變壓器運行中的危險點預控

西安西電變壓器有限責任公司 佘海智 仝曉文 顧向鋒 卓 紅

變壓器運行工作逐漸受到電力企業(yè)的高度重視，通過對設備狀態(tài)分析的深入研究，探討電氣、機械等因素對于設備使用壽命的影響，預測設備在現(xiàn)有的電網環(huán)境下可能出現(xiàn)的各類問題。變壓器運行過程必然伴隨著各類故障或故障產生的征兆，能否及時發(fā)現(xiàn)存在的問題并探討故障發(fā)展趨勢也成為當前工作的主要目標之一。

1 當前變壓器運行預控方法

綜合分析法。采用歸納思路，對大量的故障數(shù)據(jù)和危險情況進行統(tǒng)計，了解設備產生故障的原因和發(fā)生故障的概率情況，推斷出單個設備在發(fā)生故障時的某些可能性。這一方法比較重視變壓器的設備在運行過程中是否產生缺陷，以個案分析為基礎形成分析意見和故障處理措施，對危險點進行預處理。按照風險性質進行分類后，可有針對性地采取不同的預防措施。但該方法的缺陷是在信息處理和傳遞的過程中可能產生信息量損失，且數(shù)據(jù)獲得過多依賴經驗。

技術預控方法。重視不同狀態(tài)檢測技術的應用，以合理有效的靈敏檢測方法來獲取設備的不同狀態(tài)信息，更加深入地了解設備的使用狀況。不過該方法的缺點在于設備危險點的概率分析依賴于技術應用，技術手段可以鑒別設備的狀態(tài)但無法對設備的使用壽命展開評估。如果需要一次性評估，則該方法的實用性更高。

模糊打分。模擬了專家思維，采用神經網絡算法等高級數(shù)據(jù)工具，讓一些看似不準確的數(shù)據(jù)和規(guī)則能夠得到應用。數(shù)據(jù)信息來自于設備設計、運行環(huán)境等多個方面，綜合考慮了變壓器等設備在運行過程中的某些風險點與相關對策，是一種更加先進的評價方法。

2 變壓器運行過程中的影響因素與預控

確定變壓器在運行過程中的危險點，能夠選取變壓器運行狀態(tài)的先決條件，從內部層級結構入手，準確表示出各種設備故障因果關系的模型。以當前電壓等級110～500kV的電力變壓器為例，其危險點可從六個角度分析。

2.1 變壓器聲音故障

變壓器故障類型包括變壓器本體故障和變壓器附件故障，本體故障中包括鐵芯、金屬件故障、繞組引線故障等；而附件故障中則包括有載開關故障、冷卻系統(tǒng)故障等。其中變壓器音響是在正常運行和巡視過程中需要重點關注的問題，以聲音為側面體現(xiàn)出變壓器的運行狀況。在變壓器運行的過程中鐵芯和繞組產生振動發(fā)出聲音時，正常聲音是均勻且輕快的。一旦出現(xiàn)故障聲響必然出現(xiàn)異常，此時說明變壓器在運行中可能存在危險點和故障。

2.2 油位油色

油位隨著氣溫和負荷變化面所變化，正常的油位在油位計的1/4～3/4之間，且無滲漏情況，套管保持清潔。一旦出現(xiàn)斷線、脫焊、裂紋或其它放電現(xiàn)象，則要考慮高低壓熔斷絲是否出現(xiàn)問題。目前廣泛使用的大型電力變壓器油浸式變壓器為主，利用變壓器油進行絕緣和散熱工作。在正常運行狀態(tài)下，變壓器油中的主要溶解氣體包括氧氣和氮氣，但在某些故障情況下變壓器絕緣油和固體絕緣材料中會分解出其他氣體。絕緣油作為一種混合物，在變壓器故障較為嚴重時可能會形成游離的氣體，且不同危險問題產生的氣體含量也是不同的。在固體絕緣材料分子中所包含的化學鍵熱穩(wěn)定性比變壓器油中的C-H鍵更弱，可以在較低的溫度下實現(xiàn)化合，生成某些氣體。

絕緣油一方面起到絕緣作用，另一方面起到散熱作用，變壓器的鐵芯和繞組產生的熱量可以傳遞至冷卻裝置展開冷卻。在變壓器運行過程中需要保障一定水平的電氣絕緣強度，因為變壓器油可能吸收了空氣當中的一些雜質、水分等。一旦溫度升高，油與空氣接觸產生了氧化反應，電氣絕緣強度下降，給變壓器運行帶來了很大的風險。為了確保電力變壓器運行時的安全水平，控制老化發(fā)展的速率，需要定期地展開油樣試驗，一方面可以掌握變壓器油質狀態(tài)，另一方面可以控制穩(wěn)定的散熱效果。

