电力变压器状态评估综述_赵文清.doc

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1、 第 44 卷 第 11 期 Vol.44 No.11 2007 年 11 月 TRANSFORMER November 2007 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 : 1001- 8425( 2007) 11- 0009- 05 Summary of Condition Assessment for Power Transformer ZHAO Wen-

2、 qing, ZHU Yong- li ( North China Electric Power University, Baoding 071003, 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

3、 assessment; Condition maintenance 1 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

4、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

5、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 25% 50%, 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

6、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 2.1 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、 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 参 量 变压器故障征兆 , 故 障前期发展过 程 绝缘 油 试验参 量 运行工 况 历史状 况 变 压 器 综 合 状 态 信 息 变

7、压器状态评 估 形成变压 器 维修 决 策 故障定位和程 度 其他信 息 变压器故障诊 断 变压器故障发 生 ( 故障特征 ) 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 1 所示。 图 1 变压器状态评估总体结构 Fig.1 Total structure of transformer condition assessment 图 1 中 , 电气试验参量包括绝缘

8、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

9、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 可靠性。 2.2 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

10、现有 健康状况。典型的计算电力变压器寿命的方法 是 Arhennius- Dakin 公式 : 剩余寿 命 =A eB5T 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 T绝对温 度 实际操作中 , 估算变压器剩余寿命的绝对 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

11、 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

12、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 10 第 44 卷 第 11 期 赵文清、朱永利 : 电力变压器状态评估综述 11 0

13、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 ,

14、 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 7利用文献 6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

15、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 评分 0 20 21 40 41 60 61 85 86 100 状态 E D C B A 维护策略 立即安排维修 尽快维修 优先维修 延 期 3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

16、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

17、、 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 10 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 500 L3L 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 500 L3L 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 2 500 L3L 或 4 500 L3L, 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

18、500 L3L 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 0.9, 则表明变压 器工作状态良好 ; 如果变压器工作效率在 0.75 0.9 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 0.5, 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 9应用神经网络法预测变压器油的 介质损

19、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、日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

20、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

21、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间的 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 ,

22、 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

23、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 ,

24、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

25、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

26、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 , 为变压器的运行和维修等管理决策提供合理 的依据。 参考文献 : 1 许 婧 , 王 晶 .电力设备状态检修技术研究综述 .电网 技术J, 2000, 24( 8) : 48- 52. 2 松浦虔士 .电力设备运行中绝缘诊断技术 R.日本电气学 会技术报告 , 1992. 3 苏鹏声 , 王 欢 .电力系统设备状态监测与故障诊断技术 分析J.电力系统自动化 , 2003, 27( 1) : 61- 65. 4 Wang M. Vandermaar A J, Srivastava K D. Rev

27、iew of assessment of power transformers in service J. IEEE Elect Insul Magaz, 2002, 18( 6) : 12- 25. 5 王 谦 .基于模糊理论的电力变压器运行状态综合评估 方法研究 D.重庆 : 重庆大学 , 2005. 6 刘有为 , 李光范 , 高克利 , 等 .制订电气设备状态维修导 ( 下转第 74 页 ) 12 第 44 卷 ! 3 倍 , 又均为相电压 U 和相电流 I 的 3 倍 , 即容 量 : S=! 3 ULIL=3U I 由此可见 , 只要相电压和相电流相等 , 则容量 就不需要降低。

28、现在由 10kV 的 Y 结线改成 D 形结线后 , 相电 仍需从结构上加以考虑。现在由 10kV 降到 6kV, 线 电压下降了 , 所以从线端绝缘上看没有影响 ; 另外相 电流不变 , 电阻损耗也不变 , 从温升上看也没有影 响。改变成三角形结线后 , 如果是中性点分接开关 , 开关就不能用了 ; 如果是中部分接开关 , 则使用也没 有影响。必须注意的是改结后线电流增大 ! 3 倍 , 压不变 , 都等 于 10kV*! 3 kV, 而绕组 电 流 仍 然 可 所以引线电流增大 ! 3 倍 , 引线必须加粗 , 套管电 允许通过原来的相电流 , 相电流也不变 , 所以容量 不降低。 可是

29、, 对于已经制造好的产品 , 要不降低容量 流必须加大。如果套管电流的裕度较大 , 只需加粗引 线 , 就能不降低容量运行。 ( 待续 ) ( 上接第 12 页 ) 则的原则框架 J.电网技术 , 2003, 27( 6) : 64- 67, 76. 7 吴立增 .变压器状态评估方法的 研究 D.保定 : 华北电力 大学博士学位论文 , 2005. 8 孙才新 , 毕为民 , 周 氵泉 , 等 .灰色预测参数模型新模式 及其在电气绝缘故障预测中的应用 J.控制理论与应用 , 2003, 20( 5) : 797- 801. 9 Mokhnacke L. Boubakeur A. Feliach

30、i A. Prediction of thermal ageing in transformer oil and high voltage PVC cables using artificial neural networks J. Science, Measurement & Technology, IEE Proceedings, 2003,150 ( 5) : 107- 112. 收稿日期 : 2006- 05- 29 作者简介 : 赵文清 ( 1973- ) , 女 , 山西硕州人 , 华北电力大学副教授 , 从事人工智能 、智 能技术在电力系统中的应用等方面的 研究工作。 # ( 上

31、接第 57 页 ) 氟碳漆罩面 , 分红、黄、黑色 , 依不同色泽分辨相线 , 醒目美观 , 符合电 力运行部门的习惯 , 且装配方便 , 运行安全可靠。 综上所述 , 复合绝缘变压器套管以高强瓷管为 主绝缘件 , 外有绝缘材料 SMC 做外绝缘防护 , 内有 PU 弹性体密封 , 结构合理 , 设计先进 , 整体技术已达 到国内领先水平。 复合绝缘变压器套管经国家绝缘子和避雷器 质量监督检验中心及东北电力电器产品质量检测 站型式试验检测 , 各项性能指标均合格。 复合绝缘变压器套管经用户多年试用证明 , 产 品质量稳定 , 较好地解决了油浸电力变压器瓷套管 渗漏油问题 , 有较好的抗污闪能力

32、。 4 结束语 复合绝缘变压器套管的 问世 , 提高了组件产品 的高科技含量 , 为变压器精品工程提供了可选组件 产品。 $ 国家发改委数据显示工业生产资料价格涨势加快 国家发改委 9 月 6 日公布的数据显示 , 8 月份工业生产 资料价格涨势加快。钢材价格持续上涨、水泥价格由降转升 , 是导致 8 月份生产资料价格涨势加快的主要原因 。 发改委透露 , 8 月份流通环节生产资料价格较上月上涨 1 . 01 %, 涨 幅 较 上 月 加 快 0 . 71 个 百 分 点 , 比 去 年 同 期 上 涨 3 . 3 %。 1 月 8 月累计同比上涨 3 . 6 %。 据对全国 22 个主要城市钢材交易市场交易情况统计 , 8 月份国内四种钢材综合平均价格为每吨 4 261 元 , 比上月上 涨 159 元 , 涨 幅 为 3 . 9 %; 比 去 年 同 期 上 涨 559 元 , 涨 幅 为 15 . 1 %。 发改委表示 : “ 市 场传言钢材价格将创历史新高 , 部 分生产 、经 营者的市场行为不规范 , 也加剧了钢材市场价格 的波动。 ”发 改委认为 , 今后一段时期钢材将逐步趋稳 , 进一 步大幅度上涨的可能性不大。 74 第 44 卷