張?chǎng)危蹶?，鄭益慧，李立學(xué)，孫鵬，黃緒勇

(1.上海交通大學(xué) 電工與電子技術(shù)中心，上海 200240;2.云南電網(wǎng)電力研究院，云南 昆明 650127)

基于頻響曲線的變壓器繞組變形專家診斷系統(tǒng)

張?chǎng)?，王昕1，鄭益慧1，李立學(xué)1，孫鵬2，黃緒勇2

(1.上海交通大學(xué) 電工與電子技術(shù)中心，上海 200240;2.云南電網(wǎng)電力研究院，云南 昆明 650127)

頻率響應(yīng)分析法如今已成為變壓器繞組變形現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的主要方法。在此基礎(chǔ)上，首先分析了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試因素對(duì)頻響曲線的影響，并整合到變壓器繞組變形專家診斷系統(tǒng)中。通過(guò)對(duì)大量變壓器診斷案例的分析，總結(jié)了頻率響應(yīng)法診斷繞組變形工作中的積累的判斷經(jīng)驗(yàn)。最后，設(shè)計(jì)了基于頻響曲線的變壓器繞組變形專家診斷系統(tǒng)，并對(duì)多臺(tái)變壓器繞組進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)判斷結(jié)果比較分析，結(jié)果表明系統(tǒng)在合理利用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，極大地降低了標(biāo)準(zhǔn)的誤判率。

頻率響應(yīng)分析法;繞組變形;專家系統(tǒng);診斷;影響因素

0 引言

電力變壓器是電力系統(tǒng)中重要的輸變電設(shè)備，它的安全可靠運(yùn)行對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)的安全生產(chǎn)和穩(wěn)定運(yùn)行有關(guān)鍵性影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約25%的變壓器故障是由繞組變形引起的［1］，因此變壓器繞組變形的檢測(cè)成為確保變壓器安全可靠運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。

對(duì)于電力變壓器繞組變形的檢測(cè)，目前現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的主要方法是頻率響應(yīng)分析法［2］。該方法最早由加拿大的 E.P.Dick提出［3］，20世紀(jì)90年代初我國(guó)開(kāi)始研究采用頻率響應(yīng)法檢測(cè)繞組變形情況［4］，并于2004年由電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)提出了相關(guān)系數(shù)參考標(biāo)準(zhǔn)［5］，但在實(shí)際工作中，直接引用該標(biāo)準(zhǔn)易引起誤判斷［6－7］。針對(duì)這一問(wèn)題，文獻(xiàn)［8－9］給出了判斷繞組變形時(shí)必須注意的現(xiàn)場(chǎng)影響因素，但是這些因素過(guò)于復(fù)雜，無(wú)法被現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員全部掌握。另一方面，文獻(xiàn)［10－12］提出了利用頻響曲線信息進(jìn)一步有效分析繞組變形類型和發(fā)生位置，但是這些診斷經(jīng)驗(yàn)錯(cuò)綜復(fù)雜，難以被檢測(cè)人員完全掌握，而且不同的檢測(cè)人員根據(jù)這些診斷經(jīng)驗(yàn)獲得的檢測(cè)結(jié)果也不盡相同，導(dǎo)致可重復(fù)性差。

因此，本文設(shè)計(jì)了基于頻響曲線的變壓器繞組變形專家診斷系統(tǒng)。首先，本文分析了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試因素對(duì)頻響曲線的影響，并將這些因素整合到變壓器繞組變形專家診斷系統(tǒng)中，從而提升了相關(guān)系數(shù)參考標(biāo)準(zhǔn)的判斷靈活性和準(zhǔn)確度。然后綜合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試專家的經(jīng)驗(yàn)，本文分析了繞組變形的不同類型對(duì)頻響曲線諧振點(diǎn)的影響，總結(jié)了頻率響應(yīng)法診斷繞組變形工作中的積累的判斷經(jīng)驗(yàn)，并將其整合到專家診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，使得無(wú)任何經(jīng)驗(yàn)的檢測(cè)人員也可根據(jù)系統(tǒng)提示快速準(zhǔn)確地開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)診斷工作。最后，本文對(duì)多臺(tái)變壓器繞組進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，并與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)判斷結(jié)果比較分析，結(jié)果表明系統(tǒng)在合理利用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，極大地降低了標(biāo)準(zhǔn)的誤判率，對(duì)實(shí)際診斷工作起到很好的指導(dǎo)作用。

