李 暉，鐘卓江

(四川能投發(fā)展股份有限公司，四川 成都 611130)

0 引 言

隨著中國交直流電網(wǎng)的逐步發(fā)展，交直流網(wǎng)架結(jié)構(gòu)正在逐漸成形。在混聯(lián)系統(tǒng)中，當(dāng)直流輸電系統(tǒng)在單極大地回路運(yùn)行、調(diào)試時，該方式將會向大地流入幾千安培的電流，使周圍處于中性點(diǎn)接地狀態(tài)的變壓器發(fā)生直流偏磁現(xiàn)象，并造成噪聲、振動、損耗增大等有損變壓器運(yùn)行的現(xiàn)象。

若要考慮直流偏磁對變壓器狀態(tài)的影響，需要正確的方法對其評價(jià)，該評價(jià)方法不僅是確保變壓器安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，更是變電站運(yùn)行維護(hù)人員合理安排檢修計(jì)劃的重要參考。由長期的現(xiàn)場運(yùn)行情況可知，經(jīng)常性的直流偏磁將會使變壓器的各部分受到影響，進(jìn)而日積月累產(chǎn)生不良的運(yùn)行狀態(tài)，甚至損壞設(shè)備。如文獻(xiàn)[1-4]分析了直流偏磁對變壓器噪聲、振動、損耗的影響，使變壓器噪聲、損耗增大并且產(chǎn)生振動現(xiàn)象。文獻(xiàn)[5]研究了直流偏磁對變壓器連接組別的影響，分析了不同的連接組別受直流偏磁的不同影響。但上述文獻(xiàn)研究的側(cè)重點(diǎn)在直流偏磁對變壓器產(chǎn)生的具體影響上，未從整體定量考慮如何影響變壓器的整體運(yùn)行狀態(tài)。

目前變壓器狀態(tài)評價(jià)的方法有多種，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、模糊理論等，都取得了較好的評價(jià)效果，但是考慮直流偏磁影響的工作鮮有報(bào)道。文獻(xiàn)[6]雖然考慮了直流偏磁對變壓器狀態(tài)評估的影響，但其評價(jià)方法采用人工經(jīng)驗(yàn)法，評價(jià)結(jié)果易受主觀影響。

基于此，提出了考慮直流偏磁影響的變壓器狀態(tài)分析及量化評價(jià)方法。首先，從直流偏磁產(chǎn)生的現(xiàn)象出發(fā)，定量分析了直流偏磁對變壓器狀態(tài)的影響；其次，給出了考慮直流偏磁影響的具體表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上，建立了考慮直流偏磁影響的變壓器狀態(tài)量化評價(jià)模型并優(yōu)化了模型的客觀性，使之更能反映變壓器的狀態(tài)；最后，通過實(shí)際案例的對比分析，證明了該方法的有效性，量化了直流偏磁對變壓器狀態(tài)的影響程度。

1 直流偏磁產(chǎn)生原理

當(dāng)直流輸電系統(tǒng)在單極大地回路運(yùn)行、調(diào)試時將產(chǎn)生電位差，直流侵入變壓器中性點(diǎn)，產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象。

當(dāng)直流偏磁發(fā)生時，其磁通變化情況如圖1所示；變壓器交流部分iac和直流量idc疊加為勵磁電流的大小，如式(1)所示。

i=iac+idc

(1)

Hl=Ni

(2)

式中：H為磁場強(qiáng)度；l為主磁路長度；N為線圈匝數(shù)。

將式(1)、式(2)和方程B=μH代入磁通表達(dá)式Φ=BS，可得

(3)

式中：μ為磁導(dǎo)率；S為截面面積。

因此，當(dāng)變壓器中性點(diǎn)電流出現(xiàn)交直流疊加情況時，將出現(xiàn)直流偏磁。與原始磁通相比，疊加后的總磁通多了直流磁通分量，這將使磁化曲線到達(dá)非線性區(qū)域?qū)е妈F芯飽和，產(chǎn)生畸變的勵磁電流，進(jìn)而導(dǎo)致變壓器內(nèi)部振動現(xiàn)象加劇，如圖1所示。同時，由實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)判斷，當(dāng)直流偏磁發(fā)生時，變壓器內(nèi)部振動、噪聲和損耗等單個因素的變化相對不大，因此，通過多維因素疊加評判分析直流偏磁對變壓器狀態(tài)的影響。

