引言

变压器绝缘性能是由变压器绕组、套管以及油箱密封圈等多个部件的绝缘劣化程度共同决定。由于绕组处于交变电磁场、局部放电、热点文图以及机械振动环境中，绝缘劣化会更加显著。所以通过对变压器绕组绝缘劣化情况进行评估就可以实现对整个变压器绝缘劣化情况确定，更好地保障变压器的安全运行。传统的变压器绕组绝缘劣化评估主要通过对油中糠醛量、甲醇量以及水含量的测定来进行，虽然在一定程度上能够对变压器绕组绝缘劣化情况进行反映，但是这种方式需要通过变压器检修过程中对绝缘油进行采样才能够实现，无法实现在线连续评价。为了实现在线连续的变压器绕组绝缘劣化评估，本文构建了基于物联感知数据和张量融合的变压器绕组绝缘劣化评价方法，充分结合电、热和机械裂化等因素来进行绕组裂化指标的构建，实现对变压器绕组绝缘劣化情况进行评价。

1、基于损伤累积的多性能劣化损伤指标构建

变压器绕组绝缘劣化的根本原因是绕阻绝缘材料在热、电、机械应力等的持续作用下出现绝缘纸纤维素之间分子键断裂，并且该情况具有不可逆的特性，从而对绕组绝缘产生了算上累积效应。所以本文在进行绕组绝缘劣化评估过程中充分结合电流、电压、温度以及局部放电等相关物联感知数据来进行绕绝缘电、热、机械性能的劣化指标构建。数据采集过程中，将数据采集间隔设置为，这样在变压器运行到t之间总共经历了K个应力间隔。

1.1热性能劣化损伤指标构建

绕组绝缘的热性能损伤主要是因为热点温度的持续作用所产生，但是，温度传感器通常只能对变压器箱体表面的温度数据进行采集，所以在进行热性能劣化损伤指标构建过程中，首先需要对热点温度进行估算，充分结合IEC60076-7：2018的相关标准，热点温度的计算方式如式（1）所示。

       （1）

式中：表示变压器表层油温；表示变压器顶层温升；表示变压器热点相对顶层温升；表示基本热点温升；表示热点油流变化率。

由于，以及在应力间隔k的负载率升高和降低过程中的计算方式不同，负载率升高计算方式如式（2）所示，负载率降低计算方式如式（3）所示。

        （2）

    （3）

式中：表示第k次采样电流与额定电流的比值；表示初始顶层油温升；表示额定损耗下的顶层油温升；表示初始基本热点温升；表示热点油流变化率；R表示额定电流线的负载损耗与空载损耗的比值；表示热点系数；表示额定电流下绕组的温度梯度；表示热模型常数；x表示油系数；y表示绕组系数；表示油时间常数；表示绕组时间常数。

然后根据GB/T1094.7-2008相关规范，可以知道与绝缘油密度的关系如公式（4）所示。

       （4）

式中：表示铁芯和线圈的质量；表示油箱及附件的质量；表示油的体积；C表示总热容；表示负载下的施加损耗；表示高于环境温度的平均油温升。

由于变压器使用的绝缘油存在密度差异，会导致油时间常数存在一定的差异，最终会对变压器顶层温升计算结果产生一定的影响。根据热路理论对热点温度进行计算后，就可以根据公式（5）来进行热性能劣化损伤指标的构建。

          （5）

1.2电性能劣化损伤指标的构建

变压器绕组绝缘电性能劣化主要是因为电压长期作用导致的电性能劣化和局部放电导致的电性能劣化共同组成。

首先是电压长期作用的电性能劣化。可以根据反幂规律和Nelson理论来进行电压长期作用电性能劣化的量化，但是计算过程中需要充分考虑冲击过电压对绝缘绕组的突发损伤情况。假设变压器使用过程中发生了M次局部放电和次第v中幅值为的冲击过电压，变压器正常运行过程中的绝缘电压耐受系数为，局部放电量耐受系数为，就可以通过公式（6）进行变压器绕组绝缘在长期电压作用下的电性能损伤的表示。

