采用改进层次分析法综合评估变压器微水量

黄津良，严欣

(国网福建省电力有限公司检修分公司,福建 福州 350116)

1 引言

大型油浸式电力变压器是电力系统的核心元件，其安全运行关系到整个电网的稳定性，一旦发生故障，将对社会经济造成巨大损失。在变压器服役期间，因存在电、热、机械力、微水等因素的影响，内部绝缘系统的电气和机械性能都将逐渐劣化，其中，绝缘介质内部受潮是导致变压器事故的主要原因[1]。因此，利用现代技术和分析手段，深入研究能有效反映变压器内部油纸绝缘受潮的特征量，进而评估其绝缘状态，已经成为电力行业和相关部门关注的热点和迫切需要解决的技术难题。

传统的非电气特征量理论体系较为成熟，认可度高[2]，但在实际操作过程中，需对变压器进行吊芯取样，不仅具有破坏性，最终的诊断结果误差也较大。而回复电压测量法(RVM)作为无损非破坏性的电气诊断方法，是近些年对油纸绝缘设备的绝缘状态评估的一种新兴方法[3]。回复电压法能有效追踪介质极化特性的变化情况，当绝缘受潮时，回复电压响应特征参数也将发生相应的变化，因此，回复电压测试参数含有丰富的特征信息，能反映油纸绝缘介质内部响应特性。

虽然目前已有大量学者应用回复电压特征量诊断变压器绝缘系统的受潮情况，但大多文献都限于将各个特征量分割开单一地对受潮状态进行研究[4]，并未考虑各特征量的权重进而进行综合评估，这将有可能造成多个特征量对同一台变压器的诊断结果不一致的情况。针对这方面不足，本文引入了改进层次分析算法研究回复电压特征量。通过建立层次分析模型，以及方案属性决策向量表，构建属性权重判断矩阵，采用改进层次分析算法获得特征量诊断权重；并通过绝缘受潮状态良好的变压器基准特征量消除各特征量间量纲不统一、未归一化等问题；最后，基于改进层次分析法获取能全面科学诊断变压器微水含量的综合评估值，以实例分析验证了本文所提出的判据的正确性。

2 RVM测试原理及特征参数

本文选用如图1所示的RVM5461回复电压测试仪对变压器进行现场测试。其测试电路图如图2所示。

图1 RVM5461自动回复电压测试仪

RVM基于介质响应理论研究油纸绝缘系统的极化过程，依据图2，其测试原理如下：在t=0到tc时间段内，闭合开关K到触点1，对油纸绝缘系统进行充电，充电时间为tc，此阶段为介质极化过程。然后闭合开关K到触点2，即断开外加电压并将油纸绝缘系统两端短路，使绝缘系统内部在td时间段内放电，这一阶段是介质去极化过程。最后再将开关K闭合至触点3，即将短路线断开，RVM5461测试仪连续测量油纸绝缘系统两端的回复电压谱线Ur=g(t)，如图3所示[5-6]。改变充电时间，循环回复电压测试过程，获得每个循环回复电压最大值随充电时间变化的曲线，即为回复电压极化谱线，一个典型的回复电压极化谱如图4所示。

图2 回复电压测量电路图

注：Urmax—回复电压最大值；Si—初始斜率；t1/2—半衰期；Uw—回复电压相对稳定值

注：Um—极化谱电压最大值；tcdom—主时间常数

油纸绝缘受潮，会改变绝缘介质极化特性，引起介质响应复杂化。因此，国内外许多研究学者运用回复电压特征量对变压器绝缘受潮状态的评估进行了研究。文献[7]中林燕桢等人使用回复电压法测试了大量不同受潮程度的油纸绝缘变压器，研究结果表明回复电压极化谱峰值Urmax随变压器微水量的增加而增加。文献[8]中李安娜等人研究了变压器在检修前后回复电压特征参数的变化，通过对比分析发现，当变压器大修之后即对变压器油进行干燥过滤更换绕组后，小充电时间的初始斜率Si降低效果明显。文献[9]中T.K.Saha等人试验发现，初始斜率峰值所对应的充电时间Ts与变压器绝缘油中微水含量息息相关，研究结果表明，初始斜率峰值时间对绝缘油中微水含量变化反应灵敏，微水量越多，初始斜率峰值时间越小。文献[10]中江修波等人阐述了回复电压极化谱主时间常数tcdom诊断固体绝缘水分质量分数的原理，并试验发现回复电压主时间常数可以量化固体绝缘的等值水分质量分数。文献[11]中周利军等人为更全面地反映油纸绝缘老化受潮状态，提取了回复电压值在衰减为回复电压最大值一半的时间半衰期t1/2，这一新特征参量，并通过试验手段研究发现，回复电压半衰期可反映油纸绝缘缓慢去极化过程，与绝缘介质内部微水量的大小及分布状态密切相关。文献[12]中廖瑞金等人通过实验室加速老化试验，在考虑水分对回复电压参数影响的情况下，提出了新的可诊断变压器绝缘受潮状态的特征量—电压相对稳定值Uw，即回复电压基本趋近于稳定的值，研究表明，油纸绝缘系统微水含量越多，电压相对稳定值越大。

