（高电压与绝缘技术专业论文）电力变压器健康状态评估与剩余寿命分析.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着状态维修制度在电力系统中不断推进，如何科学有效地利用现有变压器状 态信息准确判断变压器的健康状况成为电力系统中的一个重要研究课题。本文通过 对变压器老化机理研究，对各状态信息量的分析与选择，应用主成分分析的方法， 建立变压器健康状态评估三级模型。在模型中，首先引入了电力设备健康水平指数 计算公式，然后对公式推导，得出剩余寿命、故障发生概率公式，最后对整个模型 参数进行确定，完善整个评估流程。应用此方法对河北南网1 0 座5 0 0 k v 变电站5 1 台单相变压器的健康水平指数、剩余寿命、故障发生概率进行分析和计算，并把评 估结果与设备的实际状况对比，论证本论文所提出评估方法的可行性。 关键词：变压器、健康状态、剩余寿命、故障发生概率 a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n tp r o m o t i o no ft h ec o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c ei nt h ep o w e r s y s t e m ，i th a sb e e n 姐i m p o r t a n ts u b je c tt h a th o wt oa p p l yt r a n s f o r m e rc o n d i t i o n i n f o r m a t i o ne f f i c i e n t l ya n ds c i e n t i f i c a l l yt oj u d g et h et r a n s f o r m e r ss t a t e a f t e rs t u d yt h e a g i n gp r i n c i p l eo ft r a n s f o r m e r ，a n a l y s ea n dc h o o s et h ec o n d i t i o ni n f o r m a t i o n ，t h et h e s i s c o n s t i t u t et h i r d c l a s sm o d e lo ft r a n s f o l n - l e rh e a l t hc o n d i t i o ne v a l u a t i o nb a s e do nm a i n c o m p o n e n ta n a l y s em e t h o d i n t r o d u c ee l e c t r i cp o w e re q u i p m e n th e a l t hl e v e li n d e x f o r m u l ai nt h i sm o d e l ，a n dm a k ed e d u c eo ff o r m u l aa n df i xo np a r a m e t e r s ，t h e r e b y c o n s u m m a t et h ew h o l ee v a l u a t i o ns y s t e m b yt h i sw a y , a n a l y s ea n dc a l c u l a t eh e b e i s o u t hn e t w o r k5 0 0 k vs u b s t a t i o n51t r a n s f o r m e r s h e a l t hl e v e li n d e x 、e n do fl i f e 、 p r o b a b i l i t yo ff a i l u r e ，a n dm a k ec o n t r a s to fe v a l u a t i o nr e s u l tt oe q u i p m e n t r e a ls t a t u s ， d e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo fe v a l u a t i o nm e t h o dw h i c h b r i n gf o r w a r db yt h i st h e s i s l i uw e i ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o n t e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f il uf a n g c h e n g & s e n i o re n g i n e e rg a oj u n k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e r , h e a l t hc o n d i t i o n ，e n do fl i f e ，p r o b a b i l i t yo ff a i l u r e 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着状态维修制度在电力系统中不断推进，如何科学有效地利用现有变压器状 态信息准确判断变压器的健康状况成为电力系统中的一个重要研究课题。