CN110297167B - 一种基于多源信息融合的变压器老化状态评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多源信息融合的变压器老化状态评价方法，方法包括以下步骤：测量变压器的绝缘油中溶解的CO₂和糠醛含量，分别基于所述CO₂和糠醛含量得到变压器的绝缘纸板的聚合度，施加预定幅值和频率的交流电压到所述变压器以测量输出电流的相位和幅值，获得介电常数实部和虚部的频谱曲线，提取特征参量以得到绝缘纸板的含水量，统计变压器历史负载数据以计算变压器的绕组平均热点温度，基于所述聚合度、含水量和平均热点温度建立动力学模型以监测变压器老化水平。

Description

一种基于多源信息融合的变压器老化状态评价方法

技术领域

本发明属于电力变压器领域，特别是一种基于多源信息融合的变压器老化状态评价方法。

背景技术

油纸复合绝缘是油浸式电力变压器的核心，其在设备长期运行过程中，不可避免受到电、热、机械及环境等多种应力联合作用而出现老化/劣化现象，引起绝缘性能逐渐衰退，从而引发绝缘失效或严重时形成击穿事故。虽然电力变压器在日常运行维护中已采取了定期滤油、换油等技术手段以保障绝缘油理化及绝缘性能，但对绕组及围屏的绝缘纸(板)却作用相当有限，且随着设备运行年限的增加或由于应力集中等因素，绝缘纸(板)会逐渐老化，且绝缘纸(板)难以进行现场处理。当绝缘纸(板)由于长期老化导致机械性能明显下降时，若发生突发性短路等引起绕组变形后，会导致绝缘纸(板)的形变、撕裂，进而导致其耐电性能急剧下降，进而发生绝缘击穿等的恶性事故。因此，油浸式电力变压器的老化机理及其状态评估长期以来一直是国内外电气工程领域一个重要课题。同时，相比于国际电力装备及运维水平，目前我国电力变压器呈现出服役时间偏低、寿命周期较短、经济效益较差等问题。究其原因，这不仅与我国变压器的装备制造能力有关，也与生产管理体系中技术政策密切相关。由于缺乏科学的设备退役理论及实践依据，对于现场老旧变压器的处理，往往采取“一刀切”的简单粗暴管理方式，片面追求变压器的先进性和可靠性，对不同运行状况下的变压器采用相同标准处置，甚至人为设定变压器的退役年限，存在着“矫枉过正”现象。通过简单更换来处理老旧设备，势必会降低经营效益，无法满足电力系统资产全寿命管理体系建设需要。亟需开展电力变压器老化状况评估和寿命预测技术研究，以准确掌握电力变压器老化状态和剩余寿命，可为电力变压器全寿命管理提供基本准则。

在重视电力安全的今天，变电站现场围绕变压器这一核心设备布置了众多测量变压器状态的传感器或检测装置，但对于众多检测装置的运用又停留在基于相关规程定性分析的较为初级的阶段。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

本发明针对上述问题，给出了一种基于多源信息融合的变压器老化状态评价方法，选取了三种可以有效反映变压器老化状态的监测参量，利用三种方法综合评估并结合变压器内部的运行工况温度，实现多源信息融合的变压器绝缘老化状态的测量。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于多源信息融合的变压器老化状态评价方法包括以下步骤：

第一步骤中，测量变压器的绝缘油中溶解的CO₂和糠醛含量，分别基于所述CO₂和糠醛含量得到变压器的绝缘纸板的聚合度，

第二步骤中，施加预定幅值和频率的交流电压到所述变压器以测量输出电流的相位和幅值，获得介电常数实部和虚部的频谱曲线，提取特征参量以得到绝缘纸板的含水量，

第三步骤中，统计变压器历史负载数据以计算变压器的绕组平均热点温度，

第四步骤中，基于所述聚合度、含水量和平均热点温度建立动力学模型以监测变压器老化水平。

所述的方法中，第一步骤中，基于油色谱设备测量变压器的绝缘油中溶解的CO₂含量，基于色谱柱读取油中CO₂含量，CO₂含量中包括CO，CO₂含量与聚合度之间的定量关系为：

