采用改進層次分析法綜合評估變壓器微水量

黃津良，嚴欣

(國網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的核心元件，其安全運行關系到整個電網的穩定性，一旦發生故障，將對社會經濟造成巨大損失。在變壓器服役期間，因存在電、熱、機械力、微水等因素的影響，內部絕緣系統的電氣和機械性能都將逐漸劣化，其中，絕緣介質內部受潮是導致變壓器事故的主要原因[1]。因此，利用現代技術和分析手段，深入研究能有效反映變壓器內部油紙絕緣受潮的特征量，進而評估其絕緣狀態，已經成為電力行業和相關部門關注的熱點和迫切需要解決的技術難題。

傳統的非電氣特征量理論體系較為成熟，認可度高[2]，但在實際操作過程中，需對變壓器進行吊芯取樣，不僅具有破壞性，最終的診斷結果誤差也較大。而回復電壓測量法(RVM)作為無損非破壞性的電氣診斷方法，是近些年對油紙絕緣設備的絕緣狀態評估的一種新興方法[3]。回復電壓法能有效追蹤介質極化特性的變化情況，當絕緣受潮時，回復電壓響應特征參數也將發生相應的變化，因此，回復電壓測試參數含有豐富的特征信息，能反映油紙絕緣介質內部響應特性。

雖然目前已有大量學者應用回復電壓特征量診斷變壓器絕緣系統的受潮情況，但大多文獻都限于將各個特征量分割開單一地對受潮狀態進行研究[4]，并未考慮各特征量的權重進而進行綜合評估，這將有可能造成多個特征量對同一臺變壓器的診斷結果不一致的情況。針對這方面不足，本文引入了改進層次分析算法研究回復電壓特征量。通過建立層次分析模型，以及方案屬性決策向量表，構建屬性權重判斷矩陣，采用改進層次分析算法獲得特征量診斷權重；并通過絕緣受潮狀態良好的變壓器基準特征量消除各特征量間量綱不統一、未歸一化等問題；最后，基于改進層次分析法獲取能全面科學診斷變壓器微水含量的綜合評估值，以實例分析驗證了本文所提出的判據的正確性。

2 RVM測試原理及特征參數

本文選用如圖1所示的RVM5461回復電壓測試儀對變壓器進行現場測試。其測試電路圖如圖2所示。

圖1 RVM5461自動回復電壓測試儀

RVM基于介質響應理論研究油紙絕緣系統的極化過程，依據圖2，其測試原理如下：在t=0到tc時間段內，閉合開關K到觸點1，對油紙絕緣系統進行充電，充電時間為tc，此階段為介質極化過程。然后閉合開關K到觸點2，即斷開外加電壓并將油紙絕緣系統兩端短路，使絕緣系統內部在td時間段內放電，這一階段是介質去極化過程。最后再將開關K閉合至觸點3，即將短路線斷開，RVM5461測試儀連續測量油紙絕緣系統兩端的回復電壓譜線Ur=g(t)，如圖3所示[5-6]。改變充電時間，循環回復電壓測試過程，獲得每個循環回復電壓最大值隨充電時間變化的曲線，即為回復電壓極化譜線，一個典型的回復電壓極化譜如圖4所示。

圖2 回復電壓測量電路圖

注：Urmax—回復電壓最大值；Si—初始斜率；t1/2—半衰期；Uw—回復電壓相對穩定值

注：Um—極化譜電壓最大值；tcdom—主時間常數

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

3 變壓器微水量診斷優化算法

本文在前人研究的基礎上，引入改進層次分析法深入分析比較并量化現有特征量對診斷變壓器微水量的靈敏度與重要性，采用優化算法最終獲取診斷變壓器微水量的綜合評估值。

3.1 微水量評估模型的建立

改進層次分析法(IAHP)是一種合理地將定性與定量決策結合起來，按照思維心理的規律把決策過程層次化、數量化的決策方法。可有效解決實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]。且改進層次分析法在層次分析法的基礎上采用擬優化傳遞矩陣優化判斷矩陣，以便直接求得方案屬性權重，省略了一致性檢驗步驟，大大簡化了計算過程；同時用三標度法取代九標度法，提高了評估效率，又降低了人的主觀性判斷[14-15]。基于改進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，根據實際問題需要，本文采用的改進層次分析法可分為三個層次：

