變壓器的綜合技術(shù)壽命及其大修技改決策的研究

鄧長征 彭永康 邱 立 鄧海峰

(1. 三峽大學 電氣與新能源學院， 湖北 宜昌 443002；2. 新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(三峽大學)， 湖北 宜昌 443002；3. 國網(wǎng)湖北省電力公司 宜昌供電公司， 湖北 宜昌 443002)

變壓器的綜合技術(shù)壽命及其大修技改決策的研究

鄧長征1，2彭永康1，2邱 立1，2鄧海峰3

(1. 三峽大學 電氣與新能源學院， 湖北 宜昌 443002；2. 新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(三峽大學)， 湖北 宜昌 443002；3. 國網(wǎng)湖北省電力公司 宜昌供電公司， 湖北 宜昌 443002)

由于變壓器運行環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)有檢修體系整體考慮不足，導(dǎo)致部分變壓器投運不久便被更換，而狀態(tài)較差的仍在運行，造成了一定的經(jīng)濟損失和安全隱患．為此，本文提出了變壓器綜合技術(shù)壽命評價方法，量化變壓器對技改或大修的需求．變壓器的綜合技術(shù)壽命由3個分壽命構(gòu)成，分別為自然壽命、評價損失壽命、累積損耗壽命，本文依據(jù)相關(guān)標準、規(guī)范和專家經(jīng)驗選取各分壽命的狀態(tài)量，設(shè)置權(quán)重，據(jù)此進行壽命評價，并依據(jù)評價結(jié)果給出針對變壓器的大修技改決策原則．以某地區(qū)110 kV電力變壓器的綜合技術(shù)壽命評價為例，通過與以往大修技改方案的對比分析，發(fā)現(xiàn)本文提出的方案與其總體一致，并對少數(shù)個體的差異進行分析，結(jié)果表明綜合技術(shù)壽命評價結(jié)果能量化變壓器的健康狀態(tài)，檢修人員可根據(jù)評價結(jié)果制定更具針對性、科學性的大修技改方案．

變壓器； 大修技改； 綜合技術(shù)壽命； 輔助決策

傳統(tǒng)變壓器大修技改的決策來源于狀態(tài)評價的結(jié)果，雖頗為直觀，但狀態(tài)評價對變壓器自然壽命、變壓器故障的可修復(fù)性考慮不足，從而導(dǎo)致策略缺乏針對性和科學性，造成了一定數(shù)量的變壓器失修或過修[1-4]．

綜合技術(shù)壽命旨在準確評價變壓器的健康狀態(tài)和技術(shù)性能．在以往的研究中，有學者提出過類似的評價方法，文獻[5]提出了一種綜合考慮基于風險的檢修和基于全壽命周期成本(LCC)的電網(wǎng)主設(shè)備運維輔助決策方法，該方法能定量評估設(shè)備運行風險，評定設(shè)備的最佳運行年限，但針對變壓器，缺乏個性化的評價指標；文獻[6]結(jié)合表征變壓器壽命的有效特征信息，進行分層評價，可有效削弱單一參量引起的評估誤差，提高變壓器老化狀態(tài)預(yù)測模型的準確度，但缺乏對自然壽命的考慮，模型不盡完整；文獻[7]建立了變壓器各部分狀態(tài)量的評估模型，并運用行規(guī)一法和三標度法確立了專家評價的優(yōu)先關(guān)系矩陣，可減少對變壓器壽命評價的主觀性，然而需要人為評價，設(shè)備較多時不甚便利．現(xiàn)階段對于變壓器壽命的研究缺乏統(tǒng)一而完善的模型，且多著眼于對變壓器剩余壽命的預(yù)測和評估[8-14]，不具備指導(dǎo)變壓器大修技改的能力．因此，本文結(jié)合實際大修技改經(jīng)驗和狀態(tài)檢修的相關(guān)標準，提出了變壓器綜合技術(shù)壽命評價方法，并以實例論證了該方法能為實際工程中變壓器的大修技改決策提供依據(jù)．

1 變壓器綜合技術(shù)壽命的評價

1.1 壽命的劃分

變壓器的綜合技術(shù)壽命由自然壽命、評價損失壽命和累積損耗壽命3部分組成．自然壽命是指輸變電設(shè)備自初次投運之日起，在電網(wǎng)中運行的實際年限；評價損失壽命指輸變電設(shè)備當前因存在缺陷或試驗數(shù)據(jù)不合格等，通過狀態(tài)評價結(jié)果確定的損失壽命，但通過檢修或更換主部件可以恢復(fù)設(shè)備的初始壽命；累積損耗壽命指輸變電設(shè)備運行過程中因受不良工況、機械磨損等因素的累加作用，對設(shè)備的壽命造成不可逆的影響，導(dǎo)致設(shè)備損耗的壽命．