圖1 直流偏磁產(chǎn)生原理

2 直流偏磁對變壓器運(yùn)行的影響量化

2.1 對變壓器噪聲的影響

當(dāng)變壓器發(fā)生直流偏磁時，不僅會加劇變壓器的振動頻率，也會導(dǎo)致噪聲的增大。通過分析文獻(xiàn)[7]的噪聲C與中性點(diǎn)直流idc的數(shù)據(jù)，得到了兩者的近似關(guān)系式如式(4)所示。

C=mlg(idc+8)+n

(4)

式中，m和n為常系數(shù)，具體確定方法見第3.1節(jié)。由于變壓器產(chǎn)生的噪聲對其周圍居民的生產(chǎn)生活有直接的影響，因此，在量化評價(jià)變壓器狀態(tài)時，需要考慮居民生產(chǎn)生活可以接受的噪聲水平，這也利于貫徹國家提倡的環(huán)保策略。由此，通過查找有關(guān)噪聲水平的規(guī)定，確定居民區(qū)的最小噪聲標(biāo)準(zhǔn)為45 dB。同時，考慮到變電站和居民區(qū)之間的距離將會產(chǎn)生部分傳播損耗，通過國際通用衰減公式可以計(jì)算噪聲衰減量，如式(5)所示。

(5)

式中：ΔC為噪聲衰減量；d、h分別為變壓器油箱的寬度和高度；L為測量點(diǎn)到箱壁之間的距離。

聯(lián)立式(4)和式(5)可得到不影響居民生產(chǎn)生活的變壓器中性點(diǎn)直流限值。

在找到噪聲與變壓器中性點(diǎn)直流之間的關(guān)系后，進(jìn)而對變壓器的噪聲進(jìn)行量化評價(jià)。下面通過指數(shù)函數(shù)進(jìn)行量化評價(jià)，同時為了方便計(jì)算，將量化數(shù)據(jù)進(jìn)行同向化處理，即量化結(jié)果均在[0,1]區(qū)間內(nèi)，并且數(shù)值越小，影響越小，運(yùn)行狀態(tài)越好。直流偏磁對變壓器噪聲影響的量化表達(dá)式如式(6)所示。

(6)

式中：fl(idc,tn)為考慮直流偏磁后的噪聲評估值，取值范圍為[0，1]；idc為中性點(diǎn)直流電流；tn為噪聲持續(xù)時間；im和is分別為不同噪聲值下的函數(shù)分界值，由式(4)和式(5)計(jì)算所得。

2.2 對變壓器振動強(qiáng)度的影響

由上節(jié)分析可知，鐵芯磁通飽和是使變壓器振動加劇的原因。根據(jù)文獻(xiàn)[4]得到振動位移與磁通的近似正比關(guān)系，同時考慮到振動加速度和振動的劇烈程度對振動的影響，可得到式(7)。

(7)

時間窗口的確定由中性點(diǎn)直流的設(shè)定而定。當(dāng)中性點(diǎn)直流超過設(shè)定的限值時，時間窗口開始計(jì)時并開始計(jì)算能量系數(shù)，直到小于中性點(diǎn)直流設(shè)定值結(jié)束并停止計(jì)算能量系數(shù)。

由上述分析可知，振動強(qiáng)度對變壓器狀態(tài)的影響成正相關(guān)，因此，采用升半梯模型進(jìn)行量化分析，直流偏磁對振動強(qiáng)度影響的量化表達(dá)式如式(8)所示。

(8)

式中：f2(Ec)為考慮直流偏磁后的振動強(qiáng)度評估值，取值范圍為[0，1]；Ece1和Ece2是由式(7)求得的閾值；m2為常系數(shù)，具體確定方法見第3.1節(jié)。

2.3 對變壓器損耗的影響

當(dāng)直流偏磁發(fā)生時，若變壓器長期在此狀態(tài)下，其產(chǎn)生的偏磁電流將會使變壓器的空載和負(fù)載損耗增加。當(dāng)計(jì)及直流偏磁的影響時，通過兩部分進(jìn)行損耗計(jì)算。一是空載損耗的計(jì)算，在2.5個周期內(nèi)分別通過計(jì)算得到的勵磁電流有效值查找相應(yīng)的變壓器空載損耗P1和P2，由此可得到考慮直流偏磁的空載損耗表達(dá)式；二是負(fù)載損耗的計(jì)算，根據(jù)常規(guī)負(fù)載損耗計(jì)算方法進(jìn)行。由此可以得到考慮直流偏磁影響的變壓器損耗計(jì)算公式如式(9)所示。

(9)

