配电变压器全寿命周期管理模式研究

目录摘要……………………3一、绪论…………………3二、研究的目的及意义…………………3三、研究现状………………4四、基于油中溶解气体分析的电力变压器绝缘故障诊断………………4（二）以油中溶解气体为特征量的电力变压器故障诊断………………4（二）电力变压器内部故障与油中溶解气体的关………5（三）支持向量机理论………6（四）基于云模型的多故障诊断与预测方法……………6五、基于健康指数的变压器运行状态评估………………7（一）变压器绝缘状态评估结构体系的建立……………7（二）电力变压器绝缘状态评估指标体系的建立………8（三）电力变压器绝缘状态评估构架……9（四）变压器绝缘评估指标权重确定……9六、电力变压器绝缘寿命评估……………10（一）基于糠醛含量的纸绝缘平均聚合度计算………10（二）变压器平均热点温度计算…………11（三）基于FDS技术的绝缘纸含水量评估方法………11五、结论……………………12参考文献……………………12致谢…………14配电变压器全寿命周期管理模式研究摘要：配电变压器全寿命周期管理，包含了从初装，使用前的实验，再到具体的使用，最后到结束使用寿命的处理。其中使用寿命在全过程中占主要位置，也是管理的重点。电力系统运行的可靠性主要依靠于电力变压器的安全运行。本文通过阅读和搜集大量文献资料，分析了变压器油中的特征气体与设备故障类型的关系，以及现在对特征气体的有效的技术诊断方法，通过对基于糠醛含量的纸绝缘平均聚合度计算，变压器平均热点温度推演以及基于FDS技术的绝缘纸含水量评估方的分析，总结出变压全寿命周期的管理方法。希望能够在电力变压器的现实管理中，有一定的实践应用意义。关键词：绝缘故障;绝缘寿命；糠醛含量一.绪论在当前发展形势下，生产产品的工厂，销售产品的商场，人们生活的家庭，等各个地方的正常运行都需要电。电在各种行业起着至关重要的作用。电力系统就像血管一样为各个终点地方提供电能量。在电力系统中起很关键的枢纽作用的就是电力变压器。电力变压器从生产，到投入使用，再到生命周期结束，这是一个需要长期维护的过程，特别是在使用过程中，作为一个机械设备，就会出现一些故障问题，一旦出现故障，一方面会影响电力系统的正常运行，也有可能造成安全问题，可能会对电力系统以及终端用户造成不可挽回的影响与危害。故障发生后外部的能直接看见的相对维修难度会低一点，但是内部的，微观的不可直接见到的故障维修难度大，费用高。因此，如何提早发现故障，预测故障的发生，提前对变压器的运行状态进行预估，对其剩余使用寿命进行评估，对其全寿命周期进行合理有效的管理。这目前是各方面关注的一个问题。二、研究的目的及意义随着生产力的不断发展，我国的发电量已经趋于世界前列，国内的使用量对电力系统的超高压和大容量要求更高。与此同时对发电、供配电、输变电和用电的可靠性要求也随之提高。其中电力变压器在保证电力系统正常，安全稳定和可靠地运行中起着至关重要的作用。如果电力变压器发生故障，有可能造成系统的瘫痪，经给生产和生活，以及经济建设都造成不可预估的影响。目前国内，一方面电力系统压力大，另一方面变压器结构复杂，故障的发生率，发生种类和发生原因都很多。国际上发达国家供电的可靠率已经达到99.99%，我国最近十几年虽然也在逐步提高，但是与发达国家相比较还是有很大的差距的。目前电力变压器故障是电设备中危机电力系统正常运行的主要因素。所以如果能通过合适的技术手段，选择准确的检测对象，利用合理的的计算方法，对影响电力变压器使用寿命的关键因素如变压器油，绝缘纸等进行检测和评估，对在一定程度上避免故障的发生，延长设备的使用寿命，合理管理设备生命周期，减少经济损失有重要意义。