本文通过 对变压器老化机理研究，对各状态信息量的分析与选择，应用主成分分析的方法， 建立变压器健康状态评估三级模型。在模型中，首先引入了电力设备健康水平指数 计算公式，然后对公式推导，得出剩余寿命、故障发生概率公式，最后对整个模型 参数进行确定，完善整个评估流程。应用此方法对河北南网1 0 座5 0 0 k v 变电站5 1 台单相变压器的健康水平指数、剩余寿命、故障发生概率进行分析和计算，并把评 估结果与设备的实际状况对比，论证本论文所提出评估方法的可行性。 关键词：变压器、健康状态、剩余寿命、故障发生概率 a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n tp r o m o t i o no ft h ec o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c ei nt h ep o w e r s y s t e m ，i th a sb e e n 姐i m p o r t a n ts u b je c tt h a th o wt oa p p l yt r a n s f o r m e rc o n d i t i o n i n f o r m a t i o ne f f i c i e n t l ya n ds c i e n t i f i c a l l yt oj u d g et h et r a n s f o r m e r ss t a t e a f t e rs t u d yt h e a g i n gp r i n c i p l eo ft r a n s f o r m e r ，a n a l y s ea n dc h o o s et h ec o n d i t i o ni n f o r m a t i o n ，t h et h e s i s c o n s t i t u t et h i r d c l a s sm o d e lo ft r a n s f o l n - l e rh e a l t hc o n d i t i o ne v a l u a t i o nb a s e do nm a i n c o m p o n e n ta n a l y s em e t h o d i n t r o d u c ee l e c t r i cp o w e re q u i p m e n th e a l t hl e v e li n d e x f o r m u l ai nt h i sm o d e l ，a n dm a k ed e d u c eo ff o r m u l aa n df i xo np a r a m e t e r s ，t h e r e b y c o n s u m m a t et h ew h o l ee v a l u a t i o ns y s t e m b yt h i sw a y , a n a l y s ea n dc a l c u l a t eh e b e i s o u t hn e t w o r k5 0 0 k vs u b s t a t i o n51t r a n s f o r m e r s h e a l t hl e v e li n d e x 、e n do fl i f e 、 p r o b a b i l i t yo ff a i l u r e ，a n dm a k ec o n t r a s to fe v a l u a t i o nr e s u l tt oe q u i p m e n t r e a ls t a t u s ， d e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo fe v a l u a t i o nm e t h o dw h i c h b r i n gf o r w a r db yt h i st h e s i s l i uw e i ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o n t e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f il uf a n g c h e n g & s e n i o re n g i n e e rg a oj u n k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e r , h e a l t hc o n d i t i o n ，e n do fl i f e ，p r o b a b i l i t yo ff a i l u r e 声明户日明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力变压器健康状态评估与剩 余寿命分析，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大 学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了谢意。 