基于D-S證據(jù)理論的變壓器絕緣老化診斷

許寅卿

(國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200063)

基于D-S證據(jù)理論的變壓器絕緣老化診斷

許寅卿

(國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200063)

為了有效評估變壓器絕緣老化狀態(tài)，提出基于模糊數(shù)學與D-S證據(jù)理論的絕緣老化評價模型。采取不停電檢測變壓器絕緣狀態(tài)的方法測量出4種參數(shù)，將4種參數(shù)通過隸屬函數(shù)模糊化后作為4個獨立的證據(jù)體，然后利用D-S證據(jù)合成理論強大的處理不確定信息的能力計算出診斷結(jié)果。最后通過多組實例證明了此模型的有效性。

電力變壓器；D-S證據(jù)理論；模糊數(shù)學；絕緣老化

0 引言

安全可靠的發(fā)電、輸電、變電、供電體系是整個電力系統(tǒng)正常運行的保障,變壓器是這一系列環(huán)節(jié)中的基石，無論哪個環(huán)節(jié)都離不開變壓器。隨著變壓器運行年限的增加，其內(nèi)部絕緣老化，導致變壓器逐漸喪失原有的機械性能和絕緣性能，變壓器抵抗短路大電流沖擊的能力大大降低，從而影響運行的可靠性。在影響變壓器運行狀態(tài)和壽命的失效故障中，90%以上屬于絕緣老化問題[1]，因此從安全性和經(jīng)濟性方面考慮，評估變壓器絕緣老化的程度，對保障變壓器安全穩(wěn)定運行是必要的。

檢測電力變壓器絕緣老化的方法非常多，但這些方法都有各自的局限性，如絕緣紙聚合度的檢測需要在變壓器停電放油后才能進行，回復電壓法(RVM)、極化/去極化電流法(PDC)等先進的無損測量法對檢測設(shè)備和試驗環(huán)境有較高的要求[2-3]。目前將多種檢測方法有效結(jié)合的研究還不多。基于以上考慮，本文提出采用220 kV油浸式變壓器日常檢查維護中所用到的不停電檢測方法來測量變壓器油中糠醛含量、ρCO/ρCO2、油酸值及含水量，將4個數(shù)值通過隸屬函數(shù)模糊化后作為4個獨立的證據(jù)體，應用D-S證據(jù)理論建立不停電的變壓器絕緣老化診斷模型，最后用實例驗證其有效性。

1 電力變壓器絕緣老化機理

油浸式電力變壓器大多使用A級絕緣，其內(nèi)部絕緣材料主要包括變壓器油、絕緣紙和絕緣紙板[2]。變壓器油填充整個變壓器內(nèi)部，起到絕緣和散熱的作用；絕緣紙和絕緣紙板用作變壓器內(nèi)部線圈匝間與相間絕緣、鐵軛絕緣、墊腳絕緣、支撐絕緣等。所有絕緣材料有一定的機械強度或電氣強度，機械強度是指絕緣承受機械荷載(張力、壓力、彎曲等)的能力，電氣強度(或稱絕緣強度)是指絕緣抵抗電擊穿的能力。變壓器長期運行中，受大氣條件和其他物理化學作用的影響，絕緣材料的機械強度和電氣強度逐漸衰退的現(xiàn)象，稱為絕緣老化。變壓器內(nèi)部絕緣老化過程中會產(chǎn)生多種物質(zhì)，且這些物質(zhì)內(nèi)部相關(guān)的物理參數(shù)也會相應改變，這些參數(shù)都可以作為推斷絕緣老化程度的輔助依據(jù)。

2 模糊數(shù)學和D-S證據(jù)理論

2.1模糊數(shù)學

模糊集合、模糊邏輯的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的模糊拓撲、模糊測度論等數(shù)學領(lǐng)域統(tǒng)稱為模糊數(shù)學，本文用到的是其中的隸屬度函數(shù)，是模糊數(shù)學理論的應用基礎(chǔ)[4]，其原理是將評判事物的各個指標模糊化，從而將定性的判斷變?yōu)槎康呐袛唷?/p>