3 变压器微水量诊断优化算法

本文在前人研究的基础上，引入改进层次分析法深入分析比较并量化现有特征量对诊断变压器微水量的灵敏度与重要性，采用优化算法最终获取诊断变压器微水量的综合评估值。

3.1 微水量评估模型的建立

改进层次分析法(IAHP)是一种合理地将定性与定量决策结合起来，按照思维心理的规律把决策过程层次化、数量化的决策方法。可有效解决实际问题中存在大量主客观因素，且相互之间还存在一些矛盾的决策问题[13]。且改进层次分析法在层次分析法的基础上采用拟优化传递矩阵优化判断矩阵，以便直接求得方案属性权重，省略了一致性检验步骤，大大简化了计算过程；同时用三标度法取代九标度法，提高了评估效率，又降低了人的主观性判断[14-15]。基于改进层次分析法的变压器微水量诊断流程图如图5所示，诊断模型如图6所示。

图5 改进层次分析法的诊断流程图

图6 基于IAHP的变压器微水量诊断模型

图4中，根据实际问题需要，本文采用的改进层次分析法可分为三个层次：

(1)目标层。该层即为问题的预期结果或理想结果。对于变压器受潮状态评估，目标层即诊断变压器的微水含量。

(2)准则层。该层为实现目标过程中所需要考虑的相关准则。本文根据特征量的认可度与成熟度，将其分为传统特征量与新特征量两类。

(3)措施层。该层即为具体诊断变压器受潮情况的各个回复电压特征量。

3.2 改进层次分析法确定特征量权重

由于各特征量对变压器微水量的灵敏度不同，因此采用改进层次分析法建立准确的特征量相对重要性比较矩阵，并计算得出合理的权重向量。其具体实现步骤如下：

(1)构造判断矩阵A

设有n个特征向量，根据各特征量对变压器微水量诊断的灵敏度进行两两比较，得到相应的比较矩阵为：

(1)

式中,aij采用三标度法，其取值标准如式(2)所示：

(2)

且aji=1/aij，aji=1。

(2)拟优化传递矩阵B′

对判断矩阵A求对数得到矩阵B，即B=lgA。

则判断矩阵A的优化矩阵B′的各元素为：

(3)

(3)确定各特征量的权重矩阵W

对拟优化矩阵B′进行列归一化处理，得到矩阵T,其各元素为:

(4)

则特征量的权重矩阵W的元素可用式(5)计算得到。

(5)

为得到下一层因素对上一层因素的权重向量，需对各层次中的因素进行充分分析得到判断矩阵。分析如下：

首先，准则层中，传统特征量的成熟度与认可度明显高于新特征量，且新特征量的诊断应用还需更多的实例验证。因此，传统特征量相较于新特征量对于目标层微水量的诊断更加重要，根据步骤(1)的判断准则得到措施层的判断矩阵如式(6)所示。

(6)

按照步骤(2)～(3)可得准则层对目标层的权重向量为W1=[0.75 0.25]。

其次，措施层中，对于传统特征量下的三个特征量对比分析如下：回复电压测试过程中，主要的变量参数为充放电时间比和充电电压，极化谱电压最大值Urmax与这二者成正相关关系，且受充放电时间比的影响十分显著；而初始斜率平均值Si反映的是在去极化过程中，绝缘介质内部恢复自然平衡状态的速度，该特征量随着充放电时间比的升高而增大，且受充电电压的影响较小；但极化谱的主时间常数tcdom不易受外部测试条件的影响，可较为准确地反映绝缘介质内部的受潮状态。因此，以上三个特征量的重要性按从强到弱的顺序排列依次是：tcdom，Si，Urmax。则该部分判断矩阵如式(7)所示。

(7)

对式(7)的判断矩阵进行步骤(2)～(3)的计算，得到措施层对准则层的部分权重向量为W21=[0.1634,0.2970,0.5396]。

对于新特征量中的三个特征量进行如下对比分析：初始斜率峰值时间Ts是与初始斜率相对应的一个特征量，但Ts不仅受变压器尺寸和设计型号的影响，而且外部测试条件对其影响较小；电压相对稳定值Uw反映的是回复电压曲线后期所包含的信息，反映油纸绝缘慢去极化过程，其值受外部测试条件影响较大，同时受充放电时间比与充电电压的影响显著；回复电压衰期值t1/2同样反映的是回复电压曲线后半期的特征参量，且随着充放电时间比的增大而升高，但该特征量受充电时间的影响较小。因此，通过以上分析可知，其三个特征量的重要性按从强到弱的顺序排列依次是：Ts，t1/2，Uw。则该部分的判断矩阵为：

