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电力变压器状态评估综述 赵文清, 朱永利 ( 华北电力大学,河北 保定0 7 1 0 0 3) 摘要:介绍了电力变压器状态综合评估的具体内容、 研究现状与应用状况。 关键词: 电力变压器; 状态评估; 状态检修 中图分类号:T M 4 0 6文献标识码:B文章编号:1 0 0 1 - 8 4 2 5(2 0 0 7)1 1 - 0 0 0 9 - 0 5 S u mma r yo f C o n d i t i o nA s s e s s me n t f o rP o w e rT r a n s f o r me r Z H A O We n - q i n g , Z H U Y o n g - l i (N o r t hC h i n aE l e c t r i cP o w e rU n i v e r s i t y , B a o d i n g0 7 1 0 0 3 , C h i n a) A b s t r a c t:T h ec o n t e n t so f c o n d i t i o na s s e s s me n t f o rp o w e rt r a n s f o r me ra r ei n t r o d u c e d .T h e r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f c o n d i t i o na s s e s s me n t f o rp o w e rt r a n s f o r me ra r ep r e s e n t e d . K e yw o r d s:P o w e rt r a n s f o r me r;C o n d i t i o na s s e s s me n t;C o n d i t i o nma i n t e n a n c e 1引言 变压器是电力系统非常重要的设备, 其运行状 态直接影响系统的安全运行。因此, 有效地诊断变 压器故障、 准确判断变压器的运行状态具有重要意 义。 长期以来, 我国对变压器的检修策略主要采用 以时间为标准的定期维修。虽然定期检修一般可在 维修时发现设备存在的缺陷, 对保证设备安全经济 运行发挥了重大作用, 但是, 定期维修存在“ 维修过 剩” 和“ 维修不足” 的缺陷, 不仅造成部分变压器盲 目检修, 导致人力和物力的大量浪费, 而且增加了 产生新隐患的几率, 降低了供电可靠性。在当前电 力企业走向市场的形势下, 用状态检修的模式替代 传统定期检修制度是电力企业自身发展的必然趋 势。状态检修是以设备的当前实际工作状况为依 据, 通过先进的状态监测手段、 可靠的评价手段和 寿命的预测手段来判断设备的状态。状态检修对故 障的部位、 严重程度和发展趋势做出的判断, 可识 别故障的早期征兆, 并根据分析诊断结果在设备性 能下降到一定程度或故障将要发生之前进行维修。 合理地进行状态评估是状态维修的前提, 变压 器运行工况、 预试检修等都是变压器状态的重要状 态信息。综合考虑变压器各类状态信息, 准确评估 变压器状态, 对指导实施变压器状态维修、 降低变 压器维修费用和提高变压器可靠性具有重要的理 论意义和实际应用价值。资料表明, 对电力变压器 等设备运行状态实施状态评估, 可使每年的维修费 用减少2 5 % 5 0 %, 故障停电时间减少7 5 %。因此, 对电力变压器等设备采用状态评估技术可促进状 态维修的有效实施, 并收到巨大的经济效益。对电 力变压器等设备的状态评估技术的研究开发可以 有效地了解设备的运行状况、 监视变压器的运行状 态并提供早期的故障报警, 在变压器出现某些故障 征兆的时候进行故障诊断或保护设备, 使其安全运 行。判断变压器在当前运行状态下是否可以克服不 正常的运行状态、 避免突发事故的发生, 不仅对电 力工业的科技进步有重要的科学价值, 而且对提高 电力系统运行的可靠性和科学管理水平也具有重 要意义。 2变压器状态评估内容与研究现状 2 . 1变压器状态评估内容 状态评估是对变压器的运行状态及其他信息 进行记录、 分类和评估, 为设备维修提供决策。