2.2D-S證據(jù)理論

D-S證據(jù)理論最早用于專家系統(tǒng)的研究，具有解決不確定信息的處理能力[5]。將不同來源、不同原理、不同表示方法的信息整合成一個更加有效的信息描述，從而使得該信息比其他各組成部分的信息更優(yōu)越、更準確。

3 建立基于D-S證據(jù)理論的變壓器絕緣狀態(tài)診斷模型

3.1構(gòu)造識別框架

圖1 變壓器內(nèi)部絕緣測量參數(shù)

表1 嶺型函數(shù)模型

傳統(tǒng)的絕緣狀態(tài)評價是按照二值邏輯評價的，這樣的評價過于籠統(tǒng)。變壓器內(nèi)部絕緣老化是一個緩慢的過程，其絕緣狀態(tài)在數(shù)學意義上是一個模糊分布狀態(tài)。本文建立的模型輸出是變壓器在某個絕緣狀態(tài)的可信度，即變壓器處于某個絕緣狀態(tài)的概率，因此根據(jù)變壓器絕緣老化機制和現(xiàn)場實際情況，在識別框架Θ=[絕緣狀態(tài)]上定義4個子集(命題)S1=[絕緣良好]、S2=[輕度老化]、S3=[中度老化]、S4=[重度老化]，其中：S1代表絕緣良好可以正常運行；S2代表可以繼續(xù)運行，加強日常巡視；S3代表繼續(xù)運行可能存在較大風險，建議安排停電檢修；S4代表絕緣狀態(tài)很差，需要立即停止運行后大修或更換。

3.2選擇合適的參數(shù)子空間

根據(jù)相關(guān)文獻可知,變壓器內(nèi)部絕緣測量參數(shù)很多,如圖1所示：指標1～4需要停電才能檢測，而且有些還需要復雜的儀器，不符合本文的初衷，因此不做考慮；指標5～8可以在電力變壓器不停電的情況下進行檢測[6-8]，完全與本文的初衷相符。所以指標5～8的測量數(shù)值將作為參數(shù)子空間，具體參數(shù)說明如下。

(1)油中糠醛的質(zhì)量濃度。糠醛是變壓器內(nèi)部紙絕緣老化的特征產(chǎn)物之一，借助糠醛分析可以進一步近似計算絕緣紙的聚合度，因此，測量其在變壓器油中的含量可以反映變壓器內(nèi)部絕緣的老化程度。

(2)ρCO/ρCO2。在變壓器正常老化或故障狀態(tài)下，固體絕緣都會分解產(chǎn)生CO與CO2并融于變壓器油中，一般ρCO/ρCO2>7時懷疑固體絕緣老化。

(3)油酸值。油酸值是變壓器油的一項重要質(zhì)量指標 ，它反映了變壓器油的老化程度，有時也作為變壓器內(nèi)部故障判斷的依據(jù)。正常情況下變壓器油酸≤0.03 mg/g，當大于這個數(shù)值后變壓器油的擊穿電壓就會大大降低。

(4)油中水的質(zhì)量濃度。微量水分可使絕緣油介質(zhì)損耗顯著增加，同時水分還會促進有機酸對銅、鐵等金屬的腐蝕，產(chǎn)生的皂化物會惡化油的介質(zhì)損耗因數(shù)，使油生成雜質(zhì)，導致變壓器油油擊穿電壓降低。

3.3建立相關(guān)證據(jù)體

油中糠醛的質(zhì)量濃度、ρCO/ρCO2、油酸值、油中水的質(zhì)量濃度作為參數(shù)子空間，由此確定了4組證據(jù)體的來源就是4個檢測數(shù)值，但這4個數(shù)值是絕對的且沒有定量的描述，無法直接作為證據(jù)體(無法分配概率)，因此本文引入隸屬度函數(shù)來建立證據(jù)體。根據(jù)相關(guān)規(guī)程并結(jié)合專家的經(jīng)驗，將檢測參數(shù)的評判數(shù)值按相對老化程度劃分范圍，鑒于絕緣狀態(tài)變化是緩慢的過程，本文選取嶺型模糊分布將參數(shù)模糊化，最后建立4個參數(shù)相對老化程度的隸屬函數(shù)，函數(shù)模型見表1(函數(shù)中a1～a12為評判數(shù)值區(qū)間的邊界值)。將單個數(shù)值的檢測結(jié)果模糊化為一組診斷結(jié)果，作為一個獨立的證據(jù)體，這樣就形

