采用改進(jìn)層次分析法綜合評(píng)估變壓器微水量

黃津良，嚴(yán)欣

(國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司檢修分公司,福建 福州 350116)

1 引言

大型油浸式電力變壓器是電力系統(tǒng)的核心元件，其安全運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性，一旦發(fā)生故障，將對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成巨大損失。在變壓器服役期間，因存在電、熱、機(jī)械力、微水等因素的影響，內(nèi)部絕緣系統(tǒng)的電氣和機(jī)械性能都將逐漸劣化，其中，絕緣介質(zhì)內(nèi)部受潮是導(dǎo)致變壓器事故的主要原因[1]。因此，利用現(xiàn)代技術(shù)和分析手段，深入研究能有效反映變壓器內(nèi)部油紙絕緣受潮的特征量，進(jìn)而評(píng)估其絕緣狀態(tài)，已經(jīng)成為電力行業(yè)和相關(guān)部門關(guān)注的熱點(diǎn)和迫切需要解決的技術(shù)難題。

傳統(tǒng)的非電氣特征量理論體系較為成熟，認(rèn)可度高[2]，但在實(shí)際操作過程中，需對(duì)變壓器進(jìn)行吊芯取樣，不僅具有破壞性，最終的診斷結(jié)果誤差也較大。而回復(fù)電壓測(cè)量法(RVM)作為無損非破壞性的電氣診斷方法，是近些年對(duì)油紙絕緣設(shè)備的絕緣狀態(tài)評(píng)估的一種新興方法[3]?；貜?fù)電壓法能有效追蹤介質(zhì)極化特性的變化情況，當(dāng)絕緣受潮時(shí)，回復(fù)電壓響應(yīng)特征參數(shù)也將發(fā)生相應(yīng)的變化，因此，回復(fù)電壓測(cè)試參數(shù)含有豐富的特征信息，能反映油紙絕緣介質(zhì)內(nèi)部響應(yīng)特性。

雖然目前已有大量學(xué)者應(yīng)用回復(fù)電壓特征量診斷變壓器絕緣系統(tǒng)的受潮情況，但大多文獻(xiàn)都限于將各個(gè)特征量分割開單一地對(duì)受潮狀態(tài)進(jìn)行研究[4]，并未考慮各特征量的權(quán)重進(jìn)而進(jìn)行綜合評(píng)估，這將有可能造成多個(gè)特征量對(duì)同一臺(tái)變壓器的診斷結(jié)果不一致的情況。針對(duì)這方面不足，本文引入了改進(jìn)層次分析算法研究回復(fù)電壓特征量。通過建立層次分析模型，以及方案屬性決策向量表，構(gòu)建屬性權(quán)重判斷矩陣，采用改進(jìn)層次分析算法獲得特征量診斷權(quán)重；并通過絕緣受潮狀態(tài)良好的變壓器基準(zhǔn)特征量消除各特征量間量綱不統(tǒng)一、未歸一化等問題；最后，基于改進(jìn)層次分析法獲取能全面科學(xué)診斷變壓器微水含量的綜合評(píng)估值，以實(shí)例分析驗(yàn)證了本文所提出的判據(jù)的正確性。

2 RVM測(cè)試原理及特征參數(shù)

本文選用如圖1所示的RVM5461回復(fù)電壓測(cè)試儀對(duì)變壓器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。其測(cè)試電路圖如圖2所示。

圖1 RVM5461自動(dòng)回復(fù)電壓測(cè)試儀

RVM基于介質(zhì)響應(yīng)理論研究油紙絕緣系統(tǒng)的極化過程，依據(jù)圖2，其測(cè)試原理如下：在t=0到tc時(shí)間段內(nèi)，閉合開關(guān)K到觸點(diǎn)1，對(duì)油紙絕緣系統(tǒng)進(jìn)行充電，充電時(shí)間為tc，此階段為介質(zhì)極化過程。然后閉合開關(guān)K到觸點(diǎn)2，即斷開外加電壓并將油紙絕緣系統(tǒng)兩端短路，使絕緣系統(tǒng)內(nèi)部在td時(shí)間段內(nèi)放電，這一階段是介質(zhì)去極化過程。最后再將開關(guān)K閉合至觸點(diǎn)3，即將短路線斷開，RVM5461測(cè)試儀連續(xù)測(cè)量油紙絕緣系統(tǒng)兩端的回復(fù)電壓譜線Ur=g(t)，如圖3所示[5-6]。改變充電時(shí)間，循環(huán)回復(fù)電壓測(cè)試過程，獲得每個(gè)循環(huán)回復(fù)電壓最大值隨充電時(shí)間變化的曲線，即為回復(fù)電壓極化譜線，一個(gè)典型的回復(fù)電壓極化譜如圖4所示。

