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电力变压器故障的工程分析与研究 摘要 本论文以电力系统3 2 8 台1 1 0 k v 及以上电压等级的电力变压器事故和故障 统计资料为基础，通过对1 1 0 k v 及以上电压等级电力变压器故障数据的整理分析 和大量探索性试验，对以下方面开展研究并给出研究结果： 1 采用f t a ( 故障树分析法) 对电力变压器的故障模式进行科学分类 2 电力变压器运行中的状态预测判据研究 3 电力变压器功能失效的检测方法与判据的研究 4 电力变压器寿命评估研究 5 探讨电力变压器“状态”评价体系与“状态检修”的关系 关键词：变压器故障状态预测 t h em a l f u n c t i o n a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho np o w e r t r a n s f o r m e r a b s t r a e t b a s e do nt h em a l f u n c t i o nd a t u mo f3 2 8p o w e r t r a n s f o r m e r s ( 1 lo k vo ra b o v e ) ， t h ep a p e rm a k e st h ef o l l o w i n gs t u d i e sb yb o t ht h ea n a l y s i so ft h ed a t u ma n dl o t so f t e n t a t i v et e s t sa n d p r e s e n t st h ec o r r e s p o n d i n gr e s e a r c h r e s u l t s ： t h er e s e a r c ho nt h em a l f u n c t i o nm o d ec l a s s i f i c a t i o no f p o w e rt r a n s f o r m e r sb y t h ef a i l u r et r e ea n a l y s i sm e t h o d ( f t a ) ； t h er e s e a r c ho nt h es t a t u sp r e d i c t i o nc r i t e r i o no f r u n n i n g p o w e rt r a n s f o r m e r ； t h er e s e a r c ho nd e t e c t i v em e t h o d sa n dc r i t e r i o n so ft h ed i s a b i l i t yo ft h ep o w e r t r a n s f o r m e r ； t h em s e a r c ho ne v a l u a t i o nt h e1 i f eo f t h ep o w e r t r a n s f o r m e r ； t h er e s e a r c ho n 血er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t a t u se s t i m a t es y s t e ma n ds t a t u s e x a m i n a t i o n & r e p a i ro f t h ep o w e r t r a n s f o r m e r k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e r ；m a l f u n c t i o n ；s t a t u s ；p r e d i c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些太堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：葶圉橇 签字日期：畔年硼疗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目巴王、业盍堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权合肥工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：梁圆搞 签字日期：甜年5 月叩日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： , f - - 。， 导师签名：j 矿； 签字日期：弦哆年厂月巧日 电话： 邮编： 致谢 本人在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得 到了我的导师王群京教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到收集 资料、论文成稿，都倾注了王群京老师的心血，由衷感谢王群京老师在学业指导 及各方面所给予我的关心以及从言传身教中学到的为人品质和道德情操，老师广 博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必将使我终 身受益，并激励我勇往直前。 