(1)目標層。該層即為問題的預期結果或理想結果。對于變壓器受潮狀態評估，目標層即診斷變壓器的微水含量。

(2)準則層。該層為實現目標過程中所需要考慮的相關準則。本文根據特征量的認可度與成熟度，將其分為傳統特征量與新特征量兩類。

(3)措施層。該層即為具體診斷變壓器受潮情況的各個回復電壓特征量。

3.2 改進層次分析法確定特征量權重

由于各特征量對變壓器微水量的靈敏度不同，因此采用改進層次分析法建立準確的特征量相對重要性比較矩陣，并計算得出合理的權重向量。其具體實現步驟如下：

(1)構造判斷矩陣A

設有n個特征向量，根據各特征量對變壓器微水量診斷的靈敏度進行兩兩比較，得到相應的比較矩陣為：

(1)

式中,aij采用三標度法，其取值標準如式(2)所示：

(2)

且aji=1/aij，aji=1。

(2)擬優化傳遞矩陣B′

對判斷矩陣A求對數得到矩陣B，即B=lgA。

則判斷矩陣A的優化矩陣B′的各元素為：

(3)

(3)確定各特征量的權重矩陣W

對擬優化矩陣B′進行列歸一化處理，得到矩陣T,其各元素為:

(4)

則特征量的權重矩陣W的元素可用式(5)計算得到。

(5)

為得到下一層因素對上一層因素的權重向量，需對各層次中的因素進行充分分析得到判斷矩陣。分析如下：

首先，準則層中，傳統特征量的成熟度與認可度明顯高于新特征量，且新特征量的診斷應用還需更多的實例驗證。因此，傳統特征量相較于新特征量對于目標層微水量的診斷更加重要，根據步驟(1)的判斷準則得到措施層的判斷矩陣如式(6)所示。

(6)

按照步驟(2)～(3)可得準則層對目標層的權重向量為W1=[0.75 0.25]。

其次，措施層中，對于傳統特征量下的三個特征量對比分析如下：回復電壓測試過程中，主要的變量參數為充放電時間比和充電電壓，極化譜電壓最大值Urmax與這二者成正相關關系，且受充放電時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，絕緣介質內部恢復自然平衡狀態的速度，該特征量隨著充放電時間比的升高而增大，且受充電電壓的影響較小；但極化譜的主時間常數tcdom不易受外部測試條件的影響，可較為準確地反映絕緣介質內部的受潮狀態。因此，以上三個特征量的重要性按從強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)

對式(7)的判斷矩陣進行步驟(2)～(3)的計算，得到措施層對準則層的部分權重向量為W21=[0.1634,0.2970,0.5396]。

對于新特征量中的三個特征量進行如下對比分析：初始斜率峰值時間Ts是與初始斜率相對應的一個特征量，但Ts不僅受變壓器尺寸和設計型號的影響，而且外部測試條件對其影響較小；電壓相對穩定值Uw反映的是回復電壓曲線后期所包含的信息，反映油紙絕緣慢去極化過程，其值受外部測試條件影響較大，同時受充放電時間比與充電電壓的影響顯著；回復電壓衰期值t1/2同樣反映的是回復電壓曲線后半期的特征參量，且隨著充放電時間比的增大而升高，但該特征量受充電時間的影響較小。因此，通過以上分析可知，其三個特征量的重要性按從強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)

同樣對判斷矩陣式(8)進行步驟(2)～(3)的計算，得到措施層對準則層的剩余部分權重向量為W22=[0.5396,0.1634,0.2970]。

因此,結合準則層對于目標層的權重向量W1=[0.75,0.25]，最后求得措施層中各特征量對目標層變壓器微水量診斷的權重向量W為：

W=[0.75*W21,0.25*W22]