圖2 回復(fù)電壓測(cè)量電路圖

注：Urmax—回復(fù)電壓最大值；Si—初始斜率；t1/2—半衰期；Uw—回復(fù)電壓相對(duì)穩(wěn)定值

注：Um—極化譜電壓最大值；tcdom—主時(shí)間常數(shù)

油紙絕緣受潮，會(huì)改變絕緣介質(zhì)極化特性，引起介質(zhì)響應(yīng)復(fù)雜化。因此，國(guó)內(nèi)外許多研究學(xué)者運(yùn)用回復(fù)電壓特征量對(duì)變壓器絕緣受潮狀態(tài)的評(píng)估進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[7]中林燕楨等人使用回復(fù)電壓法測(cè)試了大量不同受潮程度的油紙絕緣變壓器，研究結(jié)果表明回復(fù)電壓極化譜峰值Urmax隨變壓器微水量的增加而增加。文獻(xiàn)[8]中李安娜等人研究了變壓器在檢修前后回復(fù)電壓特征參數(shù)的變化，通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變壓器大修之后即對(duì)變壓器油進(jìn)行干燥過濾更換繞組后，小充電時(shí)間的初始斜率Si降低效果明顯。文獻(xiàn)[9]中T.K.Saha等人試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，初始斜率峰值所對(duì)應(yīng)的充電時(shí)間Ts與變壓器絕緣油中微水含量息息相關(guān)，研究結(jié)果表明，初始斜率峰值時(shí)間對(duì)絕緣油中微水含量變化反應(yīng)靈敏，微水量越多，初始斜率峰值時(shí)間越小。文獻(xiàn)[10]中江修波等人闡述了回復(fù)電壓極化譜主時(shí)間常數(shù)tcdom診斷固體絕緣水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的原理，并試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)回復(fù)電壓主時(shí)間常數(shù)可以量化固體絕緣的等值水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。文獻(xiàn)[11]中周利軍等人為更全面地反映油紙絕緣老化受潮狀態(tài)，提取了回復(fù)電壓值在衰減為回復(fù)電壓最大值一半的時(shí)間半衰期t1/2，這一新特征參量，并通過試驗(yàn)手段研究發(fā)現(xiàn)，回復(fù)電壓半衰期可反映油紙絕緣緩慢去極化過程，與絕緣介質(zhì)內(nèi)部微水量的大小及分布狀態(tài)密切相關(guān)。文獻(xiàn)[12]中廖瑞金等人通過實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)，在考慮水分對(duì)回復(fù)電壓參數(shù)影響的情況下，提出了新的可診斷變壓器絕緣受潮狀態(tài)的特征量—電壓相對(duì)穩(wěn)定值Uw，即回復(fù)電壓基本趨近于穩(wěn)定的值，研究表明，油紙絕緣系統(tǒng)微水含量越多，電壓相對(duì)穩(wěn)定值越大。

3 變壓器微水量診斷優(yōu)化算法

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，引入改進(jìn)層次分析法深入分析比較并量化現(xiàn)有特征量對(duì)診斷變壓器微水量的靈敏度與重要性，采用優(yōu)化算法最終獲取診斷變壓器微水量的綜合評(píng)估值。

