李憲棟，蔡 路，王宏飛，袁彥凱，趙 震

（黃河水利水電開(kāi)發(fā)總公司，河南省濟(jì)源市 459017）

0 引言

近年來(lái)，狀態(tài)檢修成為電力變壓器檢修管理的趨勢(shì)。狀態(tài)評(píng)估是實(shí)施狀態(tài)檢修的前提。合理確定變壓器狀態(tài)評(píng)估體系和狀態(tài)等級(jí)是實(shí)施變壓器狀態(tài)評(píng)估的關(guān)鍵。變壓器狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估指標(biāo)體系的不同對(duì)變壓器狀態(tài)評(píng)估有直接影響。

變壓器狀態(tài)評(píng)估體系一般包括變壓器的運(yùn)行和監(jiān)測(cè)信息，變壓器的狀態(tài)等級(jí)劃分一般按照平均劃分原則進(jìn)行劃分[1-4]。對(duì)影響變壓器狀態(tài)的主要組成部分油紙絕緣的老化研究表明，變壓器狀態(tài)變化具有非線性[5-6]。對(duì)變壓器狀態(tài)劃分的非平均處理成為更合理更普遍的方法[7-16]。這種變壓器狀態(tài)的非平均劃分一般依據(jù)經(jīng)驗(yàn)給定，很少給出合理科學(xué)的依據(jù)。目前的變壓器狀態(tài)評(píng)估大多集中在根據(jù)評(píng)估指標(biāo)判斷隸屬不同變壓器狀態(tài)的方法改進(jìn)上，對(duì)變壓器狀態(tài)劃分方法的改進(jìn)和合理探討很少。結(jié)合變壓器故障程度統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律對(duì)變壓器狀態(tài)的分級(jí)方法[17]實(shí)現(xiàn)了沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)故障模型情況下的狀態(tài)分級(jí)，引進(jìn)大數(shù)據(jù)分析方法實(shí)現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)有樣本對(duì)變壓器狀態(tài)劃分的方法擴(kuò)展了狀態(tài)劃分的范圍[14-15]，但這些基于統(tǒng)計(jì)樣本的分級(jí)方法不能反應(yīng)變壓器狀態(tài)的變化規(guī)律。

變壓器狀態(tài)變化中的主導(dǎo)因素是其絕緣的劣化，因此變壓器狀態(tài)變化評(píng)估應(yīng)以絕緣劣化規(guī)律為主線。目前變壓器狀態(tài)評(píng)估中常用的方法是層次分析法及其改進(jìn)方法。關(guān)于變壓器絕緣劣化規(guī)律的研究是當(dāng)前的熱點(diǎn)，但大多集中在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，實(shí)踐中多采用健康指數(shù)評(píng)估法[18-24]。健康指數(shù)的計(jì)算將變壓器劣化規(guī)律量化，并根據(jù)試驗(yàn)和運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)修正，這一方法相對(duì)更合理，但其中對(duì)變壓器狀態(tài)的劃分也沒(méi)有給出合理的解釋或理論依據(jù)。本文在分析當(dāng)前變壓器狀態(tài)等級(jí)劃分現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了利用顯著性差異法則對(duì)變壓器狀態(tài)分級(jí)的方法。按此方法分別對(duì)變壓器綜合指標(biāo)范圍和健康指數(shù)范圍進(jìn)行劃分，作為變壓器狀態(tài)評(píng)估分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合實(shí)例利用兩種評(píng)估模型分別進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)比較結(jié)果的一致性來(lái)驗(yàn)證這種變壓器狀態(tài)分級(jí)方法的有效性。

1 基于顯著性差異法則的變壓器狀態(tài)分級(jí)