其中，DP为聚合度，CO、CO₂为CO₂含量，a、b为常数系数。

所述的方法中，第一步骤中，糠醛含量与聚合度之间的定量关系为：

其中，DP为聚合度，furfural为糠醛含量，a、b为常数系数。

所述的方法中，第一步骤中，变压器的绝缘纸板的聚合度为基于所述CO₂含量得到聚合度与基于所述糠醛含量得到聚合度的加权值。

所述的方法中，第二步骤中，施加幅值为200V，频率范围为10^-3Hz-10³Hz的交流电压到所述变压器以测量输出电流的相位和幅值，获得介电常数实部和虚部的频谱曲线，选取介电常数虚部的频谱曲线进行函数拟合，

其中，

其中σ₀为直流电导量，ε₀为真空介电常数，Δε为高频和低频下材料介电常数之差，α和β为与材料相关的修正系数，选取参量σ₀建立与水含量关系以得到绝缘纸板的含水量，其中，

A₀＝0.45、B₀＝0.16、C₀＝0.01。

所述的方法中，第四步骤中，基于特征参量α、β建立与所述聚合度之间的定量关系，α＝α₀+D₀/DP，β＝β₀+E₀e^-(DP/DP0)，

其中，各待定系数α₀＝0.43、D₀＝4.98×10^-4/h^-1、β₀＝0.23、E₀＝0.64，DP为实时测量的聚合度，而DP₀为基于IEC标准的状态良好绝缘纸板参照聚合度，取值在1200-1300之间。

所述的方法中，第三步骤中，统计变压器历史负载数据以计算变压器的绕组平均热点温度，历史负载中每段负载周期内的顶层油温升ΔΘ_T0和热点相对顶层油的温升ΔΘ_H呈指数变化，顶层油温升和热点相对顶层油的温升呈线性变化，当将变压器历史负载平均划分为N段，第j段(j＝1，2，…，N)，负载周期内绕组热点相对于环境温度的平均温升可由下式表示：

式中，ΔΘ_H/A为变压器绕组热点相对顶层油的温升，ΔΘ_H，U为变压器负载为下时绕组热点相对顶层油的终点温升；ΔΘ_H，为t＝0时变压器负载下时绕组热点相对顶层油的起始温升，上述参数在所取时间段内通过现场测温装置读取获得。

所述的方法中，第三步骤中，测量负载周期内的平均环境温度

变压器的平均绕组热点温度

为：

所述的方法中，第四步骤中，所述动力学模型结合所得平均热点温度数据，根据所述两种油中溶解物含量分析算法以及基于频域谱的分析算法，得到三个聚合度值，取其中最低值作为参考量，代入经典纤维素裂解一阶动力学模型进行剩余寿命评估，所述动力学模型表达式为

式中，A为相关系数，Ea为活化能，式中均已给出其赋值，L为绝缘纸剩余寿命，DPend为寿命终点设定的纸板最终聚合度，其值根据需求而定，通常情况低于400，DPO为基于所述算法测出的最严苛当前聚合度，R为摩尔气体常数，T为所述算法计算所得的热点温度。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

本方法公开了一种基于多源信息融合的一种基于多源信息融合的变压器老化状态评价方法，能够充分利用现场可测得的各类信息，基于大量的可靠试验和研究所形成的有效成果，实现绝缘状态从定性判断到定量评估的转变，显著提高监测精度。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是本发明所述的一种基于多源信息融合的变压器老化状态评价方法的步骤示意图；

图2是本发明所述的一种基于多源信息融合的变压器老化状态评价方法的流程示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，图1是根据本发明一个实施例的一种基于多源信息融合的变压器老化状态评价方法的步骤示意图，如图1所示，一种基于多源信息融合的变压器老化状态评价方法包括以下步骤：

第一步骤S100中，测量变压器的绝缘油中溶解的CO₂和糠醛含量，分别基于所述CO₂和糠醛含量得到变压器的绝缘纸板的聚合度，

第二步骤S200中，施加预定幅值和频率的交流电压到所述变压器以测量输出电流的相位和幅值，获得介电常数实部和虚部的频谱曲线，提取特征参量以得到绝缘纸板的含水量，

第三步骤S300中，统计变压器历史负载数据以计算变压器的绕组平均热点温度，

第四步骤S400中，基于所述聚合度、含水量和平均热点温度建立动力学模型以监测变压器老化水平。

本发明通过利用变电站现场易于测量的CO₂和糠醛含量、频域介电谱图谱、环境温度以及变压器顶层油温等参量，通过建立各参量与能够有效反映老化状态的参量聚合度之间的相关关系，并充分考虑运行变压器在负载状态下热点温度对评估和测量的影响，提出了定量评估变压器绝缘状态的多源信息融合监测方法，为变电站中电力设备的状态检修提出有效的辅助决策，维护电力系统的供电安全，又同时避免检修中可能出现“矫枉过正”情况，以节省高昂的间隙和设备更换成本。