变压 器状态评估是电力变压器状态检修的基础工作, 故 障预测和故障诊断是变压器状态评估的特例。故障 预测是指根据故障征兆,对可能发生故障的时间、 第4 4卷第1 1期 2 0 0 7年1 1月 T R A N S F O R ME R V o l . 4 4 N o v e mb e r N o . 1 1 2 0 0 7 第4 4卷 位置和程度进行预测; 故障诊断是指根据故障特征, 对已发生的故障进行定位和对故障发展程度进行判 断。 无论是变压器故障诊断还是故障预测, 都需要由 变压器的运行工况、 预试状态、 缺陷、 检修、 家族质量 史及在线检测等状态信息得出诊断或预测结果。变 压器状态评估的总体结构如图1所示。 图1中, 电气试验参量包括绝缘电阻值、 吸收比 ( 极化指数) 、泄漏电流值、介损值和绕组直流电阻 值;D G A参量由多种油中气体构成;绝缘油试验参 量包括油中微水含量和油介损值等;其他信息包括 环境因素( 温度、 湿度、 海拔和风速等) 、 运行资料( 负 载情况、 保护动作和短路情况等) 、 检修记录( 家族记 录和该变压器的历史记录) 、 附件运行情况以及通过 非传统测试方法如局部放电、糠醛测试等获得的试 验数据。 状态评估包括以下任务: (1) 为设备的运行情况积累资料和数据, 建立设 备运行的历史档案。 (2) 对设备运行处于正常状态还是异常状态做 出判断, 根据历史档案、 运行状态等级和已出现的故 障特征或征兆, 预测或者诊断故障的性质和程度。 (3) 对设备的运行状态进行评估, 并对这种评估 进行分类或对变压器的健康状况分级。 (4) 当形成一定的标准后, 可为变压器状态检修 的实施提供依据。 状态评估是在变压器积累完整和科学的运行记 录资料之上完成的,对变压器运行状态的分类可以 作为维修管理变压器的根据。 这样, 可以从根本上克 服目前“ 定期维修” 的旧的管理体制的缺陷, 对有故 障隐患的设备及时检修,提高设备运行的安全性和 可靠性。 2 . 2变压器状态评估研究现状 对变压器的状态进行评估时,可以评估变压器 的剩余寿命, 也可以评估变压器或部件的现有 健康状况。典型的计算电力变压器寿命的方法 是A r h e n n i u s - D a k i n公式: 剩余寿命= Ae B 5T 式中A变压器服役时的寿命 B常量, 取决于所研究材料的特性 T绝对温度 实际操作中, 估算变压器剩余寿命的绝对 年数是非常困难的, 这是因为其中包含了许多 假设, 例如剩余寿命的准确定义和未来可能遭 受的风险的了解等。因此, 大部分研究着重于 评价变压器的现有状况, 进行变压器之间的相 对比较, 即变压器的状态分级。 评估变压器状态的方法包括油气检测、 介 质损耗检测、 绕组阻抗、 绕组变比测量、 温度监 测等传统方法以及局部放电、 糠醛测试、 调压 装置在线监测、 内部温度测量、 在线功率因数 测量及绕组位移变形测量等非传统方法。利用 上述方法进行状态评估所做的工作主要是故障诊断 方面的研究。 故障诊断是状态评估的特例, 大部分故 障诊断只是利用单一或某几个试验参数得出诊断结 果。综合考虑用变压器各类状态信息的变化规律评 估变压器运行状态的研究并不多, 根据所查文献, 对 状态评估的分级方法做出如下总结。 第一, 文献 5 综合考虑了电气试验项目、 油中 溶解气体状态量、 绝缘油特性试验项目、 环境因素、 运行资料、 检修记录和组件运行情况等因素, 同时将 模糊数学理论引入到变压器状态评估中,通过模糊 数学的运算能够对变压器状态给出较准确和全面的 量化评价结果。 依据量化结果, 最终把变压器的状态 分为四个级别。文献 5 对变压器的评判因素考虑比 较周全,但是对于评判模型中各评判因素的隶属函 数的确定和评估标准的建立都具有模糊性,同时对 历史数据库的建立不是很完善,而且没有对变压器 的故障进行预测。 第二, 文献 6 根据设备的运行工况、 预试状态、 缺陷、 检修、 家族质量史、 在线检测等状态信息, 提出 了对设备状态进行评分的解决方案。综合设备的各 类状态信息, 对设备变压器的健康状态评分, 分值为 电气试验 参量 绝缘油 试验参量 运行工况 可能发生故障的位 置、 时间和程度 变压器故障预测 变压器故障征兆, 故 障前期发展过程 变压器状态评估 故障定位和程度 变压器故障诊断 变压器故障发生 ( 故障特征) 历史状况 其他信息 形成变压器 维修决策 变 压 器 综 合 状 态 信 息 图1变压器状态评估总体结构 F i g . 