        （6）

式中：表示变压器绕组绝缘能够承受的长期稳态电压作用下的累积损伤临界值；表示的作用时间；表示的作用时间；表示变压器投入使用到运行至t时间绕组绝缘成功的冲击过电压导致的累积损伤值；表示不同幅值冲击过电压的种类；表示最低单次击击过电压；表示电压击穿累积系数。

其次是绕阻匝间绝缘的局部放电导致的电性能劣化。局部放电主要表现为电子撞击绝缘纸导致纤维素之间的分子键出现绝缘损伤，计算方式如式（7）所示。

    （7）

同时：，

式中：表示第i次局部放电过程中每次电压极性反转所导致的绕组绝缘损伤量；表示第i次局部放电释放的电子数量；表示局部放电的电场强度；表示局部放电空隙深度；表示空隙气体压力；表示空隙介质类型的相关系数；表示电子撞击导致分子键断裂的概率；表示热电子分数；表示有效电子分数；表示导致绝缘损伤的电子分数。

热电子分数和有效电子分数与放电电场强度之间的关系如式（8）所示。

（8）

可以通过局部放电起始电场强度，局部放电传感器检测的起始放电幅值以及第i次局部放电的幅值来进行计算，如式（9）所示。

       （9）

式中：表示空隙半径；表示绕组绝缘外施加的电压；表示介质的质量；表示线圈的匝数。

由于局部放电所导致的绝缘劣化程度不能通过单纯的损伤累积来进行表述，并且局部放电强度随着时间的变化趋势也可以对绝缘劣化情况进行表示，所以可以通过构建局部放电强度变化趋势的方式来进行局部放电绝缘劣化累积量的修正处理，最终采用公式（10）来表示局部放电导致绝缘电性能劣化损伤累积的修正结果。

           （10）

式中：表示绝缘纸的厚度；表示纤维素分子键的密度；表示绝缘纸临界损伤深度；表示第i次局部放电持续时间；表示单位时间内电压极性反转次数；表示局部放电强度的最大值。

最后，从微观角度来看，电压长期作用和局部放电所导致的电性能劣化都可以表示为电应力作用下导致绝缘介质内部空间发生电荷运动，从而导致绝缘纤维素分子键发生断裂，产生绕组绝缘损伤。所以通过初步加权融合就可以通过公式（11）对绕组绝缘的电性能损伤指标进行表示。

           （11）

式中：α表示权重系数。

1.3机械性能劣化损伤指标的构建

绕组绝缘机械性能劣化的主要因素是绕阻在磁场环境中受到磁场力作用下产生两倍工频的振动，从而导致绝缘纸纤维在拉伸和摩擦过程中出现断裂，最终导致绝缘破损。所以充分分析绕组流过的电流所产生的振动劣化率，就可以对振动磨损所导致的绕组绝缘劣化损伤进行计算，如公式（12）所示。

         （12）

式中：表示振动加速度；表示平均振幅；表示线圈质量；表示角频率，取值为；表示工频；表示电磁系数；表示振动劣化系数；表示劣化促进系数；表示在作用下的绝缘能够承受的振动累积损伤临界值。

同时，变压器的绕组在承受多次短路电流的情况下会出现绕组变形的情况，绕组变形也会导致绝缘机械泪花损伤。结合绕组中流过的短路电流和洛伦兹丁路就可以对绕组承受的电磁力进行计算，如公式（13）（14）所示。

       （13）

         (14)

式中：J表示电流密度；表示位移量；A表示磁矢量；μ表示磁导率；表示导体横截面面积；表示漏磁密度；F表示两倍电流频率下的电磁力。

充分结合绕组的应力－应变场方程就可以对短路电磁力所产生的绕组应力值进行估算，如公式（15）所示。

        （15）

式中：表示三维坐标系中的方向；表示应力张量；表示电磁力张量；表示应变张量；u表示形变量；表示泊松比；表示杨氏模量；表示指标符号，且在时为1，其余情况下为0.

