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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 071003) 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 ：TM406 文献标识码 ：B 文章编号 ：10018425(2007)l1000905 Summary of Condition Assessment for Power Transformer ZHAO W en-qing，ZHU Yong-li (North China Electric Power University，Baoding 071 003，China) Abstract：The contents of condition assessment for power transformer are introduced。The research and application of condition assessment for power transformer are presented。 Key words：Power transformer；Condition assessment；Condition maintenance1 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 2550，故障停 电时间减少 75。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 21 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 、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 l所示 。 可能发生故障的位 置 、时间和程度 变压器故障预测 电气试验 变压器故 障征兆 ，故 参量 变 障前期发展过程 压 绝缘油 器 综 试验参量 形成变压器A 日 变压器状 态评估 维修决策 状 太 信 息 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 ) 图 l 变压器状态评估总体 结构 Fig1 Total structure of transformer condition assessmen图 l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 ；DGA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 一 可靠性。 22 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 ArhenniusDakin公式 ： 剩余寿命=Ae盯 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 卜 绝对温度 I 实际操作中，估算变压器剩余寿命的绝对 J 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0分100分 ，0分表示设备需要立 即维修 ；100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 100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【71利用文献【61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。 表 1 变压器综合 状态分类 表 Table 1 Condition classification list of transformer f I 评分 ： 020 2l4O ；4160 ：6185 86l00 状态 ： E D j C B A 维护策略i立即安排维修j尽快维修 优先维修延期，计划 延期 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 DGA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)ABB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 l0年15年没有进行过返修 ，且油中溶气 (氢气和总烃之 和)含量值在 500txLL以下定为较 好状态 ；一般状态指运行 20年以上 ，存在一些缺 陷， 油 中溶气含量值高于 500txLL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 500txLL或 4 500txLL，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 500LL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 09，则表明变压 器工作状态 良好 ；如果变压器工作效率在 07509 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 05，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91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 IEC三 比值法 、Et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 、Petri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问 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 SCADA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(RCM)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