這里說(shuō)的顯著性差異不是嚴(yán)格意義上的統(tǒng)計(jì)學(xué)中的概念，而是借用了統(tǒng)計(jì)學(xué)中顯著性差異的思想，將其應(yīng)用到變壓器狀態(tài)的評(píng)估中。在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，把實(shí)際發(fā)生于假設(shè)之間的差異限定在可接受的范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)事物性質(zhì)在假設(shè)情況下的判斷。同理，在變壓器狀態(tài)等級(jí)劃分中，可以采用變壓器狀態(tài)指標(biāo)變化范圍可接受界限的30%作為劃分變壓器等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。本文將結(jié)合變壓器狀態(tài)評(píng)估中常用的層次分析模型和健康指數(shù)模型對(duì)變壓器狀態(tài)等級(jí)劃分進(jìn)行討論。

1.1 層次分析模型中的變壓器狀態(tài)分級(jí)

變壓器狀態(tài)評(píng)估中主體絕緣是主要因素，常見(jiàn)的絕緣評(píng)估指標(biāo)是電氣試驗(yàn)、油中溶解氣體和油化試驗(yàn)。狀態(tài)劃分一般以設(shè)備投運(yùn)初期試驗(yàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)和規(guī)程中確定的注意值為界限，在此范圍內(nèi)對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行劃分。為了適應(yīng)層次分析評(píng)估和比較的需要，一般將各狀態(tài)指標(biāo)狀態(tài)量歸一化處理。常見(jiàn)的變壓器狀態(tài)分級(jí)描述與采用的模型相關(guān)，狀態(tài)分級(jí)的定義也不完全一致。常見(jiàn)的設(shè)備狀態(tài)分級(jí)[7-8]如表1所示。

表1 變壓器狀態(tài)分級(jí)策略Table 1 Classification strategy for transformer state

本文按照電力行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的狀態(tài)分級(jí)方案將變壓器狀態(tài)劃分為四個(gè)等級(jí)，將狀態(tài)值描述范圍擴(kuò)展到包含超出規(guī)程規(guī)定注意值的情況，對(duì)狀態(tài)分級(jí)重新進(jìn)行定義，詳細(xì)描述見(jiàn)表2。

表2 層次分析模型狀態(tài)值及其描述Table 2 State value scope for hierarchy analysis model

1.2 健康指數(shù)模型中的變壓器狀態(tài)分級(jí)

為了便于對(duì)比，將變壓器明顯老化對(duì)應(yīng)的健康指數(shù)分界點(diǎn)作為縮短試驗(yàn)（檢修）周期的分界點(diǎn)，按照設(shè)備狀態(tài)顯著性差異劃分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)變壓器健康指數(shù)將變壓器狀態(tài)等級(jí)劃分如表3所示。

表3 健康指數(shù)模型狀態(tài)值及其描述Table 3 State value scope for health index model

續(xù)表

2 變壓器狀態(tài)分級(jí)評(píng)估

為了驗(yàn)證顯著性差異法則對(duì)變壓器狀態(tài)分級(jí)的合理性，采用層次分析模型和健康指數(shù)模型分別對(duì)同一臺(tái)變壓器進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，通過(guò)比較評(píng)估結(jié)果的一致性來(lái)判斷這種變壓器狀態(tài)分級(jí)方法的有效性。

2.1 待評(píng)估變壓器基本情況

本文選取的評(píng)估對(duì)象為河南地區(qū)一水電站的主變壓器，其基本情況及參數(shù)見(jiàn)表4。變壓器自2001年5月投運(yùn)以來(lái)運(yùn)行穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生內(nèi)部故障，沒(méi)有經(jīng)受近區(qū)故障沖擊，平均負(fù)荷不高，總體運(yùn)行狀況良好。除隨機(jī)組檢修進(jìn)行小修外，尚未進(jìn)行大修。

表4 待評(píng)估變壓器技術(shù)參數(shù)Table 4 Parameters of transformer to be assessed

2.2 基于層次分析法模型的變壓器狀態(tài)評(píng)估

本文對(duì)變壓器的狀態(tài)評(píng)估采用了電氣試驗(yàn)、油中溶解氣體、油絕緣試驗(yàn)三類(lèi)指標(biāo)組成評(píng)估指標(biāo)體系。各指標(biāo)的權(quán)重在參考文獻(xiàn)[19]的基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充修正。在各狀態(tài)量評(píng)估模型中選用投運(yùn)初期試驗(yàn)數(shù)值為最優(yōu)值，規(guī)程規(guī)定值為最差值。