学位论文作者签名： 耋：】垄 日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 日期： 华北电力大学硕十学位论文 第一章引言 随着我困经济的高速、稳定发展，电力工业也取得了瞩目的成就。目前，我国 以2 2 0 k v 、3 3 0 k v 、5 0 0 k v 交流输电线路和6 6 0 k v 、8 0 0 k v 直流输电线路为骨干，已 经建成5 个区域电网( 华东、华北、华中、东北、西北) 和南方电网的主网架。同 时，“三交二直 5 条送电通道、“三交三直 6 条联网线路的建设运行，表明西电 东送、南北互供、全国联网的格局已经初步形成【i 】。我国电力工业已经进入大电网、 大机组、高电压、高自动化的发展时期【2 1 。然而，随着电压等级的提高和电网规模 的扩大，对电网内运行设备，尤其是核心设备电力变压器的可靠、健康运行提出了 更高的要求。 1 1 电力变压器运行现状 据国网公司统计，截止到2 0 0 5 年底，公司在运的l l o k v 及以上电压等级变压器 1 5 2 3 0 台，总容量1 0 3 3 5 9 0 m v a 。据不完全统计，2 0 0 4 年度国家电网公司系统的1 l o k v 及以上电压等级变压器共发生损坏事故5 3 台次、事故容量4 2 2 1 5 m v a ；2 0 0 5 年度 国家电网公司系统的ll o k v 及以上电压等级变压器共发生损坏事故1 8 台次、事故 容量为1 8 8 4 2 m v a 。按电压等级统计如下表： 表1 - 12 0 0 5 年按电压等级统计的变压器损坏事故率 电压等级k v 6 6l1 02 2 0 3 3 05 0 0合计 损坏事故数量台次 o7l o o1 1 8 年台次损坏事故率 00 0 7o 3 2o 0 1 3 o 1 2 损坏事故容量m v a o 2 2 0 51 3 8 0 0o2 8 3 71 8 8 4 2 年容量损坏事故率 o0 0 70 3 3oo o lo 1 8 2 0 0 5 年与2 0 0 4按台次计 o- 0 2 50 4 0oo 3 3o 2 8 年事故率差值 按容量计 oo 2 9- 0 3 9o- 0 0 9o 2 9 2 0 0 5 年度主要是1l o k v 、2 2 0 k v 和5 0 0 k v 级变压器发生损坏事故，特别是2 2 0 k v 级变压器损坏较多，占本年度损坏事故的5 5 6 。2 0 0 1 - - , 2 0 0 5 年各电压等级变压 器年台次损坏事故率呈现下降的趋势( 见表1 - 2 ) ，其中3 3 0 k v 和5 0 0 k v 级变压器年 台次损坏事故率在近几年有明显的下降【3 1 。 表卜22 0 0 1 - - - 2 0 0 5 年按电压等级统计的变压器年台次损坏事故率 各电压等级变压器年台次损坏事故率 年度 11 0k v2 2 0k v3 3 0k v5 0 0 k v 合计 2 0 0 10 3 40 3 91 6 51 8 30 4 3 2 0 0 2o 1 80 3 5o0 4 00 2 3 2 0 0 3o 。2 8o 2 60o0 ，2 6 2 0 0 4o 3 20 7 2oo 1 60 4 0 2 0 0 5 0 0 7o 3 20o 1 3o 。1 2 华北电力人学硕士学位论文 1 2 电力电力变压器检修现状 过去6 0 年中，电力设备检修策略一直在不断变革。这种变革是因为需要维护设 备的种类和数量大为增加，也是由于没计更为复杂、检修技术推陈出新以及对检修 体制和职责的观点不断更新的结果【4 】l5 1 。 故障性检修：功能失效后的作业，即只在故障发生时才进行修换或管理。这个 时期的大部分设备都比较简单、设计余量很大，设备易于修复。 预防性检修：对设备按照预定时间问隔或操作次数执行检修的预防性作业。6 0 年代后，随着社会化大生产对设备依赖性的逐渐增大，以预防性为主的检修观念逐 渐形成。 状态检修：根据设备的运行状态而执行检修的预防性作业。自7 0 年代中叶起， 工业生产领域内的新期望值、新决策研究及新技术等方面的变革进程异常迅猛，设 备检修的效率和效益在保持整个系统的可靠性和可用度等方面也愈显重要，从而产 生了状态检修。 1 2 1 国内变压器检修 解放后，我国普遍实行的定期检修方式是五十年代初从苏联引进的，其特征是： 设备运行一段时间( 规定周期) 后，无论有无缺陷或问题都要停下来进行试验、检 查、修理，是以时间为基础的预防性定期检修制度。多年来，电气设备各类缺陷隐 患的查找，般是在定期检修期问，对停电设备进行相关项目的预防性试验，检测 其特征参数，参照有关规程，由此判断设备的好坏，或继续服役或停运进行全面修 理或故障部件的更换，使其在最短时间内恢复正常。长期以来，定期检修制度对事 故预防和设备维护，保证电力企业安全生产起到了重要的、积极的作用【6 】【7 1 。