1.2 壽命的評價方法

對上述3個分壽命，以指導(dǎo)變壓器的大修技改為目的，先結(jié)合相關(guān)國家或行業(yè)的標準、規(guī)范或?qū)t，選取各分壽命的狀態(tài)量及其壽命基準值；再依據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗選取狀態(tài)量的權(quán)重系數(shù)(權(quán)重系數(shù)分布于0-1之間)，據(jù)此進行壽命評價．總體評價思路為：首先依據(jù)各狀態(tài)量的實際記錄數(shù)據(jù)及其權(quán)重依據(jù)相關(guān)公式對上述3個分壽命進行評價計算，得出各分壽命的計算值；由于變壓器運行需各部件運行良好，屬于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，故其綜合技術(shù)壽命取其3個分壽命的最大值；最后依據(jù)變壓器的綜合技術(shù)壽命和各分壽命的計算值制定相應(yīng)的大修技改方案．對各分壽命的具體計算公式做如下說明．

1.2.1 自然壽命

考慮自然壽命的目的在于表征變壓器自然老化程度，其中包括變壓器絕緣性能的自然老化，絕緣油的緩慢劣化，以及繞組長期處于交變電流之下而造成的自然變形．根據(jù)變壓器生產(chǎn)廠商對變壓器的設(shè)計標準和實際運行條件、運行經(jīng)驗，將110 kV變壓器自然壽命的基準值設(shè)置為40年．將上述老化程度因素折算成標準狀態(tài)下的壽命損耗，換算方法見式(1)．

(1)

式中，Lfcal為壽命計算值，Lfact為壽命實際值，a為壽命基準值，w為權(quán)重系數(shù)，最高權(quán)重為1．需要說明的是，公式(1)為將各壽命、狀態(tài)量實際值(觀測所得)轉(zhuǎn)換到計算值的通用公式．此處，自然壽命的實際值通過式(1)已換算到全壽命為100歲情況的計算值．

1.2.2 評價損失壽命

評價損失壽命的作用是表征變壓器缺陷或不良工況的現(xiàn)狀，評價損失壽命的結(jié)果反應(yīng)了設(shè)備的緊急需求，可直接決定設(shè)備是否需要大修．根據(jù)《油浸式變壓器(電抗器)狀態(tài)評價導(dǎo)則》(Q/GDW 169-2008)，將評價損失壽命分為4級：1)正常狀態(tài)，壽命取0歲；2)注意狀態(tài)，壽命取20歲；3)異常狀態(tài)，壽命取60歲；4)嚴重狀態(tài)，壽命取80歲．

1.2.3 累積損耗壽命

累積損耗壽命評價的是變壓器本體在運行過程中遭受的短路沖擊、過負荷、過勵磁、高溫等不良工況以及分接開關(guān)的調(diào)壓次數(shù)，機械磨損等累積損耗以及密封件的劣化等在非時間因素作用下對變壓器壽命造成的影響．上述因素的影響采用以下方式進行定量評價．

1)短路沖擊．依據(jù)《油浸式變壓器(電抗器)狀態(tài)評價導(dǎo)則》(Q/GDW 169-2008)規(guī)定的變壓器允許短路沖擊電流及其對應(yīng)的沖擊次數(shù)，對變壓器短路沖擊選取兩檔狀態(tài)量：①達到允許短路電流70%～90%的次數(shù)，基準值為10次，依據(jù)重要性原則權(quán)重系數(shù)取0.6；②達到允許短路電流90%以上的次數(shù)，基準值為2次，權(quán)重系數(shù)取0.8．

2)過負荷．依據(jù)文獻[15]，將折算到150%額定負荷的持續(xù)運行時間作為評價過負荷的狀態(tài)量，其基準值取30 min；依據(jù)重要性原則權(quán)重系數(shù)取0.4．

3)過勵磁．根據(jù)文獻[15]，取折算到1.25倍額定工頻電壓的持續(xù)時間作為評價狀態(tài)量，基準值取20 s，依據(jù)重要性原則權(quán)重系數(shù)取0.4，并按標準規(guī)定對過負荷倍數(shù)進行換算．

4)高溫．依據(jù)《油浸式變壓器負載導(dǎo)則》(GB/T 15164-94)可知，針對變壓器油溫的影響，選取兩檔狀態(tài)量：①頂層油溫81～86℃持續(xù)運行時間，基準值為12 h，權(quán)重系數(shù)取0.6；②頂層油溫87～92 ℃的持續(xù)運行時間，基準值為120 min，權(quán)重系數(shù)取0.8．

