李 暉，鐘卓江

(四川能投發(fā)展股份有限公司，四川 成都 611130)

0 引 言

隨著中國交直流電網的逐步發(fā)展，交直流網架結構正在逐漸成形。在混聯(lián)系統(tǒng)中，當直流輸電系統(tǒng)在單極大地回路運行、調試時，該方式將會向大地流入幾千安培的電流，使周圍處于中性點接地狀態(tài)的變壓器發(fā)生直流偏磁現象，并造成噪聲、振動、損耗增大等有損變壓器運行的現象。

若要考慮直流偏磁對變壓器狀態(tài)的影響，需要正確的方法對其評價，該評價方法不僅是確保變壓器安全運行的基礎，更是變電站運行維護人員合理安排檢修計劃的重要參考。由長期的現場運行情況可知，經常性的直流偏磁將會使變壓器的各部分受到影響，進而日積月累產生不良的運行狀態(tài)，甚至損壞設備。如文獻[1-4]分析了直流偏磁對變壓器噪聲、振動、損耗的影響，使變壓器噪聲、損耗增大并且產生振動現象。文獻[5]研究了直流偏磁對變壓器連接組別的影響，分析了不同的連接組別受直流偏磁的不同影響。但上述文獻研究的側重點在直流偏磁對變壓器產生的具體影響上，未從整體定量考慮如何影響變壓器的整體運行狀態(tài)。

目前變壓器狀態(tài)評價的方法有多種，如神經網絡、貝葉斯網絡、模糊理論等，都取得了較好的評價效果，但是考慮直流偏磁影響的工作鮮有報道。文獻[6]雖然考慮了直流偏磁對變壓器狀態(tài)評估的影響，但其評價方法采用人工經驗法，評價結果易受主觀影響。

基于此，提出了考慮直流偏磁影響的變壓器狀態(tài)分析及量化評價方法。首先，從直流偏磁產生的現象出發(fā)，定量分析了直流偏磁對變壓器狀態(tài)的影響；其次，給出了考慮直流偏磁影響的具體表達式，在此基礎上，建立了考慮直流偏磁影響的變壓器狀態(tài)量化評價模型并優(yōu)化了模型的客觀性，使之更能反映變壓器的狀態(tài)；最后，通過實際案例的對比分析，證明了該方法的有效性，量化了直流偏磁對變壓器狀態(tài)的影響程度。

1 直流偏磁產生原理

當直流輸電系統(tǒng)在單極大地回路運行、調試時將產生電位差，直流侵入變壓器中性點，產生直流偏磁現象。

當直流偏磁發(fā)生時，其磁通變化情況如圖1所示；變壓器交流部分iac和直流量idc疊加為勵磁電流的大小，如式(1)所示。

i=iac+idc

(1)

Hl=Ni

(2)

式中：H為磁場強度；l為主磁路長度；N為線圈匝數。

將式(1)、式(2)和方程B=μH代入磁通表達式Φ=BS，可得

(3)

式中：μ為磁導率；S為截面面積。

因此，當變壓器中性點電流出現交直流疊加情況時，將出現直流偏磁。與原始磁通相比，疊加后的總磁通多了直流磁通分量，這將使磁化曲線到達非線性區(qū)域導致鐵芯飽和，產生畸變的勵磁電流，進而導致變壓器內部振動現象加劇，如圖1所示。同時，由實際運行經驗判斷，當直流偏磁發(fā)生時，變壓器內部振動、噪聲和損耗等單個因素的變化相對不大，因此，通過多維因素疊加評判分析直流偏磁對變壓器狀態(tài)的影響。

圖1 直流偏磁產生原理

2 直流偏磁對變壓器運行的影響量化

2.1 對變壓器噪聲的影響

當變壓器發(fā)生直流偏磁時，不僅會加劇變壓器的振動頻率，也會導致噪聲的增大。通過分析文獻[7]的噪聲C與中性點直流idc的數據，得到了兩者的近似關系式如式(4)所示。

C=mlg(idc+8)+n

(4)

式中，m和n為常系數，具體確定方法見第3.1節(jié)。由于變壓器產生的噪聲對其周圍居民的生產生活有直接的影響，因此，在量化評價變壓器狀態(tài)時，需要考慮居民生產生活可以接受的噪聲水平，這也利于貫徹國家提倡的環(huán)保策略。由此，通過查找有關噪聲水平的規(guī)定，確定居民區(qū)的最小噪聲標準為45 dB。同時，考慮到變電站和居民區(qū)之間的距離將會產生部分傳播損耗，通過國際通用衰減公式可以計算噪聲衰減量，如式(5)所示。