三、研究现状变压器运行的可靠性，关系着整个电网系统的安全运行，也是发展电力经济的关键所在。在设备的生命周期内如何对其进行合理有效的管理，也是相关电力企业重点关注的问题。全寿命周期成本这种管理方法，最早是在二十世纪六十年代由美国提出的管理方法。这种管理方法是在八十年代后期才得到广泛的认可和应用。全寿命周期成本随后经过逐步完善和成熟，然后被国际行业认可走向国际。在电力变压器可靠性能研究这方面，在国际上乌克兰排在世界前列，其220v的变压器曾经有15年无故障的记录。这在当时世界上都享有盛誉。还有俄罗斯和日本在变压器可靠性能的研究方面，经过常年的积累，也有其独特经验。在国内１９９５年，我国电力工业部制订了（（ＤＬ／Ｔ５７３．１９９５电力变压器检修导则》，接着１９９６年，制订了（ＤＬ／Ｔ５９６．１９９６电力设备预防性试验规程》，用于规范和指导电力行业的调试检修，日常的运行维护。从而来提高其运行可靠性能。近些年来，随着对变压器可靠性数据的统计积累，我国的电力变压器的可靠性水平2017年之前五年的停运率一直维持在0.2次/百台年左右，而瑞典在１９７１年，停运率仅为０.１６每一百台。与发达国家相比仍我国在这方面还是有较大差距的。四、基于油中溶解气体分析的电力变压器绝缘故障诊断（一）以油中溶解气体为特征量的电力变压器故障诊断电力变压器，特别是大型油浸式变压器，其内部结构相对比较复杂，发生故障的几率相对较高。电力变压器随着运行时间的加长会发生渐进性的绝缘老化，这对变压器的故障判断造成很大的困难。在故障类型判断中，绝缘故障诊断是对电力变压器进行运行状态评估的重要组成部分。利用油中溶解气体分析技术，可以有效地发现油浸式变压器的内部潜伏性故障和故障发展程度.电力变压器的不同部位发生不一样的故障时，其会产生不同的故障特征气体，当然如果相同故障类型，产生的特征气体会聚集在特征气体空间中。例如：H₂和C2H2是高能量放电故障特时的主要征气体，接下来是乙烯和甲烷，C2H2的比例一般是总烃量的20％-70％，H₂的比例是氢烃总量的30％-00％。H₂和甲烷是电力变压器局部放电的主要特征气体，一般情况H₂在氢烃总量中所占的比例在90％以上，而C2H2含量确极少。这些气体会不同程度的溶解在变压器油中有不同的浓度含量。因此对变压器油中溶解气体的组分和浓度含量进行分析，是变压器潜伏性故障诊断，非常行之有效的方法。对保证电力系统安全运行和延长使用寿命具有重要意义。当前，当前聚类分析，神经网络、三比值法是用于电力变压器内部故障诊断的主要方法。但是由于变压器结构具有复杂性的特征，再加上故障原因、故障现象与故障机理具有多样性的特征，这些都导致变压器故障样本气体在特征气体空间中特征表现不是非常明显，由于这几种方法在实际操作过程中可能发生过拟合的不足或者有些故障类型不能明确的诊断等缺点，也由于测试环境和工作人员的技能素质的限制，从而导致其故障诊断准确率不高。本文采用基于云模型的多种故障诊断与预测方法，从而提高故障诊断的准确率。（二）电力变压器内部故障与油中溶解气体的关系电力变压器在运行过程难免发生故障，并且发生故障的类型和原因比交复杂。电力变压器常见内部故障主要分为电性和热性故障。研究表明过热性故障是电力变压器内部故障的主要故障类型，它占所有故障类型的一半以上，其他的还有高能放电故障，低能放电与过热兼高能放电故障等。当变压器内部发生故障时，会释放超出常规的热和电，故障释放的异常能量会引起变压器内部的绝缘油和固定绝缘材料的裂解，从而加速分解出二氧化碳，一氧化碳，低分子烃类和氢等气体。这些特征气体产量的迅速增加，会形成气泡，这些气泡会在油中逐步的对流和扩散，然后会全部或部分溶解和分布在变压器绝缘油中。