2.2.1 電氣試驗(yàn)狀態(tài)值

電氣試驗(yàn)指標(biāo)的狀態(tài)函數(shù)?。?/p>

式中：c0——指標(biāo)出廠試驗(yàn)值；

cq——狀態(tài)量監(jiān)測(cè)值。

對(duì)絕緣電阻等戒下型指標(biāo)：

對(duì)于介質(zhì)損耗因素等戒上型指標(biāo)：

式中：cg——規(guī)程規(guī)定的指標(biāo)注意值。

若si＞1，則si=1。將模型中狀態(tài)量小于規(guī)程規(guī)定值的情況包含進(jìn)來(lái)，取消關(guān)于狀態(tài)量小于0的限制。這與狀態(tài)量越小表示狀態(tài)越差的規(guī)定一致。

DL/T 596—1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》和DL/T 393—2010《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》給出的標(biāo)準(zhǔn)是，在常溫（10～30℃）下測(cè)量，吸收比應(yīng)不小于1.3，極化指數(shù)應(yīng)不小于1.5，變壓器直流電阻差值的警示值為2%，變壓器繞組介質(zhì)損耗不大于0.8%。DL/T 393—2010《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》中將變壓器鐵芯接地絕緣電阻的注意值規(guī)定為100МΩ。

待評(píng)估變壓器繞組的極化指數(shù)為2.16（出廠試驗(yàn)值）和2.06（交接試驗(yàn)值），運(yùn)行檔位（Ⅳ檔）的高壓繞組直流電阻的相間偏差最大值為0.27%，介質(zhì)損耗為0.18%。變壓器鐵芯接地絕緣電阻值為4000МΩ。變壓器套管試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考2010年試驗(yàn)記錄，絕緣電阻為14.2GΩ，介質(zhì)損耗為0.23%，電容為342.24pF。利用變壓器最近一次試驗(yàn)數(shù)值（2016年11月23日）計(jì)算變壓器電氣試驗(yàn)狀態(tài)值如表5所示。

表5 電氣試驗(yàn)指標(biāo)狀態(tài)值Table 5 State value of electrical test index

續(xù)表

綜合表5中數(shù)據(jù)，可以得出變壓器電氣試驗(yàn)狀態(tài)值S1=0.7332。

2.2.2 油中溶解氣體試驗(yàn)狀態(tài)值

DL/T 722—2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》中規(guī)定，運(yùn)行變壓器油中溶解氣體的注意值分別為：氫氣為150μL/L，乙炔為5μL/L，總烴為150μL/L。變壓器于2001年5月投運(yùn)，運(yùn)行穩(wěn)定后在2001年12月對(duì)6號(hào)主變壓器絕緣油取樣進(jìn)行了分析，最接近變壓器電氣試驗(yàn)時(shí)間的油中溶解氣體測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 變壓器狀態(tài)評(píng)估用油中溶解氣體數(shù)據(jù) μL/LTable 6 Dissolved gas value in oil for transformer assessment

DL/T 722—2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》中規(guī)定總烴相對(duì)產(chǎn)氣速率的注意值為10%/月。變壓器投運(yùn)初期總烴產(chǎn)氣速率為0.0628%/月，CO產(chǎn)氣速率為0.2555%/月。2017年下半年監(jiān)測(cè)CO產(chǎn)氣速率為0.0142%/月，記錄數(shù)據(jù)期間CO產(chǎn)氣速率為0.0649%/月。變壓器油中溶解氣體狀態(tài)評(píng)估模型采用：