(5)

式中：ΔC為噪聲衰減量；d、h分別為變壓器油箱的寬度和高度；L為測量點到箱壁之間的距離。

聯(lián)立式(4)和式(5)可得到不影響居民生產生活的變壓器中性點直流限值。

在找到噪聲與變壓器中性點直流之間的關系后，進而對變壓器的噪聲進行量化評價。下面通過指數函數進行量化評價，同時為了方便計算，將量化數據進行同向化處理，即量化結果均在[0,1]區(qū)間內，并且數值越小，影響越小，運行狀態(tài)越好。直流偏磁對變壓器噪聲影響的量化表達式如式(6)所示。

(6)

式中：fl(idc,tn)為考慮直流偏磁后的噪聲評估值，取值范圍為[0，1]；idc為中性點直流電流；tn為噪聲持續(xù)時間；im和is分別為不同噪聲值下的函數分界值，由式(4)和式(5)計算所得。

2.2 對變壓器振動強度的影響

由上節(jié)分析可知，鐵芯磁通飽和是使變壓器振動加劇的原因。根據文獻[4]得到振動位移與磁通的近似正比關系，同時考慮到振動加速度和振動的劇烈程度對振動的影響，可得到式(7)。

(7)

時間窗口的確定由中性點直流的設定而定。當中性點直流超過設定的限值時，時間窗口開始計時并開始計算能量系數，直到小于中性點直流設定值結束并停止計算能量系數。

由上述分析可知，振動強度對變壓器狀態(tài)的影響成正相關，因此，采用升半梯模型進行量化分析，直流偏磁對振動強度影響的量化表達式如式(8)所示。

(8)

式中：f2(Ec)為考慮直流偏磁后的振動強度評估值，取值范圍為[0，1]；Ece1和Ece2是由式(7)求得的閾值；m2為常系數，具體確定方法見第3.1節(jié)。

2.3 對變壓器損耗的影響

當直流偏磁發(fā)生時，若變壓器長期在此狀態(tài)下，其產生的偏磁電流將會使變壓器的空載和負載損耗增加。當計及直流偏磁的影響時，通過兩部分進行損耗計算。一是空載損耗的計算，在2.5個周期內分別通過計算得到的勵磁電流有效值查找相應的變壓器空載損耗P1和P2，由此可得到考慮直流偏磁的空載損耗表達式；二是負載損耗的計算，根據常規(guī)負載損耗計算方法進行。由此可以得到考慮直流偏磁影響的變壓器損耗計算公式如式(9)所示。

(9)

式中：Pa為空載損耗；Pl為負載損耗；P為總損耗；P0為冷卻器容量；IN為負載電流；Idc為發(fā)生直流偏磁時變壓器中性點的直流電流；ΔT為變壓器油溫的溫升；c、M和R分別為變壓器油比熱容、質量以及變壓器損耗等效電阻。

由上述分析可知，變壓器損耗對其狀態(tài)的影響成正相關，因此，同理采用升半梯模型對其量化分析，直流偏磁對變壓器損耗影響的量化表達式如式(10)所示。

(10)

式中：f3(P)為取值在0～1之間的變壓器損耗評估值；Pe1和Pe2為計及直流偏磁對變壓器損耗影響的閾值，由式(9)求得；m3為常系數，具體確定方法見第3.1節(jié)。

3 直流偏磁對變壓器狀態(tài)影響的量化評價

3.1 系數確定方法

在考慮噪聲、振動強度和損耗對變壓器的影響量化中，產生了一些待定系數以及影響權重集參數。文獻[8-11]在處理待定系數時，采用人工統(tǒng)計打分方法確定，具有很強的主觀性，而通過使用統(tǒng)計分析軟件SPSS進行大數據擬合分析，確定這些待定系數，更具客觀性和可行性，如圖2所示為待定系數確定流程。

圖2 待定系數確定流程

確定系數時，把出現直流偏磁下的變壓器基礎運行數據分為擬合數據集和驗證數據集。首先，對基礎運行數據進行數據清洗，去除異常數據點；然后，輸入擬合數據集進行數據擬合；接著通過驗證數據集對系數進行驗證，若驗證成功，則確定系數，若驗證失敗，返回到數據清洗步驟，更新數據庫，再次擬合，直至輸出系數。