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着在线监测技术和故障诊断技术的进步，我国开始提 出状态检修问题并进行研究瞪】。早在1 9 8 7 年，国务院在颁布的全民所有制工业交 通设备管理条例中就指出：“应采用以设备状态监测为基础的方法，不断提高设 备管理和维修现代化水平”。而且，我国也已经有部分研究单位和企业在开展这方 面的理论研究与试点应用工作。如9 0 年代初，东北电力集团以大连电力局为试点， 开始探索电气设备的状态检修。统计至1 9 9 5 年，累计节约维修费用超过1 0 5 0 万元， 且由于减少了停电次数，累计挽回电量直接经济损失2 6 0 万元，可创社会经济效益 3 0 0 余万元，取得良好的经济效益和社会效益。常州供电局从2 0 0 0 年开始实施状态 维修，开发了常州供电局状态检修计算机管理系统，实现了状态检修分析、设备管 理、综合查询、缺陷管理、试验管理、系统管理等功能【9 】。 目前，我国正逐步开展电气设备状态检修试点和技术推广工作。并且由于实际 2 华北电力大学硕+ 学位论文 需要，一些新方法、新手段正不断涌现。1 9 9 6 年1 1 月在上海召开了全国电力设备 状态检修工作经验交流会，1 9 9 8 年5 月在武汉召开了华中电网发电设备实施状态检 修研讨会。2 0 0 1 年1 2 月，国电公司印发了火力发电厂实施设备状态榆修指导意 见，开始在全国电力系统范罔内丌展电气设备状态检修工作。这无疑将对电力设 备状态检修起到巨大的推动作用【10 1 。可以预见，状态检修这一先进的技术和管理体 制必将在我国电力行业中得到越来越多的推广，取得令人瞩目的经济和社会效益。 进入2 0 0 8 年，国家电网公司相继印发了国家电网公司设备状态检修管理规 定、输变电设备状态检修绩效评估标准、输变电设备全寿命管理指导性意见、 输变电设备在线监测系统管理规范等一系列状态检修管理体系文件，及国家 电网公司输变电设备状态检修试验规程、输变电设备状态评价导则、输变电设 备状态检修导则、输变电设备风险评价导则、输变电设备状态检修辅助决策系 统建设技术原则、输变电设备在线监测系统技术导则等一系列设备状态检修技 术体系文件。同时，各个省公司也分别在本省开展试点，电力设备状态检修工作已 经在我国轰轰烈烈开展起来。 1 2 2 国外电力变压器检修 近2 0 年，北美、欧洲等一些国家，在真实掌握设备运行状态的基础上，根据自 身情况，开展了多种检修方式【6 】： ( 1 ) 以可靠性为中心的检修策略( r e l i a b i l i t yc e n t e r e dm a i n t e n a n c er c m ) ： 基于设备状态并将设备在系统中所处的地位及其对系统可靠性的影响程度考虑在 内，而执行检修的预防性作业。其中美国电力研究院( e p r i ) 所属的监测与诊断( m & d ) 中心推出了以可靠性为中心检修方法的一系列技术方案和相关系统，并在多个电站 推广应用，取得了良好的效果。到1 9 9 7 年，在美国排名前1 0 0 0 的大公司中，已有 6 8 的公司采用r c m 的检修方法。 ( 2 ) 基于成本一效益的维修( c o s t - b e n e f i tm a i n t e n a n c ec b i ) ：基于设备状 态并考虑设备的维修成本和所能带来的经济效益，并将成本、效益定量货币化的一 种维护维修方式。c b m 是在r c m 基础上从定量的角度提出一种制定和实施c e m 的维 修程序和计划。 ( 3 ) 基于风险的维修策略( r i s kb a s e dm a i n t e n a n c er b m ) ：建立在c b m 基础 上，设备管理和维修信息化，考虑设备基础情况，考虑设备可能发生的故障及其故 障模式、故障后果、故障发生概率、维修成本费用等情况的一种维修策略。 1 2 3 电力变压器状态评估现状 国外对变压器的状态评估，已经在不同方向开展了大量的研究工作。有的是从 3 华北电力大学硕j ：学位论文 绝缘性能、导电性能、机械性能等方面来评判设备状态；有的是从电气、机械、热 应力等方面来评判设备状态；还有根据额定使用年限、负荷情况、环境( 温度、r 照等) 等方面来评判设备状态。其中，a b b 公司对变压器状态评估，尝试采用量化 的方式，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) ，采用综合考虑的方法而不用一般统计方法进行评估j ，评估过程 中具体使用的推理方法是影响因素法和相关法。美国、英国的电力设备状态评估， 不是由输配电部门自己来做，一般由有资质的检测公司( 原属于国家电力系统的研 究机构) 来评估。大致有两个方向，一个是针对某区域内所有设备的评估，为领导 层提供决策支持，一个是针对某区域内每台设备的评估，为现场维护、维修的技术 人员提供参考方案。 国内各高等院校及国家电网公司的研究机构，对于电力变压器状态评估，在理 论研究方面及实际评估中，进行了大量工作，总结了很多经验并制定了很多标准。 