同时，真诚感谢电气工程学院的全体老师，他们的教诲为本文的研究提供 了理论基础，并创造了许多必要条件和学习机会。 感谢所有的同学给予的帮助。 作者：梁国栋 2 0 0 4 年5 月 第一章前言 电力变压器是电力系统的重要输变电设备；其运行状况直接关系到发、供 电系统的安全性和供电可靠性。 电力变压器的故障诊断是指在设备不解体的情况下，根据经验和数据，采 用一定的技术手段对变压器所处状态进行判断、对变压器已有的故障及其发展 变化进行跟踪诊断和估计的技术。如果能够准确诊断和估计设备的故障及其发 展变化，就可以制定最佳维修策略，这个过程就是状态检修。所以说，对运行 中的电力变压器进行故障检测和故障诊断是提高电力系统运行的安全水平和供 电可靠性的关键之一，也是开展变压器状态检修的基础。 本文需要研究和解决的问题是： 研究变压器的故障模式并对其进行科学的分类： 针对变压器的故障模式研究变压器的故障诊断方法。 1 1 电力变压器的基本结构 变压器，由于其在电力系统中的重要作用被称之为电力系统的心脏。本文 称之为电力变压器。按照电力变压器冷却和绝缘介质的不同，可归纳为三大类： 油浸式电力变压器：采用矿物油作为冷却和绝缘介质； 气体绝缘电力变压器：采用人工合成的气体，如s f 6 ，作为冷却和绝缘介质； 干式电力变压器：采用空气作为冷却和绝缘介质。 按照电力变压器的结构又可以大致分为： 密封式电力变压器：变压器内部介质与外部大气相隔绝，与之对应的是非 密封性变压器。 双线圈电力变压器：只包括高、低压两个线圈的变压器，结构上比较简单 是变压器的基础结构。 多线圈电力变压器：每相有两个以上线圈，分别连接到电压等级不同的线 路上，常见的为三线圈变压器，既有高压、中压和低压三组线圈。 有载调压电力变压器：装有有载调压分接开关，能在运行中带负载进行调 压的变压器。 自耦电力变压器：至少有两个线圈具有公共部分的变压器，期线圈之间除 了磁耦合外，有电路上的直接连接，因此与同容量的双线圈变压器相比，结构 尺寸比较小。 按照电力变压器的使用要求又可分为： 发电机用变压器：低压侧与发电机母线相连，高压侧与输电线路相连的升 压变压器，是发电厂的主变压器。 联络变压器：变电站或发电厂用于连接两个电压不同的输电线路，并可以 按照电力潮流的变化，每侧都可以作为一次或二次侧使用的变压器。 升( 降) 压变压器：是指将一种电压等级升( 降) 到另一种电压等级的变 压器。 厂用变：是发电厂内作为动力或照明等电源用的变压器，一般阻抗较高， 多直接接于发电机母线。 目前，绝大多数的电力变压器仍是油浸式变压器。 变压器的结构由变压器本体和变压器附件这两大部分构成，图1 为变压器 基本结构图。 变压器本体的主要部件包括以下几个部分： 由线圈、铁心及其夹紧装置等构成的变压器器身； 用于变压器器身冷却、绝缘和防腐作用的变压器油： 容纳变压器器身和变压器油的油箱。 变压器附件是指：变压器套管；变压器油枕；有载分接开关；变压器冷却 系统： 变压器本体保护装置及其测示仪表等。 i 2 电力变压器的故障统计 本论文以电力系统1 9 9 0 1 9 9 9 年期间的3 2 8 台1 1 0 k v 及以上电压等级的电 力 变压器事故和故障统计资料为基础，通过对1 1 0 k v 及以上电压等级电力变压器 故 障数据的整理分析，其故障按部位可分为绕组故障、铁心故障、分接开头故障、 引线故障、套管故障、绝缘故障、冷却系统故障、密封不严、散热器故障以及 其他故障等，如下表所示： 卜 绕组铁心分接开引线窭管绝缘散热器变压器本体附件密封其它 故障故障关故障故障故障故障故障烧毁故障 不严 故障 i 3 2 81 1 26 53 72 52 91 5 7491 21 3 1 2 1 变压器故障统计分析 绕组故障：绕组中的故障，即发生在变压器线圈、纵绝缘和端子中的故障。 绕组中的故障主要表现在以下几个方面： l ，) 如果用来绕制线圈的铜导线的棱表面有毛刺或棱的曲率半径较小，那 么 当运行中的变压器在承受重复的电磁力作用时，尤其是当变压器外部短路或合 闸操作时的电磁力冲击时，导线上的毛刺活陡棱将毁损坏绝缘进而导致线圈匝 间短路。 2 ) 如果变压器线圈的接头因焊接等等致使质量欠佳，线圈引出线和套管 2 导 电杆连接不好，变压器在运行中会由于接头过热从而导致局部绝缘劣化，严重 者会由于接头断开而造成绕组断路。 3 ) 如果线圈的绝缘中渗入水分或器身干燥处理的不彻底，那么运行中的 变压器容易发生匝间短路。 4 ) 运行中的变压器遭受严重的外部短路时，在电动力和机械力的作用下， 变压器绕组的尺寸或形状将发生不可逆的变化。经常表现为绕组轴向和径向尺 寸的变化、器身位移、绕组扭曲、鼓包和匝间短路等。绕组变形是目前变压器 稳定运行的一大隐患。 5 ) 在雷电冲击或对地弧光放电甚至冲击合闸等瞬变过程中可能会造成绕 组薄弱处( 诸如：高压绕组的起始几匝、绝缘导线的末端、串联线圈的脸县以及中性点等处) 发 生绝缘损坏乃至击穿。 