变压器油中溶解不同分子气体的种类，所含的浓度与各种气体含量相对应的比例关系的不相同，可以直接反映故障的类型以及严重程度。在电力变压器的故障发生的初期，或者是轻度故障，这特征气体产生的速度较慢，在油中气体没有达到饱和的情况下，产生的气体会全部溶解在变压器油中。国家标准为油中溶解的可燃性气体其含量保持在在0.1%~0.5%之间。假如故障的存在已经有一段时间，或者短时间故障释放的能量较大时，变压器油就无法全部溶解特征气体，多余的气体就会从油中释放出来，向上升，聚集成游离气体，最后进入到气体继电器里。按国家标准故障电力变压器的可燃性气体总含量保持在0.5%以上。由此依据电力变压器油中溶解气体的含量，来进行电力变压器内部故障的诊断和预测是切实可行的。（三）支持向量机理论支持向量机(SVMs,SupportVectorMachines)是基于统计学习理论框架下经过改进的一种新的人工智能算法.其独特的优势展现在解决“小样本”、“高维度”和“非线性”问题上。能够找到最小化训练误差与模型复杂度之间的最佳平衡点。而且具有很强的泛化能力，可以在样本有限的情况下得到全局最优,从而可以避免局部最优问题.支持向量机理论不仅具有优秀的学习能力，还具有良好的推广能力,目前国内外已成功应用到很多领域。已经成为国际机器学习研究的热点.也为工业过程控制中存在问题的解决提供了一种有效可行途径.电力变压器的结构复杂，老化和故障机理涉及知识面广，并且具有不确定性，因而全面有效的评价一个变压器的绝缘状态，是一个复杂的过程。变压器油中溶解的气体能足够反映故障的信息，为变压器绝缘故障评估提供了有利的依据。SVM不仅具有计学习理论的完备统基础，而且对小样本数据的模式识别与函数估计拥有优异的学习推广性能，数据中隐含的分类知识能被最大限度地发掘出来，变压器绝缘状态评估事实上是一个状态分类过程，由此SVM可用于电力变压器的绝缘状态评估中。（四）基于云模型的多故障诊断与预测方法云模型是处理定性概念与定量描述之间的不确定转换模型。我国工程院院士李德毅教授通过对概率论和模糊数学研究，在1995年提出了云的概念。还对模糊性和随机性这两者之间的关联性进行了深入研究。在一定程度上弥补了概率论与模糊数学在处理不确定性方面的不足。自云模型被提出至今，其已被成功的应用到矿井涌水预测，空间负荷预测等众多领域，且取得了良好的效果。云模型同样也适用于电力变压器内部故障的诊断与预测。经过研究证明，利用逆向云算法对非等间隔时间的数据序列进行变换，对不同时间粒度数据进行分析时其预测性能稳定，能对同时存在的多重故障类型进行有效预测。云模型还可以将故障变压器的油色谱数据，成功转换成符合人类认知的多个定性云概念,并实例证明变压器油色谱数据和故障类型之间的映射关系。例如：对在不同间隔时间，采集的油中溶解气体数据样本，利用云计算得出两个推理结果，低能放点，可信度为0.755。低温过热，可信度为0.553。在过一段时间之后，电力变压器就可能出现运行状态指标超标和异常，具体表现为变压器的铁芯及结构件将出现局部放电烧伤的痕迹。针对这种情况，可以对相应的部件提前进行维护更换，以防止故障的发生。五、基于健康指数的变压器运行状态评估电气变压器的健康指数（HealthIndex：HI）指的是：在规定的运行工况与制定的时间段内，在外部资源保证达到标准的基础上，电力变压器满足制定工作要求的能力。健康指数能够映电力变压器运行的可靠性、可维护性能以及和检修保障性能等综合能力。HI是用来表示其能力的大小。假若健康指数的上限表示为1，下限表示为0。HI通常在数值0～1之间变化，若用HI=0来表示健康状态最差值，则HI越接近0代表电力变压器的性能越差，HI越接近1则表示电力变压器的性能越好，反过来也是同样道理。