續(xù)表

表2 變壓器測量參數(shù)

5 結(jié)束語

基于D-S證據(jù)理論的變壓器絕緣老化診斷模型還是一個比較新的課題，通過本文的論述，D-S證據(jù)理論可以很好地將多種信息相融合得到最優(yōu)的結(jié)論，最后的實例也驗證了此模型的可行性。此方法還有很大的研究空間，在這個模型中，如果變壓器運行過程中換過變壓器油，則診斷結(jié)果會有較大出入，這是日后需要進一步研究的課題。

[1]楊啟平，薛五德，藍之達.變壓器絕緣老化評估技術(shù)的研究[J].變壓器，2006，43(5)：1-5.

[2]貢春艷.極化去極化電流法和回復電壓法融合的油紙絕緣老化狀態(tài)評估[D].重慶：重慶大學，2013.

[3]梁穎輝，歐樹華，KACHLER A J.診斷變壓器絕緣狀態(tài)及老化的PDC技術(shù)的研究[J].變壓器，2007，44(6)：35-39.

[4]樂波，成永紅，陳小林，等.基于人工智能的大電機主絕緣老化狀態(tài)評估軟件[J].電力系統(tǒng)自動化， 2005，29(14)：78-82.

[5]何小飛，童曉陽，孫明蔚.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和D-S證據(jù)理論的分布式電網(wǎng)故障診斷[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，35(10)：42-47.

[6]江玉蓉，王霄峰，符楊，等.基于模糊綜合評判的電力變壓器絕緣老化診斷[J].上海電力學院學報，2012，28(5)：431-434.

[7]油浸式變壓器絕緣老化判斷導則：DL/T 984—2005[S].

[8]楊啟平，薛五德，藍之達.變壓器絕緣老化的診斷與壽命評估[J].變壓器，2004，41(2)：13-17.

(本文責編：劉芳)

成了4組獨立的證據(jù)體。為了使證據(jù)體更加客觀可靠，還要在各證據(jù)體中引入一個可靠系數(shù)λ，其代表對某一個證據(jù)來源的信任程度。

3.4多證據(jù)體融合

將4組證據(jù)體歸一化后的計算數(shù)值(MASS函數(shù))通過D-S證據(jù)合成法融合成為一個全新的MASS函數(shù)，這組MASS函數(shù)就是最后診斷的數(shù)據(jù)來源，通過最大隸屬度法算出這組數(shù)中最大數(shù)值對應的絕緣老化狀態(tài)即為最后的診斷結(jié)論。模型診斷流程如圖2所示。

圖2 診斷模型流程

4 實例分析

選取2個已知絕緣老化狀態(tài)的220 kV油浸式變壓器作為測試樣本(樣本T1為重度絕緣老化，樣本T2為輕度絕緣老化)，2組變壓器的測量數(shù)據(jù)見表2。

按照本文的診斷模型，根據(jù)變壓器的初步測量參數(shù)，通過隸屬度函數(shù)得到相應的4組集合，見表3。

接著，對4個初步證據(jù)體引入可靠系數(shù)后重新計算出4組MASS函數(shù)，再將4個MASS函數(shù)通過D-S證據(jù)合成法融合后生成最終的MASS函數(shù)，見表4。

表3 證據(jù)體初步診斷結(jié)果

最后，通過最大隸屬度法來確定：T1樣本S4=0.684，為重度絕緣老化；T2樣本S2=0.934，為輕度絕緣老化。診斷結(jié)果與實際結(jié)果一致，說明本模型能有效診斷變壓器絕緣老化狀態(tài)。

表4 初步診斷MASS函數(shù)與最終診斷MASS函數(shù)

TM 411

：A

：1674-1951(2017)09-0020-03

2017-07-13；

:2017-08-11

許寅卿(1993—)，男，上海人，工程師，工程碩士，從事高壓電氣設(shè)備運行維護方面的工作(E-mail:qq49876545@163.com)。