6 ) 严重的持续过载可在整台变压器中引起高温，造成线圈绝缘变脆、脱 落，引起绕组匝间短路，绝缘油因高温劣化，产生的油泥将沉积在油箱底部、 线圈及铁心构件上，变压器会因此散热不良，并使得过热更趋严重，最终导致 变压器损坏 绕组变形、 蕊+ 潦 缝纽短路绕组断路绕组烧损绕组烧毁惑诗百分比 松动、失稳 外部短路591 63 2。o 3 ；5 。3 j2 5 质量不良 6451 + 懑l 瓤 1 8 7 5 制造工艺差 6 】64囊l 纛。j】5 1 9 【雷电侵袭 1 l2l1 蘩粪 53 6 绕组受潮 2324 i 辫凝- - 一 98 2 设计不合理 l1l 麓熬藩 26 8 薄绝缘 23 j1l 鬻麟 7 1 4 异物进入 l11 瓣 17 9 振动 2 瓣 1 7 9 过电压负荷 2】 瓣 4 4 6 操作失误 1l 黼 1 7 9 嚣鞠满豢豪誊i 曩i ：；蠹 ! 漂瀵囔鬻撅鬻滋瀚黼麟黼麟 百分比2 5 8 9 1 87 53 1 2 51 7 8 66 2 5 麟 铁心故障 变压器铁心和绕组是传递、交换电磁能量主要部件，要使变压器可靠运行， 除绕组质量合格外，铁心质量好坏是决定正常运行的关键。磁路中的故障，即 出现在变压器的铁心、铁轭及其夹件中的故障。多年来统计资料表明，它在变 压器事故比例中一直居高不下。磁路中的故障主要表现在以下几个方面： 1 ) 在老式心式变压器中，夹紧铁心心柱和铁轭叠片的穿心螺杆的绝缘件 击穿，引起铁心叠片局部短路从而产生很大的局部涡流；此外两根或多根穿心 螺杆的绝缘被击穿，当磁通穿过由这些螺杆形成的短路时，在这些螺杆中就要 流过较大的循环电流。当位于铁心心柱端部的一根穿心螺杆及与其相邻的铁轭 上的一根穿心螺杆的绝缘发生击穿时，由于这两根螺杆之间穿过的几乎是从心 柱到铁轭的全部磁通，所以此时的损坏最严重。因为由这些螺杆与外部夹件形 成的通路的阻抗很低，所以产生的热损耗很大，有时可能会烧毁整台铁心。由 于故障的部位的不同，有时也表现为烧焦邻近线圈的绝缘而引起绕组的匝间短 路 2 ) 铁心叠片之间的绝缘或与铁轭夹件之间的绝缘也可能产生损坏。此时 会产生很大的循环涡流，并由此产生可观的热量。从而危及铁心和线圈的绝缘， 变压器的铁损也会随之增加。 3 ) 在变压器铁心制作过程中，若铁心或铁轭叠片的边缘形成较大的毛刺 或铁心叠片间夹杂金属物质甚至铁心叠片产生微小的弯折，则变压器在运行中 会由于这些缺陷导致铁心叠片的局部形成短路，由此产生的涡流会使铁心局部 过热。 4 ) i f 常运行中的变压器应确保其铁心为一点接地。一旦形成多点按地， 运行中的变压器轻则发生局部过热，重则导致变压器跳闸甚至造成变压器直接 损坏 v 淤 铁心多点接地 铁心接地铁心片 ：釜誊鹭 牢靠性接地动态性接地 不良间短路 咧 百分比 。， 杂质( 金属非金属) 89 2 鬟撵誊 3 0 7 制造质量差 8 l l “曩滋蒸 1 6 6 受涮 1 蒸鬻 1 6 设计不合理 3 l 嚣i 熬 6 5 维护不当 3 l 藕瓣 绝缘损坏 6 l 1 粼 1 4 5 松动 1 i35 麟 3 0 6 _ 、z 总新群一，；臻曩l 缁g 熬鬟糕熏麟粼i滋黼獭鐾黼鬃 百分比 5 9 71 9 3 811 2 9 渊 分接开关故障 有载分接开关内部传动结构较为复杂，而且经常操作进行切换，也是故障 常出现的部位，统计分析表明，造成有载分接开关故障和事故的主要原因是制 4 造质量不良。其主要故障形态为： 1 ) 选择开关接触不良，甚至合不到位，造成触头过热、放电烧损及断轴。 2 ) 切换丌关内触点接触不良，绝元件机械强度不够而损坏。 3 ) 切换开关油室密封不良造成大、小油箱连通，使变压器本体油箱中可 燃性气体含量异常增高导致误判断。 4 ) 操作机构内低压控制电器及辅助元件质量不稳定，造成分接开关拒动、 连调、位置指示失灵等故障。 泳墅 简体爆炸触头损坏齿轮损坏开关档序错乱 麟 百分比 制造质量羞 2425熬鞫鬻3 5 1 进水受潮3 111鬃l 餮篓1 62 弹簧疲劳 6 1 繁熏麓 1 89 结构松动 13 14 j 蠢霪凌 2 4 4 设计坷i 合理 1 1 i 囊嚣豢 5 4 ：j 秘谶 。6 训?鬟鬻鼍1 1 ； i 薯+ j i j ? 熬墨； 碟；翔i i 嚣甓辫鞲 曩 。i ： 百分比 1 634 0 51 3 52 9 7 臻i 受蘩 引线故障 引线是变压器内部绕组出线与外部接线的中间环接，其接头是通过焊接而 成，因而焊接质量直接影响到引线的故障发生。其主要故障模式有：引线短路、 引线断路、引线接触不良。 引线断路应使变压器立停止运行，引线相间短路如不及时处理会导致绕组 相间短路扩大事故发展成为灾难性故障，属致命性故障。引线对地短路、接触 不良将会产生局部高温烧断引线而使变压器停运，因而属于临界性故障。 泌 引线短路 麓 百分比断路接触不良 、对地短路相间短路 制造质量差 2235 麟 4 5 过负荷雷击2 戮 8 设计不当 2 溅 8 杂质污垢43 徽l 2 8 套管故障 2 8 i + 誉蘸移曼，二簧蠢藏i 囊 二霪i 鍪黧i 鬟鬟羧鬻黼麟麟 百分比 4 02 02 02 0 溺瓣 套管故障 套管是变压器内绕组与油箱外联结引线的重要保护装置。