三比值法變壓器故障診斷范文

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隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全社會對能源需求穩(wěn)步提高，全國發(fā)、輸、配電容量不斷增加，整個(gè)電力系統(tǒng)隨之也變得越來越龐大和復(fù)雜，眾多大型油浸式變壓器逐漸應(yīng)用于電網(wǎng)中，電力變壓器作為承擔(dān)電壓轉(zhuǎn)換、電能輸送以及分配的關(guān)鍵電氣設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性，一旦大型變壓器出現(xiàn)故障,輕則導(dǎo)致設(shè)備受損損壞,重則將引發(fā)整個(gè)電力系統(tǒng)事故停電造成危害,甚至?xí)l(fā)生火災(zāi),引起人員傷亡,對國民經(jīng)濟(jì)造成重大損失。所以，必須最大程度地防止和減少變壓器故障和事故的發(fā)生，如何更早更準(zhǔn)確地判斷出變壓器的故障成為人們亟待解決的關(guān)鍵問題。近年來，電力工作者們總結(jié)出了一套行之有效的變壓器故障診斷方法，即油中溶解氣體分析法，簡稱DGA（DissolvedGasAnalysis），油中溶解氣體分析法主要通過檢測氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等變壓器絕緣油中溶解氣體的組分以及含量來判斷故障類型，這種檢測方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于不需要變壓器等被監(jiān)測設(shè)備停電[1]，便可對變壓器內(nèi)部的初期故障進(jìn)行識別，從而有利于提前采取有效措施，減少損失。現(xiàn)階段進(jìn)行基于油中溶解氣體的變壓器故障診斷主要采用三比值法，孫大根、牛高遠(yuǎn)等人都直接嘗試將其應(yīng)用于變壓器故障診斷中。然而實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的三比值法存在一些明顯不足，診斷準(zhǔn)確性有待提高且存在局限性。

1改進(jìn)型三比值法

為解決傳統(tǒng)三比值法的不足，引入模糊聚類算法將其與三比值法相結(jié)合，形成了改進(jìn)型三比值法，用以進(jìn)行基于油中溶解氣體的變壓器故障診斷。

1.1傳統(tǒng)三比值法進(jìn)行變壓器故障診斷依據(jù)油中溶解氣體類型與變壓器內(nèi)部故障性質(zhì)之間的對應(yīng)關(guān)系，國內(nèi)外提出了多種變壓器故障診斷方法，診斷步驟通常可分為兩步，第一步先判斷有無故障，第二步判斷故障的性質(zhì)和類型。

1.1.1有無故障的判別判斷有無故障通常依據(jù)國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，判斷相應(yīng)氣體含量是否超過了注意值，《變壓器油中溶解氣體分析與判斷導(dǎo)則》中規(guī)定的溶解氣體的注意值如表1所示。當(dāng)總烴或者乙炔或氫氣的含量超過了表中所述的注意值時(shí)即代表此時(shí)變壓器很有可能有故障發(fā)生。

1.1.2故障類型的判別三比值法作為Rogers比值法[2]的改進(jìn)已經(jīng)成為當(dāng)前基于DGA的變壓器故障診斷常用方法。首先計(jì)算出C2H2/C2H4（AE）、CH4/H2（MH）、C2H4/C2H6（EE）的比值，根據(jù)比值大小分別編碼為0、1、2，其編碼規(guī)則見表2。由表2可知，編碼規(guī)則中邊界點(diǎn)分別為0.1、1、3，其值是根據(jù)人們多年的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而來的。從表2可知，依據(jù)比值的邊界點(diǎn)進(jìn)行氣體比值的具體編碼，當(dāng)氣體比值位于不同邊界范圍內(nèi)時(shí)將會得到不同的比值編碼。再根據(jù)編碼組判別出最終的變壓器故障類型。其診斷方法如表3所示。表3中，0-1-2代表其值可以是0或者1或者2。變壓器的故障對應(yīng)有過熱故障、電弧放電故障以及局部放電故障等幾種類型。將表3與氣體比值編碼表對應(yīng)后可以發(fā)現(xiàn)，故障類型編碼組合并不包含所有的氣體比值編碼組合，這也正是三比值法的一處不足之處。

