基于DGA數(shù)據(jù)電力變壓器在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)綜述及其智能化展望

南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局 曾文龍

引言

電力變壓器一直是電力電網(wǎng)中最重要的電力設(shè)備之一，對(duì)電力變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)也始終受到國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)研究員們的重視，但受制于監(jiān)測(cè)技術(shù)水平，電力變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)在很長(zhǎng)一段時(shí)間是停留在離線階段。離線監(jiān)測(cè)方式要求定期對(duì)變壓器進(jìn)行停電試驗(yàn)、檢修和維護(hù)，在變壓器絕緣故障診斷上起過有效的作用。但這種到期必修的方法帶有很大的盲目性和強(qiáng)制性，易造成“過度檢修”，也難以及時(shí)檢測(cè)出潛伏性缺陷。現(xiàn)階段我國(guó)電力行業(yè)一般執(zhí)行離線監(jiān)測(cè)的時(shí)間間隔為三個(gè)月，也即是說，狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是三個(gè)月一組，這對(duì)電力變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)始終是很大的局限。

目前變壓器的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)以狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的故障診斷為核心研究?jī)?nèi)容，包括油色譜分析法、脈沖電流法、局放射頻檢測(cè)法等幾種技術(shù)方法。其中油色譜分析法發(fā)展較為成熟，可靠性和抗干擾能力都較強(qiáng)，一直是故障診斷的重要方法。油色譜分析法的故障判據(jù)主要是變壓器油樣中溶解氣體的組分和濃度信息。在判斷故障類型時(shí)，油色譜法以特征氣體的組分含量、組分比值等量值為特征量。這些特征量結(jié)合具體理論又可分別擴(kuò)展為三比值法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論、專家系統(tǒng)、灰色系統(tǒng)理論等故障類型診斷方法。但油色譜分析法至今仍沿用以往的離線判據(jù)，缺乏一種簡(jiǎn)單易行的在線判據(jù)。

現(xiàn)階段的變壓器在線監(jiān)測(cè)針對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)提供了大量的數(shù)據(jù)信息，尤其是DGA數(shù)據(jù)，一般都能達(dá)到一天三測(cè)。針對(duì)這一情況，本文探討了基于DGA在線數(shù)據(jù)并應(yīng)用產(chǎn)氣率法的油色譜分析法在線判據(jù)，并提出了“基于動(dòng)態(tài)DGA在線數(shù)據(jù)的電力變壓器狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”的構(gòu)想。

1.基于DGA的在線監(jiān)測(cè)及其現(xiàn)狀研究

1.1 變壓器故障DGA在線監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著變壓器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的推廣，監(jiān)測(cè)裝置的開發(fā)也非常快。我們可如表1，從三個(gè)方面對(duì)現(xiàn)階段的在線監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行分析比較。

實(shí)際上，根據(jù)不同的測(cè)試需要選擇不同的傳感器，并組合不同的取氣方法和診斷裝置，都可以組成功能各異的在線或便攜式的油中溶解氣體監(jiān)測(cè)裝置。例如用高分子分離膜分離氣體，紅外線氣體傳感器監(jiān)測(cè)多組分氣體含量的在線監(jiān)測(cè)裝置就是現(xiàn)今在線監(jiān)測(cè)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

1.2 變壓器故障DGA在線監(jiān)測(cè)理論判據(jù)的研究現(xiàn)狀

從理論判據(jù)的研究來看，現(xiàn)階段應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)的故障判斷法基本有以下幾種：

a.IEC三比值法

三比值法是我國(guó)GB／T 7252—2001所推薦使用的變壓器故障判斷法，在行業(yè)也被廣泛應(yīng)用，其不足在于：出現(xiàn)無法在編碼中表示出來的故障；多種故障同時(shí)發(fā)生時(shí)無法判斷；必須在特征氣體超過警戒值才能使用；在編碼邊區(qū)容易引起誤判等。

b.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種具有自組織、自學(xué)習(xí)的能力，能映射高度非線性的輸入輸出關(guān)系分析方法。將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于故障判斷始于在線監(jiān)測(cè)的推廣，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證明，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠準(zhǔn)確的判斷出各種故障類型，且能根據(jù)各臺(tái)變壓器的具體狀況進(jìn)行具體判斷。但是，也正由于它的自組織、自學(xué)習(xí)能力，它需要通過大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和訓(xùn)練時(shí)間來修正自己的算法。故人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)難以在實(shí)際應(yīng)用中大范圍推廣，同時(shí)也在一定程度上限制了它的發(fā)展。

