江玉蓉，王霄峰，符 楊，許寅卿

(1.上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)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(tǒng)中最昂貴和最重要的設(shè)備之一，它對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行起著非常關(guān)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(zhǔn)確把握變壓器絕緣材料的狀態(tài)，最終使變壓器壽命得到延長(zhǎng)是變壓器應(yīng)用行業(yè)比較重要的課題.目前，檢測(cè)絕緣材料狀態(tài)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(zhì)損耗因數(shù)的分析、恢復(fù)電壓法，以及極化電流法等［1-3］，但是每種方法得到的結(jié)論都有一定的局限性.本文以現(xiàn)行方法為基礎(chǔ)，引入了模糊綜合評(píng)判的概念，將電力變壓器絕緣老化的判斷依據(jù)與模糊綜合評(píng)判相結(jié)合，提出了一種電力變壓器絕緣老化模糊綜合評(píng)判法.

1 電力變壓器絕緣老化原理

油浸式變壓器的安全運(yùn)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(jí)絕緣材料.絕緣油充滿變壓器油箱，與紙和紙板構(gòu)成具有高耐電強(qiáng)度的油紙絕緣結(jié)構(gòu)，在油浸式變壓器中起到絕緣、散熱的作用;紙主要構(gòu)成變壓器線圈的匝間和層間絕緣;紙板則構(gòu)成角環(huán)、紙筒、墊塊、撐條、絕緣壓板和端絕緣等，紙和紙板統(tǒng)稱(chēng)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(jī)理可知，紙絕緣降解過(guò)程以及變壓器油老化過(guò)程為:首先，纖維素大分子的斷裂，表現(xiàn)為聚合度的下降和機(jī)械強(qiáng)度的降低;然后，伴隨著降解過(guò)程，產(chǎn)生多種老化產(chǎn)物，如CO，CO2，糠醛等;同時(shí)，油中的參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，如油酸值、含水量等;最后，變壓器相關(guān)的電氣參數(shù)發(fā)生變化，如傳導(dǎo)率、介質(zhì)損耗因數(shù)等.因此，測(cè)量這些因老化而改變或產(chǎn)生的物質(zhì)含量，可推測(cè)變壓器紙絕緣的老化狀態(tài).

2 模糊綜合評(píng)判法和層次分析法

2.1 模糊綜合評(píng)判法

模糊綜合評(píng)價(jià)法是通過(guò)構(gòu)造等級(jí)模糊子集將反映被評(píng)事物的模糊指標(biāo)進(jìn)行量化(即確定隸屬度)，然后利用模糊變換原理對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行綜合，具體步驟如下:

(1)確定評(píng)價(jià)對(duì)象的因數(shù)論域，P個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，u={u1，u2，…，up};

(2)確定評(píng)語(yǔ)等級(jí)論域，即等級(jí)集合，v={v1，v2，…，vp}，每一個(gè)等級(jí)可對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊子集;

(3)建立模糊關(guān)系矩陣R，在構(gòu)造了等級(jí)模糊子集后，逐個(gè)對(duì)被評(píng)事物的每個(gè)因數(shù)進(jìn)行量化，即從單因數(shù)來(lái)看被評(píng)事物對(duì)等級(jí)模糊子集的隸屬度，進(jìn)而得到模糊關(guān)系矩陣;

(4)確定評(píng)價(jià)因數(shù)的權(quán)向量;

(5)合成模糊綜合評(píng)判結(jié)果向量;

(6)對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量進(jìn)行分析.

2.2 層次分析法

求權(quán)重是綜合評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，層次分析法是一種確定權(quán)系數(shù)的有效方法，適用于那些難以用定量指標(biāo)進(jìn)行分析的復(fù)雜問(wèn)題.它將復(fù)雜問(wèn)題中的各因數(shù)劃分為互相聯(lián)系的有序?qū)?，根?jù)對(duì)客觀實(shí)際的模糊判斷，就每一層次的相對(duì)重要性給出定量的表示，再利用數(shù)學(xué)方法確定全部元數(shù)相對(duì)重要性次序的權(quán)系數(shù).具體步驟如下:

(1)確定目標(biāo)和評(píng)價(jià)因數(shù)，P個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，u={u1，u2，…，up};

(2)構(gòu)造判斷矩陣;

(3)計(jì)算判斷矩陣;

(4)一致性檢驗(yàn).