1.1.3傳統(tǒng)三比值法的不足雖然三比值法在當(dāng)前的變壓器故障診斷中應(yīng)用較廣，故障診斷準(zhǔn)確率為80%左右[3]，但是依據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)人們總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的三比值法依舊存在一些不足，具體表現(xiàn)如下：（1）當(dāng)選定的氣體比值處于編碼規(guī)則對應(yīng)的邊界位置時(shí)，常常容易造成錯誤的判斷，主要是因?yàn)榉纸琰c(diǎn)0.1、1、3的選擇往往是基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的統(tǒng)計(jì)分析，在統(tǒng)計(jì)分析的過程中難免會忽略一些信息，從而對最終的診斷結(jié)果產(chǎn)生不利影響。實(shí)際工程應(yīng)用中不可避免會產(chǎn)生容許范圍內(nèi)的誤差，此時(shí)，若比值位于編碼的分界點(diǎn)時(shí)則往往容易引起編碼出現(xiàn)大的不同，最終產(chǎn)生誤判。（2）現(xiàn)有三比值法中往往一種故障對應(yīng)于一組特定的比值，而對照故障類型診斷表可知表中并沒有包含所有的編碼組合，所以實(shí)際診斷過程中易產(chǎn)生漏判。

1.2模糊C-均值聚類算法基本原理Bezdek在20世紀(jì)80年代提出了模糊C-均值聚類算法，該算法是硬C-均值聚類算法的改進(jìn)[4]，其基本原理為：通過不斷地調(diào)整隸屬度矩陣以及聚類中心，使樣本中的每個(gè)點(diǎn)到每個(gè)中心的距離之和達(dá)到最小或滿足終止條件。最終用[0,1]之間的值來表示每個(gè)對象隸屬于某一類的程度。通過式（4）和（5）即可以進(jìn)行迭代算法求得新的隸屬矩陣。

1.3基于FCM算法的三比值法改進(jìn)將FCM算法與三比值法進(jìn)行結(jié)合，既可以利用傳統(tǒng)三比值法的優(yōu)勢，又能以樣本的形式將三比值法進(jìn)行完善。進(jìn)行變壓器故障診斷時(shí)常將變壓器故障劃分為9種類型。即：故障1對應(yīng)低溫過熱故障（<150℃），故障2對應(yīng)低溫過熱（150℃~300℃），故障3對應(yīng)中溫過熱（300℃~700℃），故障4對應(yīng)高溫過熱（>700℃），故障5對應(yīng)局部放電，故障6對應(yīng)低能放電，故障7對應(yīng)低能放電兼過熱，故障8對應(yīng)電弧放電，故障9對應(yīng)電弧放電兼過熱。以上所述的故障類型可以構(gòu)成變壓器的故障特征空間F={F1-F9}，為此，任何一組待診斷故障樣本均在特征空間中對應(yīng)于一個(gè)子空間。即如果有數(shù)據(jù)樣本x，則依據(jù)FCM聚類診斷的思想，會有一個(gè)模糊隸屬矩陣向量R來描述樣本屬于不同故障特征子空間的程度。進(jìn)行變壓器DGA故障診斷時(shí)常將H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H6氣體成分作為數(shù)據(jù)的構(gòu)成。其中，1~9分別對應(yīng)9種不同的故障類型，矩陣?yán)锩娴脑胤謩e對應(yīng)不同故障類型所代表的H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H6氣體含量。為了進(jìn)一步提高各類的屬性特征差異，在5種氣體種類組分含量的基礎(chǔ)上結(jié)合了三比值編碼。如此，故障數(shù)據(jù)樣本的屬性指標(biāo)由5個(gè)變成了8個(gè)。上式中，1對應(yīng)故障類型F1，其他的各行以此類推。當(dāng)有多組編碼對應(yīng)同一個(gè)故障類型時(shí)，可只取其一組即可。如q對應(yīng)的電弧放電兼過熱故障，其在表3三比值法故障類型判斷中有“220”，“221”和“222”三種比值，此時(shí)只需取“222”。以此類推可得其他故障類型對應(yīng)的編碼。通過對收集到的近150多臺次變壓器故障油中溶解氣體的數(shù)據(jù)分析，并經(jīng)過歸納、分析后可得如下所示的故障特征樣本[5]。其中，為數(shù)據(jù)樣本的集合。9行代表9組變壓器故障征兆中的特征樣本。對于一個(gè)新的待診斷的數(shù)據(jù)樣本，其故障類型屬于上述故障特征空間中的某一個(gè)子空間。因此，最終必然存在一個(gè)模糊隸屬陣用來刻畫屬于不同故障類型的隸屬程度。FCM聚類的數(shù)據(jù)樣本集合由9組故障征兆的特征樣本與待診斷的數(shù)據(jù)樣本一起構(gòu)成即：在該矩陣中，最后一行分別代表待診斷的數(shù)據(jù)樣本的特征氣體H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H6氣體的組分含量以及通過改良三比值法計(jì)算出的比值編碼。由于該矩陣中數(shù)據(jù)樣本以及待診數(shù)據(jù)一起有10行，因此，為了與9組故障征兆特征樣本的順序相對應(yīng)，模糊隸屬矩陣可表示為9×10階的矩陣。上述隸屬矩陣中共由9行組成，每列數(shù)值分別表示一組樣本數(shù)據(jù)所對應(yīng)的故障類型分別隸屬于9種故障的程度。為此，進(jìn)行故障診斷時(shí)只需要將待診樣本置于最后一行，然后找出最后一列中最大數(shù)值所在的行，根據(jù)行的數(shù)值就可得到對應(yīng)的故障類型。