通過上述系數確定方法，采用實際運行的某220 kV變電站變壓器的運行數據進行擬合分析，得到待定系數和權重系數。

由上可知，系數確定及量化評價所需的數據有變壓器基礎數據和運行數據兩部分?；A數據有變壓器的尺寸數據，運行數據包括由振動傳感器監(jiān)測的變壓器本體加速度、采樣時間間隔和采樣數量、變壓器油溫數據以及變壓器勵磁電流、中性點直流電流等運行數據。同時由于變壓器結構的不同將會導致直流偏磁對變壓器狀態(tài)的影響不同，因此，選取了輸電網常用的三相變壓器和單相自耦變壓器數據分別進行系數確定。

根據待定系數確定方法可求得不同的變壓器結構類型相關系數值如表1、表2所示，其中待定系數通過發(fā)生直流偏磁時的數據擬合而得，權重系數通過正常運行數據和發(fā)生直流偏磁時的數據共同作用下擬合而得。

表1 三相式結構相關系數值

表2 單相自耦式結構相關系數值

3.2 模糊綜合評價

模糊綜合評價的基礎是模糊集合論，該理論主要作用是提供受模糊因素影響或對多類型模糊因素現象分析的評價方法。模糊關系可以定量分析主觀性強和邊界不清的因素，并對多類型因素進行綜合性評價。該評價方法結果清晰，極具客觀性，是一個好的問題解決思路。

在前述直流偏磁對變壓器運行影響量化的基礎上，首先求出噪聲、振動、損耗量化表達式的相關系數；然后將量化表達式融入模糊綜合評價中；最后通過模糊綜合評價方法對變壓器狀態(tài)進行評價。

采用加權歸一化后的評分方式對變壓器受直流偏磁影響的狀態(tài)進行評價，狀態(tài)劃分參照文獻[12-14]進行，劃分結果如表3所示。

表3 變壓器狀態(tài)劃分

變壓器狀態(tài)模糊綜合評價有如下步驟：

3)建立評估集V。變壓器狀態(tài)評估集由正常狀態(tài)、注意狀態(tài)、異常狀態(tài)、嚴重狀態(tài)等4類狀態(tài)構成。

4)建立隸屬度矩陣。其表示從狀態(tài)變量集F到評估集V的模糊關系，并從中得到單因素隸屬度D。

(11)

至此，完成了考慮直流偏磁影響的變壓器狀態(tài)分析及量化評價的模型建立工作。

4 實例分析

選取距離某2座特高壓直流換流站100 km范圍內的220 kV變電站，該變電站的變壓器中性點采用直接接地方式，其型號為SSZ11-180000/220，變壓器結構均為三繞組有載調壓變壓器，額定容量為180 000/180 000/90 000 kVA，額定電流為386.9 A，空載損耗為82.3 kW，負載損耗為450 kW，正常運行振動加速度為4.2 m/s2，連接組別為YNyn0d11。該變電站投運于2016年5月25日，從投運至今已產生了多次因直流偏磁而導致的變壓器異常運行的情況。

選用三相式結構的相關數據為例，代入初始條件后，按照不考慮直流偏磁影響和考慮直流偏磁影響的變壓器狀態(tài)量化對比評價，其中D1、D2分別為不考慮直流偏磁影響和考慮直流偏磁影響的評價結果，可得結果如表4所示。

由表4評價結果可以看出，當考慮直流偏磁影響時，預測狀態(tài)與實際狀態(tài)相吻合，而不考慮影響時存在與實際狀態(tài)不符的情況，如樣本5—6、樣本10—12都出現了狀態(tài)轉換。其中樣本6和樣本10由注意狀態(tài)轉變?yōu)楫惓顟B(tài)，樣本5和樣本12由正常狀態(tài)轉變?yōu)樽⒁鉅顟B(tài)。同時由樣本6和樣本10以及樣本5和樣本12評價結果的量化對比可以看出，當考慮直流偏磁轉變成異常狀態(tài)時，增加了36%的影響(影響量化結果以表3的狀態(tài)上限分數為基準，求取各個樣品的誤差并取平均值，下面影響計算思路相同)，當轉變成注意狀態(tài)時，增加了21%的影響，因此可以說明的是考慮直流偏磁對變壓器的狀態(tài)評價結果影響顯著。

表4 變壓器狀態(tài)評價結果1

另外在考慮直流偏磁的基礎上，以人工法和數據擬合法確定系數為自變量對變壓器狀態(tài)進行對比評價，其中D3、D4為人工法和數據擬合法評價結果，其結果如表5所示。

