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.上海電力學院電力與自動化工程學院，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中最昂貴和最重要的設備之一，它對于整個電力系統的可靠運行起著非常關鍵的作用.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.如何準確把握變壓器絕緣材料的狀態，最終使變壓器壽命得到延長是變壓器應用行業比較重要的課題.目前，檢測絕緣材料狀態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、介質損耗因數的分析、恢復電壓法，以及極化電流法等［1-3］，但是每種方法得到的結論都有一定的局限性.本文以現行方法為基礎，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與模糊綜合評判相結合，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，與紙和紙板構成具有高耐電強度的油紙絕緣結構，在油浸式變壓器中起到絕緣、散熱的作用;紙主要構成變壓器線圈的匝間和層間絕緣;紙板則構成角環、紙筒、墊塊、撐條、絕緣壓板和端絕緣等，紙和紙板統稱為固體絕緣.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，產生多種老化產物，如CO，CO2，糠醛等;同時，油中的參數也會發生變化，如油酸值、含水量等;最后，變壓器相關的電氣參數發生變化，如傳導率、介質損耗因數等.因此，測量這些因老化而改變或產生的物質含量，可推測變壓器紙絕緣的老化狀態.

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

(1)確定評價對象的因數論域，P個評價指標，u={u1，u2，…，up};

(2)確定評語等級論域，即等級集合，v={v1，v2，…，vp}，每一個等級可對應一個模糊子集;

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

(4)確定評價因數的權向量;

(5)合成模糊綜合評判結果向量;

(6)對模糊綜合評價結果向量進行分析.

2.2 層次分析法

求權重是綜合評價的關鍵，層次分析法是一種確定權系數的有效方法，適用于那些難以用定量指標進行分析的復雜問題.它將復雜問題中的各因數劃分為互相聯系的有序層，根據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，再利用數學方法確定全部元數相對重要性次序的權系數.具體步驟如下:

(1)確定目標和評價因數，P個評價指標，u={u1，u2，…，up};

(2)構造判斷矩陣;

(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《變壓器絕緣老化判斷導則》和相關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;嚴重老化;壽命終止.根據測量參數的方法性質可以分為2個一級指標和8個二級指標，分別為:化學檢測指標;電檢測指標和聚合度;糠醛含量;CO2/CO;絕緣油中含水量;油酸值;傳導率;介質損耗因數;恢復電壓波形.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，當聚合度降到250時，抗張強度出現突降，說明紙深度老化;當聚合度為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則》中指出當懷疑變壓器固體絕緣材料老化時，一般CO2/CO比值大于7;當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)一般規定，330～500 kV電壓等級的設備，運行油水分含量注意值為15 mg/l;200 kV電壓等級的設備，運行水分含量注意值為25 mg/l;110 kV以下電壓等級的設備，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志，酸性物質的存在將不可避免地產生油泥，如果設備中同時含有水分的話，則會使鐵生銹，同時對絕緣系統也是有害的.其中，酸值的國標注意值為 0.1 mg/l.

(6)傳導率(B6)利用PDC技術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率，變壓器老化程度就可由不同傳導率σ反映出來.絕緣老化越嚴重，傳導率σ的值越大.

(7)介質損耗因素(B7)在允許的電壓范圍內，良好絕緣的介質損耗因數(tgδ)隨著電壓升高應無明顯變化.當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)恢復電壓波形(B8)當變壓器絕緣正常時，恢復電壓波形只有一個波峰;當變壓器絕緣老化時，恢復電壓波形有多個波峰.

3.2 權重及隸屬函數的確定

在模糊綜合評判體系中，權重體現了每項指標的重要程度，是評價過程中的一個極為重要的因數［4，5］.

為保證食品安全，武漢理工大學強化食材源頭管理，實行食堂大眾物資公開招投標采購制度，引進有信譽、有實力、有社會責任感的供貨商，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》，嚴禁無牌、無證、無生產廠家、無生產日期、無保質期物資進入食堂；建立完善的食品留樣制度，將需要留樣的菜品按衛生執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 一級指標權重

構造判斷矩陣:

其對應的特征向量為:A=(0.75，0.25).

3.2.2 二級指標權重

(1)確定B1～B5指標權重，構造判斷矩陣:

其對應的特征向量為:

(2)確定B6～B8指標權重，構造判斷矩陣:

其對應的特征向量為:

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

表1 變壓器絕緣老化綜合評判各指標權重

3.2.3 指標的模糊隸屬度

采用模糊分析法對檢測指標的定量數據進行分析.由于三角形隸屬函數具有簡單、有效等優點［6，7］，本文利用三角形和半梯形組合的分布函數，建立各指標對應于不同狀態等級的隸屬函數，如圖2所示.

圖2 半梯形和三角形隸屬函數分布

隸屬函數確定的具體方法是:按照相對劣化度的計算式，對原始資料進行劣化度計算，然后根據有關規程和專家經驗，確定圖中三角形和半梯形相結合的分布函數的相對劣化度對于4種絕緣老化等級的模糊分界區間，最后建立相對劣化度對于各個絕緣老化等級的隸屬函數.

例如，聚合度指標的隸屬度為:

4 實例分析

某變壓器型號為SFSZ9-31500/110，運行25年后，測量數據見表2.

表2 變壓器測量數據

按照上述模糊綜合評判模型，根據變壓器測量數據，建立各級評判指標的評判矩陣，并計算其評價向量.

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

由此得出的一級指標的評判矩陣為:

最后得到一級指標的評價矩陣為:

從評判結果可以看出，變壓器絕緣老化狀態處于“嚴重老化”的隸屬度最大，但與“中期老化”的隸屬度相差較小.從整體老化狀態的隸屬度來看，中期老化和嚴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大致處于中期老化和嚴重老化之間.

5 結語

用模糊綜合評判法來診斷電力變壓器絕緣的老化狀態，這在電力系統中還是一個相對較新的課題，從研究工作的情況來說，模糊綜合評判的數學理論依據是合理可操作的，此方法還有很大的研究空間.本文的設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判斷提供強大的技術保障，帶來更大的收益.

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

［2］楊啟平，薛五德，藍之達.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及老化的 PDC 技術的研究［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綜合評估［J］.水電能源科學，2009，27(1):192-193.

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

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

［7］李士勇.工程模糊數學及應用［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2004:101-108.