3.1 微水量評(píng)估模型的建立

改進(jìn)層次分析法(IAHP)是一種合理地將定性與定量決策結(jié)合起來，按照思維心理的規(guī)律把決策過程層次化、數(shù)量化的決策方法?？捎行Ы鉀Q實(shí)際問題中存在大量主客觀因素，且相互之間還存在一些矛盾的決策問題[13]。且改進(jìn)層次分析法在層次分析法的基礎(chǔ)上采用擬優(yōu)化傳遞矩陣優(yōu)化判斷矩陣，以便直接求得方案屬性權(quán)重，省略了一致性檢驗(yàn)步驟，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算過程；同時(shí)用三標(biāo)度法取代九標(biāo)度法，提高了評(píng)估效率，又降低了人的主觀性判斷[14-15]?；诟倪M(jìn)層次分析法的變壓器微水量診斷流程圖如圖5所示，診斷模型如圖6所示。

圖5 改進(jìn)層次分析法的診斷流程圖

圖6 基于IAHP的變壓器微水量診斷模型

圖4中，根據(jù)實(shí)際問題需要，本文采用的改進(jìn)層次分析法可分為三個(gè)層次：

(1)目標(biāo)層。該層即為問題的預(yù)期結(jié)果或理想結(jié)果。對(duì)于變壓器受潮狀態(tài)評(píng)估，目標(biāo)層即診斷變壓器的微水含量。

(2)準(zhǔn)則層。該層為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)過程中所需要考慮的相關(guān)準(zhǔn)則。本文根據(jù)特征量的認(rèn)可度與成熟度，將其分為傳統(tǒng)特征量與新特征量?jī)深悺?/p>

(3)措施層。該層即為具體診斷變壓器受潮情況的各個(gè)回復(fù)電壓特征量。

3.2 改進(jìn)層次分析法確定特征量權(quán)重

由于各特征量對(duì)變壓器微水量的靈敏度不同，因此采用改進(jìn)層次分析法建立準(zhǔn)確的特征量相對(duì)重要性比較矩陣，并計(jì)算得出合理的權(quán)重向量。其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)構(gòu)造判斷矩陣A

設(shè)有n個(gè)特征向量，根據(jù)各特征量對(duì)變壓器微水量診斷的靈敏度進(jìn)行兩兩比較，得到相應(yīng)的比較矩陣為：

(1)

式中,aij采用三標(biāo)度法，其取值標(biāo)準(zhǔn)如式(2)所示：

(2)

且aji=1/aij，aji=1。

(2)擬優(yōu)化傳遞矩陣B′

對(duì)判斷矩陣A求對(duì)數(shù)得到矩陣B，即B=lgA。

則判斷矩陣A的優(yōu)化矩陣B′的各元素為：

(3)

(3)確定各特征量的權(quán)重矩陣W

對(duì)擬優(yōu)化矩陣B′進(jìn)行列歸一化處理，得到矩陣T,其各元素為:

(4)

則特征量的權(quán)重矩陣W的元素可用式(5)計(jì)算得到。

(5)

為得到下一層因素對(duì)上一層因素的權(quán)重向量，需對(duì)各層次中的因素進(jìn)行充分分析得到判斷矩陣。分析如下：

首先，準(zhǔn)則層中，傳統(tǒng)特征量的成熟度與認(rèn)可度明顯高于新特征量，且新特征量的診斷應(yīng)用還需更多的實(shí)例驗(yàn)證。因此，傳統(tǒng)特征量相較于新特征量對(duì)于目標(biāo)層微水量的診斷更加重要，根據(jù)步驟(1)的判斷準(zhǔn)則得到措施層的判斷矩陣如式(6)所示。

(6)

按照步驟(2)～(3)可得準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重向量為W1=[0.75 0.25]。

其次，措施層中，對(duì)于傳統(tǒng)特征量下的三個(gè)特征量對(duì)比分析如下：回復(fù)電壓測(cè)試過程中，主要的變量參數(shù)為充放電時(shí)間比和充電電壓，極化譜電壓最大值Urmax與這二者成正相關(guān)關(guān)系，且受充放電時(shí)間比的影響十分顯著；而初始斜率平均值Si反映的是在去極化過程中，絕緣介質(zhì)內(nèi)部恢復(fù)自然平衡狀態(tài)的速度，該特征量隨著充放電時(shí)間比的升高而增大，且受充電電壓的影響較小；但極化譜的主時(shí)間常數(shù)tcdom不易受外部測(cè)試條件的影響，可較為準(zhǔn)確地反映絕緣介質(zhì)內(nèi)部的受潮狀態(tài)。因此，以上三個(gè)特征量的重要性按從強(qiáng)到弱的順序排列依次是：tcdom，Si，Urmax。則該部分判斷矩陣如式(7)所示。