它长期遭受电场、 风雨、污染等影响，易使瓷釉龟裂绝缘油老化。它也是变压器故障多发部位， 套管也是电力变压器与外部电网或设各连接的桥梁，其运行中的故障形态主要 有如下几种： 1 ) 套管密封不良导致进水受潮； 2 ) 套管瓷套的表面沉积有灰尘、油污和盐雾等，常常会引起套管的污闪： 3 ) 套管因漏油致使套管缺油而过热； 4 ) 套管引线渔穿缆线焊接不良或导电杆与将军帽螺纹配合不良而过热； 5 ) 套管末屏接地不良或开断； 6 ) 套管与绕组引线联接固定销脱落造成悬浮放电： 7 ) 套管内电容屏绝缘有缺陷导致局部放电； 8 ) 安装不当引起套管损坏。 淤 爆炸局部放电局部过热套管位移开焊 | ；一一黎鬻 百分比 装配不当 1l慧1 1 ；= i 一69 维护爿：当 l is “_ _1 7 2 - 制造质量差29 一：j3 1l 均脏球接触不良 3 ll 毒蠢囊、 1 7 2 外部短路 17 i 畿；藩3 4 振动 l1l 鍪蕊 1 0 4 绝缘老化 21l t 铡纛零 1 38 总计 f 0j 争4 o 。- 二曩6 翟誊。j答糕萋鼙 百分比 3 4 53 l1 382 07 攀l 蒸繁 绝缘故障 绝缘系统中的故障：变压器油和绝缘纸、板以及绝缘件构成了变压器油一 纸绝缘系统，绝缘系统中的故障主要表现在以下几个方面： 1 ) 采用薄绝缘、小油道设计制造的变压器工作寿命短，往往在投运不久 就发生故障。 2 ) 如果变压器相间绝缘没有足够的裕度，则可能产生相间短路。这种短 路故障有时可能由于在乡间加入绝缘隔板从而破坏了相间电场强度的分布，例 如引起油间隙和隔板的电场强度过高而导致隔板的树枝状放电等。 3 ) 变压器内部的清洁度要求很高，在变压器线圈表面及器身上即使留下 极少数的金属杂质，对爬电距离也会产生极大影响，运行中因此而产生局部放 6 电进而导致沿面放电等后果是显而易见的。 4 ) 由于变压器油道设计不佳和油流速度过高而导致运行中的变压器发生 油流带电严重并发生油流放电的故障在大型高压变压器中时有发生。 5 。) 绝缘成型件，诸如用绝缘纸和合成树脂压制雨成的绝缘筒、绝缘管和 绝缘板等，在制造过程中，其表面或内部被导电质污染，运行中会发生绝缘件 表面放电或内部发生局部放电，致使绝缘失效造成故障。 6 ) 由于变压器油箱上的局部密封失效或其他因素，结果使水分进入变压 器内部，这样就大大的降低了局部的绝缘强度，从而可能引起线圈或引线对油 箱或对铁心构件击穿。但是，线圈匝间绝缘遭受的危险性最大。 7 ) 变压器油受到污染后，绝缘强度下降进而导致变压器整体绝缘性能下 降是目前变压器运行中的常见故障。 8 ) 变压器长时间过载可引起绝缘油的老化，油温过高会加速油泥、水分 和酸的形成。 6 j “ 一“。 淤 戈介损超标绝缘损伤 ? i j 二饕鬻攀 百分比 杂质6 。j 6 曹童 4 0 受潮i，6 7 振动2|1 3 3 制造工艺差 2 - 饕；。曩i 警， 1 33 局部放电 4 7 | _ i 鬻薯强i 誊 2 6 7 总计7 j 。 一： 。强j ，潞_。嘲i ：| _ i 耋鬃 嚣、繁；誊鍪誊饕誊 百分比 4 675 33o 誊 ； _ _ ：譬受* 密封不良 变压器密封不良主要是接头处处理不好，如焊接质量不良、螺栓乱扣以及 法兰t i _ f ：平等原因造成。其后果是漏油、漏气，故障时不易发现，影响范围大。 故障模式有密封圈老化、瓷套脱落或破裂、箱体焊点裂纹、潜油泵处露气等。 汰 密封豳老化套管破裂漏气 ；麓 百分比 质量不良3 2 i 麟 4 1 7 安装不当 11 l 鬻麟 2 5 潜油泵处负压 2 裂 1 67 气囊水通畅 2 黼麟 1 6 7 c 锚 誊德躐黥蠹 誊鬣薯4 灞鬻黪| l 霪骥l ：鏊蠹藜黥囊鬻i 燃蒸黼 西分比3 3 - 3 2 54 i 7 溅 i 1 3 不同时期变压器的故障演变 变压器事故与生产工艺和运行环境密切相关，由于不同历史时期设计的变 压器结构特点的不同，所以引发变压器事故的主要故障类型也在逐渐变化，国 产大型变压器在不同历史时期主要的事故原因如下： 七十年代因变压器电压等级提高，高压绕组结构由连续式改为纠结式，相 邻匝间的工作场强由原来的2 0 0 、3 0 0 v m m 升高到2 0 0 0 3 0 0 0 v m m ，开始时的设 计仍采用薄绝缘结构，致使在正常运行条件下匝间短路事故屡有发生。1 9 7 8 年 原机电部规定将2 2 0 k v 等级变压器的匝绝缘由0 9 5 1 3 5 m m 提高到1 9 5 m m ， 从而使匝间短路事故大幅度降低。 八十年代初由于变压器套管的“将军帽”密封结构不合理，沿穿缆引线进 水，使引线应力锥受潮，进而波及到首端线段绝缘，造成击穿事故的情况发生 较多。仅1 9 8 0 1 9 8 9 年间东北电管局直属厂局就有6 次绕组事故是由该原因引 起的，占总事故率的2 3 。其后，制造厂改进了“将军帽”的结构，基本杜绝 了这类事故的发生。 八十年代后期，长垫块引起的围屏放电事故逐渐增加。1 9 8 4 1 9 8 9 年间东 北电管局围屏放电事故占总事故率的3 0 8 ，同时期全国其他局也相继报道了 类似事故多起。