(8)

同样对判断矩阵式(8)进行步骤(2)～(3)的计算，得到措施层对准则层的剩余部分权重向量为W22=[0.5396,0.1634,0.2970]。

因此,结合准则层对于目标层的权重向量W1=[0.75,0.25]，最后求得措施层中各特征量对目标层变压器微水量诊断的权重向量W为：

W=[0.75*W21,0.25*W22]

=[0.12255,0.22275,0.4047,0.1349,0.04085,0.07425]

3.3 改进层次分析法诊断步骤与判据

为解决应用特征量综合评估微水量时各指标量纲不统一，没有归一化等问题，本文根据《电力设备预防性试验规程》中，变压器微水含量在1.5%～2.5%间，变压器油纸绝缘系统受潮一般的规定，选取了油纸绝缘系统微水量在1%～1.5%间的20台电力变压器回复电压实测数据，提取上述六个特征参数，并求取其平均值，获得综合诊断变压器微水量基准值(因初始斜率Si、电压相对稳定值Uw、回复电压衰期值t1/2这三个特征量是回复电压曲线下的特征参数，在改变充电时间循环测试时，值会有所不同，因此为了得到更科学的评估基准值，本文先采用每一台变压器在同一充电电压与充放电时间比下的平均值)，如表1所示。

表1 变压器特征量的基准值

则采用改进层次分析法对变压器油纸绝缘系统微水量的诊断步骤如下：

步骤3：将步骤2中归一化的特征量与对应权重值相乘，并求和得到采用层次分析法诊断变压器微水含量的综合评估值F，即F=X*·WT。

油纸绝缘系统微水量对综合评估值的影响规律分析：在所选取的六个特征量中，除了回复电压极化谱最大值和电压相对稳定值外，其余特征量对目标层的评估规律都是：数值越小，油纸绝缘系统微水含量越大。且这些特征量对目标层的影响权值大。因此，可得到关于综合评估值的判据。

判据：变压器综合评估值与微水量是负相关系，且综合评估值在基准值以上，即F大于1时，变压器油纸绝缘系统受潮良好；当综合评估值小于等于1时，变压器油纸绝缘系统内部受潮，需对其进行跟踪监测检修。

4 实例应用

为了验证上述判据的准确性和可行性，本文另取三台微水含量不同的电力变压器对其进行回复电压测试，并提取回复电压极化谱最大值Urmax等六个特征量，应用基于改进层次分析的油纸绝缘受潮状态诊断算法，求取三台电力变压器的综合评估值F，对其进行实例应用分析。其中变压器基本信息与受潮情况如表2所示，对应的特征参数值如表3所示，应用改进层次分析算法得到的综合评估值如表4所示。

表2 三台电力变压器基本信息

表3 三台电力变压器的特征参数

表4 三台电力变压器的综合评估值

诊断分析：从表4可知，三台变压器的综合评估值按由小到大的顺序排列依次为：T1、T2、T3，且变压器T1和T2的综合评估值都小于1，而T3的综合评估值大于1。因此根据上述提出的判据对三台变压器作如下诊断：变压器T1的微水含量最多，变压器T3的微水含量最少，而变压器T2的微水含量居中，即三台变压器微水量按由多到少的顺序排列依次是：T1、T2、T3；且因变压器T3的综合评估值因大于1，表明该变压器绝缘受潮状态良好，无须进行绝缘系统干燥检修；又因变压器T1、T2的综合评估值都小于1，表明其有受潮现象，须对变压器进行跟踪监测，必要时，须及时对油纸绝缘系统进行干燥检修。

以上分析结果与变压器实际的微水受潮情况一致，进一步验证了本文所提出方法判据的正确性与可行性。

5 结论

为将现有的时域特征量综合应用于变压器微水含量诊断中，本文提出了基于改进层次分析法的变压器油纸绝缘受潮状态诊断方法。综合考虑了各特征量对变压器油纸绝缘受潮状态诊断的可靠性与重要性，并获取相应的诊断权重；并通过特征参数与基准值的比值来归一化各特征参数，保证了诊断的准确性与科学性。研究获得了变压器油纸绝缘受潮状态的诊断判据：

变压器综合评估值与油纸绝缘系统微水量间是负相关关系，且综合评估值在基准值以上，即综合评估值大于1时，变压器油纸绝缘系统受潮良好；当综合评估值小于等于1时，变压器油纸绝缘系统内部受潮，需对其进行跟踪监测。这一诊断方法进一步完善了变压器油纸绝缘受潮状态评估系统，为今后的研究提供了新的思路与方法手段。