在理论研究方面，重庆大学根据设备运行工况、预试状态、缺陷、检修、家族质量 史、在线检测等状态信息，提出了基于模糊理论的电力变压器运行状态综合评估方 法【眩】；华北电力大学利用贝叶斯网络解决不确定问题的优势，提出了基于贝叶斯网 络的变压器状态综合评估改进方法【1 3 1 ；吉林大学提出了一种在没有标准故障模型情 况下的变压器状态评估方法，引入了灰靶理论【l4 1 。实际应用方面，据国网公司统计， 全国各网省公司在改变传统的定期检修模式上进行了一些尝试，开展了许多工作， 共编制各类管理制度、技术标准1 4 0 份，各类设备检修工艺导则约3 0 0 份。同时， 许多单位以科技项目的形式，积极开展了相关研究工作，对设备状态检修进行了大 量技术性和管理性的探索。 随着变压器设备朝着高复杂度、高精密度发展，设备的评估方法也向着深层次、 宽范围发展。根据设备自身情况，采用不同的评估方法，或几种评估方法结合应用， 不仅让复杂的评估变得简单易操作，更增强了评估的准确度。下面介绍几种常用的 评估方法： 1 模糊隶属度评估法：该方法是基于模糊数学的原理，从多个因素对评判事物 隶属等级状况进行综合评估的一种方法。把指标体系中每个指标得到的评估值经模 糊评判的规范化处理后，得出一个隶属度向量，对所有指标的隶属度向量进行合成 运算，求出评估对象的综合评定结果。主要应用在多种影响因素的事物评估，状态 评估、故障诊断等【1 5 】。 2 聚类分析法：应用较多的有模糊聚类分析法和灰色聚类分析法，该方法通过 把原来的对象集合分成相似的组或簇，得到某种内在的数据规律，从而完成对采集 数据的分析【1 6 】。 4 华北电力人学硕十学位论文 3 层次分析法：是一种将主观的、定性的评价量化的方法，它将一个具有多层 次、多属性指标因素的复杂方案优选决策问题，通过层次序列化和因素重要性的判 断，经定量计算得到优选方案，是一种多目标决策技术。该方法简单、科学，广泛 用于设备的状态评估、安全评估、效能评估等【l7 。 4 主成分分析法：该方法通过原有变量( 指标) 的少数几个线性组合来解释原 有变量所体现的样本变差，是一种较新的系统评估方法，主成分分析法本质是对高 维变量系统进行最佳综合与简化。此方法可以避免只依据主观评定法确定指标体系 权重的不准确性，使评估指标体系的权重更加合理、有效【l 引。 5 因子分析法：因子分析( f a c t o ra n a l y s i s ) 是一种多元变量统计方法，用较 少个数的公共因子的线性函数和特定因子之和来表达原来观测的每个变量，从研究 相关矩阵内部的依赖关系出发，把一些错综复杂的变量归纳为少数几个综合因子的 一种方法。该方法在工业、医学、经济学等很多领域广泛应用，取得了显著成效【l 9 1 。 总体来说，我国电力变压器设备的检修还处在定期检修阶段，随着各种在线、 离线监测设备的投入使用，新的管理、维修理念的引入，设备检修逐渐由定期检修 向状态检修过渡，电力变压器设备检修处于不断完善和发展中。 1 3 开展状态检修意义 大型电力变压器是输变电系统的中枢与核心，设备成本高，供电范围广，电压 等级高，维护维修成本高，且不可频繁停电。一旦发生故障，将会造成局部网络供 电受困，影响用户的正常用电，造成不可挽回的经济损失和恶劣的社会影响。 传统的定期检修模式有自身的科学依据和合理性，在多年的实践中有效减少了 设备的突发事故，但随着电网的发展，这种模式逐渐显现出一些缺点：( 1 ) 定期检修 “一刀切 式的检修模式，没有考虑设备的实际情况，盲目地“到期必修 、“修必 修好，往往造成对于某些设备的“维修过度 。( 2 ) 近几年电网规模迅速发展，电网 设备数量急剧增加，定期检修工作量剧增。在有限的人力、物力情况下，必然造成 某些设备的“维修不足 。( 3 ) 电网设备的制造质量大幅提升，早期的设备检修、试 验周期已不能适应设备管理水平的进步【2 0 1 。 我国的电力行业标准变压器检修导则规定，“o k v 及以上等级变压器投运 5 年进行大修一次，以后每隔1 0 年必须进行大修。而l l o k v 电压等级变压器每检修 一次，需投入3 0 0 工作人日，检修费用约l o 万元，2 2 0 k v 电压等级的时间更长，费 用更高。某统计显示，对1 1 0 台高压变压器进行的1 6 2 台次定期吊检大修，共发现 2 4 项缺陷，仅发现一项危及安全运行缺陷，其余都是一般性缺陷。可见，定期检修 制度已经不适用于目前我国电力设备检修现状。 华北电力人学硕士学位论文 基于设备状态的检修方式，利用设备或设备某些重要部件的寿命特征，通过数 据采集和分析来预测设备状态发展的趋势。该检修方式以设备当前的实际状况为依 据，通过高科技监测手段，对设备进行纵向( 历史与现状) 、横向( 同类设备运行 情况) 的分析比较，识别故障的早期征兆，并对故障部位、故障程度及发展趋势做 出判断，以确定最佳检修时机【2 。 状态检修的开展，以设备当前的实际工作状态为依据，而并非传统的以设备使 用时间为依据，因此能更加明确检修目标，减少检修的盲目性。状态检修通过先进 的状态监测手段、可靠性评价及寿命预测，识别设备故障的早期征兆，对故障部位 及其严重程度、故障发展趋势作出判断，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检修。