表5 變壓器狀態(tài)評估結果2

由表5的評價結果可以看出，當選擇數據擬合法時，預測狀態(tài)與實際狀態(tài)相吻合，而用人工法時存在與實際狀態(tài)不符的情況，如樣本4、樣本9、樣本13發(fā)生了狀態(tài)轉變，其中樣本4和樣本13由正常狀態(tài)轉變?yōu)樽⒁鉅顟B(tài)，樣本9由注意狀態(tài)轉變?yōu)楫惓顟B(tài)。對樣本4和樣本13以及樣本9評價結果進一步量化，當采用數據擬合法時，正常狀態(tài)轉變成注意狀態(tài)時增加了29%的影響，注意狀態(tài)轉變成異常狀態(tài)時增加了20%的影響。由此，可以證明的是數據擬合法更符合實際狀態(tài)，且比人工法能更加優(yōu)越地對變壓器狀態(tài)量化評價。同時，可以給運行維護人員提供有效信息，注意變壓器狀態(tài)，合理安排檢修計劃。

由于所采用的數據為220 kV變電站數據，其數據范圍可能具有局限性，因此，通過采集靠近換流站的另一220 kV變電站和某110 kV變電站數據用所提方法進行分析驗證(35 kV因其電壓等級較低，受影響小，因此不考慮該電壓等級)，結果如表6所示，其中D6為220 kV評價結果，D7為110 kV評價結果。

表6 變壓器狀態(tài)評價結果3

由表6可以看出，220 kV變壓器的評價結果與實際狀態(tài)相比，有2個出現了狀態(tài)轉換，即出現2個未能成功評價的樣本，其成功評價率為86.67%。具體來說，未成功評價的樣本6和樣本8評價結果與所定義的狀態(tài)量化指標相比，其平均誤差率為8.375%，由此可知所提方法在相同電壓等級下的評價效果較好。同樣地，110 kV變壓器出現3個未能成功評價的樣本，其成功評價率為80%。具體上，未成功評價的樣本1、樣本9和樣本15評價結果與所定義的狀態(tài)量化指標相比，其平均誤差率為2.68%，由此可知所提方法在不同電壓等級下的評價效果同樣較好。因此，可以得出所提方法在不同電壓等級下的狀態(tài)評價同樣適用，工程應用性較強。同時，由上述仿真分析可知，通過把2座變電站的實際狀態(tài)數據代入所提模型，判斷變壓器狀態(tài)，其判斷結果與實際運行狀態(tài)相一致，可以說明的是所采用的狀態(tài)劃分標準是合理的。

在上述仿真的基礎上，分析所提方法對不同內部結構變壓器的適用情況。仿真結果如表7所示，其中D4、D8分別為三相式和單相式結構評價結果。

表7 變壓器狀態(tài)評價結果4

由表7可以看出，三相式和單相式評價結果分別存在2個和3個未能成功評價的樣本，其成功評價率分別為93.33%和96.67%。具體說，三相式結構變壓器未成功評價的樣本13與所定義的狀態(tài)量化指標相比，其平均誤差為25.5%；單相式結構變壓器未能評價的樣本2、樣本4和樣本9的平均誤差為48.25%。由此可知，所提方法對不同結構的變壓器有較好的適用性，但相對于單相式結構變壓器，所提評價方法更適合于三相式變壓器。

5 結 論

從直流偏磁的原理出發(fā)，通過考慮直流偏磁對換流站附近變電站變壓器的影響并進行了量化評價，有如下結論：

1)從直流偏磁的角度，分析了直流偏磁對變壓器噪聲、振動強度和損耗的影響，給出了考慮直流偏磁的量化表達式和相應模型。

2)為了避免人工經驗的主觀性，采用數據擬合的方式確定模型中的待定系數，由實例仿真可知，采用數據擬合的方式能顯著提高預測精度，更加準確地預測變壓器的狀態(tài)。

3)采用模糊評價法對模型進行仿真驗證，與不考慮直流偏磁影響和采用人工法確定系數的模型對比，得到了考慮直流偏磁影響和采用數據擬合法的模型更加符合變壓器實際狀態(tài)；同時所提方法對不同電壓等級和不同結構的變壓器狀態(tài)評價具有普適性，工程應用性好，使運行維護人員能更加高效地制定檢修計劃，提升了工作效率。