围屏放电不仅使高压侧相间绝缘受到严重损坏，而且由于这种 故障发生后会产生相间或相对地电弧放电，极易引起火灾，危害很大。经调查 发现，造成这类事故的主要原因，一是结构设计不合理，局部场强过高；二是 绝缘纸板受潮，沿面放电电压降低。 8 9 年以来因油流带电引发的变压器事故率逐渐升高，据1 9 9 6 年资料统计 6 8 ，在国产5 0 0 k v 电力变压器事故中有5 8 3 与油流静电有关。事故统计表 明，油流荷电量与变压器的结构特点有关，由于问题的复杂性很难把它作为一 种单一因素来判断事故的原因。根据目前的普遍认识，降低油流速度是避免油 流静电的有效措施之一。 近年来，对系统短路冲击强度随系统容量的增大而不断增加，甚至达到设 备难以承受的程度，变压器抗短路能力不足已成为突出问题。1 9 9 4 年全国1 1 0 k v 及以上等级变压器因系统短路引起的损坏事故达2 1 台，2 4 7 i m v a ，占当年事故 总台数的3 7 ，占事故总容量的4 5 。有的新变压器经外部短路l 2 次即遭损毁， 其中以双绕组变压器的低压绕组和三绕组变压器的的中压绕组损坏尤甚。 恶劣的环境和苛刻的运行条件，以及长期超过技术规定所允许的范围运行， 往往是直接导致故障的起因。不同运行条件导致的各种故障如表2 1 所示。 表2 1 运行条件引起的变压器故障 i 运行条件条件特性原因引起的故障 l 负载条件工作过程经常过载绕组过热、绝缘老化、分接烧损。 特性停运时间过长 绝缘受潮。 操作过电压或 雷电过电压 主绝缘、纵绝缘损伤或击穿。 系统近区短路 绕组变形、绕组及分接开关过热烧蚀。 高温 过热、绝缘老化。 工作现场 低温外绝缘及橡胶垫圈劣化。 特点 环境条件 有害气体结构件、外绝缘腐蚀。 地理、气象高湿度绝缘受潮、击穿。 特点海拔 1 0 0 0m允许温升降低。 污染情况污秽、粉尘套管表面绝缘电阻降低，漏电流增加。 以上统计数字还不包括在变压器检修过程中发现和消除的缺陷。从这里可以看 出变压器事故的多样性，一个矛盾解决后，原来的次要矛盾就会上升为主要矛 盾；而且不同厂家的产品在不同的运行条件下，事故的原因也会有所差异。鉴 于这些情况，要求相应的故障诊断方法也须不断地改进和完善，形成动态的变 压器状态评价体系迫在眉睫。 1 4 电力变压器故障的宏观规律 故障宏观统计规律是指设备故障率随时间变化的规律。变压器的宏观统计 规律表现为浴盆曲线，即故障率随着时间的变化呈两头高、中间低的“浴盆” 曲线形状。变压器的故障率随时间的变化可以线性化为三个阶段：早期故障期、 偶然故障期和耗损故障期。 1 ) 早期故障期：变压器的早期故障起出现在设备使用的1 3 年，其特点是故 障率较高，且故障率随惹时间的增加而迅速下降。变压器的早期故障通常是由 于设计、制造上的缺陷等原因引起的，例如设计不合理，使用材料不合格，装 配不当，焊接不良，质量检验不认真等造成的。 2 ) 偶然故障期：在早期故障期之后是变压器的有用寿命期，称之为偶然故障 期。其特点是故障率低且稳定，故障的产生是随机的。偶然故障是由偶然因素 引起的，如技术参数突然超过极限值，工艺缺陷、材料弱点在偶然因素的激发 下，维护不良、操作失误，运行环境的突变等因素造成的。 3 ) 耗损故障期：耗损故障期出现在变压器的有用寿命期的末期，其特点是故 障率随时间的增加而加大。损耗故障是由于变压器内部的物理变化、化学变化 或生物变化所引起的磨损、疲劳、腐蚀、老化、极化、损耗、阻抗增大、振动 位移等原因所造成的。 9 第二章 采用f t a ( 故障树分析法) 对电力变压器的故障模 式进行科学分类 2 1 故障树基础知识 定义：故障树分析方法( h u 】l1 - r e oa r i a ly s js ) 简称r t a 法。是一种将系 统故障形成的原因由总体至部分按树枝状逐级细化的分析方法。 历史：1 9 6 l 1 9 6 2 年，美国贝尔( d e lj ) 电话实验室的沃森( w a ts t ) i t ) 和默思 斯( m e a l r n s ) 首先利用故障树分析方法成功预测了民兵式导弹的随机失效问 题然后在航空、能源领域得到应用，并且由于1 9 7 4 年在核电站的安全性评估 中的成功应用使阿a 向更广泛领域的推广。 用途：在工程上故障树的应用主要包括以下几个方面： 应用a 分析系统的故障模式，通过衡量元、部件对系统的重要度，找l 矗 系统或设备的薄弱环节，以便在设计和系统运行管理中采取相应的措施。 故障树中使用的符号：故障树中所用的符号主要可分作两类，即代表故障 事件的符号，以及表征事件之间相互关系的逻辑门符号( 参见( ：b 4 8 8 8 ) ，变压 器故障树中涉及的符号说明见表i 。 表1 故障树符号 表1 i 事件符号 序吁名称符号 说明 不能再分解或无需再进一步分析的事什它总是某个 l底事r l ： 6 逻辑门的输入事r l ：而不是输出事件。 ) 顶事什 由其它事件组台形成的事件，并且该事仆是 最关 。 二二 心的位于故障树顶端的事件。 ：；中间枣什 由其它事件组合形成的事件，但位于顶事件和底事件 二= 之间的事件。 表i 2 逻辑门符号 序，名称符号 说明 l或门至少一个输入事件发生时输| j i 事件才发生。 