5)分接開關(guān)的調(diào)壓次數(shù)和機械壽命．依據(jù)《電力變壓器運行規(guī)程》(DL/T 572-2010)，取前一次檢修之后的調(diào)壓次數(shù)作為分接開關(guān)調(diào)壓次數(shù)的評價狀態(tài)量，基準值取5 000次，權(quán)重系數(shù)取0.8;依據(jù)《電力變壓器檢修導(dǎo)則》(DL/T 573-2010)，變壓器切換開關(guān)的機械壽命不小于80萬次動作無損傷，故選擇80萬次作為分接開關(guān)機械壽命的基準值，依據(jù)專家經(jīng)驗和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，權(quán)重系數(shù)取0.8．

6)本體和分接開關(guān)密封件．由于密封件生產(chǎn)廠商設(shè)計的服役壽命一般為12～15年，因此取密封件壽命為評價狀態(tài)量，基準值取兩個檢修周期，即12年，權(quán)重系數(shù)取0.2．

根據(jù)上述6種因素對應(yīng)的狀態(tài)量和權(quán)重系數(shù)，利用式(1)即可得到對應(yīng)的累積損耗壽命計算值．由于本模型屬首次提出，相關(guān)狀態(tài)量、基準值以及權(quán)重系數(shù)的選取僅依據(jù)已有標準和經(jīng)驗，將來還需依據(jù)實際使用情況進行更為科學的調(diào)整．

1.3 大修技改決策

根據(jù)1.2節(jié)的評價方法，取變壓器綜合技術(shù)壽命計算值大于80歲的變壓器作為大修技改對象．其中，自然壽命計算值大于80歲為技改決策條件，即當變壓器自然壽命計算值大于或等于80歲時，對其進行技術(shù)改造；當變壓器某一元件或狀態(tài)量的累積損耗壽命或評價損失壽命計算值大于80歲時，則對其進行大修．當設(shè)備大修完成后，該部件或狀態(tài)量恢復(fù)初始狀態(tài)，即壽命計算值歸零，此時變壓器的綜合技術(shù)壽命需重新評價；技改完成后，變壓器整體恢復(fù)初始狀態(tài)，其綜合技術(shù)壽命歸零．

2 案例分析

截止2014年4月20日，某地區(qū)供電公司所轄220 kV變電站18座，主變30臺，容量4 686 MV·A；110 kV變電站72座，主變124臺，容量3 998.3 MV·A．由于數(shù)量龐大，為便于說明，綜合技術(shù)壽命評價主要針對110 kV主變壓器．

2.1 評價結(jié)果

在評價的124臺110 kV主變中，綜合技術(shù)壽命60～70歲之間有7臺，70～80歲之間有2臺，80歲以上有18臺．變壓器綜合技術(shù)壽命大多在80歲以下；綜合技術(shù)壽命在10～40歲間有79臺，其自然壽命實際值大約5～15歲，占總量的一半以上，基本符合電網(wǎng)建設(shè)實際情況．此外，綜合技術(shù)壽命不小于80歲的變壓器共18臺，均是由于累計損耗壽命或評價損失壽命超過80歲，其具體信息見表1．

表1 綜合技術(shù)壽命計算值大于80的110 kV變壓器

由表1可知，水布埡變電站1號和2號主變綜合技術(shù)壽命高達135.71歲和125.73歲，主要壽命損耗是累積損耗壽命，表明上述變壓器的運行環(huán)境較差，不良工況較多，自然壽命和評價損失壽命均屬正常；另外佐家坪2號主變等7臺變壓器主要是由于狀態(tài)評價達到嚴重狀態(tài)，其評價損失壽命達到80歲；其他變壓器均為累積損耗壽命達到80，根據(jù)上文提到的大修技改決策方法，建議上述變壓器進行大修處理．

2.2 對比分析

為便于比較，將綜合技術(shù)壽命在80歲以上變壓器的狀態(tài)檢修決策列于表2．針對綜合技術(shù)壽命計算值最大的水布埡2號主變和狀態(tài)檢修等級被評為B級的安鹿1號主變，進行具體分析．

1)水布埡2號主變

該變壓器于2001年7月15日投運，壽命評價結(jié)果見表3．

表2 綜合技術(shù)壽命計算值在80以上的變壓器的狀態(tài)檢修決策

注：狀態(tài)檢修中，B類檢修是指設(shè)備局部性的檢修，部件的解體檢查、維修、更換和試驗．C類檢修是對設(shè)備常規(guī)性檢查、維護和試驗．D類檢修是對設(shè)備在不停電狀態(tài)下進行的帶電測試、外觀檢查和維修．