为了进一步理解本发明，在一个实施例中，参见图2，其中，模块1表示基于油中溶解CO₂和糠醛含量的油纸绝缘老化状态测量；模块2表示基于FDS的绝缘纸板老化状况诊断和水分含量测量；模块3表示基于负载情况的变压器绕组热点温度计算；模块4表示融合水分和温度影响的油纸绝缘寿命模型。利用模块1通过分析变压器油中溶解化学特征参量，来监测变压器当前所处的绝缘纸板老化状态，即绝缘纸板聚合度DP值；模块2通过测量变压器油纸绝缘的频域介电谱曲线并提取有效特征参量，来诊断绝缘纸板的老化状况和水分含量。因此，通过模块1和模块2的诊断方法可以分别从理化和电气参量两个方面来诊断变压器绝缘纸板的老化状态，得到变压器油纸绝缘等值聚合度DP值及含水量。模块3通过对变压器历史负载数据的分析，预测变压器未来的绕组平均热点温度。模块4重点研究融合温度和水分影响的变压器绝缘纸板寿命预测模型。将模块1和模块2得到的DP输入模块4，结合模块2得到的水分含量和模块3得到的平均热点温度，输入模块4融合温度和水分影响的聚合度降解动力学模型，可得到变压器固体绝缘从当前老化状态降解至寿命终点所需要的时间，即变压器绝缘剩余寿命。

在一个实施方式中，需要强调的是，本发明选取聚合度DP为表征绝缘结构老化的最直观参量，由于聚合度在现场设备检测过程中无法有效获取，所选取的CO₂和糠醛含量以及频域介电谱等均现场可获取参量均分别建立与聚合度之间的定量关系，并最终给出一个聚合度量作为表征变压器老化状态的有效参量实现老化监测。

油中溶解CO₂含量的数据来源于现场变压器的油色谱设备，通过色谱柱的分离原理与相关传感器读取油中CO₂含量，按照下列公式建立CO₂含量与聚合度之间的定量关系；

油中溶解糠醛含量的数据来源于现场变压器的绝缘油取样后离线检测，通过离线检测获取油中糠醛含量，按照下列公式建立糠醛含量与聚合度之间的定量关系；

将所述基于频域介电谱(FDS)的绝缘纸板老化及水分状况诊断评估方法，通过专用现场测量设备(目前主流设备为IDAX-300和DIRANA 2.0)，对变压器输出幅值为200V，频率范围为10^-3Hz-10³Hz的一系列交流电压，通过测量输出电流的相位和幅值，获得介电常数实部和虚部的频谱曲线。

进一步的，选取介电常数虚部的频谱曲线进行函数拟合，基于经典电介质物理的相关理论，其拟合方程如下所示。

其中σ₀为直流电导量，ε₀为真空介电常数，Δε为高频和低频下材料介电常数之差，α和β为与材料相关的修正系数，选取参量σ₀建立与水含量关系以得到绝缘纸板的含水量。进一步的，所述虚部频谱拟合函数可以提供六个特征参量表征变压器的绝缘状态，经相关实验验证后，选取参量σ₀建立与水分的定量关系如下所示。