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(píng)價(jià)體系

根據(jù)《變壓器絕緣老化判斷導(dǎo)則》和相關(guān)文獻(xiàn)可以將變壓器絕緣老化程度的評(píng)價(jià)等級(jí)分為4級(jí)，即:絕緣良好;中期老化;嚴(yán)重老化;壽命終止.根據(jù)測(cè)量參數(shù)的方法性質(zhì)可以分為2個(gè)一級(jí)指標(biāo)和8個(gè)二級(jí)指標(biāo)，分別為:化學(xué)檢測(cè)指標(biāo);電檢測(cè)指標(biāo)和聚合度;糠醛含量;CO2/CO;絕緣油中含水量;油酸值;傳導(dǎo)率;介質(zhì)損耗因數(shù);恢復(fù)電壓波形.該綜合評(píng)價(jià)體系如圖1所示.

圖1 變壓器絕緣老化綜合評(píng)價(jià)體系

(1)聚合度(B1)新變壓器紙絕緣的聚合度大約為1 000.實(shí)驗(yàn)表明，紙的抗張強(qiáng)度隨著聚合度的下降而逐漸下降，當(dāng)聚合度降到250時(shí)，抗張強(qiáng)度出現(xiàn)突降，說(shuō)明紙深度老化;當(dāng)聚合度為150時(shí)，絕緣紙完全喪失機(jī)械強(qiáng)度.

(3)CO2/CO(B3)《變壓器絕緣老化判斷導(dǎo)則》中指出當(dāng)懷疑變壓器固體絕緣材料老化時(shí)，一般CO2/CO比值大于7;當(dāng)懷疑故障涉及固體絕緣材料時(shí)(大于200℃)，CO2/CO比值小于3.

(4)絕緣油中含水量(B4)一般規(guī)定，330～500 kV電壓等級(jí)的設(shè)備，運(yùn)行油水分含量注意值為15 mg/l;200 kV電壓等級(jí)的設(shè)備，運(yùn)行水分含量注意值為25 mg/l;110 kV以下電壓等級(jí)的設(shè)備，運(yùn)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(biāo)志，酸性物質(zhì)的存在將不可避免地產(chǎn)生油泥，如果設(shè)備中同時(shí)含有水分的話，則會(huì)使鐵生銹，同時(shí)對(duì)絕緣系統(tǒng)也是有害的.其中，酸值的國(guó)標(biāo)注意值為 0.1 mg/l.

(6)傳導(dǎo)率(B6)利用PDC技術(shù)分析變壓器的老化程度，測(cè)量其極化/去極化電流得到的ip和id值，從而計(jì)算出不同的傳導(dǎo)率，變壓器老化程度就可由不同傳導(dǎo)率σ反映出來(lái).絕緣老化越嚴(yán)重，傳導(dǎo)率σ的值越大.

(7)介質(zhì)損耗因素(B7)在允許的電壓范圍內(nèi)，良好絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)(tgδ)隨著電壓升高應(yīng)無(wú)明顯變化.當(dāng)tgδ隨電壓升高而明顯增加或減少時(shí)，說(shuō)明絕緣有可能存在缺陷.

(8)恢復(fù)電壓波形(B8)當(dāng)變壓器絕緣正常時(shí)，恢復(fù)電壓波形只有一個(gè)波峰;當(dāng)變壓器絕緣老化時(shí)，恢復(fù)電壓波形有多個(gè)波峰.

3.2 權(quán)重及隸屬函數(shù)的確定

在模糊綜合評(píng)判體系中，權(quán)重體現(xiàn)了每項(xiàng)指標(biāo)的重要程度，是評(píng)價(jià)過(guò)程中的一個(gè)極為重要的因數(shù)［4，5］.

為保證食品安全，武漢理工大學(xué)強(qiáng)化食材源頭管理，實(shí)行食堂大眾物資公開(kāi)招投標(biāo)采購(gòu)制度，引進(jìn)有信譽(yù)、有實(shí)力、有社會(huì)責(zé)任感的供貨商，建立和完善《食品采購(gòu)索證制度》、《食品原材料采購(gòu)查驗(yàn)制度》、《庫(kù)房驗(yàn)收制度》和《采購(gòu)記錄制度》，嚴(yán)禁無(wú)牌、無(wú)證、無(wú)生產(chǎn)廠家、無(wú)生產(chǎn)日期、無(wú)保質(zhì)期物資進(jìn)入食堂；建立完善的食品留樣制度，將需要留樣的菜品按衛(wèi)生執(zhí)法部門(mén)的要求每份留樣至少125克，冷藏保存48小時(shí)以上，留樣記錄齊全；實(shí)行食品添加劑記錄臺(tái)賬制度；每日實(shí)行職工晨檢制度，保證健康上崗。

3.2.1 一級(jí)指標(biāo)權(quán)重

構(gòu)造判斷矩陣:

其對(duì)應(yīng)的特征向量為:A=(0.75，0.25).