厂 2j 门 o 仅当所有输入事件都发生时，输出事件才发生。 i - - -1 o 2 2 电力变压器故障树的构建及其特点 2 2 1 构建过程 为了避免构建故障树过程中受主观因素的影响，建立一个较为全面、客观 的变压器故障树，需要对变压器的结构和故障规律做深入了解。通过对电力部 门历年故障统计资料、事故调查报告和维修纪录的整理以及与变压器制造单位、 电力运行部门技术人员的合作，已完成电力变压器故障树的构建工作。该树包 括“载流系统”、“铁芯”、“绝缘油”等8 个子树。 2 2 1 1 系统配置： w i n d o w s 2 0 0 0 ； 显示器分辨率；8 0 0 * 6 0 0 ； 要求在w i n d o w s ( 对于w i n d o w s 2 0 0 0 是w l n n t ) 目录下有n o t e p a d e x e 文件； 建议将变压器故障树的相关软件和数据文件的压缩文件展开到“d ：f t a ”目 录下。 2 2 1 2 故障树显示说明： 图l 冷却系统故障树 进入程序主界面，点击左侧索引图板，可得到相应的变压器部件的故障树。 例如，点击“冷却系统”可得到图l 的故障树。图中的符号与常规的故障树表 示方法相同，即“方框”和“圆形”的叶子符号分别代表故障树中的中间事件 ( 底事件) 和底事件。故障树中的逻辑门主要为“或门”。 当故障树过于庞杂，无法整体显示时，采取了隐藏下层分支的方式，先显 示主体。而局部的细节内容，可点击“淡紫色”按钮，进一步查看。如图2 “载 流系统，故障树中的“导线制造不良和“绝缘受损”为淡紫色，表明该结点 下层还有分支。“绝缘受损”的内容见图3 。 1 2 图2载流系统故障树 图3 绝缘受损 1 3 2 2 i 3 变压器故障树分析模块 故障树分析前的数据准备工作是故障树分 析的基础。 1 ) 概率文件 概率文件的格式如图4 ，包括各结点的三个 信息：故障名、代号和概率( 概率数值扩大1 0 4 ) 。 通过读取概率文件，可为整个变压器的底事件进 行赋值。计算各底事件概率值需要依据三方面信 息： ( 1 ) 变压器故障年故障率：程序中设置缺省 的年故障率为0 0 0 3 1 ，该值采用了国家电力公 司变压器事故统计资料中1 9 9 5 2 0 0 0 年京津唐 地区变压器年平均故障率值。 ( 2 ) 运行时间；程序中缺省状态设置为6 年。 ( 3 ) 底事件概率：由变压器故障率推算各底 图4 概率文件格式 事件故障率的资料包括：安徽电力试验研究院提 供的三百多例变压嚣故障原因的统计资料；国家电力公司统计的1 9 9 7 年全国 l1 0 k v 及以上等级变压器故障统计资料和湖南省1 9 9 5 2 0 0 0 年1 1 0 k v 及以上等 级变压器故障统计资莘斗。 2 ) 推算方法 如能得到故障树某结点的确切故障概率则直接将该数值记入概率文件： 如未能获取该结点概率的确切值，则根据它的父结点的年故障概率，基于父子 结点间的因果关系结合贝叶斯定量，在已知父结点( 结果) 概率的情况下推算 某个子结点( 原因) 发生的概率。这种贝叶斯估算值作为该结点的概率值记入 概率文件。 对于以上3 项，用户可根据具体情况进行修改：( 1 ) ( 2 ) 项内容可在“文 件”栏中的“校正”项更改，( 3 ) 项的内容可根据不同的变压器故障统计数据 修改概率文件。 3 ) 校正“变压器年故障率”和“运行时 间” “文件”菜单栏下有“校正”项。 该项目的设立是为了便于用户对缺省的 故障率和运行时间进行修改。进行修改 时，可选择“校正”窗体( 图5 ) 中的“修 改”，便激活修改框中的内容，可对上述 两顼内容进行修改。完毕后点击“确认”。 图5“校正”窗体 当然，用户也可采用程序规定值，点击“缺省”和“确认”即可。 4 ) 各子树进行定性和定量分析 对各子树分别依次进行“读树文件”、“定性分析”、“定量分析”、“保存割 集文件”。这4 个环节的具体内容如下： ( 1 ) 读树文件 读取树文件，并检测该树的完整性。 “变压器故障树文件”文件夹里读取故障树的数据文件( 格式及说明见附 录1 ) ，程序自动检验该文件所对应树的完整性，如果文件对应的树结构不完整， 缺少某些分支的信息，程序会提示出错信息。 用户只有在修改成功后，才能执行进一步有关树的分析和显示操作。对于 变压器故障树来讲，各树文件都经完整检验，所以显示的信息为“树完整”，用 户继续执行下面的操作即可。 ( 2 ) 定性分析 通过定性分析对树进行简化，得到树文件中根结点的结构函数，并利用布 尔代数中的分配率和吸收率，将结构函数表示为最小割集的形式。用户可通过 点击“分析”栏目中的“定性分析”执行该计算过程，并可通过“显示结果” 栏的“最小割集”查看最小割集的情况。 ( 3 ) 定量分析 点击“分析”栏目“定量分 析”下通过底事件概率计算最小 割集重要度。最小割集重要度可 通过“显示结果”栏目中的“重 要度”查看。 ( 4 ) 保存割集文件 为了实现对整个变压器故障 树的分析同时减少对内存的需 求，我们采取了“先分后和”的 计算方法。因此，需要先存储各 予树的割集结果已备后用。