表1 在線監(jiān)測(cè)裝置的比較分析

c.模糊理論

模糊理論是將經(jīng)典集合理論模糊化，并引入語言變量和近似推理的模糊邏輯，具有完整的推理體系的智能技術(shù)。針對(duì)過去故障判斷法過于絕對(duì)易引起誤判的現(xiàn)象，模糊理論通過模糊化數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)，再結(jié)合隸屬函數(shù)來判斷故障類型，但由于現(xiàn)階段在很多故障中，數(shù)據(jù)與隸屬函數(shù)的聯(lián)系很難確定，故模糊理論至今也只能作為一種構(gòu)思，具有相對(duì)局限性。

以上提到的各種變壓器故障判斷法在行業(yè)中都有相應(yīng)的應(yīng)用，特別是IEC三比值法，簡(jiǎn)單方便，應(yīng)用很廣。但這些方法基本都是基于以往離線監(jiān)測(cè)的環(huán)境和條件下提出來的故障判斷法，在推廣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的今天，離線判據(jù)并不完全適用于在線監(jiān)測(cè)，例如監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)注意值都沒考慮在線監(jiān)測(cè)和離線監(jiān)測(cè)的誤差區(qū)別?？墒怯捎跊]有在線判據(jù)的提出，現(xiàn)在行業(yè)只能暫時(shí)將離線判據(jù)應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)，為此，變壓器故障判斷也頻頻出現(xiàn)誤判的現(xiàn)象。

2.產(chǎn)氣率法在變壓器故障在線監(jiān)測(cè)里的應(yīng)用

油浸電力變壓器內(nèi)部絕緣材料大都是絕緣油、固體絕緣材料如絕緣紙等，這類材料在受熱或受高壓電時(shí)會(huì)分解析出相應(yīng)的氣體，而變壓器內(nèi)部故障都伴隨著局部過熱和局部放電的現(xiàn)象，使油或紙或油和紙分解產(chǎn)生C2H2，C2H4，C2H6，CH4，H2，CO和CO2等氣體。隨著故障的發(fā)展，氣體的產(chǎn)生速率也會(huì)越來越高，同時(shí)，不同的故障產(chǎn)生的特征氣體也是不一致的。反過來看，也可以通過不同特征氣體的產(chǎn)氣率來分析變壓器的故障種類。通過產(chǎn)氣率來分析故障類型是最直接最簡(jiǎn)單的變壓器故障判別法。

根據(jù)我國(guó)GB/T 7252—2001產(chǎn)氣率可分為絕對(duì)產(chǎn)氣率和相對(duì)產(chǎn)氣率兩種，GB/T 7252—2001也對(duì)這兩種產(chǎn)氣率的具體算法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，在此就不贅述。

根據(jù)以往DGA分析經(jīng)驗(yàn)，變壓器內(nèi)部故障基本可分為熱故障和電故障兩大類：

2.1 在熱故障里的應(yīng)用探討

變壓器熱故障可分為低溫過熱（低于150℃）、略低溫過熱（150～300℃）、中溫過熱（300～700℃）、高溫過熱（高于700℃）四種。故障點(diǎn)高溫只影響到絕緣油的分解而不涉及固體絕緣的裸金屬過熱故障時(shí)，產(chǎn)生的氣體主要是低分子烴類氣體，其中CH4、C2H4是特征氣體，他們一般占總烴的80%以上。當(dāng)故障點(diǎn)溫度較低時(shí)，CH4占的比例大；隨著故障點(diǎn)溫度的升高(500℃以上)，C2H4、H2組分急劇增加，比例增大；當(dāng)嚴(yán)重過熱(800℃以上)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生少量的C2H2，但其最大含量不超過C2H4量的10%。涉及固體絕緣的過熱性故障時(shí)，除產(chǎn)生上述低分子烴類氣體外，還產(chǎn)生較多的CO、CO2。