(7)

對(duì)式(7)的判斷矩陣進(jìn)行步驟(2)～(3)的計(jì)算，得到措施層對(duì)準(zhǔn)則層的部分權(quán)重向量為W21=[0.1634,0.2970,0.5396]。

對(duì)于新特征量中的三個(gè)特征量進(jìn)行如下對(duì)比分析：初始斜率峰值時(shí)間Ts是與初始斜率相對(duì)應(yīng)的一個(gè)特征量，但Ts不僅受變壓器尺寸和設(shè)計(jì)型號(hào)的影響，而且外部測(cè)試條件對(duì)其影響較??；電壓相對(duì)穩(wěn)定值Uw反映的是回復(fù)電壓曲線后期所包含的信息，反映油紙絕緣慢去極化過程，其值受外部測(cè)試條件影響較大，同時(shí)受充放電時(shí)間比與充電電壓的影響顯著；回復(fù)電壓衰期值t1/2同樣反映的是回復(fù)電壓曲線后半期的特征參量，且隨著充放電時(shí)間比的增大而升高，但該特征量受充電時(shí)間的影響較小。因此，通過以上分析可知，其三個(gè)特征量的重要性按從強(qiáng)到弱的順序排列依次是：Ts，t1/2，Uw。則該部分的判斷矩陣為：

(8)

同樣對(duì)判斷矩陣式(8)進(jìn)行步驟(2)～(3)的計(jì)算，得到措施層對(duì)準(zhǔn)則層的剩余部分權(quán)重向量為W22=[0.5396,0.1634,0.2970]。

因此,結(jié)合準(zhǔn)則層對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重向量W1=[0.75,0.25]，最后求得措施層中各特征量對(duì)目標(biāo)層變壓器微水量診斷的權(quán)重向量W為：

W=[0.75*W21,0.25*W22]

=[0.12255,0.22275,0.4047,0.1349,0.04085,0.07425]

3.3 改進(jìn)層次分析法診斷步驟與判據(jù)

為解決應(yīng)用特征量綜合評(píng)估微水量時(shí)各指標(biāo)量綱不統(tǒng)一，沒有歸一化等問題，本文根據(jù)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中，變壓器微水含量在1.5%～2.5%間，變壓器油紙絕緣系統(tǒng)受潮一般的規(guī)定，選取了油紙絕緣系統(tǒng)微水量在1%～1.5%間的20臺(tái)電力變壓器回復(fù)電壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，提取上述六個(gè)特征參數(shù)，并求取其平均值，獲得綜合診斷變壓器微水量基準(zhǔn)值(因初始斜率Si、電壓相對(duì)穩(wěn)定值Uw、回復(fù)電壓衰期值t1/2這三個(gè)特征量是回復(fù)電壓曲線下的特征參數(shù)，在改變充電時(shí)間循環(huán)測(cè)試時(shí)，值會(huì)有所不同，因此為了得到更科學(xué)的評(píng)估基準(zhǔn)值，本文先采用每一臺(tái)變壓器在同一充電電壓與充放電時(shí)間比下的平均值)，如表1所示。

表1 變壓器特征量的基準(zhǔn)值

則采用改進(jìn)層次分析法對(duì)變壓器油紙絕緣系統(tǒng)微水量的診斷步驟如下：

步驟3：將步驟2中歸一化的特征量與對(duì)應(yīng)權(quán)重值相乘，并求和得到采用層次分析法診斷變壓器微水含量的綜合評(píng)估值F，即F=X*·WT。