經(jīng)過(guò)計(jì)算后各狀態(tài)變量見(jiàn)表7。

表7 油中溶解氣體指標(biāo)狀態(tài)值Table 7 State value of dissolved gas in oil index

綜合表7中數(shù)據(jù)，可以得出變壓器油中溶解氣體狀態(tài)值S2=0.9174。

2.2.3 油絕緣試驗(yàn)狀態(tài)值

絕緣油特性試驗(yàn)中選取擊穿電壓、油中水分、油酸值和介質(zhì)損耗四個(gè)特征量作為狀態(tài)量，其中介質(zhì)損耗指標(biāo)可以用線性插值來(lái)量化其狀態(tài)，其余三個(gè)指標(biāo)用半哥西分布函數(shù)處理。參考GB/T 7595—2008《運(yùn)行中變壓器油質(zhì)量》和IEC Std C57.106—2015標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于運(yùn)行油的注意值確定試驗(yàn)指標(biāo)擊穿電壓、水分和酸值的半哥西分布函數(shù)[8]表示為：

根據(jù)以上模型計(jì)算變壓器2016年12月20日試驗(yàn)數(shù)據(jù)的狀態(tài)值見(jiàn)表8。綜合表8中數(shù)據(jù)，可以得出3號(hào)主變壓器油絕緣特性試驗(yàn)狀態(tài)值S3=0.8970。

表8 變壓器油絕緣特性試驗(yàn)指標(biāo)狀態(tài)值Table 8 State value of transformer oil insulation index

2.2.4 變壓器狀態(tài)評(píng)估結(jié)論

在對(duì)電氣試驗(yàn)、油中溶解氣體和油絕緣試驗(yàn)3類(lèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)狀態(tài)值進(jìn)行融合時(shí)，其權(quán)重分別取為0.3665、0.3974和0.2361[19]。則層次分析模型確定的主變狀態(tài)值為：

SH=0.3665×0.7332+0.3974×0.9174+0.2361×0.8970=0.8451

2.3 基于健康指數(shù)的變壓器狀態(tài)評(píng)估

2.3.1 基礎(chǔ)級(jí)

變壓器基礎(chǔ)健康指數(shù)的計(jì)算考慮變壓器熱點(diǎn)溫度、負(fù)荷率和運(yùn)行環(huán)境，根據(jù)這些因素確定老化率[22]。變壓器健康指數(shù)計(jì)算依據(jù)的是變壓器的老化規(guī)律，關(guān)鍵因素是合理確定變壓器的使用壽命，使用壽命最終取決于變壓器的絕緣壽命。待評(píng)估變壓器運(yùn)行中油溫最高溫度不超過(guò)60℃，以此估算變壓器的熱點(diǎn)溫度不超過(guò)78℃，按照設(shè)定報(bào)警值（油溫為80℃）估算為104℃，變壓器預(yù)期絕緣壽命Ta可以按照最少40年確定。

按最高溫度計(jì)算的變壓器損耗壽命為：

其中Fins，i為對(duì)應(yīng)熱點(diǎn)溫度ΘHST下時(shí)間段Δti內(nèi)的絕緣損耗因子。

變壓器剩余壽命Tb＝Ta-T1= 40-0.48= 39.52（年）

變壓器的實(shí)際絕緣壽命Tins＝Tsuv+Tb=17+39.52=56.52（年）

其中Tsuv為評(píng)估變壓器的生存年限。

由于變壓器服役年限遠(yuǎn)小于預(yù)期絕緣壽命年限，因此變壓器預(yù)期壽命取預(yù)期絕緣壽命年限40年。

變壓器平均負(fù)荷率為35.16%，負(fù)荷系數(shù)取1.00。變壓器位于地下廠房的室內(nèi)環(huán)境，環(huán)境系數(shù)取0.96。變壓器的老化率計(jì)算為：

其中Texp為變壓器預(yù)期運(yùn)行年限。

變壓器的基礎(chǔ)健康指數(shù)為：

2.3.2 試驗(yàn)級(jí)