式中：Pa為空載損耗；Pl為負(fù)載損耗；P為總損耗；P0為冷卻器容量；IN為負(fù)載電流；Idc為發(fā)生直流偏磁時變壓器中性點(diǎn)的直流電流；ΔT為變壓器油溫的溫升；c、M和R分別為變壓器油比熱容、質(zhì)量以及變壓器損耗等效電阻。

由上述分析可知，變壓器損耗對其狀態(tài)的影響成正相關(guān)，因此，同理采用升半梯模型對其量化分析，直流偏磁對變壓器損耗影響的量化表達(dá)式如式(10)所示。

(10)

式中：f3(P)為取值在0～1之間的變壓器損耗評估值；Pe1和Pe2為計(jì)及直流偏磁對變壓器損耗影響的閾值，由式(9)求得；m3為常系數(shù)，具體確定方法見第3.1節(jié)。

3 直流偏磁對變壓器狀態(tài)影響的量化評價(jià)

3.1 系數(shù)確定方法

在考慮噪聲、振動強(qiáng)度和損耗對變壓器的影響量化中，產(chǎn)生了一些待定系數(shù)以及影響權(quán)重集參數(shù)。文獻(xiàn)[8-11]在處理待定系數(shù)時，采用人工統(tǒng)計(jì)打分方法確定，具有很強(qiáng)的主觀性，而通過使用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS進(jìn)行大數(shù)據(jù)擬合分析，確定這些待定系數(shù)，更具客觀性和可行性，如圖2所示為待定系數(shù)確定流程。

圖2 待定系數(shù)確定流程

確定系數(shù)時，把出現(xiàn)直流偏磁下的變壓器基礎(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)分為擬合數(shù)據(jù)集和驗(yàn)證數(shù)據(jù)集。首先，對基礎(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，去除異常數(shù)據(jù)點(diǎn)；然后，輸入擬合數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合；接著通過驗(yàn)證數(shù)據(jù)集對系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，若驗(yàn)證成功，則確定系數(shù)，若驗(yàn)證失敗，返回到數(shù)據(jù)清洗步驟，更新數(shù)據(jù)庫，再次擬合，直至輸出系數(shù)。

通過上述系數(shù)確定方法，采用實(shí)際運(yùn)行的某220 kV變電站變壓器的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到待定系數(shù)和權(quán)重系數(shù)。

由上可知，系數(shù)確定及量化評價(jià)所需的數(shù)據(jù)有變壓器基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)兩部分?；A(chǔ)數(shù)據(jù)有變壓器的尺寸數(shù)據(jù)，運(yùn)行數(shù)據(jù)包括由振動傳感器監(jiān)測的變壓器本體加速度、采樣時間間隔和采樣數(shù)量、變壓器油溫?cái)?shù)據(jù)以及變壓器勵磁電流、中性點(diǎn)直流電流等運(yùn)行數(shù)據(jù)。同時由于變壓器結(jié)構(gòu)的不同將會導(dǎo)致直流偏磁對變壓器狀態(tài)的影響不同，因此，選取了輸電網(wǎng)常用的三相變壓器和單相自耦變壓器數(shù)據(jù)分別進(jìn)行系數(shù)確定。

根據(jù)待定系數(shù)確定方法可求得不同的變壓器結(jié)構(gòu)類型相關(guān)系數(shù)值如表1、表2所示，其中待定系數(shù)通過發(fā)生直流偏磁時的數(shù)據(jù)擬合而得，權(quán)重系數(shù)通過正常運(yùn)行數(shù)據(jù)和發(fā)生直流偏磁時的數(shù)據(jù)共同作用下擬合而得。

表1 三相式結(jié)構(gòu)相關(guān)系數(shù)值

表2 單相自耦式結(jié)構(gòu)相關(guān)系數(shù)值

3.2 模糊綜合評價(jià)

模糊綜合評價(jià)的基礎(chǔ)是模糊集合論，該理論主要作用是提供受模糊因素影響或?qū)Χ囝愋湍：蛩噩F(xiàn)象分析的評價(jià)方法。模糊關(guān)系可以定量分析主觀性強(qiáng)和邊界不清的因素，并對多類型因素進(jìn)行綜合性評價(jià)。該評價(jià)方法結(jié)果清晰，極具客觀性，是一個好的問題解決思路。

在前述直流偏磁對變壓器運(yùn)行影響量化的基礎(chǔ)上，首先求出噪聲、振動、損耗量化表達(dá)式的相關(guān)系數(shù)；然后將量化表達(dá)式融入模糊綜合評價(jià)中；最后通過模糊綜合評價(jià)方法對變壓器狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)。