一个电力变压器，当受到内部和外部环境的影响，不能满足安全可靠运行要求时，其生命也就宣告了终止了。选取对寿命有主要要影响的因素，进行分析，总结健康指数变化规律。制定合理的变压器全寿命管理模式。对其进行日常的合理管理，可以有效的保证定理系统的稳定运行。（一）变压器绝缘状态评估结构体系的建立建立评估结构体系，确定评估指标以及建立状态评估指标体系，对电力变压器绝缘运行状态的综合评估，具有重要的影响作用。保障评估的科学性在于评估指标的制定是否合理，其也是对评估对象进行全面科学分析与评估的基础。由于变压器内部结构的复杂性，以及其绝缘运行状态影响因素的多样性，出于实际不能也没有必要把所有影响因素都考虑在内。为了全面又真实地反映变压器的运行状态，评估指标的选取应遵循科学性原则要明确，准确有科学依据，能反映客观实；遵循全面性原则必须能够全面系统地反映变压器绝缘运行状态所设计的的各个方面和层次；可理解性原则指标体系要符合认知易于理解，有统计基础，并且通俗易懂；可比性原则在体系中的同一层次的指标，应该在计量范围，口径和方法反面满足可比性；代表性原则评价尺度尽量采用有代表性的重要指标。变压器绝缘状态的影响因素很多，变压器运行状态的好坏，是由这些因素从不同侧面、不同层次与不同程度上反映出来的。这些因素之间有不同的关联度。可以根据这些影响因素影响的范围和层面。在坚持上述原则的基础上尽量选取易于测量，并能较好的映射变压器绝缘状态的指标。分为一级指标，二级指标，三级指标。利用层次建立层次结构体系。以便于理解。例如可以把变压器绝缘状态评估设为评估目标，评估目标下的主要影响因素设为一级指标（用S1，S2，S3，S4表示）对一级指标有影响的主要因素设为二级指标。接下来分三级指标。（二）电力变压器绝缘状态评估指标体系的建立决定电力变压器的健康状况的因素不仅有油中气体、绝缘性能和绝缘纸老化程度，也有绕组变形情况和绝缘油使用情况，还有运行环境的负荷和温度等多种因素共同决定。变压器绝缘运行状态评估指标体系的建立不仅要包含有定量指标，还要包含有定性指标。以最能反映变压器运行状态的两个方面即电气试验和油化试验进行分析。电气试验指标：结合规程，选取了绕组绝缘电阻、绕组直流电阻、吸收比与极化指数、绕组介损和铁芯接地电流来建立电气试验指标体系。油化试验指标：在变压器的安全运行中油纸绝缘对其起重要的保障作用。变压器的绝缘油不仅起到绝缘作用，还起到冷却散热的作用。因此，也必须将绝缘油的油化试验指标列入试验项目。在变压器的运行过程中，油纸绝缘随着运行时间的增长发生老化裂解，裂化物的产生又加剧了油纸绝缘的劣化。所以，变压器油的油化试验，及要对击穿电压进行测试，还要对油中油介损、糖醛含量，水含量和油酸值等方面进行考察，全面判断油的状态。油色谱指标：电力变压器不同的故障类型会释放不同特征气体，并且释放量也不一样。根据可行性原则，选取了H₂、C2H2、总烃含量、总烃相对产气率、总烃绝对产气率和一氧化碳的绝对产气率来构建油色谱指标体系。变压器发生放电的主要特征气体是H₂。因为超过1000℃的高温中才会产生C2H2，所以高温和电弧放电等故障可以把C2H2作为特征气体。判断绝缘是否发生故障，目前比较成熟和实用的指标，是总烃含量、总烃相对产气率和总烃绝对产气率。当固体绝缘过热时，将产生以一氧化碳为主的特征气体。一氧化碳能够反映绝缘纸等固体绝缘过热的情况。因此本文选取这些特征气体作为油色谱的评价指标。电力变压器绝缘状态评估构架（四）变压器绝缘评估指标权重确定变压器是电力系统的枢纽设备,电力变压器绝缘状态是评价其可靠性的主要依据，绝缘状态与电力系统的安全稳定运行关系密切,对影响变压器绝缘状态的各项运行指标进行确定,在确定变压器绝缘状态评估指标的基础上,进一步确定指标权重。