点击 图6 冷却系统割集重要度文件 “文件”栏中的“存割集文件”， 将文件存储到“割集文件”文件夹中，并取相应的文件名称。割集文件的格式 见图6 。 5 ) 变压器故障树可靠性指标 ( 1 ) 各子树割集文件的合并 对整个故障树进行分析前，需要将各子树的分析结果进行合并。点击“文 件”栏中“可靠性指标”项，在工具栏中会出现“可靠性指标”及其下属项目。 此时，该下属项目中仅有“合并子树”项处于可用状态。点击“合并子树割集” 会出现“是否分析完所有予树”的提示，当确认后，便执行台并子树的操作， 然后激活下面的“顶事件概率”和“底事件概率重要度”项。如选取了“否”， 则不执行任何操作，用户可补充其它子树的信息。 ( 2 ) 可靠性指标的计算 顶事件故障概率： 点击“可靠性指标”栏目中的“顶事件故障概率”，可以给出相对于一定“年 故障率”和“运行时间”的变压器故障概率值。 底事件概率重要度： 点击“可靠性指标”栏目中的“底事件概率重要度”，得到从大到小排列的 底事件概率重要度。重要度高的事件属于需要重点维护项目，是变压器的薄弱 环节。 6 ) 显示部分 在进行故障树定性和定量分析的过程中，为了便于用户的理解，因此设立 了“显示结果”栏，包括“数据文件”、“重要度”和“最小割集”三项内容， 而且各项分别在不同阶段被激活，如，读入树文件后，“数据文件”被激活，可 通过它查看树文件的内容。而“最小割集”和“重要度”则分别在执行完“定 性分析”和“定量分析”后才能被激活。 2 2 1 4 用户构建树模块 当用户希望建立和 分析其它设备的故障树 时，用户可通过点击“文 件”栏目中的“新建”， 进入该模块。首先，系 统会自动清除其它文件 的计算结果，恢复到初 始状态，然后出现“新 建树”的栏目，其中包 含了“编辑文件”和“显 示树二要孽；。+ 。， 图7 根毒故障树文件绘制的冷却系统的故障树 点击“编辑文件”， 图7 根据故障树文件绘制的冷却系统的故障树 按照定的方式( 附录 1 ) 将所需的树编写和存储成文件。然后，可以参照第一部分的说明，对新的树 文件进行读取、分析、显示等操作。 另外，在此部分为了方便用户新建故障树文件的正确性，可通过“显示树” 环节为用户进行提示。新建的故障树，见图7 。需要特别说明的是，该图中的 结点用英文标号( 同故障树文件) 标识，逻辑门以“圆圈”形式表示“与门， 而用含有是“十”字的圆圈表示“或”门。底事件和中间事件的表示方法同前。 附录1 ：树文件格式 以冷却系统为例，描述如 何建立故障树文件。依据具体的 树结构( 如图1 ) ，从根结点开始 填写表1 的信息。每行对应一个 结点，分别填写7 项内容。表2 中对表1 中的各项目进行了详细 的解释。树文件内容如图卜1 ， 行和列与表l 中的行和列相对 应。各行之间采用“回车”键分 图1 - - 1 冷却系统故障的数据文件 隔，各列间用逗号( 西文方式 “，”) 分隔，多余的空行应该删除。 表1 冷却系统故障的树文件格式 第一列第二列第三列第四列第五列第六列第七列 名称标号层号列号叶子结点父结点的列逻辑门 冷却系统故障g f l1llo1 油泵 g 2 121 l 11 冷却器 g 2 2 2111 风扇 g 2 323l11 轴承磨损g 3 1 1 11l 密封不良 g 3 2320l1 散热管积尘 g 3 333o21 负压进气 g 3 4 3 4o2l 阀门损坏 g 3 535o2l 管路破裂 g 3 636o 21 出油孔径小 g 3 73 7 02 i 停转 g 3 83803l 表2对表1 中各项具体含义的说明 项目 说明 第一列 该结点的中文名称 第二列该结点的英文标号。 第三列该结点在整个故障树处于的层数( 根结点所在层为1 ) 。 第四列该结点位于所在层的第几列。最左一个结点为1 ，向右依次增大。 第五列该结点是否为叶子结点。如为叶子结点则为0 ：否则为1 第六列该结点父亲结点的列号( 相对于父亲结点所在的层) 。对于根结点该项为1 用于表示非叶子结点下属的逻辑门是“与门”还是“或门”。如果是“与门” 第七列 则为0 ；“或门”为1 。( 如是叶子结点则取1 ) 2 2 2 变压器故障树特点 较为全面和客观 有变压器的常见故障。 故障树较为庞大 个底事件。 故障树中各事件间逻辑关系清晰，且基本上包容了所 由于变压器结构和故障的复杂性，该故障树共有1 8 9 算法上采用先分后合的策略：在故障树分析的计算机实现过程中，由于 该故障树较为庞大，分析时占用的内存很多。为此我们采用先单独分析各子树， 再进行合并的方法，使该矛盾得到缓解。 结构函数以一阶割集为主：变压器属于串连可靠性系统，由此导致故障 树中各事件间的逻辑关系主要表现为“或”，而“与”的关系很弱，因此该故障 树结构函数中基本没有高阶割集( 具体见第三部分的1 2 2 节) 。 2 3 故障树分析原理 2 3 1 故障树的定性分析 2 3 1 1 定义和目的 所谓故障树的定性分析，主要是对原始故障树进行化简并得到其最小割集 的过程。对故障树进行定性分析的主要目的是为了找出导致顶事件发生的所有 可能的故障模式，也即弄清系统( 或设备) 出现某种最不希望的故障事件有多少 种可能性。 2 3 1 2 基本原理 利用逻辑函数构造故障树的结构函数，然后应用布尔代数运算规则来简化 故障树，获得其等效故障树，再将结构函数变换为最小割集和的形式。 