何文林

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

變壓器是電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，擔(dān)負(fù)著電能轉(zhuǎn)移、電壓變換的重任，其健康狀態(tài)直接影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平。投入電網(wǎng)運(yùn)行的變壓器，在電、磁、熱的綜合作用下，隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，其絕緣水平會(huì)呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)[1]，存在絕緣缺陷在所難免。變壓器的絕緣缺陷主要表現(xiàn)為過(guò)熱性故障和放電性故障，絕緣缺陷還會(huì)引起變壓器絕緣油的異常分解，從而產(chǎn)生油中特征氣體[2]。進(jìn)行絕緣油中特征氣體分析是發(fā)現(xiàn)變壓器潛伏性絕緣缺陷的主要手段，在變壓器缺陷分析、故障診斷中得到了廣泛應(yīng)用[3-8]，具有良好的應(yīng)用效果，對(duì)提高電網(wǎng)安全運(yùn)行水平起到了積極作用。

隨著電氣設(shè)備檢修模式從固定周期檢修向狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變，設(shè)備不同的健康狀態(tài)直接決定了其不同檢修周期，因此變壓器健康狀態(tài)評(píng)估的重要性越加明顯。變壓器絕緣油中特征氣體是用于狀態(tài)評(píng)估的主要狀態(tài)量，和其他狀態(tài)量共同構(gòu)成了變壓器狀態(tài)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系。根據(jù)DL/T 1685—2017《油浸式變壓器（電抗器）狀態(tài)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》，對(duì)油中特征氣體等單一狀態(tài)量的評(píng)價(jià)采用閾值法，若狀態(tài)量值超過(guò)閾值則扣分，否則不扣分，評(píng)價(jià)結(jié)果很大程度上依賴(lài)于閾值設(shè)置的科學(xué)性、合理性。DL/T 1685—2017 將變壓器整體狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果分為正常狀態(tài)、注意狀態(tài)、異常狀態(tài)和嚴(yán)重狀態(tài)四級(jí)，對(duì)相同狀態(tài)的不同變壓器，采用相同的檢修周期，無(wú)法體現(xiàn)相同狀態(tài)變壓器檢修周期的個(gè)體差異，不利于檢修資源的合理分配。

本文以變壓器油中溶解氣體為特征指標(biāo)，采用多目標(biāo)優(yōu)選的TOPSIS 評(píng)估方法，單一狀態(tài)量評(píng)估時(shí)不設(shè)固定閾值，變壓器整體狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果為相對(duì)優(yōu)劣排序，以量化指標(biāo)表述變壓器缺陷的相對(duì)嚴(yán)重程度，在有限檢修資源下，提高變壓器檢修的及時(shí)性和針對(duì)性。

1 缺陷評(píng)估指標(biāo)

絕緣紙和絕緣油構(gòu)成了變壓器的絕緣系統(tǒng)。正常運(yùn)行中，變壓器內(nèi)部絕緣材料產(chǎn)生20 多種組分氣體。當(dāng)變壓器內(nèi)部存在潛伏性過(guò)熱或放電故障時(shí)，絕緣紙和絕緣油發(fā)生裂解，裂解產(chǎn)生大量含碳、氫、氧的氣體，如H2，CO，CO2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2等永久氣體。故障的嚴(yán)重程度影響特征氣體的含量，這些特征氣體含量的大小是進(jìn)行故障診斷的依據(jù)，不同電壓等級(jí)變壓器是否存在缺陷的注意閾值見(jiàn)表1。

表1 不同電壓等級(jí)變壓器油中溶解氣體的注意值

絕緣油由天然石油精煉而來(lái)，是包含碳、氫、氧等元素的化合物，一般其原子間的化學(xué)鍵有C-H，C-C，C-0，H-0 等4 種。這些化學(xué)鍵具有不同的能量，從而使得原子結(jié)合具有不同強(qiáng)度，能量越高，分子越穩(wěn)固。不同故障類(lèi)型具有不同的能量，直接影響特征氣體的分布規(guī)律[9]，過(guò)熱或放電故障時(shí)特征氣體一般分布規(guī)律見(jiàn)表2。