对变压器运行状态评估尤为重要。基于健康指数的变压器运行状态评估，首先要求得电力变压器各部分参数的HI，然后需要用加权方式来计算变压器的整体HI。根据评估数据的不同，指标权重的数学计算方法有：粗糙熵权法、有统计法、因子系数法、层级分析法、最大离差法和类问标准差法等。其中的层次分析法，简称AHP，是美国匹茨堡大学教授萨蒂在20世纪70年代初，提出的一种层次权重决策分析方法。是把与决策总是有关的各个元素分解成目标、准则和方案等层次，在这个基础上来进行定性与定量分析的决策方法。层次分析法是建立在数学原理的基础上的一种特征向量方法，该法具有成熟体系、计算简单和层级清晰的特点，已经被各领域广泛应用。它是一种类似于人类对复杂问题的思考以及决策方式，也是一种科学地将问题的量与性综合考虑的数学方法，能对决策结果的真实性与准确性有显著提高。采用层级分析法判断变压器绝缘评估指标权重的主要步骤如下：首先构建层次分析流程，制定目标同时归纳判定其影响因素。其次构成对比矩阵，从层级分析模型的SecondStage开始，利用成对比较的方法依次表示影响上一Stage因素的下一同层所有因素的比较阵，并用1-9的指标进行记录，一直到最底层。然后对对象指标进行一致性检验和重要性排序。六、电力变压器绝缘寿命评估油浸式电力变压器通常用的是油纸绝缘结构，变压器油可以过滤和更换，但是无论如何大修，其纸绝缘机构确无法更换。电力变压器绝缘寿命一般也是指油纸绝缘系统的寿命。绝缘纸平均聚合度，含水量，平均热点温度是影响电力变压器绝缘寿命的主要因素。（一）基于糠醛含量的纸绝缘平均聚合度计算电力变压器的纸绝缘材料，是对未经漂白的硫酸盐纤维素和半纤维素进行加工而得到的。在热，电和水电因素的共同作用下,材料中的纤维素分子链的各个单体间会发生断裂,由长分子链断裂成一个个短的分子链。这种断裂会造成其平均聚合度的下降，绝缘纸的老化的过程就是高聚物分子链从长链变成短链的过程。同时也是聚合度值下降的过程。已经有研究表明，聚合度和绝缘纸的剩余寿命成反比例的关系，聚合度越剩余寿命越长，聚合度越低剩余寿命越短，当聚合度低于400到500是，就应该宣告绝缘纸寿命结束。由此可以说聚合度得到高低变压器绝缘寿命的长度。实际测定的聚合度就是绝缘纸的平均聚合度（DP）。糠醛是绝缘纸裂解老化过程中产生的一种稳定化合物,其分子式是：C5H4O2，溶解于变压器油中。电力变压器油中的糠醛浓度也是是目前测试绝缘纸是否老化和其老化程度的指标。通过对油中糠醛的含量进行检测。可以计算出绝缘纸板聚合度的高低。从而可以预测电力变压器绝缘寿命。测量变压油中的糠醛含量时设备不需要停运，只需要打开变压器油箱下方阀门，用容器取出所需要量的样本即可，取样简单方便，对变压器的正常使用可以说没有丝毫有影响。根据中华人民共和国电力行业标准《电力设备17预防性试验规程》中规定，当电力变压器油中测试的糠醛含量达到4mg/L的时候，就可以认定为变压器绝缘老化达到比较严重程度，就不适合再继续使用。糠醛含量与变压器使用寿命之间的算式是：Ck=αe(βT)（式1）由（式1）可得LgCk=Lgα+βT（式2），公式中，Ck是糠醛含量，单位为mg/L；T是变压器的使用年限；α、β是常数。从该式中可见，糠醛含量mg/L与变压器使用年限指数上升关系糠醛和聚合度的关系算式为：LgCk=1.51−0.0035DP（式3），DP是聚合度；糠醛浓度单位为：mg/L由（式3和式3）可得绝缘纸的聚合度和绝缘寿命之间的关系。