1 頻響法的基本原理

變 壓器繞組在頻率1 kHz以上電壓的作用下，可以看作是由線性電阻、電感和電容組成的無(wú)源線性分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)，其內(nèi)部特性可通過(guò)傳遞函數(shù)H(jω)描述，如圖1所示。

圖1中，L、K、C分別代表繞組單位長(zhǎng)度的分布電感、分布電容及對(duì)地分布電容，U1、U2分別為激勵(lì)端電壓和響應(yīng)端電壓，Us為正弦波激勵(lì)信號(hào)源，Rs為輸出阻抗，R為匹配電阻。

頻響法中，連續(xù)改變外施正弦波激勵(lì)源Us的頻率ω，測(cè)量在不同頻率下的U2和U1的信號(hào)幅值之比，獲得指定激勵(lì)端和響應(yīng)端的繞組幅頻響應(yīng)為:

式中 H(jω)是頻率為 ω 時(shí)傳遞函數(shù)的有效值，U2(jω)、U1(jω)是頻率為ω時(shí)響應(yīng)端和激勵(lì)端電壓的有效值。

繞組發(fā)生變形時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性發(fā)生變化，頻響法就是基于此對(duì)變壓器繞組變形情況進(jìn)行檢測(cè)。幅頻響應(yīng)特性曲線中的波峰或波谷分布位置及數(shù)量的變化，是分析變壓器繞組變形的重要依據(jù)［6］。

2 繞組變形專家診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

該專家系統(tǒng)整合多年積累的繞組變形判斷的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮變壓器的類型和現(xiàn)場(chǎng)因素的影響，根據(jù)變形發(fā)生的繞組位置及程度對(duì)繞組狀態(tài)做出準(zhǔn)確判斷。

變壓器繞組變形專家診斷系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。該專家系統(tǒng)通過(guò)繞組變形綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，推理機(jī)，進(jìn)行診斷，然后通過(guò)人機(jī)接口界面進(jìn)行交互。

圖2 專家診斷系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2.1 專家診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)

該數(shù)據(jù)庫(kù)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，根據(jù)功能分為結(jié)論事實(shí)庫(kù)和診斷依據(jù)庫(kù)兩個(gè)部分:

1)結(jié)論事實(shí)庫(kù):用于記錄設(shè)定的繞組故障結(jié)論，包括繞組變形程度判斷以及繞組變形類型判斷。結(jié)論事實(shí)庫(kù)主要包括測(cè)試過(guò)程的影響因素和變形種類及其等效分析兩個(gè)部分。

五四時(shí)期是中國(guó)兒童文學(xué)翻譯的高潮，也為后來(lái)本土兒童文學(xué)創(chuàng)作奠定了基礎(chǔ)。雖然現(xiàn)在越來(lái)越多的研究學(xué)者注意到該方向，但是我們?nèi)砸J(rèn)清現(xiàn)實(shí)，現(xiàn)在該方向研究仍然十分有限。希望今后國(guó)內(nèi)針對(duì)五四時(shí)期的兒童文學(xué)翻譯也能迎來(lái)它的春天。

(1)測(cè)試過(guò)程的影響因素:以本系統(tǒng)采用的RZBX型變壓器繞組變形測(cè)試儀為例，其系統(tǒng)框架如圖3示。

圖3 繞組變形測(cè)試的系統(tǒng)框架

圖3中左下角的被試變壓器的分布參數(shù)等效電路表示的是帶分接開(kāi)關(guān)的變壓器繞組。其中，A為鐵心接地;B為變壓器箱殼接地;C為變壓器箱殼有絕緣漆時(shí)的等效接地點(diǎn)。

根據(jù)大量繞組診斷的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，影響變壓器繞組變形測(cè)試結(jié)果的主要因素有以下兩點(diǎn)。

① 鐵心接地［13］:鐵心接地與否對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響表現(xiàn)在系統(tǒng)框圖等效電路中就是鐵心對(duì)地電容Cc存在與否對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。鐵心不接地時(shí)，變形測(cè)試的最大特點(diǎn)是結(jié)果重復(fù)性差。因此，當(dāng)診斷系統(tǒng)檢測(cè)到同一變壓器多次測(cè)試結(jié)果差異較大時(shí)，將做出鐵心可能接地不良的提示。