2.3 運行環(huán)境危險點

變壓器在產生故障時，無論是內部故障還是外部故障，異?，F(xiàn)象都會通過不同形式表現(xiàn)出來。而變壓器的運行狀態(tài)與使用周期與運行環(huán)境之間存在著密切聯(lián)系。例如變電站區(qū)域的地理環(huán)境、空氣濕度等。一般情況下變壓器運行時的環(huán)境溫度要求為最高氣溫40℃、最低氣溫-25℃，因為溫度過高會影響到正常的散熱，給運行帶來極大風險；而濕度太高又會影響到金屬的耐腐蝕性。特別是戶外變電站在運行過程中受到環(huán)境因素的影響比戶內變電站更大，特別是在環(huán)境污染嚴重的情況下，變壓器的運行需要展開特殊的巡視和檢查，并根據(jù)實際情況縮短變壓器的檢修和管理周期。

2.4 運行周期危險點

設備運行有一個周期閾值，與設備故障發(fā)展之間存在著必然聯(lián)系。對設備故障規(guī)律的分析研究有利于制定更加合理的設備維修方案，以此為基礎建立科學有效的設備維修體制。例如在使用過程中，設備本身的狀態(tài)和性能會隨著時間推移逐漸呈現(xiàn)出下降趨勢，進而從潛在故障轉變?yōu)槟承┕δ苄怨收?。故障轉變時間間隔的長短主要取決于設備在使用過程中能否按照要求來進行。如果可以進行定期檢修和認為控制，那么設備故障在發(fā)展至一定程度后就能得到處理，減少后續(xù)功能性故障產生的可能性。在制定設備的維修計劃過程中，可以按照時間間隔內提供的信息來制定科學合理的檢修計劃，將危險點進行控制[1]。

通常來說設備出現(xiàn)早期故障的可能性較高，但在設備運行一段時間后故障率會明顯降低。出現(xiàn)此類問題的因素在于設備剛剛開始運行時，某些設計和制造方面的缺陷開始產生影響。這也說明變壓器等電力設備在使用之前需要投入試運行來減少故障幾率，也可以在故障產生后快速定位并處理，經過試驗篩選將一些不合格的設備全部去除。在設備使用一段時間后，盡管故障率較低但仍然會出現(xiàn)偶然故障。設備整體運行比較穩(wěn)定，產生的隨機故障并不會對整個設備性能產生非常嚴重的干擾。之后的周期為磨損故障期，設備產生故障的幾率會伴隨著時間的推移急速增加，且主要以設備疲勞、零部件損耗為主，設備故障率不斷增加，如進行大規(guī)模修理并更換某些零部件，又可以將故障率降低至合理范圍內。

變壓器的典型壽命規(guī)律伴隨著障礙產生、障礙事故、無障礙事故、設備老化的變化趨勢進行，但某些外部應力的影響也會加速設備的損壞趨勢，產生其它風險因素。例如變壓器的絕緣材料正常老化時雖然會影響到絕緣強度，但產生大型危險事件的可能性并不高。如果在潮濕環(huán)境或是漏電基礎上，那么變壓器的老化速度會顯著加劇。

2.5 運行歷史與檢修工作的危險點

設備檢修人員會根據(jù)設備的運行狀況來定期進行維修保養(yǎng)，例如觀察變壓器油溫度指示情況、油箱箱體是否存在滲漏、部件是否會有腐蝕狀況等。通過將已經收得的數(shù)據(jù)和歷史資料就可以作出分析判斷。主要檢查的項目包括變壓器一二次線路連接、外殼接地、變壓器油狀況、壓力釋放閥、控制保護接線完好程度等。在檢查過程中如果出現(xiàn)異常情況，那么必然影響到設備的正常運行，這些內容也應該成為評估體系中的重要組成部分[2]。

2.6 電氣試驗

電氣試驗的目的是為了保障電力變壓器運行過程中的穩(wěn)定性和安全程度。因為在變壓器的制造過程中就會進行非常嚴格的試驗，在投入運行后也會進行變壓器的在線監(jiān)測。電氣試驗是一種危險點預控手段，可以掌握變壓器的性能，以在線檢查或在線監(jiān)測的方式判斷變壓器能否在后續(xù)工作中繼續(xù)地投入運行[3]。變壓器遇到水分、溫度、磁場的影響時都會導致絕緣劣化現(xiàn)象，且劣化的速率處于動態(tài)變化之中。變壓器的運行狀態(tài)參數(shù)可以作為判斷劣化速率和狀態(tài)的參考依據(jù)，以不同的特征量來表示不同的程度。這一類特征量可以被分為兩種類型：一種是直接地反應變壓器的使用壽命或性能問題，如機械強度、耐電強度等，都可以直觀清晰地判斷變壓器能否繼續(xù)應用；另一種則是間接地反應絕緣狀況的特征量，如絕緣電阻等。破壞性試驗和非破壞性試驗分別對應直接特征量和間接特征量。