Lgα+βT=1.51−0.0035DP（二）变压器平均热点温度计算变压器是由铁芯，绝缘纸，绕组变压有油，套管等组件组成的。电力变压器的热点温度是绕组内最热点的温度。绕组的热点温度的能量会随着变压器的运行散发出来，传到绝缘纸上，温度是影响绝缘纸寿命的一个重要因素。所以说绕组热点温度会影响变压器绝缘的寿命。在不考虑变压器纸绝缘自身内部的水分和氧气对其老化的影响下。目前，根据按蒙辛格规则提出的热老化6度法则可以表述为：从80到140摄氏度的这个温度区间内，温度每上升6K，纸绝缘老化率增加就要多1倍，电力变压器负载导则把98摄氏度时绝缘纸的老化率定为“1”，当温度降低到92摄氏度的时候老化率为“0.5”，当温度上升到104摄氏度时绝缘纸的老化率定为“2”，以此类推温度每增加6K老化率分别为4、8、16……按负载导则可以计算纸绝缘在一定负载时间的“相对老化值”。油浸式电力变压器绕组热点温度目前有直接测量法法，也有间接计算测量方法，在现有的技术水平下被公认的经典的，具有相当精确度的间接计算测量方法是国际电工委员会推荐使用的绕组热点计算公式。我国目前规定的油浸变压器的标准热点温升为78K，我国通常取13K为油浸式变压器的热点温度（升）和绕组平均温度（升）的差值。所以可以将不同时间段的热点温度进行测量，结合差值计算得出平均热点温度。再根据纸绝缘的老化率可以计算出其较长时间段的寿命损失。（三）基于FDS技术的绝缘纸含水量评估方法过热是对变压器的危害排第一，水则是排第二。绝缘纸中水分的存会使绝缘纸的绝缘性能下降，从而造成绝缘纸的加速老化。影响变压器的生命周期。并且绝缘纸中的微水受热后会转化为气泡，非常容易导致局部放电的产生，从而给设备造成更大的故障。已有研究表明目前对绝缘纸中的含水量测试的，最有学则方法就是域介电谱法，并且也具有可执行性。这种技术对设备的诊断，没有伤害，抗干扰能力强，操作简单，并且携带的信息全面。针对绝缘纸取样特点，非常适合这种技术的应用。FDS法是推算水分与油纸绝缘老化程度之间关系，进一步对变压器的绝缘状态进行有效诊断的方法。目前这种方法已经证明：选取的样本在同样的水分含量和同样的温度条件下，随着纸绝缘老化程度的加深，其介质损耗会随着逐渐增大：选取的样本在同样的老化程度和同样的温度条件下，随着绝缘纸水分含量的增加，其介质损耗会随着显著增大。七、结论通过对变压器油中所含特征气体的浓度和组成成的分析可以预测变压器的故障类型和故障程度，通过对油糠醛含量的计算，平均热的温度的计算和绝缘纸中的含水量的评估可以预估纸绝缘的剩余寿命。对故障的提前预测和绝缘使用剩余寿命的预估，可以对电力变压器全生命周期进行合理的管理。参考文献[1].姜超.基于AHP-FCE的风机运行状态评估[D].西南交通大学.2018[2].李之远.基于大数据分析的220kV输电线路状态评估及检修策略研究[D].山东大学.2019[3].凌永志.基于风电机组SCADA数据的主轴承健康状态评估方法研究[D].长沙理工大学.2018[4].苑一鸣.基于运维数据的风电机组状态评估与维修决策研究[D].华北电力大学.2018[5].王硕.基于大数据分析技术的输变电设备状态评估系统的设计与实现[D].山东大学.2018[6].杨博,赵娟,唐玮,方颖颖.基于层次分析法的电网科技项目综合评价方法研究[J].电气技术.2017(04)[7]郑含博.电力变压器状态评估及故障诊断方法研究[D].重庆大学2012[8]邹小金.基于模拟退火算法变压器的状态检测研究[J].电气应用.2012(04)[9]李小军,金正洪,师旭,师耀林,杨瑛.变压器类设备油气分析、故障诊断技术发展与应用实例[J].变压器.2011(02)[10]游伟,李树涛,谭