顯著性差異法則在變壓器狀態(tài)評估中的應(yīng)用

李憲棟，蔡 路，王宏飛，袁彥凱，趙 震

（黃河水利水電開發(fā)總公司，河南省濟源市 459017）

0 引言

近年來，狀態(tài)檢修成為電力變壓器檢修管理的趨勢。狀態(tài)評估是實施狀態(tài)檢修的前提。合理確定變壓器狀態(tài)評估體系和狀態(tài)等級是實施變壓器狀態(tài)評估的關(guān)鍵。變壓器狀態(tài)劃分標準和評估指標體系的不同對變壓器狀態(tài)評估有直接影響。

變壓器狀態(tài)評估體系一般包括變壓器的運行和監(jiān)測信息，變壓器的狀態(tài)等級劃分一般按照平均劃分原則進行劃分[1-4]。對影響變壓器狀態(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)驗給定，很少給出合理科學的依據(jù)。目前的變壓器狀態(tài)評估大多集中在根據(jù)評估指標判斷隸屬不同變壓器狀態(tài)的方法改進上，對變壓器狀態(tài)劃分方法的改進和合理探討很少。結(jié)合變壓器故障程度統(tǒng)計分布規(guī)律對變壓器狀態(tài)的分級方法[17]實現(xiàn)了沒有標準故障模型情況下的狀態(tài)分級，引進大數(shù)據(jù)分析方法實現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)有樣本對變壓器狀態(tài)劃分的方法擴展了狀態(tài)劃分的范圍[14-15]，但這些基于統(tǒng)計樣本的分級方法不能反應(yīng)變壓器狀態(tài)的變化規(guī)律。

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

1 基于顯著性差異法則的變壓器狀態(tài)分級

這里說的顯著性差異不是嚴格意義上的統(tǒng)計學中的概念，而是借用了統(tǒng)計學中顯著性差異的思想，將其應(yīng)用到變壓器狀態(tài)的評估中。在統(tǒng)計學中，把實際發(fā)生于假設(shè)之間的差異限定在可接受的范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)對事物性質(zhì)在假設(shè)情況下的判斷。同理，在變壓器狀態(tài)等級劃分中，可以采用變壓器狀態(tài)指標變化范圍可接受界限的30%作為劃分變壓器等級的標準。本文將結(jié)合變壓器狀態(tài)評估中常用的層次分析模型和健康指數(shù)模型對變壓器狀態(tài)等級劃分進行討論。

1.1 層次分析模型中的變壓器狀態(tài)分級

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

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

本文按照電力行業(yè)內(nèi)普遍認可的狀態(tài)分級方案將變壓器狀態(tài)劃分為四個等級，將狀態(tài)值描述范圍擴展到包含超出規(guī)程規(guī)定注意值的情況，對狀態(tài)分級重新進行定義，詳細描述見表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

為了便于對比，將變壓器明顯老化對應(yīng)的健康指數(shù)分界點作為縮短試驗（檢修）周期的分界點，按照設(shè)備狀態(tài)顯著性差異劃分標準，根據(jù)變壓器健康指數(shù)將變壓器狀態(tài)等級劃分如表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)分級評估

為了驗證顯著性差異法則對變壓器狀態(tài)分級的合理性，采用層次分析模型和健康指數(shù)模型分別對同一臺變壓器進行狀態(tài)評估，通過比較評估結(jié)果的一致性來判斷這種變壓器狀態(tài)分級方法的有效性。

2.1 待評估變壓器基本情況

本文選取的評估對象為河南地區(qū)一水電站的主變壓器，其基本情況及參數(shù)見表4。變壓器自2001年5月投運以來運行穩(wěn)定，沒有發(fā)生內(nèi)部故障，沒有經(jīng)受近區(qū)故障沖擊，平均負荷不高，總體運行狀況良好。除隨機組檢修進行小修外，尚未進行大修。

表4 待評估變壓器技術(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)評估

本文對變壓器的狀態(tài)評估采用了電氣試驗、油中溶解氣體、油絕緣試驗三類指標組成評估指標體系。各指標的權(quán)重在參考文獻[19]的基礎(chǔ)上進行了適當?shù)难a充修正。在各狀態(tài)量評估模型中選用投運初期試驗數(shù)值為最優(yōu)值，規(guī)程規(guī)定值為最差值。

2.2.1 電氣試驗狀態(tài)值

電氣試驗指標的狀態(tài)函數(shù)取：

式中：c0——指標出廠試驗值；

cq——狀態(tài)量監(jiān)測值。

對絕緣電阻等戒下型指標：

對于介質(zhì)損耗因素等戒上型指標：

式中：cg——規(guī)程規(guī)定的指標注意值。

若si＞1，則si=1。將模型中狀態(tài)量小于規(guī)程規(guī)定值的情況包含進來，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)備預防性試驗規(guī)程》和DL/T 393—2010《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》給出的標準是，在常溫（10～30℃）下測量，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。