采用加權(quán)歸一化后的評分方式對變壓器受直流偏磁影響的狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)，狀態(tài)劃分參照文獻(xiàn)[12-14]進(jìn)行，劃分結(jié)果如表3所示。

表3 變壓器狀態(tài)劃分

變壓器狀態(tài)模糊綜合評價(jià)有如下步驟：

3)建立評估集V。變壓器狀態(tài)評估集由正常狀態(tài)、注意狀態(tài)、異常狀態(tài)、嚴(yán)重狀態(tài)等4類狀態(tài)構(gòu)成。

4)建立隸屬度矩陣。其表示從狀態(tài)變量集F到評估集V的模糊關(guān)系，并從中得到單因素隸屬度D。

(11)

至此，完成了考慮直流偏磁影響的變壓器狀態(tài)分析及量化評價(jià)的模型建立工作。

4 實(shí)例分析

選取距離某2座特高壓直流換流站100 km范圍內(nèi)的220 kV變電站，該變電站的變壓器中性點(diǎn)采用直接接地方式，其型號為SSZ11-180000/220，變壓器結(jié)構(gòu)均為三繞組有載調(diào)壓變壓器，額定容量為180 000/180 000/90 000 kVA，額定電流為386.9 A，空載損耗為82.3 kW，負(fù)載損耗為450 kW，正常運(yùn)行振動加速度為4.2 m/s2，連接組別為YNyn0d11。該變電站投運(yùn)于2016年5月25日，從投運(yùn)至今已產(chǎn)生了多次因直流偏磁而導(dǎo)致的變壓器異常運(yùn)行的情況。

選用三相式結(jié)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)為例，代入初始條件后，按照不考慮直流偏磁影響和考慮直流偏磁影響的變壓器狀態(tài)量化對比評價(jià)，其中D1、D2分別為不考慮直流偏磁影響和考慮直流偏磁影響的評價(jià)結(jié)果，可得結(jié)果如表4所示。

由表4評價(jià)結(jié)果可以看出，當(dāng)考慮直流偏磁影響時，預(yù)測狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)相吻合，而不考慮影響時存在與實(shí)際狀態(tài)不符的情況，如樣本5—6、樣本10—12都出現(xiàn)了狀態(tài)轉(zhuǎn)換。其中樣本6和樣本10由注意狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楫惓顟B(tài)，樣本5和樣本12由正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒁鉅顟B(tài)。同時由樣本6和樣本10以及樣本5和樣本12評價(jià)結(jié)果的量化對比可以看出，當(dāng)考慮直流偏磁轉(zhuǎn)變成異常狀態(tài)時，增加了36%的影響(影響量化結(jié)果以表3的狀態(tài)上限分?jǐn)?shù)為基準(zhǔn)，求取各個樣品的誤差并取平均值，下面影響計(jì)算思路相同)，當(dāng)轉(zhuǎn)變成注意狀態(tài)時，增加了21%的影響，因此可以說明的是考慮直流偏磁對變壓器的狀態(tài)評價(jià)結(jié)果影響顯著。

表4 變壓器狀態(tài)評價(jià)結(jié)果1

另外在考慮直流偏磁的基礎(chǔ)上，以人工法和數(shù)據(jù)擬合法確定系數(shù)為自變量對變壓器狀態(tài)進(jìn)行對比評價(jià)，其中D3、D4為人工法和數(shù)據(jù)擬合法評價(jià)結(jié)果，其結(jié)果如表5所示。

表5 變壓器狀態(tài)評估結(jié)果2

由表5的評價(jià)結(jié)果可以看出，當(dāng)選擇數(shù)據(jù)擬合法時，預(yù)測狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)相吻合，而用人工法時存在與實(shí)際狀態(tài)不符的情況，如樣本4、樣本9、樣本13發(fā)生了狀態(tài)轉(zhuǎn)變，其中樣本4和樣本13由正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒁鉅顟B(tài)，樣本9由注意狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楫惓顟B(tài)。對樣本4和樣本13以及樣本9評價(jià)結(jié)果進(jìn)一步量化，當(dāng)采用數(shù)據(jù)擬合法時，正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變成注意狀態(tài)時增加了29%的影響，注意狀態(tài)轉(zhuǎn)變成異常狀態(tài)時增加了20%的影響。由此，可以證明的是數(shù)據(jù)擬合法更符合實(shí)際狀態(tài)，且比人工法能更加優(yōu)越地對變壓器狀態(tài)量化評價(jià)。同時，可以給運(yùn)行維護(hù)人員提供有效信息，注意變壓器狀態(tài)，合理安排檢修計(jì)劃。