表3 水布埡2號主變綜合技術(shù)壽命評價表

由表3可知，該變壓器分接開關(guān)調(diào)壓次數(shù)實際值為8 482次，基準值為5 000次，則分接開關(guān)累積損耗壽命計算值為135.71歲，自然壽命計算值為35.73歲．根據(jù)大修技改原則，該變壓器無需技改，只須對分接開關(guān)進行大修，即可使整體恢復(fù)較小的綜合技術(shù)壽命值．

對比綜合技術(shù)壽命評價和設(shè)備狀態(tài)評價可知：狀態(tài)評價未及時發(fā)現(xiàn)該變壓器分接開關(guān)調(diào)壓次數(shù)偏高的問題，而在綜合技術(shù)壽命的評價過程中發(fā)現(xiàn)該變壓器分接開關(guān)的調(diào)壓次數(shù)遠超基準值，成為各壽命計算值中最大的部分，雖然未出現(xiàn)明顯異常，但值得運檢人員密切注意，這一結(jié)果說明綜合技術(shù)壽命評價是對狀態(tài)檢修的有益補充．

2)安鹿1號主變

安鹿變電站1號主變，額定容量20 MV·A，1990年8月1日投運，2015年3月，該變壓器的狀態(tài)評價為正常狀態(tài)，無重大缺陷．然而，2015年6月進行狀態(tài)檢修時發(fā)現(xiàn)，其本體CO含量有明顯增長，增長率為23.67%，且35 kV側(cè)A相套管頸部、110 kV側(cè)中性點套管CT處滲油，以及有載分接開關(guān)頻繁滑檔．處理建議已將其列入2015年停電檢修計劃，執(zhí)行B類檢修．同時，由綜合技術(shù)壽命評價可知：到2015年6月為止，該變壓器自然壽命、累積損耗壽命計算值均未超過80歲，而狀態(tài)評價結(jié)果是嚴重狀態(tài)，根據(jù)壽命評價方法將其評價損失壽命評為80歲．

對比安鹿1號主變3月和6月的狀態(tài)評價結(jié)果可知該主變壓器在3月到6月間發(fā)生了嚴重故障，但并不清楚該故障是突發(fā)性故障還是累積性故障，故無法準確判斷是大修還是技改；而與綜合技術(shù)壽命評價結(jié)果進行對比可知，由于自然壽命和累積損耗壽命變化不大，可判斷該故障為突發(fā)性缺陷，非累積損耗過大而導(dǎo)致的不可修復(fù)故障．可見，評價損失壽命可分辨變壓器突發(fā)缺陷和累積缺陷，繼承了狀態(tài)評價的靈活性．

通過對同一臺變壓器兩種評價方式的對比，可更加明確變壓器的健康狀態(tài)，簡而言之，狀態(tài)評價解決“怎么修”的問題，而綜合技術(shù)壽命評價解決“該不該修”的問題．通過綜合技術(shù)壽命的評價，可直觀篩選出需進行大修技改的變壓器，同時還可對無明顯異常狀態(tài)且未超期服役的變壓器進行預(yù)警．

3 結(jié) 論

變壓器綜合技術(shù)壽命模型的建立，給出了一種新穎的變壓器技術(shù)壽命評價方法．通過對湖北某地區(qū)110kV變壓器的綜合技術(shù)壽命試點評價和大修技改決策制定，可得到以下結(jié)論：1)綜合技術(shù)壽命評價結(jié)果可定量地反應(yīng)該地區(qū)110kV變壓器的健康狀況，可直觀且簡單地確定變壓器是否需要技改或大修．2)與狀態(tài)評價不同，綜合技術(shù)壽命評價可發(fā)現(xiàn)變壓器超期服役但并未出現(xiàn)狀態(tài)異常的部件．

本模型基于“整站整線”式技改大修思路提出，是變電站整體綜合技術(shù)壽命的確定及整體技改大修決策的第一步．狀態(tài)評價與綜合技術(shù)壽命評價二者互補，可以共同指導(dǎo)變壓器的大修技改工作，建議將變壓器綜合技術(shù)壽命評價作為現(xiàn)行狀態(tài)評價的輔助評價方法．

[1] 張 煒．基于狀態(tài)評價及風險評估的變電設(shè)備狀態(tài)檢修方法研究[D]．北京：華北電力大學，2014．

[2] 楊麗徙，蔡紅飛，任家印，等．模糊層次分析法的改進及其在變壓器壽命評估中的應(yīng)用[J]．鄭州大學學報(工學版)，2013，34(3)：10-13．