2改進(jìn)型三比值法的實(shí)例驗(yàn)證與性能對比

為檢驗(yàn)改進(jìn)型三比值法在變壓器故障診斷方面的性能，使用Matlab構(gòu)建改進(jìn)型三比值法的仿真模型，并借此進(jìn)行實(shí)例分析以及與傳統(tǒng)三比值對比。

2.1Matlab實(shí)現(xiàn)為了提高運(yùn)算速度以及減小運(yùn)算時(shí)間，在進(jìn)行FCM算法時(shí)首先需要將模糊隸屬矩陣初始化。初始化的規(guī)則為：由于在數(shù)據(jù)樣本集合中，前9組的數(shù)據(jù)樣本都一一對應(yīng)于9類不同的故障類型，所以可將其隸屬度ii設(shè)置為1，ij設(shè)置為0。而最后一組待診樣本進(jìn)行初始化時(shí)其對應(yīng)的各故障類型相等，為此可將其最后一列設(shè)置為1/9。依據(jù)上述設(shè)置規(guī)則，初始的隸屬矩陣如下。在FCM聚類算法中，其他初值的設(shè)定規(guī)則為：由于有9種典型故障，為此將聚類數(shù)c設(shè)定為9，數(shù)據(jù)集合的樣本數(shù)=10，聚類分析所采用的距離度量標(biāo)準(zhǔn)為歐幾里德距離，加權(quán)指數(shù)設(shè)為2。借助于Matlab強(qiáng)大的FCM工具箱，可以快速進(jìn)行FCM聚類算法，整個(gè)聚類算法的流程圖如圖1所示。

2.2實(shí)例驗(yàn)證某變電站2號主變，對其進(jìn)行油色譜分析，測得的氣體含量為：H2=95，CH4=110，C2H6=160，C2H4=50，C2H2=0，三比值編碼為020。將初始條件代入后在Matlab中進(jìn)行FCM迭代運(yùn)算可得隸屬矩陣輸出值。其值如表4所示。根據(jù)隸屬矩陣U最后一列最大值所處的行數(shù)即可判斷出該樣本數(shù)據(jù)所對應(yīng)的變壓器故障類型。例如，表5的矩陣第10列中最大的值位于第2行，其值為0.8737，代表此時(shí)的故障類型為數(shù)據(jù)集合第2行所表示的故障類型，即低溫過熱故障。實(shí)際檢查發(fā)現(xiàn)是由于分接開關(guān)接觸不良引起的故障，與診斷結(jié)果相符。

2.3與傳統(tǒng)三比值法的對比為了對比分析改進(jìn)型三比值法在變壓器故障診斷方面的性能，通過歷年碩博士論文以及有關(guān)變壓器油中溶解氣體分析的著作，隨機(jī)選取如下所示的變壓器油中溶解氣體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。用于比較傳統(tǒng)三比值法以及本文所提出的方法性能。由表5可知，改進(jìn)型三比值法不僅能夠?qū)鹘y(tǒng)三比值法正常編碼的故障進(jìn)行正確診斷，還能對傳統(tǒng)三比值法無法編碼的變壓器故障進(jìn)行診斷。能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)三比值法編碼缺失的不足，改進(jìn)型三比值法可診斷范圍更寬，較傳統(tǒng)三比值法優(yōu)異。

3結(jié)論

基于油中溶解氣體分析的變壓器故障診斷方法經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證具有較高的準(zhǔn)確度，得到了較廣的應(yīng)用。針對傳統(tǒng)三比值法存在準(zhǔn)確度不高、診斷范圍受限的實(shí)際，對傳統(tǒng)三比值法進(jìn)行了改進(jìn)，即將模糊聚類算法與三比值法相結(jié)合用以診斷變壓器故障。實(shí)踐證明，改進(jìn)型三比值法能夠克服傳統(tǒng)三比值法診斷范圍受限的缺點(diǎn)。

作者：吳生特 歐陽敏 侯小文 李強(qiáng) 單位：湖南五凌電力工程有限公司