科学的提高了设备的利用率，在不降低可 靠性的基础上，大大降低了检修费用，提高了企业效益。美国等工业发达国家，自 7 0 年代就开始了状态监测和检修研究。美国电力研究院诊断检修中心，现在能为全 美五十家最大的电力公司8 0 的设备提供状态检修服务。据其统计表明，实施状态 检修提高设备利用率在5 以上，节约检修费用2 5 3 0 1 2 2 。 变压器的状态检修就是针对变压器的运行状态及时地进行检修，即根据变压器 历史档案、运行工况与运行经验、带电测试或在线监测数据等综合分析变压器的健 康状态，来确定变压器是否需要检修，科学地安排检修时间和项引2 3 1 。变压器状态 检修比定期检修具有以下5 点优势： 1 只针对有故障或有故障倾向的设备进行检修，而对于正常运行设备，只进行 日常的监测，节省大量人力物力； 2 根据设备的实际健康状况，进行维护、维修，采取有效措施延长变压器的使 用寿命，避免了维修过度； 3 在保证供电不间断的情况下，维持了输变电的可靠性； 4 降低检修成本和检修难度； 5 减少由于定期检修带来的风险。 可见，开展变压器状态评估与状态检修，科学、理性的评价变压器的健康状态 和风险水平，从而合理安排对变压器的维护、维修，能够在节约维护、维修资金， 确保变压器的正常、安全运行情况下，提高供电的稳定性，降低了维护、维修成本， 对目前我国建设和谐、节约型社会有非常重要的意义。 1 4 论文主要研究工作 在阅读大量文献、充分了解我国电力变压器设备运行现状、检修现状，及状态 评估现状后，结合我国目前的电力设备检修及状态检修开展情况，本论文拟完成如 6 华北电力人学硕十学位论文 下研究内容： 1 研究变压器老化机理，模拟电力变压器的老化过程，作出变压器老化曲线。 对影响变压器老化速度的一些重要凼素，如温度、水分、负荷等进行分析。 2 在完成变压器老化进程分析后，确定电力变压器的各个状态信息量，把状态 信息分为基础信息、运行信息、试验信息、故障缺陷信息四部分，并对各状态信息 量进行详细阐述与剖析。 3 建立电力变压器状态评估模型，提出电力变压器状态评估三级模型：一级模 型选用的状态量是对变压器状态影响最大的指标，主要有负荷、投运年限、运行环 境，这些指标直接反映变压器主体的健康状况；二级模型选用的状态量是对变压器 健康状况的间接反映，主要是一些试验和测试数据，这些数据从间接角度反映出当 前变压器的健康变化情况；三级评估模型，主要是对前两级评估的结果的修正，选 用由变压器主体反映出来的实际状况信息对变压器健康情况进行客观修正。 4 在评估模型中引入英国e a 公司的电力设备健康状况老化公式，根据老化公 式，推导出基于健康状态值的剩余寿命及故障率判断公式。从电力变压器状态评估 需要出发，利用模糊数学思想，提出基于模糊综合评判的变压器状态评估方法，运 用层次分析法确定各级评估模型中各评判因素的权重、各相关系数的值。 5 对河北南网5 0 0 k v 变电站中的5 1 台电力变压器进行健康状态评估、剩余寿 命预测、可能故障率预测，并对评估结果进行分析，检验本论文提出状态评估方法 的可行性和有效性。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章电力变压器老化机理研究 开展电力变压器状态评估，首先需要解决两个问题：第一要找出变压器老化的 原因。要找出变压器老化的原因，就要研究变压器是怎么劣化的，哪些因素导致变 压器的劣化并最终导致其失效。造成变压器老化有诸多因素，温度、水分、负载、 电压等因素都在不同方面、不同程度影响着变压器的老化速度，要确定各因素是怎 样导致变压器老化的。第二要确定变压器老化的程度。根据我们开展的各项试验所 检测的方向不同，从各种试验数据中分析变压器各部分的老化程度，确定各个状态 评估量，从而完成对变压器老化程度的判断。 2 1 电力变压器老化进程分析 电力变压器的老化通常是指绝缘的老化，且变压器的运行寿命也一般由绝缘部 分( 绝缘油、绝缘纸、板等) 决定。变压器固体绝缘老化分为电老化和热老化，电 老化是变压器设计所决定的，和绝缘材料的选择、电压等级有关，热老化和变压器 投入运行后的负载、温度、环境有关系1 2 引。 变压器的老化进程，在出厂时就开始了，氧气、水分在一定温度下，对绝缘发 生缓慢的作用，导致绝缘老化；变压器投运后，电场和磁场共同作用，温度的升高， 负荷的增加，加快了变压器的老化进程；运行期间，偶然发生的过电压、短路故障， 图2 - i 电力变压器老化进程模拟图 导致变压器绕组瞬间大电流，温度急剧升高，严重损坏了绝缘的耐压强度【2 5 1 。如图 2 一l ，形象模拟了变压器的健康状况老化进程。另外，g b t1 5 1 6 4 9 4 中指出以下 8 华北电力人学硕十学位论文 各因素对变压器的老化进程起决定性作用： ( 1 ) 事故( 指过电压、系统中短路) 严重性； ( 2 ) 变压器设计及质鼍； ( 3 ) 变压器各部分的温度； ( 4 ) 固体绝缘介质和油中的含水量； ( 5 ) 固体绝缘介质、油中氧气及其他气体含量： ( 6 ) 杂质的数量、大小和类型。 2 2 电力变压器老化影响因素 影响变压器老化进程的因素有很多，主要因素与变压器运行期间的工况和环境 密切相关。造成变压器绝缘老化的主要原因有过电流、长期高负载运行、过热、水 分、氧化等。