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

3.3 改進層次分析法診斷步驟與判據

為解決應用特征量綜合評估微水量時各指標量綱不統一，沒有歸一化等問題，本文根據《電力設備預防性試驗規程》中，變壓器微水含量在1.5%～2.5%間，變壓器油紙絕緣系統受潮一般的規定，選取了油紙絕緣系統微水量在1%～1.5%間的20臺電力變壓器回復電壓實測數據，提取上述六個特征參數，并求取其平均值，獲得綜合診斷變壓器微水量基準值(因初始斜率Si、電壓相對穩定值Uw、回復電壓衰期值t1/2這三個特征量是回復電壓曲線下的特征參數，在改變充電時間循環測試時，值會有所不同，因此為了得到更科學的評估基準值，本文先采用每一臺變壓器在同一充電電壓與充放電時間比下的平均值)，如表1所示。

表1 變壓器特征量的基準值

則采用改進層次分析法對變壓器油紙絕緣系統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應權重值相乘，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估值F，即F=X*·WT。

油紙絕緣系統微水量對綜合評估值的影響規律分析：在所選取的六個特征量中，除了回復電壓極化譜最大值和電壓相對穩定值外，其余特征量對目標層的評估規律都是：數值越小，油紙絕緣系統微水含量越大。且這些特征量對目標層的影響權值大。因此，可得到關于綜合評估值的判據。

判據：變壓器綜合評估值與微水量是負相關系，且綜合評估值在基準值以上，即F大于1時，變壓器油紙絕緣系統受潮良好；當綜合評估值小于等于1時，變壓器油紙絕緣系統內部受潮，需對其進行跟蹤監測檢修。

4 實例應用

為了驗證上述判據的準確性和可行性，本文另取三臺微水含量不同的電力變壓器對其進行回復電壓測試，并提取回復電壓極化譜最大值Urmax等六個特征量，應用基于改進層次分析的油紙絕緣受潮狀態診斷算法，求取三臺電力變壓器的綜合評估值F，對其進行實例應用分析。其中變壓器基本信息與受潮情況如表2所示，對應的特征參數值如表3所示，應用改進層次分析算法得到的綜合評估值如表4所示。

表2 三臺電力變壓器基本信息

表3 三臺電力變壓器的特征參數

表4 三臺電力變壓器的綜合評估值

診斷分析：從表4可知，三臺變壓器的綜合評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的綜合評估值都小于1，而T3的綜合評估值大于1。因此根據上述提出的判據對三臺變壓器作如下診斷：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的綜合評估值因大于1，表明該變壓器絕緣受潮狀態良好，無須進行絕緣系統干燥檢修；又因變壓器T1、T2的綜合評估值都小于1，表明其有受潮現象，須對變壓器進行跟蹤監測，必要時，須及時對油紙絕緣系統進行干燥檢修。

以上分析結果與變壓器實際的微水受潮情況一致，進一步驗證了本文所提出方法判據的正確性與可行性。

5 結論

為將現有的時域特征量綜合應用于變壓器微水含量診斷中，本文提出了基于改進層次分析法的變壓器油紙絕緣受潮狀態診斷方法。綜合考慮了各特征量對變壓器油紙絕緣受潮狀態診斷的可靠性與重要性，并獲取相應的診斷權重；并通過特征參數與基準值的比值來歸一化各特征參數，保證了診斷的準確性與科學性。研究獲得了變壓器油紙絕緣受潮狀態的診斷判據：

變壓器綜合評估值與油紙絕緣系統微水量間是負相關關系，且綜合評估值在基準值以上，即綜合評估值大于1時，變壓器油紙絕緣系統受潮良好；當綜合評估值小于等于1時，變壓器油紙絕緣系統內部受潮，需對其進行跟蹤監測。這一診斷方法進一步完善了變壓器油紙絕緣受潮狀態評估系統，為今后的研究提供了新的思路與方法手段。