2.2 在電故障里的應(yīng)用探討

變壓器電故障可分為局部放電、低能放電（火花放電）、低能放電兼過熱（火花放電兼過熱）、電弧放電、電弧放電兼過熱這五種，當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，放電能量密度較低，油中的氣體組分含量中總烴含量不高，主要為H2，其次是CH4，H2、CH4均占總烴的90%以上。當(dāng)放電能量密度增高時(shí)也可出現(xiàn)C2H2，但在總烴中所占比一般不高于2%，這也是局部放電與其他放電故障中區(qū)別的主要特征。

當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生火花放電時(shí)，油中溶解氣體的特征氣體以H2、C2H2為主，因故障能量較小，一般總烴含量同樣不高，但油中溶解的C2H2在總烴中的含量將升高，其所占比例可達(dá)25%～90%，C2H4含量約占總烴的20%以下，H2占總烴的30%。

當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧放電故障時(shí)，因?yàn)殡娀》烹娝俣劝l(fā)展很快，所以往往氣體還來不及溶解于油中就釋放到氣體繼電器內(nèi)，因此，油中溶解氣體組分含量往往與故障點(diǎn)位置、油流速度和故障持續(xù)時(shí)間有很大關(guān)系。在變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧放電時(shí)，H2、C2H2成為油中溶解的主要特征氣體，其次是大量的C2H4、CH4。一般C2H2占總烴20%～70%，H2占總烴的30%～90%，絕大多數(shù)情況下C2H2高于CH4，在故障涉及固體絕緣時(shí)，可燃?xì)怏w和CO的含量同樣占比高。當(dāng)油中氣體組分中C2H2超標(biāo)且成為主要特征氣體時(shí)，較大的可能性為變壓器繞組短路或分接開關(guān)切換產(chǎn)生弧光放電所致；如果其他成分沒有超標(biāo)，而C2H2超標(biāo)且增長(zhǎng)速率較快，則可能是變壓器內(nèi)部存在高能量放電故障。

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》(DL/T722—2000)，將不同故障特征氣體以表格形式劃分如表2所示：

表2 故障特征氣體比對(duì)

現(xiàn)階段我國(guó)普遍使用的在線監(jiān)測(cè)一般是一天三測(cè)，所測(cè)氣體為《導(dǎo)則》(DL/T722—2000)所提到的C2H2，C2H4，C2H6，CH4，H2，CO和CO2這七種特征氣體，根據(jù)這七種氣體一天三測(cè)的動(dòng)態(tài)在線數(shù)據(jù)我們可以計(jì)算出各特征氣體的絕對(duì)產(chǎn)氣率和相對(duì)產(chǎn)氣率，跟蹤各故障的特征氣體的產(chǎn)氣率變化即可判斷出變壓器所發(fā)生的故障類型。

3.“基于動(dòng)態(tài)DGA在線數(shù)據(jù)的電力變壓器智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”構(gòu)想及其可行性

3.1 電力變壓器狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究背景

自2006年美國(guó)IBM公司第一次提出智能電網(wǎng)的概念后，智能電網(wǎng)，也就是“電網(wǎng)2.0”的發(fā)展得到了各國(guó)政府的高度重視。在智能電網(wǎng)中，最重要的特征就是其自愈能力，最核心的技術(shù)是自動(dòng)控制技術(shù)，而電氣設(shè)備的自愈和自動(dòng)控制更是其中的重中之重，電力變壓器作為最重要的電氣設(shè)備之一，其智能自控也受到了廣泛的關(guān)注。

基于動(dòng)態(tài)DGA在線數(shù)據(jù)的電力變壓器狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)想是通過對(duì)變壓器狀態(tài)數(shù)據(jù)尤其是動(dòng)態(tài)DGA在線數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)結(jié)合負(fù)載情況對(duì)變壓器進(jìn)行狀態(tài)分析，同時(shí)應(yīng)用專家系統(tǒng)對(duì)變壓器現(xiàn)行狀態(tài)提出調(diào)整建議，進(jìn)而使變壓器維持在良好的運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)想結(jié)構(gòu)圖

3.2 “基于動(dòng)態(tài)DGA在線數(shù)據(jù)的電力變壓器狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”構(gòu)想分析