以繞組泄漏電流的試驗為例，這是判斷變壓器運行過程絕緣狀況的一項試驗，其原理和絕緣電阻基本類似，但區(qū)別在于泄漏電流在測量時需要施加更多的直流電壓，且繞組泄漏電流值的變化可以隨時地進行檢測。通過對變壓器運行狀態(tài)的監(jiān)測后了解到，泄漏電流容易受到絕緣結構與溫度等因素的影響，按照《電力設備預防性試驗規(guī)程》DL/596-1996的相關要求中也并沒有明確提到泄漏電流的具體數(shù)值。因此這些測量的數(shù)據(jù)只能作為參考性內容，如果要分析變壓器的絕緣狀態(tài)，還需要結合其它的狀態(tài)參量進行綜合評估。

3 危險點預控管理體系

技術水平的發(fā)展讓危險點預控與狀態(tài)檢修工作得到了電力企業(yè)的高度重視。預控手段與定期檢修相比，維修成本更低、停電時間更短，可以對設備狀態(tài)展開深入分析，了解不同因素對使用壽命的不同影響。危險點預控管理體系是在設備產生故障的基礎上以安全管理的方式綜合分析設備故障帶來的后果（包括電網使用的性能、修復產生的消耗、對環(huán)境造成的不利影響等），在此基礎建立相關的管理體系。在確定電網中的變壓器設備故障可能引發(fā)的問題后，就需要評估事故產生的可能性，分析由事故引起的不同后果[4]。通過管理體系的構建也能為今后的工作提供技術改進方案，確定最佳電力運行管理措施。

電網性能。在電網性能的計算過程中，變壓器設備的使用分為高風險期和低風險期，不同的設備故障等級對應風險期的持續(xù)時間，從而用于設定故障損失電量的概率因子。不同類型的小故障所引起的故障屬于計劃停運范疇，且小故障并不會導致高風險期問題的產生。隨著故障問題的不斷擴大，某些故障會引起強制停運，而重大故障幾乎會導致全部的強制停運。在初始階段可通過人為管理的方式來穩(wěn)定電網和變壓器的運行狀態(tài)，在經歷高風險期之后，電網可以過渡至另一個穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)，即便此時設備仍然處于故障狀態(tài)，也能夠讓設備快速地過渡到低風險期。

人身安全管理。變壓器危險點預控過程中，人身安全風險比較低，在不同故障等級下造成的結果也會有所差距。但體系建設的最終目標是按照要求來合理地制定方案，從而得到變壓器運行過程中的總故障率和總危險值，判定在使用狀態(tài)下的維護和更新方案，包括電網設備在未來可能采取的更新、維護方案及其能夠達到的預期效果。如果一臺變壓器出現(xiàn)危險故障，所產生的事故引起人身傷亡的概率對于所有變壓器來說是相同的。

修復成本管理。修復成本考慮到的是在變壓器出現(xiàn)故障后進行故障處理需要消耗的成本。成本中既包含了設備維修需要消耗的人工費、材料費，同時還要根據(jù)不同的故障等級來評估成本之間的差異。修復成本的不同與設備的配件質量等因素密切相關。

環(huán)境影響評估。這一體系中對于環(huán)境影響的評估主要是基于設備產生故障后帶來的環(huán)境問題。以變壓器為例，變壓器故障后產生的污染類型包括絕緣油泄漏、火災、固體垃圾和其它社會影響，不同故障等級下污染對應著不同的故障概率，也可根據(jù)實際情況為每一臺變壓器設定不同的重要級別，確定哪些設備在運行時要得到嚴格控制。

4 結語

隨著電網規(guī)模不斷擴大，未來的變壓器等設備在運行過程中也要綜合考慮到性能、技術水平等多個方面。建立變壓器運行時的危險點分析與風險預控機組，并對變壓器進行狀態(tài)評價，有助于全面準確地反映出變壓器的工作性能，并從實際運行過程中不斷地對管理方案作出調整，直至最終結果可以反映出變壓器的真實運行情況。未來的工作中還應該以預防性試驗、日常維護檢修等工作結果為基礎，讓評價結果更加清晰直觀。