表2 不同類(lèi)型故障的氣體特征

正常運(yùn)行條件下，變壓器絕緣系統(tǒng)在電場(chǎng)、溫度、濕度以及O2的長(zhǎng)時(shí)間作用下會(huì)發(fā)生速度緩慢的老化。老化將引起變壓器油中CO2，CO 及CO2/CO 的含量發(fā)生變化[10]，正常老化時(shí)CO2含量與變壓器運(yùn)行年限直接相關(guān)。

式中：CO2為CO2含量；N 為運(yùn)行年數(shù)。

當(dāng)CO2/CO＞7 時(shí)，認(rèn)為絕緣系統(tǒng)存在異常老化；當(dāng)CO2/CO＜3 時(shí)，認(rèn)為絕緣系統(tǒng)存在缺陷。

綜上所述，基于油中特征氣體的缺陷評(píng)估特征指標(biāo)選定為H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，CO2，CO2/CO 等7 個(gè)主要指標(biāo)。

2 TOPSIS 評(píng)估方法

TOPSIS 法是一種逼近于理想點(diǎn)的排序方法，20 世紀(jì)80 年代由Hwang 等在Multiple Attribute Decision Making 首次提出[11-12]，在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、土地集約利用評(píng)價(jià)和客戶(hù)滿意度評(píng)價(jià)等方面得到廣泛應(yīng)用[13-16]。TOPSIS 法的基本思想是：先確定一個(gè)正理想解和一個(gè)負(fù)理想解，再把實(shí)際可行解與理想解和負(fù)理想解作比較，即計(jì)算某一方案與最優(yōu)、最劣方案之間的加權(quán)歐氏距離，進(jìn)行方案排隊(duì)，如果某個(gè)評(píng)價(jià)方案最靠近理想解，同時(shí)又遠(yuǎn)離負(fù)理想解，那么這個(gè)評(píng)價(jià)方案即為最優(yōu)方案。

TOPSIS 評(píng)估步驟如下：

（1）構(gòu)造多目標(biāo)決策原始矩陣

設(shè)有n 個(gè)評(píng)估指標(biāo)與m 個(gè)方案構(gòu)成的評(píng)價(jià)指標(biāo)集，每一個(gè)評(píng)估指標(biāo)對(duì)m 個(gè)方案的決策可以用指標(biāo)特征量表示，即可構(gòu)成多目標(biāo)決策矩陣C。

式中：Cij為第i 個(gè)方案的第j 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的指標(biāo)特征量，i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。

（2）建立無(wú)量綱決策矩陣

因各指標(biāo)特征量的量綱可能不同，數(shù)值大小差異較大，將式（2）的原始決策矩陣標(biāo)準(zhǔn)化為無(wú)量綱屬性的決策矩陣R。

其中：

（3）建立加權(quán)決策矩陣

不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)結(jié)果的影響程度不盡相同，設(shè)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重向量為Wi=（w1，w2，…，wn），將式（3）轉(zhuǎn)化為加權(quán)決策矩陣v。

式中：vij=wjRij；i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。

（4）確定理想解

正理想解：

負(fù)理想解：

式中：J+代表數(shù)值越大越優(yōu)的效益型指標(biāo)；J-代表數(shù)值越大越劣的成本型指標(biāo)。

（5）確定歐式距離

利用n 維Euclidean 范數(shù)測(cè)量每個(gè)備選方案分別到正、負(fù)理想點(diǎn)的距離Si+和Si-：

（6）計(jì)算接近程度

計(jì)算每個(gè)備選方案與正理想解的相對(duì)接近程度RCi。

（7）方案排優(yōu)

依據(jù)RCi的大小對(duì)備選方案進(jìn)行排優(yōu)，RCi越大則說(shuō)明該方案越優(yōu)，反之則越劣。正理想解的RCi=1，負(fù)理想解的RCi=0。