② 分接開(kāi)關(guān)接觸不良:帶分接開(kāi)關(guān)的繞組，觸頭可以等效為系統(tǒng)框架圖中的低阻值接觸電阻Rt和觸頭間等效電容Co并聯(lián)。這個(gè)電路串在電感電路上，會(huì)產(chǎn)生很多的諧振峰，但無(wú)法形成大的諧振，因此特性曲線會(huì)產(chǎn)生很多毛刺，而特性曲線的總輪廓與正常曲線基本重合。

(2)繞組變形種類及其等效分析:本文根據(jù)對(duì)大量變壓器現(xiàn)場(chǎng)診斷及吊罩檢查結(jié)果的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出各類繞組變形對(duì)應(yīng)的頻響曲線變化規(guī)律，列舉部分如下:

① 局部壓縮和拉開(kāi)變形:引線未被牽動(dòng)的條件下，線圈整體并未被壓縮，只有部分餅間距離拉開(kāi)，部分餅間距離壓縮。對(duì)應(yīng)到頻譜圖上，有部分諧振峰向高頻方向移動(dòng)，并伴隨著峰值下降;而有部分諧振峰向低頻方向移動(dòng)，并伴隨著峰值升高。

③ 線圈斷股:線圈斷股時(shí)，線圈的整體電感將會(huì)略有增大。對(duì)應(yīng)到頻譜圖上，其低頻段的諧振峰將會(huì)向低頻方向略有移動(dòng)，幅值上的衰減基本不變;中頻和高頻段的頻譜曲線與正常線圈的譜圖重合。

2)診斷依據(jù)庫(kù):用于存儲(chǔ)系統(tǒng)診斷的依據(jù)，包括不同種類變壓器繞組的特性、同種變壓器低、中、高壓繞組的特性，以及歷史頻響曲線數(shù)據(jù)、事故統(tǒng)計(jì)、分析及應(yīng)對(duì)措施等。

2.2 專家診斷系統(tǒng)的推理機(jī)

變壓器繞組故障時(shí)，其頻響曲線包含了大量的信息，推理過(guò)程比較復(fù)雜。為了盡量獲得有效的診斷信息，將頻響曲線分為低、中、高頻三段，對(duì)三段曲線的信息分別提取相關(guān)系數(shù)R、曲線突變點(diǎn)數(shù)量m、波峰波谷數(shù)量n及對(duì)應(yīng)點(diǎn)頻率f等多個(gè)特征量。

當(dāng)確定繞組發(fā)生一定程度的變形時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前接收的測(cè)試數(shù)據(jù)，利用綜合數(shù)據(jù)庫(kù)的知識(shí)，按照正向推理的方式推理。首先根據(jù)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)的診斷依據(jù)，然后與診斷規(guī)則進(jìn)行匹配，匹配成功即可得到結(jié)論。

2.3 系統(tǒng)診斷過(guò)程

首先，專家系統(tǒng)采用相關(guān)系數(shù)R輔助判斷。如果相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果為“RLF≥2.0和 RMF≥1.0 和 RHF≥0.6”，則直接輸出結(jié)論“正常繞組”［5］。若三相頻響曲線一致性不好，則變壓器繞組是否存在變形需作進(jìn)一步分析。這時(shí)，專家診斷診斷流程如圖4所示。

當(dāng)相關(guān)系數(shù)法認(rèn)為繞組存在問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)首先搜索案例知識(shí)庫(kù)中以往成功診斷的案例，與其進(jìn)行匹配。若故障為案例知識(shí)庫(kù)已有的故障，則直接給出診斷結(jié)果;若為初次接觸的故障或者匹配不成功的故障，則根據(jù)低、中、高壓繞組相關(guān)系數(shù)綜合數(shù)據(jù)、變壓器類型以及專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理，初步判定繞組變形程度，再綜合各側(cè)線圈的頻響曲線變化，尤其是諧振點(diǎn)頻率及頻峰的變化特征，做出繞組變形的可能類型和發(fā)生位置的分析和判斷，并給出下一步的處理意見(jiàn)。

3 診斷實(shí)例

［實(shí)例］2006年10月，氧化鋁公司西廠#1主變進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)，變壓器型號(hào)SFPSZ9—80000/110，變壓器類型為三相三繞組變壓器，主要相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果如表1所示。

