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，對電力變壓器的狀態(tài)監(jiān)測也始終受到國內(nèi)外電力行業(yè)研究員們的重視，但受制于監(jiān)測技術(shù)水平，電力變壓器的狀態(tài)監(jiān)測在很長一段時間是停留在離線階段。離線監(jiān)測方式要求定期對變壓器進行停電試驗、檢修和維護，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制性，易造成“過度檢修”，也難以及時檢測出潛伏性缺陷?，F(xiàn)階段我國電力行業(yè)一般執(zhí)行離線監(jiān)測的時間間隔為三個月，也即是說，狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)是三個月一組，這對電力變壓器的狀態(tài)監(jiān)測始終是很大的局限。

目前變壓器的在線監(jiān)測技術(shù)以狀態(tài)監(jiān)測中的故障診斷為核心研究內(nèi)容，包括油色譜分析法、脈沖電流法、局放射頻檢測法等幾種技術(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，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，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)，缺乏一種簡單易行的在線判據(jù)。

現(xiàn)階段的變壓器在線監(jiān)測針對其運行狀態(tài)提供了大量的數(shù)據(jù)信息，尤其是DGA數(shù)據(jù)，一般都能達到一天三測。針對這一情況，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“基于動態(tài)DGA在線數(shù)據(jù)的電力變壓器狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)”的構(gòu)想。

1.基于DGA的在線監(jiān)測及其現(xiàn)狀研究

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

隨著變壓器在線監(jiān)測技術(shù)的推廣，監(jiān)測裝置的開發(fā)也非?？?。我們可如表1，從三個方面對現(xiàn)階段的在線監(jiān)測裝置進行分析比較。

實際上，根據(jù)不同的測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)測多組分氣體含量的在線監(jiān)測裝置就是現(xiàn)今在線監(jiān)測研究領(lǐng)域的熱點。

1.2 變壓器故障DGA在線監(jiān)測理論判據(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；多種故障同時發(fā)生時無法判斷；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)測的推廣，經(jīng)過大量實驗證明，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠準確的判斷出各種故障類型，且能根據(jù)各臺變壓器的具體狀況進行具體判斷。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)練時間來修正自己的算法。故人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)難以在實際應(yīng)用中大范圍推廣，同時也在一定程度上限制了它的發(fā)展。

表1 在線監(jiān)測裝置的比較分析

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)。針對過去故障判斷法過于絕對易引起誤判的現(xiàn)象，模糊理論通過模糊化數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗，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)測技術(shù)的今天，離線判據(jù)并不完全適用于在線監(jiān)測，例如監(jiān)測數(shù)據(jù)注意值都沒考慮在線監(jiān)測和離線監(jiān)測的誤差區(qū)別?？墒怯捎跊]有在線判據(jù)的提出，現(xiàn)在行業(yè)只能暫時將離線判據(jù)應(yīng)用于在線監(jiān)測，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會分解析出相應(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)生速率也會越來越高，同時，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單的變壓器故障判別法。

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

根據(jù)以往DGA分析經(jīng)驗，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，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。當故障點溫度較低時，CH4占的比例大；隨著故障點溫度的升高(500℃以上)，C2H4、H2組分急劇增加，比例增大；當嚴重過熱(800℃以上)時，也會產(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，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，當變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時，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。當放電能量密度增高時也可出現(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。

當變壓器內(nèi)部發(fā)生火花放電時，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25%～90%，C2H4含量約占總烴的20%以下，H2占總烴的30%。

當變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧放電故障時，因為電弧放電速度發(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位置、油流速度和故障持續(xù)時間有很大關(guān)系。在變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧放電時，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，可燃氣體和CO的含量同樣占比高。當油中氣體組分中C2H2超標且成為主要特征氣體時，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，而C2H2超標且增長速率較快，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

現(xiàn)階段我國普遍使用的在線監(jiān)測一般是一天三測，所測氣體為《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的動態(tài)在線數(shù)據(jù)我們可以計算出各特征氣體的絕對產(chǎn)氣率和相對產(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.“基于動態(tài)DGA在線數(shù)據(jù)的電力變壓器智能監(jiān)測系統(tǒng)”構(gòu)想及其可行性

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

自2006年美國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)是自動控制技術(shù)，而電氣設(shè)備的自愈和自動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。

基于動態(tài)DGA在線數(shù)據(jù)的電力變壓器狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)想是通過對變壓器狀態(tài)數(shù)據(jù)尤其是動態(tài)DGA在線數(shù)據(jù)的監(jiān)測結(jié)合負載情況對變壓器進行狀態(tài)分析，同時應(yīng)用專家系統(tǒng)對變壓器現(xiàn)行狀態(tài)提出調(diào)整建議，進而使變壓器維持在良好的運行狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)想結(jié)構(gòu)圖

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

系統(tǒng)主要針對變壓器狀態(tài)數(shù)據(jù)的分析對變壓器狀態(tài)進行判斷，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、放電或閃絡(luò)痕跡）、例行試驗信息（包括DGA在線數(shù)據(jù)、電氣試驗數(shù)據(jù)、油化試驗信息）、運行工況信息（包括運行環(huán)境、過電壓、負荷水平、短路情況）、附件運行信息（冷卻系統(tǒng)、測試裝置、分接開關(guān)、保護裝置）、檢修歷史信息（包括該臺變壓器檢修史、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)注動態(tài)DGA在線數(shù)據(jù)結(jié)合產(chǎn)氣率故障在線判據(jù)對變壓器故障的判斷，應(yīng)用專家系統(tǒng)和負載預(yù)判對變壓器運行做出調(diào)整指導(dǎo)，其中負載預(yù)判是指根據(jù)該地區(qū)的近期歷史負載數(shù)據(jù)對該地區(qū)未來一段時間負載情況的預(yù)判。指導(dǎo)也應(yīng)分為兩類，一類是對負荷即變壓器輸入端功率的調(diào)解指導(dǎo)，一類是對變壓器狀態(tài)維護的調(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)測數(shù)據(jù)和負載數(shù)據(jù)。在現(xiàn)階段，這兩類在線數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測都已應(yīng)用成熟，而電氣試驗等離線數(shù)據(jù)是我國電力行業(yè)規(guī)范里要求監(jiān)測的數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)方面是完全可行的，而動態(tài)DGA在線數(shù)據(jù)的故障在線判據(jù)也可由產(chǎn)氣率法來實現(xiàn)。如上文所述，現(xiàn)階段專家系統(tǒng)雖說不足以作為獨立的故障判據(jù)但也已完全滿足作為狀態(tài)評估指導(dǎo)的方法，最后應(yīng)用通信技術(shù)和計算機軟件技術(shù)將以上各部分連接起來，基于動態(tài)DGA在線數(shù)據(jù)的電力變壓器狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)想就能圓滿實現(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結(jié)論：

a.變壓器在線狀態(tài)監(jiān)測技術(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，且可實現(xiàn)搭配不同器件組合出不同功能的監(jiān)測裝置。

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

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

若基于動態(tài)DGA在線數(shù)據(jù)的電力變壓器狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)想能夠得以實現(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，進而從設(shè)備控制智能化推動電力電網(wǎng)的智能化的進一步發(fā)展。