西安西電變壓器有限責(zé)任公司 佘海智 仝曉文 顧向鋒 卓 紅

變壓器運(yùn)行工作逐漸受到電力企業(yè)的高度重視，通過(guò)對(duì)設(shè)備狀態(tài)分析的深入研究，探討電氣、機(jī)械等因素對(duì)于設(shè)備使用壽命的影響，預(yù)測(cè)設(shè)備在現(xiàn)有的電網(wǎng)環(huán)境下可能出現(xiàn)的各類(lèi)問(wèn)題。變壓器運(yùn)行過(guò)程必然伴隨著各類(lèi)故障或故障產(chǎn)生的征兆，能否及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題并探討故障發(fā)展趨勢(shì)也成為當(dāng)前工作的主要目標(biāo)之一。

1 當(dāng)前變壓器運(yùn)行預(yù)控方法

綜合分析法。采用歸納思路，對(duì)大量的故障數(shù)據(jù)和危險(xiǎn)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，了解設(shè)備產(chǎn)生故障的原因和發(fā)生故障的概率情況，推斷出單個(gè)設(shè)備在發(fā)生故障時(shí)的某些可能性。這一方法比較重視變壓器的設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中是否產(chǎn)生缺陷，以個(gè)案分析為基礎(chǔ)形成分析意見(jiàn)和故障處理措施，對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理。按照風(fēng)險(xiǎn)性質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)后，可有針對(duì)性地采取不同的預(yù)防措施。但該方法的缺陷是在信息處理和傳遞的過(guò)程中可能產(chǎn)生信息量損失，且數(shù)據(jù)獲得過(guò)多依賴經(jīng)驗(yàn)。

技術(shù)預(yù)控方法。重視不同狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，以合理有效的靈敏檢測(cè)方法來(lái)獲取設(shè)備的不同狀態(tài)信息，更加深入地了解設(shè)備的使用狀況。不過(guò)該方法的缺點(diǎn)在于設(shè)備危險(xiǎn)點(diǎn)的概率分析依賴于技術(shù)應(yīng)用，技術(shù)手段可以鑒別設(shè)備的狀態(tài)但無(wú)法對(duì)設(shè)備的使用壽命展開(kāi)評(píng)估。如果需要一次性評(píng)估，則該方法的實(shí)用性更高。

模糊打分。模擬了專家思維，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等高級(jí)數(shù)據(jù)工具，讓一些看似不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和規(guī)則能夠得到應(yīng)用。數(shù)據(jù)信息來(lái)自于設(shè)備設(shè)計(jì)、運(yùn)行環(huán)境等多個(gè)方面，綜合考慮了變壓器等設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的某些風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)與相關(guān)對(duì)策，是一種更加先進(jìn)的評(píng)價(jià)方法。

2 變壓器運(yùn)行過(guò)程中的影響因素與預(yù)控

確定變壓器在運(yùn)行過(guò)程中的危險(xiǎn)點(diǎn)，能夠選取變壓器運(yùn)行狀態(tài)的先決條件，從內(nèi)部層級(jí)結(jié)構(gòu)入手，準(zhǔn)確表示出各種設(shè)備故障因果關(guān)系的模型。以當(dāng)前電壓等級(jí)110～500kV的電力變壓器為例，其危險(xiǎn)點(diǎn)可從六個(gè)角度分析。

2.1 變壓器聲音故障

變壓器故障類(lèi)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(kāi)關(guān)故障、冷卻系統(tǒng)故障等。其中變壓器音響是在正常運(yùn)行和巡視過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，以聲音為側(cè)面體現(xiàn)出變壓器的運(yùn)行狀況。在變壓器運(yùn)行的過(guò)程中鐵芯和繞組產(chǎn)生振動(dòng)發(fā)出聲音時(shí)，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(shí)說(shuō)明變壓器在運(yùn)行中可能存在危險(xiǎn)點(diǎn)和故障。

2.2 油位油色

油位隨著氣溫和負(fù)荷變化面所變化，正常的油位在油位計(jì)的1/4～3/4之間，且無(wú)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(wèn)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(jìn)行絕緣和散熱工作。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，變壓器油中的主要溶解氣體包括氧氣和氮?dú)?，但在某些故障情況下變壓器絕緣油和固體絕緣材料中會(huì)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(yán)重時(shí)可能會(huì)形成游離的氣體，且不同危險(xiǎn)問(wèn)題產(chǎn)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(xué)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(shí)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(chǎn)生的熱量可以傳遞至冷卻裝置展開(kāi)冷卻。在變壓器運(yùn)行過(guò)程中需要保障一定水平的電氣絕緣強(qiáng)度，因?yàn)樽儔浩饔涂赡芪樟丝諝猱?dāng)中的一些雜質(zhì)、水分等。一旦溫度升高，油與空氣接觸產(chǎn)生了氧化反應(yīng)，電氣絕緣強(qiáng)度下降，給變壓器運(yùn)行帶來(lái)了很大的風(fēng)險(xiǎn)。為了確保電力變壓器運(yùn)行時(shí)的安全水平，控制老化發(fā)展的速率，需要定期地展開(kāi)油樣試驗(yàn)，一方面可以掌握變壓器油質(zhì)狀態(tài)，另一方面可以控制穩(wěn)定的散熱效果。