通过构建绕组弹塑性笨狗模型方式就可以对绕组在多次短路情况下的塑性形变过程进行表示，假设变压器从投入运行到时间t之间发生了一次短路，则短路电流导致绕组绝缘劣化损伤可以用公式（16）表示。

      （16）

式中：表示绕组在第一次短路中承受的应力；表示屈服极限；表示绕组绝缘能够承受的累积塑性应变量的临界值；表示弹性应力应变关系矩阵；表示弹塑性应力应变关系矩阵；表示强化准则函数矩阵；表示塑性能；表示内部应力分量；表示屈服面平移量；表示常数矩阵，由0和1组成；c表示材料参数。

这样就可以对绕组绝缘的机械性能劣化损伤进行表示，如式（17）所示。

       （17）

2、基于张量融合的多性能劣化损伤指标融合

在进行多性能劣化损伤指标张量融合过程中，需要充分考虑绕组绝缘劣化的连续性，在时间点t进行多性能劣化指标融合时需要的哦啊对过去一段时间的泪花行为进行全面分析，以为时间间隔，对电性能劣化指标、热性能劣化指标以及机械性能劣化指标向量进行镶嵌回溯个数据点，来进行时间t的绕组绝缘多性能劣化特征张量的构建，如公式（18）所示。

         （18）

同时，为了更好地对每个劣化损伤指标的各自特征保留的同时最大程度地提取到损伤指标之间的高维度劣化特征关联信息，需要在电性能劣化指标、热性能劣化指标以及机械性能劣化指标向量的末尾位置加入单位元素来实现维度扩充，实现多性能劣化特征嵌入张量的构建，如公式（19）。

      (19)

然后再通过构建张量融合层方式来对扩充后的劣化特征张量进行融合处理，通过对单性能劣化特征嵌入张量的方式来求张量积，并进行高维度劣化特征信息的提取，如公式（20）。

           (20)

每个张量分量的普通积就是两个张量的张量积的分量，通过维度扩展方式来对三个劣化张亮进行张量积运算，就可以实现特征融合，从而实现在融合过程中对电性能、热性能以及机械性能之间的高维度劣化关联信息进行最大程度的提取。

最后通过构建线性层的方式来实现将映射成携带多性能劣化特征信息的地位劣化输出张量，如公式（21）所示。

     （21）

3、实例验证分析

为了验证基于物联感知数据和张量融合的变压器绕组绝缘劣化评价的准确性，本文以某110kV输电变压器SFSZ8-31500/110kV所配置的物联感知传感器所获取的物联感知数据，以及收集的油中的糠醛量数据，分别对基于比例失效模型的变压器整体运行状态评估方法、基于早期级联融合的劣化评估方法、基于加权特征融合的劣化评估方法以及基于零元素张量作为健康状态张量的劣化评估方法来与本文所述的评估方法进行对比，结果图1和表1所示。

图1 多种劣化评估方法对比图

表1 多种劣化评估方法与糠醛量指标的相似度表

结果表明，本文所述的评估方法相较于其他评估方法与糠醛量指标存在较高 相似度。与基于比例失效模型的评估方法相比，本文所述的评估方法有效实现了对电、热、机械应力对绕组绝缘产生的累积损伤进行更加精确的量化，可以对绕组绝缘在多种条件影响下的劣化趋势进行准确地表示。与早期级联融合评估方法相比，本文所述的评估方式通过构建张量融合方式来实现对三种劣化损伤指标的特征进行了融合，能够在对每种劣化损伤特征进行保留的同时，构建了三种劣化损伤指标之间的关联信息。与零元素健康张量评价方式相比，本文所述的评价方法可以构建绕组绝缘综合劣化评估指标，可以更加准确地对绝缘劣化的状态进行反映。所以本文所述的评级方法能够更好地反映绕组绝缘劣化状态。

结语

综上所述，本文基于在线物联感知数据和张量融合来进行变压器绕组绝缘劣化评估，充分考虑了电性能、热性能以及机械性能对变压器绕组绝缘的损伤累积效应，来进行电性能指标、热性能指标以及机械性能指标的构建，并通过张量融合方式来进行三种绝缘劣化性能指标高维度相关信息的分析，有效实现了对变压器绕组绝缘劣化的准确评价，实践表明，采用该方式可以准确地判断变压器绕组绝缘的劣化情况。

参考文献

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