3 變壓器缺陷嚴(yán)重程度評(píng)估過(guò)程及結(jié)果

某省級(jí)電力公司110 kV 及以上電壓等級(jí)在運(yùn)變壓器有3 973 臺(tái)，根據(jù)DL/T 1685 對(duì)油中特征氣體的評(píng)價(jià)方法，有12 臺(tái)被評(píng)為“注意狀態(tài)”，詳見(jiàn)表3。

表3 不同電壓等級(jí)變壓器數(shù)量分布

2019 年對(duì)這12 臺(tái)變壓器進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明除特征氣體異常外其余狀態(tài)量皆無(wú)異常，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 變壓器基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

由于變壓器的投產(chǎn)日期影響正常CO2含量大小、電壓等級(jí)影響C2H2的注意值， 因此結(jié)合式（1）和表1 的閾值，對(duì)表4 中CO2和C2H2的測(cè)試值進(jìn)行歸一化處理，同時(shí)將CO2/CO 測(cè)試值進(jìn)行最優(yōu)閾值處理。處理方法是：

式中：SC2H2為C2H2的測(cè)試值；對(duì)于500 kV 電壓等級(jí)，K=1；對(duì)于110～220 kV 電壓等級(jí)，K=5。

式中：SCO2為CO2的測(cè)試值。

式中：SCO2/CO為CO2測(cè)試值與CO 測(cè)試值的比值。

處理后得到12 臺(tái)變壓器評(píng)估原始數(shù)據(jù)如表5 所示。

表5 評(píng)估原始數(shù)據(jù)

不同評(píng)估指標(biāo)對(duì)變壓器狀態(tài)評(píng)估的貢獻(xiàn)度有所不同，應(yīng)用專(zhuān)家調(diào)查分析法，取評(píng)估指標(biāo)H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，CO2，CO2/CO 的 權(quán) 重 向量為W=[2，4，4，4，8，2，2]，得到加權(quán)決策矩陣v。

由表6 得到正理想解A+和負(fù)理想解A-。

由式（9）計(jì)算得到各變壓器與正理想解的接近程度，詳見(jiàn)表6。

表6 接近程度計(jì)算結(jié)果

由表6 可知，12 臺(tái)“注意狀態(tài)”的變壓器中，編號(hào)為4，11，12，5 的變壓器絕緣狀態(tài)相對(duì)較好；編號(hào)為9，8，2，1 的變壓器次之；編號(hào)為3，7，10，6 的變壓器絕緣狀態(tài)最差。

4 結(jié)語(yǔ)

TOPSIS 法是近年來(lái)常用于系統(tǒng)工程中有限方案多目標(biāo)決策的數(shù)學(xué)分析方法，其物理概念較清晰，運(yùn)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)便，結(jié)果表達(dá)較直觀，能體現(xiàn)同一狀態(tài)變壓器的相對(duì)優(yōu)劣，可以應(yīng)用于變壓器狀態(tài)評(píng)價(jià)中。

本文運(yùn)用TOPSIS 法構(gòu)建了基于油中特征氣體的變壓器狀態(tài)評(píng)價(jià)模型。結(jié)合變壓器不同缺陷類(lèi)型產(chǎn)生的油中特征氣體分布規(guī)律，確定了H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，CO2，CO2/CO 等7 個(gè) 狀態(tài)量的指標(biāo)體系。 考慮投運(yùn)時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)變壓器CO2含量大小的影響、電壓等級(jí)對(duì)C2H2注意值的影響，提出了對(duì)CO2和C2H2測(cè)試結(jié)果進(jìn)行歸一化處理的方法。另外，結(jié)合專(zhuān)家意見(jiàn)，提出了指標(biāo)體系的權(quán)重。

以某省級(jí)電力公司12 臺(tái)110 kV 及以上電壓等級(jí)被評(píng)為“注意狀態(tài)”的變壓器為研究對(duì)象，將獲得的油中特征氣體數(shù)據(jù)代入模型，定量給出各變壓器缺陷的相對(duì)嚴(yán)重程度，為精細(xì)化制定檢修策略提供了依據(jù)。