1 T o t a l s t r u c t u r eo ft r a n s f o r me rc o n d i t i o na s s e s s me n t 1 0 赵文清、 朱永利: 电力变压器状态评估综述 第1 1期 0分 1 0 0分,0分表示设备需要立即维修;1 0 0分则 表示所有预试数据均远离注意值或与优质产品的 出厂值相近, 而且既没有经历不良工况, 又没有家 族质量缺陷史, 即设备完全处于正常状态, 无需维 护。其他情形的状态评分介于0分与1 0 0分之间。 该状态评分具有如下优点。 (1) 打破了以往只有合格或超标两种状态的评 分标准, 满足了状态维修对设备状态进行更细分级 的要求。 (2) 便于数字化管理。 (3) 摆脱了在维修活动之前试图诊断设备具体 缺陷的陷井。 该方法在评分操作中考虑了静态分值和动态 分值两个指标, 静态分值表示预试数据接近注意值 的程度,动态评分体现了变压器状态的劣化速度。 状态评分方案强调了设备状态的分析应基于试验 ( 包括在线监测) 、 家族缺陷和自身质量事件, 引入 了设备状态和试验项目的百分制评价方法, 打破了 是非制, 该方案具有较明显的优势。然而该方案中 设备状态间界限划分过于绝对, 预试评分时, 虽然 考虑了动态分值, 但其方法较简单; 另外, 在求取总 设备维修策略因子r时没有考虑试验、家族缺陷和 自身质量事件三类因素对设备评分影响程度并不 相同这一事实。 第三, 文献 7 利用文献 6 提出的框架和贝叶斯 网络解决不确定性问题的优势, 提出了基于贝叶斯 网络的变压器状态综合评估改进方法, 根据历史状 态、 当前状态和预测状态建立了贝叶斯网络, 每一 种状态又有3个结点, 分别是试验数据、 自身质量 和家族缺陷。该方法可以把电力变压器的状态分为 A、B、C、D和E共5个级别, 如表1所示。 但是在文献 7 考虑试验数据时, 由于历史数据 库的建立不是很完善, 也只是着重于D G A数据和一 些主要的电气试验数据,如套管等一些组件并未考 虑在内; 而且在进行变压器状态评估时, 并未考虑状 态评估与维修策略关系的定量关系。 第四, 国外进行变压器状态评估时, 对状态分级 的方法有: (1)A B B公司对变压器状态评估的方法是, 尝 试对变压器设备的状态进行量化的评价,为变压器 的管理决策提供依据。这种方法现已用于电网变压 器。该评估方法从可能危及变压器运行的一些最重 要方面( 短路强度、 负载能力、 绝缘老化和电气特性) 评估变压器。 (2) 波兰根据变压器基本数据( 如运行年限、 油 中溶气分析、 绝缘的性能指标等) , 对变压器状态进 行排序, 大致可以分为较好、 一般、 较差和较坏。 变压 器运行1 0年 1 5年没有进行过返修,且油中溶气 ( 氢气和总烃之和)含量值在5 0 0 L 3L以下定为较 好状态; 一般状态指运行2 0年以上, 存在一些缺陷, 油中溶气含量值高于5 0 0 L 3L的变压器; 如果变压 器需要进行全面维护, 在运行时经常出现漏油, 油中 溶气含量达到2 5 0 0 L 3L或4 5 0 0 L 3L, 则变压器状 态处于较差状态; 变压器需要全面维护和监测, 油中 溶气含量高于4 5 0 0 L 3L的变压器处于较坏状态。 (3) 俄罗斯评价变压器状态的标准或决定变压 器是否从电网中退出的标准是以变压器工作效率来 判定的: 如果变压器工作效率大于0 . 9, 则表明变压 器工作状态良好;如果变压器工作效率在0 . 7 5 0 . 9 之间, 则表明变压器状态尚可, 不必立即从电网中退 出; 如果工作效率低于0 . 5, 则表明变压器运行状态 不好, 必须立即从电网中退出。 3应用状况与进一步研究的必要性 目前,国内外对变压器状态评估中的故障诊断 研究较多, 对变压器故障预测的研究却很少。 在故障 预测方面, 文献 9 应用神经网络法预测变压器油的 介质损耗因数, 从而预测变压器油的热老化故障。 文 献 8 以灰色系统理论为基础, 研究了电气绝缘故障 诊断的灰色预测模型新模式及其应用。