热和水分是造成固体绝缘材料老化的最主要因素，而氧化作用则会加 速固体绝缘的劣化。变压器在运行时，绝缘结构长时期经受的老化方式主要有：热 老化、电老化、化学老化、机械应力老化。 2 2 1 热老化 变压器运行中产生的热量导致绝缘的温度升高，1 9 3 0 年m o n s t s i n g e r 首次提出 了绝缘寿命与温度之间的经验关系即5 i o 。c 规则，认为在1 0 0 l l o 温度每 升高6 则绝缘寿命约减半，在大于1 2 0 。c 温度每升高8 c 则绝缘寿命约减半，并以 绝缘拉伸强度达到初值的5 0 作为寿命终结的判据。1 9 4 8 年d a k i n 提出热老化实 际上是有聚合链分裂等作用的氧化反应，当纤维温度达到2 0 0 或以上，就会与氧 化物或水发生反应生成葡萄糖、c o 、c o 。和有机酸，并加速了正常氧化的油的反应速 度，其化学反应速度常数由后来人们称之为阿仑尼斯( a r r h e n i u s 方程来表示【2 6 】 k = a e b ( 舢2 7 3 ( 2 1 ) 式中，p 为温度；彳、b 为经验常数。 显然，温度越高，绝缘的老化速度越快。并导致高分子材料的裂解，使材料的 抗拉强度下降以及电性能如耐电强度、介质损耗、绝缘电阻等性能变劣，并使材料 变脆或开裂。 2 2 2 电老化 变压器油纸绝缘结构的电老化取决于其局部放电的累积程度。矿物油与纤维素 的相对介电常数分别为2 2 和6 6 ，因此油隙上的电场强度比较高，易于发生 局部放电。矿物油中主要成分为碳氢化合物，即烃类包括烷烃、环烷烃和芳香烃， 在高电场作用下，因离子撞击作用使矿物油分子分解，产生气体包括h 。、c h 。、c 。h ： 9 华北电力大学硕 ：学位论文 等，在绝缘层中形成气隙和气泡，加剧了局部放电，同时，油分子链还可以生成固 体蜡状物使绝缘导热困难而导致热破坏f 2 7 】。当外施电场远低于绝缘材料的击穿强度 时，或外施电压远低于绝缘的局部放电起始电压，则绝缘材料将在非常长的时间内 耐受该电场而不击穿。 2 2 3 化学老化 当绝缘纸板中的水分增加、变压器油老化生成的酸性成分增加或由于接触空气 使氧与纤维分子里的碳原子反应生成醛类和酸，纤维素水解速度加快，会导致聚合 度降低、纤维变短、强度变弱从而影响绝缘件的机械强度，而氧化过程使绝缘材料 释放出水、c o 、c o 。也会导致聚合度降低，同时又生成c 0 、c 0 ：，从而导致其物理化 学性能的劣化。根据变压器的绝缘老化机理，下面对化学反应中重要因素氧气和水 分进行分析： 1 氧气 虽然在变压器制造过程中，制造厂和运行维护部门采取了各种真窄的密闭的措 施和油处理工艺，但在油中仍含3 以下的气体，而且由于变压器溶解氧气的能力 比溶氮能力强( 1 6 对7 ) ，所以氧在油中溶解的气体中的比率比它在空气中占有 的比率高得多( 空气中o 。占2 0 ，油中气体0 ：占2 8 ) ，成为供给油、纤维素等高 分子链氧化裂解反应需求的一个重要储源【3 1 】。氧与绝缘材料的反应是一个相当复杂 的过程，它不仅与氧化流动快慢有关，还取决于与油的反应。绝缘纸的主要成分是 纤维素，纤维素是由长链的糖和单糖构成的有机物，干燥纸的强度主要取决于纤维 的状况、强度及其化学键。在水分存在的情况下，纤维素和氧气发生反应，聚合链 分裂，生成葡萄糖、c o 、c o ：和有机酸，并加速了正常氧化的油的反应速度。 2 水分 变压器内部局放起始电压和击穿强度随绝缘中含水量增加而急剧下降，对设备 运行构成威胁，严重时还会酿成放电、击穿事故。同时，水分参与油、纸纤维素等 绝缘材料的化学降解反应，促使这些材料降解老化，从而再加速绝缘系统介电强度 的降低和各项性能的劣化【2 射。水分对变压器内部固体绝缘材料老化有很大影响。相 关部分曾做过水对固体( 纸板) 和液体( 变压器油) 绝缘材料热老化的影响试验， 该试验在密封良好的且具有密闭热膨胀保护装置的容器中进行，与大气隔绝并附有 热循环系统，并可定性和定量地分析气体分解物和水分，还可在试验中按规定准确 地加入氧气或水分。加速老化试验的温度为1 3 5 ，试验的油和纸板都经干燥处理。 试验最终得出如下绝缘纸板产水量、聚合度与老化时间关系曲线【3 0 】： l o 华北电力大学硕十学位论文 o 2 04 0 6 08 0l 1 2 0 老化时闻天 图2 - 2 绝缘纸板产水量、聚合度与老化时间的关系 曲线1 d p 为加5 0 9 水；曲线l d p 为加2 0 9 水：曲线2 心咖。、2 啪啪。为含水量曲线 2 2 4 机械应力老化 牵引变压器在运行过程中，不可避免地遇到短路作用，使绕组产生机械应力， 同时在正常运行中因电流及磁场的存在也有这样的作用【2 8 1 。当绝缘材料疲劳而产生 裂纹时就易诱发电树枝的形成，从而导致使绝缘老化。短路瞬间的大电流产生的电 动力引发变压器绝缘位移、线圈变形，造成电场分布不均匀，也会加速变压器老化 进程。 2 3 小结 本章对电力变压器的寿命过程进行了分析，提出几点影响变压器老化速度的因 素，主要有温度、负荷、水分、氧气、过电压或短路事故程度，并加以分析。除了 以上主要因素外，还有如油的酸值、臭氧浓度、材料上的电场强度、机械负荷等均 会对绝缘材料的劣化构成影响。