2 3 1 2 1 结构函数 故障树的结构函数是故障树的数学表达式，它是对故障树进行定性和定 量分析的基础，考虑由n 个不同的独立底事件构成的故障树，化简后的故障树 之顶事件的状态中完全由底事件的状态x ( i = l ，2 ，n ) 的取值所决定( 共2 “ 个状态) ，即 o = 中( x ) = 中( x 。，x 。，x 。) 称逻辑函数中为故障树的结构函数。 例如，图1 所示与门结构故障树的结构函数为 巾( y ) ： x 。：m j n ( x ，x ：，x 。) ( 1 ) 该式的意义是：里全部底事件都发生( 即全部x 都取值1 ) 时，则顶事件 1 9 才发生( 巾( i ) = 1 ) 而对于图2 所示或门结构故障树，其结构函数为 巾( z ) 2 黔2 m a x ( x ，x z ，) ( 2 ) 该式的意义是：当系统中任一个底事件发生时，则顶事件发生。 这样便可用结构函数来代表故障树，然后利用布尔代数运算规则和逻辑 翻1 与门结构故障树 图2 或门结构故障树 门等效变换规则，获得对应的简化后的故障树。通过定性分析可得到以最小割 集和形式的故障树结构函数。 2 3 1 2 2 割集和最小割集 定义和意义： 设故障树的所有底事件对应的状态向量x 为x = “，岛，x 。) 如有一 个子集c l 所对应的状态向量为：x 。= x mx m ，x 。，) c xj = l ，2 ，k 当满足条件x ，。= x ，o = x 。= l 时，使m ( x ) = l ，则该子集就是割集c 。式 中l 为割集的底事件数，k 为割集数。一个割集代表了系统故障发生的一种可 能模式。 与该割集所对应的状态向量x 。称为割向量。 在割集中存在一种割集，如任意去掉其中一个底事件后，便不再是割集， 则这种割集被称为最小割集。最小割集表征了系统故障的必要和充分条件，它 是导致故障树顶事件发生的数目最少而又最必要的底事件的割集。其意义在于 它能描述系统故障时所必须要修理的基本故障，代表系统中的薄弱环节。 1 2 2 2 最小割集及其算法 由于最小割集发生时，顶事件必然发生，一个故障树的所有最小割集组 成的集合代表了顶事件发生的所有可能模式，因此故障树顶事件的结构函数可 以用最小割集表示。 对于简单的故障树，只需将故障树的结构函数展开，使之成为具有最小 项数的积之和表达式，每一项乘积就是一个最小割集加的形式。但是，对于复 杂系统的故障树，与顶事件发生有关的底事件数量多，工作量便很大。一般需 2 0 采用专用的算法，上行法和下行法是较为常见的算法。 ( 1 ) 上行法 其原理是：对给定的故障树，从最下级结果事件开始，若底事件用与门 同中间事件相连，则用公式( 1 ) 来计算；若底事件用或门同中间事件相连，则用 公式( 2 ) 来计算。然后，顺次向上，直至顶事件，运算才终止。按上行原理列出 故障树结构函数，并应用布尔代数运算规则( 分配率、吸收率等) 加以化简， 便得到最小割集。 ( 2 ) f 行法 这种算法根据故障树中的逻辑或门会增加割集的数目，逻辑与门会增大 割集容量的道理，从故障树的顶事件开始，由上到下，顺次把上一级事件置换 为下一级事件，直到完全变成由底事件的集合所组成，它的每一集合代表一个 割集。得到故障树的全部割集后，若得到的割集不是最小的，尚需再利用布尔 代数运算规则求得最小割集。 “上行法”计算较“下行法”更复杂，但下行法仅能得到顶事件的最小 割集，而上行法不仅可以得到顶事件的最小割集，还可以得到其他中间事件的 最小割集，为f t a 在故障诊断中的应用奠定了基础。 2 3 1 2 3 变压器故障树顶事件结构函数的最小割集表示形式 如上所述可知，由逻辑或门组成的变压器故障树，其顶事件的结构函数由 一阶割集组成，而没有二阶或高阶割集。 汐( x ) = x l + 砭+ ，+ x t 式中x 。表示变压器故障树中的各底事件结点的状态。 2 3 2 故障树的定量分析 2 3 2 1 定义和目的 对故障树进行定量分析的主要目的是求顶事件发生的特征量( 如顶事件发 生概率和系统可靠度) 、最小害4 集重要度和底事件重要度。 当计算顶事件发生概率时，必须己知各底事件发生的概率，并且需先将故 障树进行化简，佼其结构函数用最小割集来表达，然后才能进行计算。树的化 简第二部分“故障树定性分析”所述，而各底事件的发生概率q ，的具体算法第 三部分的3 3 “底事件概率”。 2 3 2 2 计算指标 ( 1 ) 顶事件发生概率g 2 1 求系统顶事件发生的概率，即是求( p ( x ) = 1 的概率。晖系统最小割集的表达 式为c j ) ，则用系统最小割集表达的结构函数为9 ( x ) = c ，( x ) ，式中，k 是最 小割集数，q ( 工) 为q ( x ) = n _ 。则系统顶事件发生的藕率g 为 k j k g = p 妒( z ) = l = p ( q ( 工) = 1 ) = 1 - 兀 1 p ( q ( 工) ) ) ( 2 ) 系统可靠度r 。2 1 。1 系统可靠度r ，可出顶事件概率g 得到：r = 1 一g ( 3 ) 最小割集重要度 对于最小割