油紙絕緣系統(tǒng)微水量對(duì)綜合評(píng)估值的影響規(guī)律分析：在所選取的六個(gè)特征量中，除了回復(fù)電壓極化譜最大值和電壓相對(duì)穩(wěn)定值外，其余特征量對(duì)目標(biāo)層的評(píng)估規(guī)律都是：數(shù)值越小，油紙絕緣系統(tǒng)微水含量越大。且這些特征量對(duì)目標(biāo)層的影響權(quán)值大。因此，可得到關(guān)于綜合評(píng)估值的判據(jù)。

判據(jù)：變壓器綜合評(píng)估值與微水量是負(fù)相關(guān)系，且綜合評(píng)估值在基準(zhǔn)值以上，即F大于1時(shí)，變壓器油紙絕緣系統(tǒng)受潮良好；當(dāng)綜合評(píng)估值小于等于1時(shí)，變壓器油紙絕緣系統(tǒng)內(nèi)部受潮，需對(duì)其進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)檢修。

4 實(shí)例應(yīng)用

為了驗(yàn)證上述判據(jù)的準(zhǔn)確性和可行性，本文另取三臺(tái)微水含量不同的電力變壓器對(duì)其進(jìn)行回復(fù)電壓測(cè)試，并提取回復(fù)電壓極化譜最大值Urmax等六個(gè)特征量，應(yīng)用基于改進(jìn)層次分析的油紙絕緣受潮狀態(tài)診斷算法，求取三臺(tái)電力變壓器的綜合評(píng)估值F，對(duì)其進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用分析。其中變壓器基本信息與受潮情況如表2所示，對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)值如表3所示，應(yīng)用改進(jìn)層次分析算法得到的綜合評(píng)估值如表4所示。

表2 三臺(tái)電力變壓器基本信息

表3 三臺(tái)電力變壓器的特征參數(shù)

表4 三臺(tái)電力變壓器的綜合評(píng)估值

診斷分析：從表4可知，三臺(tái)變壓器的綜合評(píng)估值按由小到大的順序排列依次為：T1、T2、T3，且變壓器T1和T2的綜合評(píng)估值都小于1，而T3的綜合評(píng)估值大于1。因此根據(jù)上述提出的判據(jù)對(duì)三臺(tái)變壓器作如下診斷：變壓器T1的微水含量最多，變壓器T3的微水含量最少，而變壓器T2的微水含量居中，即三臺(tái)變壓器微水量按由多到少的順序排列依次是：T1、T2、T3；且因變壓器T3的綜合評(píng)估值因大于1，表明該變壓器絕緣受潮狀態(tài)良好，無須進(jìn)行絕緣系統(tǒng)干燥檢修；又因變壓器T1、T2的綜合評(píng)估值都小于1，表明其有受潮現(xiàn)象，須對(duì)變壓器進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，必要時(shí)，須及時(shí)對(duì)油紙絕緣系統(tǒng)進(jìn)行干燥檢修。

以上分析結(jié)果與變壓器實(shí)際的微水受潮情況一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所提出方法判據(jù)的正確性與可行性。

5 結(jié)論

為將現(xiàn)有的時(shí)域特征量綜合應(yīng)用于變壓器微水含量診斷中，本文提出了基于改進(jìn)層次分析法的變壓器油紙絕緣受潮狀態(tài)診斷方法。綜合考慮了各特征量對(duì)變壓器油紙絕緣受潮狀態(tài)診斷的可靠性與重要性，并獲取相應(yīng)的診斷權(quán)重；并通過特征參數(shù)與基準(zhǔn)值的比值來歸一化各特征參數(shù)，保證了診斷的準(zhǔn)確性與科學(xué)性。研究獲得了變壓器油紙絕緣受潮狀態(tài)的診斷判據(jù)：

變壓器綜合評(píng)估值與油紙絕緣系統(tǒng)微水量間是負(fù)相關(guān)關(guān)系，且綜合評(píng)估值在基準(zhǔn)值以上，即綜合評(píng)估值大于1時(shí)，變壓器油紙絕緣系統(tǒng)受潮良好；當(dāng)綜合評(píng)估值小于等于1時(shí)，變壓器油紙絕緣系統(tǒng)內(nèi)部受潮，需對(duì)其進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。這一診斷方法進(jìn)一步完善了變壓器油紙絕緣受潮狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)，為今后的研究提供了新的思路與方法手段。