其中待定系数分别为A₀＝0.45、B₀＝0.16、C₀＝0.01

进一步的，所述特征参量中α、β用以建立和聚合度之间的定量关系以评估老化。经相关验证，其定量关系如下。

α＝α₀+D₀*t

其中，α₀＝0.43、D₀＝4.98×10^-4/h^-1、β₀＝0.23、E₀＝0.64。

进一步，基于特征参量α、β建立与所述聚合度之间的定量关系，α＝α₀+D₀/DP，β＝β₀+E₀e^-(DPDP0)，其中，各待定系数α₀＝0.43、D₀＝4.98×10^-4/h^-1、β₀＝0.23、E₀＝0.64，DP为实时测量的聚合度，而DP₀为基于IEC标准的状态良好绝缘纸板参照聚合度，取值在1200-1300之间。基于负载情况的变压器绕组热点温度计算中，根据IEEE C57.91-2011标准，假设每段负载周期内的顶层油温升ΔΘ_T0和热点相对顶层油的温升ΔΘ_H呈指数变化规律。假设变压器每段负载周期内，顶层油温升和热点相对顶层油的温升呈线性变化。当有负载情况记录的周期内，将变压器负载平均划分为N段，第j段(j＝1，2，…，N)，负载周期内绕细热点相对于环境温度的平均温升可由下式表示。

进一步地，在现场测量中，负载周期内的平均环境温度为

可测量，因此变压器的平均绕组热点温度

为可用下列公式获得。

所述动力学模型是基于上述多种检测手段的相关算法，通过筛选出的参量所推演出的绝缘寿命表征参量——聚合度，并考虑负载的变压器内部热点温度，提出可应用于现场的、融合了现场多源信息的变压器绝缘状态监测方法。

所述的方法的优选实施方式中，第一步骤S100中，基于油色谱设备测量变压器的绝缘油中溶解的CO₂含量，基于色谱柱读取油中CO₂含量，CO₂含量中包括CO，CO₂含量与聚合度之间的定量关系为：

其中，DP为聚合度，CO、CO₂为CO₂含量，a、b为常数系数。

所述的方法的优选实施方式中，第一步骤S100中，糠醛含量与聚合度之间的定量关系为：

其中，DP为聚合度，furfural为糠醛含量，a、b为常数系数。

所述的方法的优选实施方式中，第一步骤S100中，变压器的绝缘纸板的聚合度为基于所述CO₂含量得到聚合度与基于所述糠醛含量得到聚合度的加权值。

所述的方法的优选实施方式中，第二步骤S200中，施加幅值为200V，频率范围为10^-3Hz-10³Hz的交流电压到所述变压器以测量输出电流的相位和幅值，获得介电常数实部和虚部的频谱曲线，选取介电常数虚部的频谱曲线进行函数拟合，

其中，

选取参量σ₀建立与水含量关系以得到绝缘纸板的含水量，

其中，

A₀＝0.45、B₀＝0.16、C₀＝0.01。充分考虑了频域介电谱在宽频带内取数据信息丰富的优势，提出了分频段取特征参量分别对绝缘结构的受潮和老化两种不同缺陷进行区分和监测的思路，分别建立两种缺陷参数与频域介电谱特征参量之间的对应关系实现分别监测。

所述的方法的优选实施方式中，第四步骤S400中，基于特征参量α、β建立与所述聚合度之间的定量关系，α＝α₀+D₀*t

其中，α₀＝0.43、D₀＝4.98×10^-4/h^-1、β₀＝0.23、E₀＝0.64。

所述的方法的优选实施方式中，第三步骤S300中，统计变压器历史负载数据以计算变压器的绕组平均热点温度，历史负载中每段负载周期内的顶层油温升ΔΘ_T0和热点相对顶层油的温升ΔΘ_H呈指数变化，顶层油温升和热点相对顶层油的温升呈线性变化，当将变压器历史负载平均划分为N段，第j段(j＝1，2，…，N)，负载周期内绕组热点相对于环境温度的平均温升可由下式表示：

绕组热点温度为正常工况下变压器局部最热部位，其附近绝缘结构理应为整个系统的薄弱点，因此通过对绕组温度进行测算，并代入相关函数模型，可以可靠推算绕组热点附近的绝缘状态。

所述的方法的优选实施方式中，第三步骤S300中，测量负载周期内的平均环境温度

变压器的平均绕组热点温度

为：

所述绕组热点温度计算方法所需的参量为环境温度与顶层油温，均为现场易测得的常规参量，保证了所述方法在现场实施的便捷性。

所述的方法的优选实施方式中，第四步骤S400中，所述动力学模型

结合所得平均热点温度数据，根据所述两种油中溶解物含量分析算法以及基于频域谱的分析算法，得到三个聚合度值，取其中最低值作为参考量，代入经典纤维素裂解一阶动力学模型进行剩余寿命评估，所述动力学模型表达式为