分析这些因素对变压器老化速度的影响，根据试验 数据了解现场温度、含氧量、水分含量等实际状况，才能够合理、准确的完成对电 力变压器的状态评估。 华北电力人学硕十学位论文 第三章电力变压器状态量分析 电力变压器在其整个服役期问，内部各个器件都在缓慢的发生老化，人们不能 直接观察到各器件的老化程度，但可通过变压器的各种外部表征或试验检测或日常 数据记录，间接的了解变压器当前状况。例如，可根据油质测试情况了解变压器油 的状况，根据频谱响应曲线对比了解变压器内部绕组变形情况。正确获得这些变压 器状态信息，并科学、合理的进行分析，便可真实的评估当前变压器的状况。 3 1 电力变压器的状态信息 为了保证信息搜集的全面性，从设计生产、投产运行、例行试验、定期检修的 变压器生命历程搜集信息，并把变压器的状态信息对应的分为4 部分，分别为基础 信息、运行信息、试验信息、故障及缺陷( 或维修) 信息。 1 基础信息：基础信息为变压器自身所固有的信息，包括变压器的额定容量、 额定电压、额定电压比、绝缘水平、空载损耗和空载电流、负载损耗和短路阻抗、 绕组联结组标号，同时还有冷却方式、变压器油温升、绕组温升，还包括制造厂家、 出厂日期、投运日期，及本系列设备的家族缺陷等。 2 运行信息：运行信息为变压器运行期间状态信息的记录，包括变压器的负载 情况，变压器外部所在环境情况( 温度、污秽等级) ，冷却系统的工作状况、调压 开关的工作状况等其它辅助机构的状态信息。 3 试验信息：具体包括预防性试验信息、 介质损耗) 信息、油色谱试验( 氢气、甲烷、 信息。 油简化试验( 酸度、击穿电压、微水、 乙烷、乙烯、乙炔) 信息、糠醛试验 4 故障缺陷( 或维修) 信息：变压器最近5 年的各种故障信息( 包括故障大小、 故障持续时间、维修更换情况等) ，如短路故障( 要有故障电流、故障时间记录， 故障后的直阻测试、电容量测试、频谱测试分析等) 。 3 2 电力变压器状态信息分析 3 2 1 基础信息 3 2 1 1 铭牌参数 变压器铭牌参数包括额定容量、额定电压、额定电压比、绝缘水平、空载损耗 和空载电流、负载损耗和短路阻抗、绕组联结组标号。 1 2 华北电力人学硕十学位论文 本论文所分析的电力变压器，额定容量大部分为2 5 0 m v a ，只有6 台为3 3 4 m v a ， 额定电压为：高压5 0 0 k v ，中压2 2 0 k v ，低压3 5 k v 。绕组联结组标号为y o a 一11 ， 中性点直接接地。 变压器的绕组绝缘水平山其耐受电压表示，包括耐受工频、感应、冲击全波、 冲击载波、操作波电压和局部放电水平。 空载损耗为变压器一个绕组施加额定频率下的额定电压，其它绕组丌路时变压 器吸取的功率。它属于变压器励磁损耗，其大小对变压器的运行经济性有较大影响。 空载电流为变压器一个绕组施加额定频率下的额定电压，其它绕组开路，流经该绕 组线路端子电流的方均根值。测定空载电流的变化及其谐波分量的大小，对于考核 变压器的质量以及电网的运行，具有一定意义。 负载损耗为变压器一对绕组中，一个绕组流经额定电流，另一个绕组短路，其 它绕组开路，在额定频率及参考温度下，所汲取的功率。变压器的短路阻抗为某一 绕组端子间的等效串联阻抗【3 2 l 【33 1 。 3 3 1 2 家族缺陷 运行经验表明，常发生这种情况，有一批设备、在一个较短的时期内，出现或 容易出现某种共性的问题，如1 0 年前大量出现的金属氧化物避雷器密封问题，目 前某些地区出现2 2 0 k v 电力变压器抗短路能力不够的问题等【3 4 l 【3 引。如果一个产品的 缺陷是设计不良造成的，不难理解，基于同样设计的其它产品也有同样的缺陷或发 生此类缺陷的风险。如果在健康状态评估中，有一批设备发生某个缺陷，经分析认 定属于设计、或材质、或工艺缺陷，那么，就要考虑该家族缺陷对设备评估的影响。 3 2 2 运行信息 3 2 2 1 负载情况 g b t1 5 1 6 4 - 1 9 9 4 中“正常预期寿命值是以正常的环境温度和额定条件下连续 运行为基础的。当负载直过铭牌额定值和( 或) 环境温度高于正常温度时，变压器将 承受一定程度的危险，并且老化加速。 变压器负载的大小直接影响着变压器的温升，而温升对内部绝缘材料老化速度 影响较大，因此，考虑变压器负载情况并进行分析，对电力变压器的健康状态评估 与剩余寿命研究有重要意义【36 1 。对于本论文中研究的大型电力变压器，规程中规定， 正常周期性负载电流不能超过铭牌额定值1 3 倍，且热点温度及与绝缘材料接触的 金属部件的温度不超过1 2 0 ，顶层油温不超过1 0 5 ；长期急救性负载电流不能 超过铭牌额定值的1 3 倍，且热点温度与绝缘材料接触的金属部件的温度不超过 1 3 0 ，顶层油温不超过1 1 5 ；短期急救负载电流不能超过铭牌额定值的1 5 倍， 1 3 华北电力大学硕：l ：学位论文 且热点温度与绝缘材料接触的金属部件的温度不超过16 0 ，顶层油温不超过 l l5 。 本论文中考虑了电力变压器的额定负荷、过去5 年的负倚情况、曾经最高负荷 情况及负荷电流大小和时间、并预计未来负荷等因素。负荷冈素在本论文中作为变 压器健康状况评估中对设计寿命的修正。 3 2 2 2 环境情况 变压器外部环境包括日常空气温度、湿度、