電力變壓器優質絕緣熱老化的相關研究

鮑慶珍

【摘 要】本文綜述了電力變壓器油紙絕緣老化的研究現狀，在變壓器絕緣老化程度診斷和壽命評估方面應用的可行性和有效性。電力變壓器最佳的經濟效益越來越依賴于適當的老化狀況監測、壽命評估和壽命延長技術。

【關鍵詞】變壓器；絕緣老化；診斷技術

1 變壓器絕緣老化檢測

油浸式電力變壓器絕緣采用油紙（板）絕緣結構形式，其中固體絕緣大部分由纖維素構成。促使其最終損壞的主要因素包括維護工作差，運行事故和超負載運行等。由纖維素構成的固體絕緣，其造成變壓器老化的原因，通常可歸結為熱老化和電老化。

DGA分析主要用于判斷油老化；HPLC分析用于判斷紙纖維老化；介質損耗因數分析不僅用于判斷紙纖維的老化，而且還可以裂解信息。變壓器絕緣在熱老化過程中，將產生CO和CO2等氣體，由于油和紙在熱老化過程中都將分解產生CO和CO2，因此，僅靠DGA分析是不夠的。

1.1 油中氣體分析

變壓器通過油中氣體分析（DGA）定量測定的主要氣體是H2，CH4，C2 H6，C2H4，C2 H2，CO，CO2.由DL/TIEC60599《變壓器油中溶解氣體的分析和判斷導則》推薦的三比值法是建立在DGA數據基礎上的，可用來判斷變壓器內部故障的性質。當變壓器故障涉及固體絕緣材料時，就會產生CO和CO2，CO和CO2作為絕緣老化的特征氣體，其含量在一定程度上反映了變壓器絕緣的狀況。變壓器絕緣老化狀況的診斷僅僅依靠CO和CO2含量、產氣速率、CO2或CO的比值來判斷將帶有很大的不確定性，在老化分析中的偏差較大，只能將其作為參考，若作為判據則是不靈敏、不確切和不可靠的。

1.2 高性能液相色譜分析

應用高性能液相色譜分析（HPLC）技術確定變壓器油中溶解的糠醛（C5H4O2）含量（Furan）是十分迫切和必要的。用糠醛含量來判斷變壓器老化狀態，是目前變壓器老化最有效的在線檢測手段之一。

由于糠醛作為絕緣紙在熱老化過程中分解的特殊產物，成為變壓器老化的判據正被越來越廣泛地應用，因此，一般認為油中糠醛含量達到0.5mg/L時，變壓器整體絕緣水平處于壽命中期；達到1～2mg/L時，絕緣劣化嚴重；達到4mg/L時，變壓器絕緣壽命終止。

HPLC方法所面臨的問題是：當對變壓器換油或進行油處理后，由于糠醛含量隨油的更換而發生變化，因此，對溶解油中糠醛含量的分析已難以直接得到與聚合度的對應關系。但紙的拉伸強度是不隨油的更換而改變的，這就需要對各次測量的數據、換油情況作記錄，以便綜合分析絕緣實際老化的程度。

1.3 絕緣紙聚合度的檢定

變壓器絕緣材料的聚合度（DP）是絕緣老化程度最準確、可靠、有效的判據。 聚合度的測定在取樣后，須將紙中的油脂、金屬離子及其他充添劑提抽干凈，然后粉碎、硝化，使之溶解于乙酸乙酯溶劑中，并利用烏別洛得粘度計測定紙溶液的粘度，求得紙的聚合度（DP）。

聚合度的曲線表明，新紙板聚合度一般為1200～1800。

變壓器對絕緣紙老化壽命的判斷標準大致定為：當平均聚合度下降到500時，變壓器整體絕緣處于壽命中期；當平均聚合度下降到250時，可認為變壓器絕緣壽命已終止；當聚合度下降到150時，絕緣紙的機械強度幾乎為零。變壓器取紙樣部位的不同，將會導致聚合度數值的不同，由于聚合度具有一定的分散性，因此，要求在多個部位上取紙樣，以求得平均聚合度；或者要求每次在代表性部位取紙樣。取樣數應該統一，以強調其可比性和同比性。

2 絕緣老化診斷的人工神經網絡法

由于引起變壓器絕緣老化的原因相當復雜，壽命估計不是要求預報變壓器將發生絕緣故障的確切時間，而是預報發生故障可能性的增加和工作可靠性的減少.當可靠性下降到一定值時，變壓器老化程度對應的壽命對于一定的應用來說實際上已經終止。用人工神經網絡對運行中變壓器老化程度的判斷，對剩余壽命的定量估計，是建立在可靠性基礎上的。

2.1 TFDANN的結構

變壓器絕緣老化診斷的人工神經網絡法（TFDANN）實質是用模擬人腦信息處理的功能.神經網絡法是一種理想的模式分類器，它具有自組織、自學習的能力，能映射高度非線性的輸入、輸出關系。

來TFDANN輸入特征矢量為7個，分別對應特征氣體H2，CH4，C2 H2，C2H4，C2H6，CO2/CO的比值和糠醛含量C5H4 O2.模塊采用雙隱層結構，共設46個隱層節點，上下層節點間充分連接，同層、隔層間節點相互不連接.其輸出特征矢量為1個，輸出值的范圍為0～1。

輸出值對應變壓器絕緣老化的程度∶趨“0”則表示變壓器絕緣狀況良好；趨“0.5”則表示變壓器絕緣老化處于壽命的中期；變壓器絕緣老化壽命終止的可靠性，取決于輸出值趨近于“1”的程度。

2.2 TFDANN的工作特點

在TFDANN軟件中，輸出矢量選取CO2/CO的比值，是由于CO和CO2包含了與纖維素狀態有關的信息，而它們的比值在一定程度上能反映變壓器內部絕緣的狀況。選取糠醛含量作為特征矢量，是考慮到在節點函數中它與變壓器絕緣材料聚合度的對應關系和糠醛含量自身與變壓器絕緣老化程度的對應關系。

結論是TFDANN軟件經有限的數據訓練后得到的樣本測出的結果。結論表明TFDANN在變壓器絕緣老化診斷中具有很高的準確性，其結論與實際故障相吻合。

2.3 TFDANN的成功經驗

人工神經網絡可以用少而清晰的知識來表示一個非常復雜的系統，可展現出可能連領域專家都不十分了解的復雜機制。在TFDANN開發過程中，從神經網絡眾多類型中，正確選用了反向傳播（BP）網絡，吸收了國內外已開發的實用神經網絡經驗，形成了本軟件系統合理的模塊結構，能較好地處理變壓器絕緣老化診斷中的一些模糊問題。 TFDANN設計、開發，包括輸入、輸出特征矢量的確定，網絡拓撲圖、節點權值的定義.網絡拓撲結構的選樣、完善，即通過樣本的訓練和預期精確度的比較，使隱層和節點數目逐步確定。

3 結論

變壓器絕緣老化診斷技術的研究是建立在DGA和HPLC等測試數據基礎上的，更進一步的研究是必須在發電廠、供電局、變電站等部門建立起聯合的數據庫，用代碼表示相關的信息。這些資源對診斷老化，以及壽命評估的提供是極有價值的財富，并促使診斷技術向數字化、智能化、網絡化發展。應用計算機輔助診斷，較長期的目標是建立和發展預測絕緣故障和剩余壽命的分析系統。

【參考文獻】

[1]路長柏.電力變壓器絕緣技術[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社.

[2]張海潮.糠醛濃度判斷變壓器絕緣紙壽命的現場測量[J].高電壓技術.

[責任編輯：湯靜]