3.2.2 二級(jí)指標(biāo)權(quán)重

(1)確定B1～B5指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)造判斷矩陣:

其對(duì)應(yīng)的特征向量為:

(2)確定B6～B8指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)造判斷矩陣:

其對(duì)應(yīng)的特征向量為:

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出的一致性指標(biāo)，均通過(guò)了一致性檢驗(yàn)，這說(shuō)明權(quán)系數(shù)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(píng)判各指標(biāo)的權(quán)重如表1所示.

表1 變壓器絕緣老化綜合評(píng)判各指標(biāo)權(quán)重

3.2.3 指標(biāo)的模糊隸屬度

采用模糊分析法對(duì)檢測(cè)指標(biāo)的定量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.由于三角形隸屬函數(shù)具有簡(jiǎn)單、有效等優(yōu)點(diǎn)［6，7］，本文利用三角形和半梯形組合的分布函數(shù)，建立各指標(biāo)對(duì)應(yīng)于不同狀態(tài)等級(jí)的隸屬函數(shù)，如圖2所示.

圖2 半梯形和三角形隸屬函數(shù)分布

隸屬函數(shù)確定的具體方法是:按照相對(duì)劣化度的計(jì)算式，對(duì)原始資料進(jìn)行劣化度計(jì)算，然后根據(jù)有關(guān)規(guī)程和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，確定圖中三角形和半梯形相結(jié)合的分布函數(shù)的相對(duì)劣化度對(duì)于4種絕緣老化等級(jí)的模糊分界區(qū)間，最后建立相對(duì)劣化度對(duì)于各個(gè)絕緣老化等級(jí)的隸屬函數(shù).

例如，聚合度指標(biāo)的隸屬度為:

4 實(shí)例分析

某變壓器型號(hào)為SFSZ9-31500/110，運(yùn)行25年后，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.

表2 變壓器測(cè)量數(shù)據(jù)

按照上述模糊綜合評(píng)判模型，根據(jù)變壓器測(cè)量數(shù)據(jù)，建立各級(jí)評(píng)判指標(biāo)的評(píng)判矩陣，并計(jì)算其評(píng)價(jià)向量.

得到 B1～B5指標(biāo)的評(píng)價(jià)向量為:D1=(0，0.386，0.508，0.106).得到B68指標(biāo)的評(píng)價(jià)向量為:D2(0，0.264，0.736，0).

由此得出的一級(jí)指標(biāo)的評(píng)判矩陣為:

最后得到一級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)矩陣為:

從評(píng)判結(jié)果可以看出，變壓器絕緣老化狀態(tài)處于“嚴(yán)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(tài)的隸屬度來(lái)看，中期老化和嚴(yán)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(tài)大致處于中期老化和嚴(yán)重老化之間.

5 結(jié)語(yǔ)

用模糊綜合評(píng)判法來(lái)診斷電力變壓器絕緣的老化狀態(tài)，這在電力系統(tǒng)中還是一個(gè)相對(duì)較新的課題，從研究工作的情況來(lái)說(shuō)，模糊綜合評(píng)判的數(shù)學(xué)理論依據(jù)是合理可操作的，此方法還有很大的研究空間.本文的設(shè)計(jì)如果能成功地運(yùn)用于各個(gè)電廠、變電站中，將能為變壓器絕緣狀態(tài)判斷提供強(qiáng)大的技術(shù)保障，帶來(lái)更大的收益.

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

［2］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(2):13-17.

［3］梁穎輝，歐楊華，KACJER 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(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(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)估［J］.水電能源科學(xué)，2009，27(1):192-193.

［5］熊浩，孫才新，張昀，等.電力變壓器運(yùn)行狀態(tài)的灰色層次評(píng)估模型［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)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(xué)出版社，2003:130-131.

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