在故障诊断 方面,常用以溶解气体分析为主结合其他电气试验 结果的综合诊断方法对变压器进行故障诊断, 如 I E C三比值法、日本电气协同研究会提出的电协研 法和我国湖北电力试验研究所提出的改良电协研法 等, 这些方法大多局限于阈值诊断的范畴。近年来, 各种智能技术如人工神经网络、 概率推理、 判决树、 信息融合、P e t r i网络等被引入变压器故障诊断中, 取得了较好的效果。然而, 由于变压器的复杂性、 测 试手段的局限性及知识的不精确性,各种方法表现 出不同的优缺点, 同时, 这些故障诊断和预测方法都 是基于某一因素或某几个因素去做出判断,并未全 面综合考虑变压器的运行工况、 预试状态、 缺陷、 检 修、 家族质量史、 在线检测等状态信息, 目前利用综 合信息对变压器进行状态评估的研究还远未达到实 表1变压器综合状态分类表 评分0 2 02 1 4 04 1 6 06 1 8 58 6 1 0 0 状态EDCBA 维护策略 立即安排维修 尽快维修 优先维修 延期3计划延期 T a b l e1 C o n d i t i o nc l a s s i f i c a t i o nl i s to ft r a n s f o r me r 1 1 第4 4卷 用要求。 虽然近些年来, 电力变压器及电气设备的状态 评估受到了很大的重视, 但在我国仍处在学术讨论 范围中, 没有达到实用的要求。造成这种状况的原 因是多方面的, 除管理维护、 质量监督、 设计标准等 方面的问题外, 反映在评估技术上的问题主要有: (1) 评估时没有把各类设备一并考虑。预试及 检修均要求设备退出运行, 而设备一般不易单独退 出运行,通常一个间隔的设备必须同时退出运行, 因此电气设备的维护是相互关联和相互影响的。 (2) 历史数据与在线数据的数值化管理欠缺。 (3) 缺乏行之有效的诊断理论与方法, 仅提供 数据, 且知识贫乏, 不能建立各种监测信息之间的 关联关系, 无法解释测量结果正常的波动, 很难做 出准确的变压器状态评估。 从所暴露出来的问题看, 必须在基础理论方面 进行大量深入的研究, 摸索健康状态和剩余生命与 绝缘老化、 外界影响等因素的关系, 总结其规律性, 才能有效地带动其他方面的研究和开发, 保证分析 的准确性和诊断的可靠性, 真正提高变压器评估和 诊断技术的水平。 4问题探讨 在前人研究的基础上, 针对上述问题, 笔者认 为以下的几个方面具有进一步研究的价值。 (1) 必须统筹安排各类设备的维修工作, 尽可 能保证设备的可用性。如果把维修的周期及项目上 升为一种管理策略, 就必须将各类设备一并考虑。 (2) 由于目前电力变压器的在线监测水平还较 低, 用于研究分析的数据大多是静态数据, 部分数 据可能不能真实地反映变压器当前的真实状态。因 此, 应尽可能地收集在线信息, 从中寻找新的适合 于在线处理的故障征兆与诊断判据,为更全面、 准 确地进行状态评估创造条件。同时适当增加在线监 测手段( 如特征气体的在线监测装置、 从S C A D A系 统与故障录波器中获取有用信息) ,丰富状态分析 算法, 不断扩充知识库, 将有利于进一步提高对变 压器状态分析的能力。加强对变压器状态量变化趋 势的预测, 使状态检修逐步向以可靠性为中心的检 修(R C M) 方向发展。 (3) 随着电力设备维修方式的发展, 用于诊断 的数据不再只是少量的单次数据, 而是包括离线试 验数据和大量连续监测的在线数据在内的数据信 息。这些激增的数据背后隐藏着许多重要信息, 为 电业部门的决策提供依据, 对其进行更高层次的分 析。 因此应研究新方法, 开发新技术。 如结合智能技 术和数据挖掘技术可将数据中蕴藏着的许多重要因 素、 事实和关联等有价值的信息提取出来。 一些新兴 的数学工具( 如人工神经网络和小波变换等) , 在滤 波和干扰抑制等领域取得了较好的应用效果,应将 其引入变压器评估技术。 (4) 电力变压器的状态评估在软件方面的发展 仍处于起步阶段, 所以, 通过实践积累丰富的运行经 验、 研究和确定评估系统的流程和方案, 从而设计出 一套科学的状态评估系统,确保评估过程和结果的 科学性与正确性。 在研究评估算法的基础上, 建立变 压器状态评估与管理软件,使变压器状态评估智能 化、 结果更直观, 是进行电力变压器的状态评估迫切 需要解决的课题。 5结束语 近年来,电力变压器的状态评估受到了电力行 业的运营和科研部门的高度重视,状态评估的实践 为电力变压器维修策略的实施提供了有力的保证。 