[3] 栗 然，劉會蘭，盧 云，等．基于交叉熵理論的配電變壓器壽命組合預(yù)測方法[J]．電力系統(tǒng)保護與控制，2014，42(2)：97-103．

[4] 張忠會，王 卉，何樂彰，等．基于風險評估的電力變壓器檢修策略研究[J]．中國農(nóng)村水利水電，2014，58(4)：159-162，165．

[5] 王有元，陳璧君．基于層次分析結(jié)構(gòu)的變壓器健康狀態(tài)與綜合壽命評估模型[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2014，38(10)：2845-2850．

[6] 黃煒昭，皇甫學真，陳建福，等．電網(wǎng)主設(shè)備運行維護策略輔助決策方法[J]．電力系統(tǒng)自動化，2013，37(10)：119-123，128．

[7] 劉瑩旭，劉 東．基于CIM的變壓器剩余壽命信息建模及應(yīng)用[J]．華東電力，2013，41(8)：1668-1674．

[8] 楊麗徙，蔡紅飛，陳新獻．電力變壓器剩余技術(shù)壽命的綜合評估[J]．變壓器，2013，50(4)：43-46．

[9] 張鐿議，廖瑞金，楊麗君，等．綜合考慮可靠性與經(jīng)濟性的電力變壓器檢修方案優(yōu)選[J]．電工技術(shù)學報，2014，29(11)：191-200．

[10] 繆 蕓，繆翼軍，陳紅坤，等．基于模糊層次分析法與支持向量機的變壓器風險評估[J]．現(xiàn)代電力，2014，31(6)：64-69．

[11] 呂金壯，王 奇，張 晗，等．基于狀態(tài)評估的直流主設(shè)備智能分析系統(tǒng)的研制[J]．高壓電器，2015，51(8)：92-97．

[12] 梁博淵，劉 偉，楊欣桐．變壓器健康狀況評估與剩余壽命預(yù)測[J]．電網(wǎng)與清潔能源，2010，26(11)：37-43．

[13] 汪德軍．大型電力變壓器狀態(tài)評估方法的理論研究[D]．北京：華北電力大學，2010．

[14] 李喜桂，常 燕，羅運柏，等．基于健康指數(shù)的變壓器剩余壽命評估[J]．壓電器，2012，48(12)：80-85．

[15] 國家電網(wǎng)公司．110(66)kV-500kV油浸式變壓器(電抗器)技術(shù)標準[S]．北京：中國電力出版社，2006．

[責任編輯 張 莉]

Study of Comprehensive Technology of Life and Major Repairs or Technological Renovation Strategy of Transformer

Deng Changzheng1,2Peng Yongkang1,2,Qiu Li1,2Deng Haifeng3

(1. College of Electrical Engineering & Renewable, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China； 2. Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for New Energy Microgrid, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China;3. Yichang Power Supply Company, State Grid Hubei Power Company, Yichang 443002, China)

Transformers work in complex environment and the present maintenance organization is not complete enough; so that several transformers is replaced after a few days' running; and several others are still running while their situations are not well. Some economic losses and safety problems caused by these conditions. For this reason, comprehensive technology of life model of transformers is proposed in this paper. Considering if the transformer needs to be technological renovation and major repairs or not, the model formed by three part：nature life，state evaluation loss of life and accumulation loss of life. Selecting state leap in accordance with the principle of materiality and setting up weighting. According to the life assessing result of transformers, the technological renovation and major repair strategy were made. Taking an example of the 110 kV power transformer in some city, according to the comparing with the present scheme, discovering that the repairs strategy referring in this paper is agreeable with the ones concluding by evaluation of status; but a few transformers are not. Analyzing the practice of these different ones, it is certified that the strategy putting forward by this paper can reflect the health condition of transformer well. The conclusion shows that the strategy made thought comprehensive technology of life model can be used as the assist technological renovation and major repairs measure, and the assist measure can be good consults for maintenance staff.

transformer; major repairs and technological renovation; comprehensive technology of life; assist strategy

2016-06-22

國家自然科學基金項目(51507092)

鄧長征(1980-)，男，博士，副教授，研究生導(dǎo)師，主要研究方向為接地技術(shù)及其新材料研發(fā)、輸變電工程先進設(shè)計理論及應(yīng)用． E-mail：dcz_1980@ctgu.edu.cn

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.02.018

TM732

A

1672-948X(2017)02-0084-05