按照 DL/T 911－2004國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，圖5(b)、(c)表明中、高壓繞組均存在輕微變形，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

圖4 故障診斷流程

表1 變壓器頻響曲線相關(guān)系數(shù)表

專家診斷系統(tǒng)進(jìn)行了低、中、高壓三側(cè)繞組的分析，發(fā)現(xiàn)盡管高壓、中壓輕微變形，低壓繞組卻完全正常，如圖5(a)所示。根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于110 kV及以上高電壓、大容量、變壓器組一般情況下無(wú)變形，即使個(gè)別繞組出現(xiàn)輕微變形，通常情況下可以忽略不計(jì)。因此作出專家判斷:繞組狀態(tài)正常。

該變壓器投運(yùn)后安全運(yùn)行至今，多次的色譜追蹤也顯示該變壓器無(wú)異常，證明專家系統(tǒng)的判斷是正確的。

圖5 實(shí)例1專家診斷界面

4 結(jié)束語(yǔ)

首先，本文介紹了頻率響應(yīng)分析法的基本原理，分析了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的因素對(duì)頻響曲線的影響，并將這些結(jié)論運(yùn)用到變壓器繞組變形專家診斷系統(tǒng)中，從而提升了相關(guān)系數(shù)參考標(biāo)準(zhǔn)的判斷靈活性和準(zhǔn)確度，解決了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員難以綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)影響因素的問(wèn)題。

另一方面，通過(guò)對(duì)大量變壓器診斷案例的分析，本文分析了繞組變形的不同類型對(duì)頻響曲線諧振點(diǎn)的影響，總結(jié)了頻率響應(yīng)法診斷繞組變形工作中的積累的判斷經(jīng)驗(yàn)，并將其整合到專家診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，能快速有效地診斷繞組變形的類型和發(fā)生位置，零經(jīng)驗(yàn)的檢測(cè)人員也可根據(jù)系統(tǒng)提示快速準(zhǔn)確地開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)診斷工作。

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An Expert Diagnosis System for Transformer W inding Deformation Based on the Frequency Response Curve

ZHANG Xin1，WANG Xin1，ZHENG Yi-hui1，LILi-xue1，SUN Peng2，HUANG Xu-yong2
(1.Center of Electrical＆Electronic Technology，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China;2.Yunnan Grid and Electrical Power Research Institute，Kunming Yunnan650127，China)

The frequency response analysismethod has become themainmethod for field testsof transformerwinding deformation.On thatbasis，this paper analyzes the influence of field testing factors on the frequency response curve，and integrates that into the expert diagnosis system for transformer winging deformation.On the other hand，experiences of winding deformation diagnosis using frequency response analysis are summarized on the basisofanalyzing lots of diagnostic cases of transformers.Finally，an expert diagnosis system is developed on the basis of frequency response curve for transformer deformation and actual tests are made of the windings of a number of transformers.A comparison with the judgmentmade in accordancewith national standards shows that the system can greatly reduce themisjudgment rate of the standard whilemaking a reasonable use of national standards.

frequency response analysis;winding deformation;expert system，diagnosis;influencing factor

10.3969/j.issn.1000 －3886.2015.06.015

TM76

A

1000－3886(2015)06－0047－03

定稿日期:2014－12－11

國(guó)家自然科學(xué)基金(60504010)，國(guó)家高新技術(shù)863發(fā)展計(jì)劃(2008AA04Z129)，上海市自然科學(xué)基金(14ZR1421800)，流程工業(yè)綜合自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題基金資助

張?chǎng)?1989－)，男，江蘇常州人，碩士生，研究方向?yàn)樽儔浩鞴收显\斷。 王昕(1972－)，男，遼寧沈陽(yáng)人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng);可再生能源的分布式生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)和接入技術(shù)。 鄭益慧(1971－)，男，黑龍江哈爾濱人，博士，教授，主要研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量、智能控制技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用等。 李立學(xué)(1978－)，男，湖北武漢人，博士，講師，主要研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備在線監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)。 孫鵬(1972－)，男，云南昆明人，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備全壽命周期管理技術(shù)支撐體系，狀態(tài)檢修，架空導(dǎo)地線融冰等。 黃緒勇(1974－)，男，湖北大治人，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾滦屠^電保護(hù)，可靠性技術(shù)。