2.3 運(yùn)行環(huán)境危險(xiǎn)點(diǎn)

變壓器在產(chǎn)生故障時(shí)，無(wú)論是內(nèi)部故障還是外部故障，異?，F(xiàn)象都會(huì)通過(guò)不同形式表現(xiàn)出來(lái)。而變壓器的運(yùn)行狀態(tài)與使用周期與運(yùn)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(yùn)行時(shí)的環(huán)境溫度要求為最高氣溫40℃、最低氣溫-25℃，因?yàn)闇囟冗^(guò)高會(huì)影響到正常的散熱，給運(yùn)行帶來(lái)極大風(fēng)險(xiǎn)；而濕度太高又會(huì)影響到金屬的耐腐蝕性。特別是戶外變電站在運(yùn)行過(guò)程中受到環(huán)境因素的影響比戶內(nèi)變電站更大，特別是在環(huán)境污染嚴(yán)重的情況下，變壓器的運(yùn)行需要展開(kāi)特殊的巡視和檢查，并根據(jù)實(shí)際情況縮短變壓器的檢修和管理周期。

2.4 運(yùn)行周期危險(xiǎn)點(diǎn)

設(shè)備運(yùn)行有一個(gè)周期閾值，與設(shè)備故障發(fā)展之間存在著必然聯(lián)系。對(duì)設(shè)備故障規(guī)律的分析研究有利于制定更加合理的設(shè)備維修方案，以此為基礎(chǔ)建立科學(xué)有效的設(shè)備維修體制。例如在使用過(guò)程中，設(shè)備本身的狀態(tài)和性能會(huì)隨著時(shí)間推移逐漸呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，進(jìn)而從潛在故障轉(zhuǎn)變?yōu)槟承┕δ苄怨收?。故障轉(zhuǎn)變時(shí)間間隔的長(zhǎng)短主要取決于設(shè)備在使用過(guò)程中能否按照要求來(lái)進(jìn)行。如果可以進(jìn)行定期檢修和認(rèn)為控制，那么設(shè)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(chǎn)生的可能性。在制定設(shè)備的維修計(jì)劃過(guò)程中，可以按照時(shí)間間隔內(nèi)提供的信息來(lái)制定科學(xué)合理的檢修計(jì)劃，將危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行控制[1]。

通常來(lái)說(shuō)設(shè)備出現(xiàn)早期故障的可能性較高，但在設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后故障率會(huì)明顯降低。出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題的因素在于設(shè)備剛剛開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，某些設(shè)計(jì)和制造方面的缺陷開(kāi)始產(chǎn)生影響。這也說(shuō)明變壓器等電力設(shè)備在使用之前需要投入試運(yùn)行來(lái)減少故障幾率，也可以在故障產(chǎn)生后快速定位并處理，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)篩選將一些不合格的設(shè)備全部去除。在設(shè)備使用一段時(shí)間后，盡管故障率較低但仍然會(huì)出現(xiàn)偶然故障。設(shè)備整體運(yùn)行比較穩(wěn)定，產(chǎn)生的隨機(jī)故障并不會(huì)對(duì)整個(gè)設(shè)備性能產(chǎn)生非常嚴(yán)重的干擾。之后的周期為磨損故障期，設(shè)備產(chǎn)生故障的幾率會(huì)伴隨著時(shí)間的推移急速增加，且主要以設(shè)備疲勞、零部件損耗為主，設(shè)備故障率不斷增加，如進(jìn)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(nèi)。

變壓器的典型壽命規(guī)律伴隨著障礙產(chǎn)生、障礙事故、無(wú)障礙事故、設(shè)備老化的變化趨勢(shì)進(jìn)行，但某些外部應(yīng)力的影響也會(huì)加速設(shè)備的損壞趨勢(shì)，產(chǎn)生其它風(fēng)險(xiǎn)因素。例如變壓器的絕緣材料正常老化時(shí)雖然會(huì)影響到絕緣強(qiáng)度，但產(chǎn)生大型危險(xiǎn)事件的可能性并不高。如果在潮濕環(huán)境或是漏電基礎(chǔ)上，那么變壓器的老化速度會(huì)顯著加劇。

2.5 運(yùn)行歷史與檢修工作的危險(xiǎn)點(diǎn)