由于所采用的數(shù)據(jù)為220 kV變電站數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)范圍可能具有局限性，因此，通過采集靠近換流站的另一220 kV變電站和某110 kV變電站數(shù)據(jù)用所提方法進(jìn)行分析驗(yàn)證(35 kV因其電壓等級較低，受影響小，因此不考慮該電壓等級)，結(jié)果如表6所示，其中D6為220 kV評價(jià)結(jié)果，D7為110 kV評價(jià)結(jié)果。

表6 變壓器狀態(tài)評價(jià)結(jié)果3

由表6可以看出，220 kV變壓器的評價(jià)結(jié)果與實(shí)際狀態(tài)相比，有2個出現(xiàn)了狀態(tài)轉(zhuǎn)換，即出現(xiàn)2個未能成功評價(jià)的樣本，其成功評價(jià)率為86.67%。具體來說，未成功評價(jià)的樣本6和樣本8評價(jià)結(jié)果與所定義的狀態(tài)量化指標(biāo)相比，其平均誤差率為8.375%，由此可知所提方法在相同電壓等級下的評價(jià)效果較好。同樣地，110 kV變壓器出現(xiàn)3個未能成功評價(jià)的樣本，其成功評價(jià)率為80%。具體上，未成功評價(jià)的樣本1、樣本9和樣本15評價(jià)結(jié)果與所定義的狀態(tài)量化指標(biāo)相比，其平均誤差率為2.68%，由此可知所提方法在不同電壓等級下的評價(jià)效果同樣較好。因此，可以得出所提方法在不同電壓等級下的狀態(tài)評價(jià)同樣適用，工程應(yīng)用性較強(qiáng)。同時，由上述仿真分析可知，通過把2座變電站的實(shí)際狀態(tài)數(shù)據(jù)代入所提模型，判斷變壓器狀態(tài)，其判斷結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)相一致，可以說明的是所采用的狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)是合理的。

在上述仿真的基礎(chǔ)上，分析所提方法對不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)變壓器的適用情況。仿真結(jié)果如表7所示，其中D4、D8分別為三相式和單相式結(jié)構(gòu)評價(jià)結(jié)果。

表7 變壓器狀態(tài)評價(jià)結(jié)果4

由表7可以看出，三相式和單相式評價(jià)結(jié)果分別存在2個和3個未能成功評價(jià)的樣本，其成功評價(jià)率分別為93.33%和96.67%。具體說，三相式結(jié)構(gòu)變壓器未成功評價(jià)的樣本13與所定義的狀態(tài)量化指標(biāo)相比，其平均誤差為25.5%；單相式結(jié)構(gòu)變壓器未能評價(jià)的樣本2、樣本4和樣本9的平均誤差為48.25%。由此可知，所提方法對不同結(jié)構(gòu)的變壓器有較好的適用性，但相對于單相式結(jié)構(gòu)變壓器，所提評價(jià)方法更適合于三相式變壓器。

5 結(jié) 論

從直流偏磁的原理出發(fā)，通過考慮直流偏磁對換流站附近變電站變壓器的影響并進(jìn)行了量化評價(jià)，有如下結(jié)論：

1)從直流偏磁的角度，分析了直流偏磁對變壓器噪聲、振動強(qiáng)度和損耗的影響，給出了考慮直流偏磁的量化表達(dá)式和相應(yīng)模型。

2)為了避免人工經(jīng)驗(yàn)的主觀性，采用數(shù)據(jù)擬合的方式確定模型中的待定系數(shù)，由實(shí)例仿真可知，采用數(shù)據(jù)擬合的方式能顯著提高預(yù)測精度，更加準(zhǔn)確地預(yù)測變壓器的狀態(tài)。

3)采用模糊評價(jià)法對模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，與不考慮直流偏磁影響和采用人工法確定系數(shù)的模型對比，得到了考慮直流偏磁影響和采用數(shù)據(jù)擬合法的模型更加符合變壓器實(shí)際狀態(tài)；同時所提方法對不同電壓等級和不同結(jié)構(gòu)的變壓器狀態(tài)評價(jià)具有普適性，工程應(yīng)用性好，使運(yùn)行維護(hù)人員能更加高效地制定檢修計(jì)劃，提升了工作效率。