式中，A为相关系数，Ea为活化能，式中均已给出其赋值，L为绝缘纸剩余寿命，DPend为寿命终点设定的纸板最终聚合度，其值根据需求而定，通常情况低于400，DP0为基于所述算法测出的最严苛当前聚合度，R为摩尔气体常数，T为所述算法计算所得的热点温度。

本发明综合了基于油中溶解CO₂和糠醛含量的油纸绝缘老化监测，基于频域介电谱(FDS)的绝缘纸板老化及水分状况诊断和基于负载情况的变压器绕组热点温度计算，充分考虑多种参量评估结果的权重及基于负载状态下变压器内部温度对测量结果的影响，融合现场采集数据的多源信息实现诊断，为变压器的绝缘寿命预测提供有效参数。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (6)

1.一种基于多源信息融合的变压器老化状态评价方法，所述方法包括以下步骤：

第一步骤（S100）中，测量变压器的绝缘油中溶解的CO₂和糠醛含量，分别基于所述CO₂和糠醛含量得到变压器的绝缘纸板的聚合度，

第二步骤（S200）中，施加幅值为200V，频率范围为10^-3 Hz -10³Hz的交流电压到所述变压器以测量输出电流的相位和幅值，获得介电常数实部和虚部的频谱曲线，提取特征参量以得到绝缘纸板的含水量,选取介电常数虚部的频谱曲线进行函数拟合，

+σ ₀ /ε ₀ ω，其中，

，

其中σ₀为直流电导量，ε₀为真空介电常数，Δε为高频和低频下材料介电常数之差，α和β为与材料相关的修正系数，选取参量σ ₀ 建立与水含量关系以得到绝缘纸板的含水量，其中，

A ₀=0.45、B ₀=0.16、C ₀=0.01，

第三步骤（S300）中，统计变压器历史负载数据以计算变压器的绕组平均热点温度，其中，历史负载中每段负载周期内的顶层油温升

和热点相对顶层油的温升

呈指数变化，顶层油温升和热点相对顶层油的温升呈线性变化，当将变压器历史负载平均划分为N段，第j段（j = 1, 2, …, N），负载周期内绕组热点相对于环境温度的平均温升可由下式表示：

； 式中，

为变压器绕组热点相对顶层油的温升，

为变压器负载为下时绕组热点相对顶层油的终点温升；

_, 为 t=0时变压器负载下时绕组热点相对顶层油的起始温升，参数在所取时间段内通过现场测温装置读取获得，

第四步骤（S400）中，基于所述聚合度、含水量和平均热点温度建立动力学模型以监测变压器老化水平, 基于所述平均热点温度，根据两种油中溶解物含量分析算法以及基于频域谱的分析算法，得到三个聚合度值，取其中最低值作为参考量，代入经典纤维素裂解一阶动力学模型进行剩余寿命评估，所述动力学模型表达式为

式中，A为相关系数，Ea为活化能，式中均已给出其赋值，L为绝缘纸剩余寿命，DPend为寿命终点设定的纸板最终聚合度，其值根据需求而定，DP0为基于所述算法测出的最严苛当前聚合度，R为摩尔气体常数，T为所述算法计算所得的热点温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，第一步骤（S100）中，基于油色谱设备测量变压器的绝缘油中溶解的CO₂含量，基于色谱柱读取油中CO₂含量，CO₂含量中包括CO，CO₂含量与聚合度之间的定量关系为：

，

其中，DP为聚合度，CO、CO₂ 为CO₂含量，a、b为常数系数。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，第一步骤（S100）中，糠醛含量与聚合度之间的定量关系为：

，

其中，DP为聚合度，furfural为糠醛含量，a、b为常数系数。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，第一步骤（S100）中，变压器的绝缘纸板的聚合度为基于所述CO₂含量得到聚合度与基于所述糠醛含量得到聚合度的加权值。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，第四步骤（S400）中，基于特征参量

、

建立与所述聚合度之间的定量关系，

，

其中，各待定系数

=0.43、D ₀=4.98×10^-4/h^-1、

=0.23、E ₀=0.64,DP为实时测量的聚合度，而DP₀为基于IEC标准的状态良好绝缘纸板参照聚合度，取值在1200-1300之间。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，第三步骤（S300）中，测量负载周期内的平均环境温度

，变压器的平均绕组热点温度

为：

。

Images