系統(tǒng)主要針對(duì)變壓器狀態(tài)數(shù)據(jù)的分析對(duì)變壓器狀態(tài)進(jìn)行判斷，狀態(tài)數(shù)據(jù)可分為巡檢信息（包括外觀、過溫過熱、呼吸、振動(dòng)、放電或閃絡(luò)痕跡）、例行試驗(yàn)信息（包括DGA在線數(shù)據(jù)、電氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)、油化試驗(yàn)信息）、運(yùn)行工況信息（包括運(yùn)行環(huán)境、過電壓、負(fù)荷水平、短路情況）、附件運(yùn)行信息（冷卻系統(tǒng)、測(cè)試裝置、分接開關(guān)、保護(hù)裝置）、檢修歷史信息（包括該臺(tái)變壓器檢修史、同類變壓器檢修史）這五大類，綜合這五大類狀態(tài)信息，特別關(guān)注動(dòng)態(tài)DGA在線數(shù)據(jù)結(jié)合產(chǎn)氣率故障在線判據(jù)對(duì)變壓器故障的判斷，應(yīng)用專家系統(tǒng)和負(fù)載預(yù)判對(duì)變壓器運(yùn)行做出調(diào)整指導(dǎo)，其中負(fù)載預(yù)判是指根據(jù)該地區(qū)的近期歷史負(fù)載數(shù)據(jù)對(duì)該地區(qū)未來一段時(shí)間負(fù)載情況的預(yù)判。指導(dǎo)也應(yīng)分為兩類，一類是對(duì)負(fù)荷即變壓器輸入端功率的調(diào)解指導(dǎo)，一類是對(duì)變壓器狀態(tài)維護(hù)的調(diào)解指導(dǎo)，具體如圖1所示。

3.3 系統(tǒng)可行性分析

系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析中，最主要的是在線數(shù)據(jù)為DGA在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和負(fù)載數(shù)據(jù)。在現(xiàn)階段，這兩類在線數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測(cè)都已應(yīng)用成熟，而電氣試驗(yàn)等離線數(shù)據(jù)是我國(guó)電力行業(yè)規(guī)范里要求監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)方面是完全可行的，而動(dòng)態(tài)DGA在線數(shù)據(jù)的故障在線判據(jù)也可由產(chǎn)氣率法來實(shí)現(xiàn)。如上文所述，現(xiàn)階段專家系統(tǒng)雖說不足以作為獨(dú)立的故障判據(jù)但也已完全滿足作為狀態(tài)評(píng)估指導(dǎo)的方法，最后應(yīng)用通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)將以上各部分連接起來，基于動(dòng)態(tài)DGA在線數(shù)據(jù)的電力變壓器狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)想就能圓滿實(shí)現(xiàn)。綜上所述，系統(tǒng)構(gòu)思是可行的。

4.結(jié)束語

電力電網(wǎng)的智能化是現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)研究里最熱門的議題，電力變壓器的智能化控制也受到廣泛的關(guān)注，通過上文的分析,我們可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a.變壓器在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)在裝置方面已趨于成熟，但可考慮在擺脫色譜柱的方向上繼續(xù)發(fā)展，且可實(shí)現(xiàn)搭配不同器件組合出不同功能的監(jiān)測(cè)裝置。

b.現(xiàn)階段的IEC三比值法等離線判據(jù)并不適合用于在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，而基于DGA分析各故障類型特征氣體的產(chǎn)氣率法能很好的作為在線判據(jù)用于在線故障判別。

c.基于一天三測(cè)的DGA在線數(shù)據(jù)已能夠?qū)a(chǎn)氣率計(jì)算出來，故產(chǎn)氣率法在線判據(jù)是現(xiàn)實(shí)可行的。

d.結(jié)合現(xiàn)階段的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)和以產(chǎn)氣率為依據(jù)的在線判據(jù)，基于動(dòng)態(tài)DGA在線數(shù)據(jù)的電力變壓器狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)想是可以實(shí)現(xiàn)的。

若基于動(dòng)態(tài)DGA在線數(shù)據(jù)的電力變壓器狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)想能夠得以實(shí)現(xiàn)并投入使用，那么此構(gòu)想也同樣可應(yīng)用于其他各種電氣設(shè)備，進(jìn)而從設(shè)備控制智能化推動(dòng)電力電網(wǎng)的智能化的進(jìn)一步發(fā)展。