对其进行深入的研究及开发应用,对电力系统的安 全运行具有重要的意义,其巨大的市场潜力对研究 与开发也具有很大的吸引力。但目前的技术水平还 不够理想, 不能满足电力系统的要求, 仍需加强基础 性的研究工作,适时开展新技术的研究和对传统技 术的扩展和升级; 同时还应借鉴和引入小波变换、 神 经网络、数据挖掘与专家系统等方法及技术在其他 领域的应用成果,加强设备综合状态评估技术的研 究, 探索对变压器设备状态综合评价的量化方法, 把 握变压器的真实状态,提高变压器状态评估的技术 水平,为变压器的运行和维修等管理决策提供合理 的依据。 参考文献: 1 许婧, 王晶.电力设备状态检修技术研究综述.电网 技术 J ,2 0 0 0,2 4(8) :4 8 - 5 2 . 2 松浦虔士.电力设备运行中绝缘诊断技术 R .日本电气学 会技术报告,1 9 9 2 . 3 苏鹏声, 王欢.电力系统设备状态监测与故障诊断技术 分析 J .电力系统自动化,2 0 0 3,2 7(1) :6 1 - 6 5 . 4 Wa n gM .V a n d e r m a a rA J ,S r i v a s t a v aK D .R e v i e wo f a s s e s s m e n to fp o w e rt r a n s f o r m e r si ns e r v i c e J . I E E E E l e c t I n s u l M a g a z , 2 0 0 2,1 8(6) :1 2 - 2 5 . 5 王谦.基于模糊理论的电力变压器运行状态综合评估 方法研究 D .重庆: 重庆大学,2 0 0 5 . 6 刘有为, 李光范, 高克利, 等.制订 电气设备状态维修导 ( 下转第7 4页) 1 2 第4 4卷 3 ! 倍, 又均为相电压U 和相电流I的3倍, 即容 量: S = 3 ! ULI L= 3 UI 由此可见, 只要相电压和相电流相等, 则容量 就不需要降低。 现在由1 0 k V的Y结线改成D形结线后, 相电 压不变, 都等于1 0 k V *3 ! k V, 而绕组电流仍然可 允许通过原来的相电流, 相电流也不变, 所以容量 不降低。 可是, 对于已经制造好的产品, 要不降低容量 仍需从结构上加以考虑。现在由1 0 k V降到6 k V, 线 电压下降了, 所以从线端绝缘上看没有影响; 另外相 电流不变,电阻损耗也不变,从温升上看也没有影 响。改变成三角形结线后, 如果是中性点分接开关, 开关就不能用了; 如果是中部分接开关, 则使用也没 有影响。必须注意的是改结后线电流增大3 ! 倍, 所以引线电流增大3 ! 倍, 引线必须加粗, 套管电 流必须加大。 如果套管电流的裕度较大, 只需加粗引 线, 就能不降低容量运行。 ( 待续) ( 上接第1 2页) 则 的原则框架 J .电网技术,2 0 0 3,2 7(6) :6 4 - 6 7,7 6 . 7 吴立增.变压器状态评估方法的研究 D .保定: 华北电力 大学博士学位论文,2 0 0 5 . 8 孙才新, 毕为民, 周氵 泉, 等.灰色预测参数模型新模式 及其在电气绝缘故障预测中的应用 J .控制理论与应用, 2 0 0 3,2 0(5) :7 9 7 - 8 0 1 . 9 M o k h n a c k eL .B o u b a k e u rA .F e l i a c h iA .P r e d i c t i o no f t h e r m a l a g e i n gi nt r a n s f o r m e ro i l a n dh i g hv o l t a g eP V C c a b l e su s i n ga r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s J . S c i e n c e , M e a s u r e m e n t 比去年同期上涨5 5 9元, 涨幅为 1 5 . 1 %。发改委表示: “ 市场传言钢材价格将创历史新高, 部 分生产、 经营者的市场行为不规范, 也加剧了钢材市场价格 的波动。” 发改委认为, 今后一段时期钢材将逐步趋稳, 进一 步大幅度上涨的可能性不大。 $ 7 4