待評估變壓器繞組的極化指數(shù)為2.16（出廠試驗值）和2.06（交接試驗值），運行檔位（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。變壓器套管試驗數(shù)據(jù)參考2010年試驗記錄，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數(shù)值（2016年11月23日）計算變壓器電氣試驗狀態(tài)值如表5所示。

表5 電氣試驗指標狀態(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狀態(tài)值S1=0.7332。

2.2.2 油中溶解氣體試驗狀態(tài)值

DL/T 722—2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》中規(guī)定，運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，運行穩(wěn)定后在2001年12月對6號主變壓器絕緣油取樣進行了分析，最接近變壓器電氣試驗時間的油中溶解氣體測試數(shù)據(jù)見表6。

表6 變壓器狀態(tài)評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則》中規(guī)定總烴相對產(chǎn)氣速率的注意值為10%/月。變壓器投運初期總烴產(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)評估模型采用：

經(jīng)過計算后各狀態(tài)變量見表7。

表7 油中溶解氣體指標狀態(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 油絕緣試驗狀態(tài)值

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

根據(jù)以上模型計算變壓器2016年12月20日試驗數(shù)據(jù)的狀態(tài)值見表8。綜合表8中數(shù)據(jù)，可以得出3號主變壓器油絕緣特性試驗狀態(tài)值S3=0.8970。

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

2.2.4 變壓器狀態(tài)評估結(jié)論

在對電氣試驗、油中溶解氣體和油絕緣試驗3類試驗數(shù)據(jù)狀態(tài)值進行融合時，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)評估

2.3.1 基礎(chǔ)級

變壓器基礎(chǔ)健康指數(shù)的計算考慮變壓器熱點溫度、負荷率和運行環(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。待評估變壓器運行中油溫最高溫度不超過60℃，以此估算變壓器的熱點溫度不超過78℃，按照設(shè)定報警值（油溫為80℃）估算為104℃，變壓器預期絕緣壽命Ta可以按照最少40年確定。

按最高溫度計算的變壓器損耗壽命為：

其中Fins，i為對應(yīng)熱點溫度ΘHST下時間段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）

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

其中Tsuv為評估變壓器的生存年限。

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

變壓器平均負荷率為35.16%，負荷系數(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。變壓器的老化率計算為：

其中Texp為變壓器預期運行年限。

變壓器的基礎(chǔ)健康指數(shù)為：

2.3.2 試驗級

對變壓器的油化試驗數(shù)據(jù)按照設(shè)定的標準進行狀態(tài)評估，再根據(jù)設(shè)定的各指標權(quán)重進行融合，權(quán)重設(shè)置、評估標準[22]及評估結(jié)果如表9～表12所示。

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

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

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

表12 油質(zhì)試驗分級表Table 12 Classification grade for transformer oil test

為了便于對比，利用變壓器2016年12月的試驗數(shù)據(jù)對變壓器狀態(tài)進行評估，各指標狀態(tài)值如表9～表10中數(shù)值所示，對應(yīng)的綜合狀態(tài)值分別為

綜合基礎(chǔ)級和試驗級評估結(jié)果，HICOM=HI1×fCOM=1.34×0.8500=1.14

fCOM數(shù)值從文獻[22]中推算得出。

2.3.3 修正級

修正級主要根據(jù)變壓器運行狀況和故障檢修情況對得出的健康指數(shù)進行修正。修正通過乘以修正系數(shù)來實現(xiàn)，修正系數(shù)采用主成分分析法、模糊綜合評判法，對各修正項目的影響權(quán)重進行確定[9]。修正的項目包括變壓器投運時間、鐵芯接地電流、變壓器外觀等級、套管可靠等級、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)及具體分級評估標準見文獻[22]。

套管可靠性計算邏輯為：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）。

若某一項指標缺失，則對應(yīng)的修正系數(shù)為1。

綜合修正系數(shù)為：

則對應(yīng)的變壓器健康指數(shù)為：

對照變壓器健康指數(shù)分級標準評估判斷，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)分布中所處的相對位置非常接近，這驗證了顯著性分析法則對狀態(tài)良好的變壓器狀態(tài)分級的合理性和有效性。

本文僅針對運行狀況良好的油浸式變壓器進行了計算和分析，通過該案例計算及評價結(jié)果證實，顯著性分析法則對于運行狀況良好的油浸式變壓器進行狀態(tài)分級具備一定的合理性，該方法的有效性仍需要大量計算、評估后確定，同時，該方法對其他狀態(tài)變壓器的狀態(tài)分級合理性和有效性仍有待研究。