對(duì)變壓器的油化試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，再根據(jù)設(shè)定的各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行融合，權(quán)重設(shè)置、評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)[22]及評(píng)估結(jié)果如表9～表12所示。

表9 油中溶解氣體指標(biāo)狀態(tài)值Table 9 State value of transformer dissolved oil gas index

表10 油絕緣特性指標(biāo)狀態(tài)值Table 10 State value of transformer oil insulation index

表11 油中溶解氣體組分分級(jí)表Table 11 Classification grade for gas dissolved in oil

表12 油質(zhì)試驗(yàn)分級(jí)表Table 12 Classification grade for transformer oil test

為了便于對(duì)比，利用變壓器2016年12月的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)變壓器狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，各指標(biāo)狀態(tài)值如表9～表10中數(shù)值所示，對(duì)應(yīng)的綜合狀態(tài)值分別為

綜合基礎(chǔ)級(jí)和試驗(yàn)級(jí)評(píng)估結(jié)果，HICOM=HI1×fCOM=1.34×0.8500=1.14

fCOM數(shù)值從文獻(xiàn)[22]中推算得出。

2.3.3 修正級(jí)

修正級(jí)主要根據(jù)變壓器運(yùn)行狀況和故障檢修情況對(duì)得出的健康指數(shù)進(jìn)行修正。修正通過(guò)乘以修正系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，修正系數(shù)采用主成分分析法、模糊綜合評(píng)判法，對(duì)各修正項(xiàng)目的影響權(quán)重進(jìn)行確定[9]。修正的項(xiàng)目包括變壓器投運(yùn)時(shí)間、鐵芯接地電流、變壓器外觀等級(jí)、套管可靠等級(jí)、冷卻方式、家族缺陷、近五年故障缺陷次數(shù)、近區(qū)短路和局部放電。修正系數(shù)及具體分級(jí)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)文獻(xiàn)[22]。

套管可靠性計(jì)算邏輯為：若max（高、中、低）＞1，則套管可靠性系數(shù)F3等于高、中、低系數(shù)的和；若max（高、中、低）≤1，則套管可靠性系數(shù)F3=min（高、中、低）。

若某一項(xiàng)指標(biāo)缺失，則對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)為1。

綜合修正系數(shù)為：

則對(duì)應(yīng)的變壓器健康指數(shù)為：

對(duì)照變壓器健康指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估判斷，該變壓器處于正常狀態(tài)。

3 結(jié)論及展望

層次分析評(píng)估模型得出的變壓器狀態(tài)值為0.8450，在狀態(tài)總體范圍中的相對(duì)位置為51.67%。變壓器健康指數(shù)模型得出的變壓器健康指數(shù)為1.15，在狀態(tài)總體范圍中的相對(duì)位置為58.97%。變壓器健康指數(shù)在狀態(tài)劃分比例中的占比為0.8231，這與層次分析模型中的結(jié)論0.8451很接近，兩種方法評(píng)估結(jié)果確定的變壓器狀態(tài)基本一致。基于層次分析模型和健康指數(shù)模型的變壓器狀態(tài)評(píng)估得出的結(jié)論一致，均為正常狀態(tài)，且在變壓器狀態(tài)分布中所處的相對(duì)位置非常接近，這驗(yàn)證了顯著性分析法則對(duì)狀態(tài)良好的變壓器狀態(tài)分級(jí)的合理性和有效性。

本文僅針對(duì)運(yùn)行狀況良好的油浸式變壓器進(jìn)行了計(jì)算和分析，通過(guò)該案例計(jì)算及評(píng)價(jià)結(jié)果證實(shí)，顯著性分析法則對(duì)于運(yùn)行狀況良好的油浸式變壓器進(jìn)行狀態(tài)分級(jí)具備一定的合理性，該方法的有效性仍需要大量計(jì)算、評(píng)估后確定，同時(shí)，該方法對(duì)其他狀態(tài)變壓器的狀態(tài)分級(jí)合理性和有效性仍有待研究。