的情况下得到更加合理的结论，并且通过多组实例证明了该判别模型的可行性与可靠性。另外，该模型还存在很大的提高和改进空间，例如现在还无法对在运行中更换过绝缘油的变压器给出正确的评判结论，这类变压器数目有限，可供研究的样本太少，无法定量分析，这是日后需要进一步研究的课题。

参考文献：

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