設(shè)備檢修人員會(huì)根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀況來(lái)定期進(jìn)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(huì)有腐蝕狀況等。通過(guò)將已經(jīng)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(xiàng)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(hù)接線完好程度等。在檢查過(guò)程中如果出現(xiàn)異常情況，那么必然影響到設(shè)備的正常運(yùn)行，這些內(nèi)容也應(yīng)該成為評(píng)估體系中的重要組成部分[2]。

2.6 電氣試驗(yàn)

電氣試驗(yàn)的目的是為了保障電力變壓器運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性和安全程度。因?yàn)樵谧儔浩鞯闹圃爝^(guò)程中就會(huì)進(jìn)行非常嚴(yán)格的試驗(yàn)，在投入運(yùn)行后也會(huì)進(jìn)行變壓器的在線監(jiān)測(cè)。電氣試驗(yàn)是一種危險(xiǎn)點(diǎn)預(yù)控手段，可以掌握變壓器的性能，以在線檢查或在線監(jiān)測(cè)的方式判斷變壓器能否在后續(xù)工作中繼續(xù)地投入運(yùn)行[3]。變壓器遇到水分、溫度、磁場(chǎng)的影響時(shí)都會(huì)導(dǎo)致絕緣劣化現(xiàn)象，且劣化的速率處于動(dòng)態(tài)變化之中。變壓器的運(yùn)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(lái)表示不同的程度。這一類(lèi)特征量可以被分為兩種類(lèi)型：一種是直接地反應(yīng)變壓器的使用壽命或性能問(wèn)題，如機(jī)械強(qiáng)度、耐電強(qiáng)度等，都可以直觀清晰地判斷變壓器能否繼續(xù)應(yīng)用；另一種則是間接地反應(yīng)絕緣狀況的特征量，如絕緣電阻等。破壞性試驗(yàn)和非破壞性試驗(yàn)分別對(duì)應(yīng)直接特征量和間接特征量。

以繞組泄漏電流的試驗(yàn)為例，這是判斷變壓器運(yùn)行過(guò)程絕緣狀況的一項(xiàng)試驗(yàn)，其原理和絕緣電阻基本類(lèi)似，但區(qū)別在于泄漏電流在測(cè)量時(shí)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(shí)地進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)對(duì)變壓器運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)后了解到，泄漏電流容易受到絕緣結(jié)構(gòu)與溫度等因素的影響，按照《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》DL/596-1996的相關(guān)要求中也并沒(méi)有明確提到泄漏電流的具體數(shù)值。因此這些測(cè)量的數(shù)據(jù)只能作為參考性內(nèi)容，如果要分析變壓器的絕緣狀態(tài)，還需要結(jié)合其它的狀態(tài)參量進(jìn)行綜合評(píng)估。

3 危險(xiǎn)點(diǎn)預(yù)控管理體系

技術(shù)水平的發(fā)展讓危險(xiǎn)點(diǎn)預(yù)控與狀態(tài)檢修工作得到了電力企業(yè)的高度重視。預(yù)控手段與定期檢修相比，維修成本更低、停電時(shí)間更短，可以對(duì)設(shè)備狀態(tài)展開(kāi)深入分析，了解不同因素對(duì)使用壽命的不同影響。危險(xiǎn)點(diǎn)預(yù)控管理體系是在設(shè)備產(chǎn)生故障的基礎(chǔ)上以安全管理的方式綜合分析設(shè)備故障帶來(lái)的后果（包括電網(wǎng)使用的性能、修復(fù)產(chǎn)生的消耗、對(duì)環(huán)境造成的不利影響等），在此基礎(chǔ)建立相關(guān)的管理體系。在確定電網(wǎng)中的變壓器設(shè)備故障可能引發(fā)的問(wèn)題后，就需要評(píng)估事故產(chǎn)生的可能性，分析由事故引起的不同后果[4]。通過(guò)管理體系的構(gòu)建也能為今后的工作提供技術(shù)改進(jìn)方案，確定最佳電力運(yùn)行管理措施。

電網(wǎng)性能。在電網(wǎng)性能的計(jì)算過(guò)程中，變壓器設(shè)備的使用分為高風(fēng)險(xiǎn)期和低風(fēng)險(xiǎn)期，不同的設(shè)備故障等級(jí)對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)期的持續(xù)時(shí)間，從而用于設(shè)定故障損失電量的概率因子。不同類(lèi)型的小故障所引起的故障屬于計(jì)劃停運(yùn)范疇，且小故障并不會(huì)導(dǎo)致高風(fēng)險(xiǎn)期問(wèn)題的產(chǎn)生。隨著故障問(wèn)題的不斷擴(kuò)大，某些故障會(huì)引起強(qiáng)制停運(yùn)，而重大故障幾乎會(huì)導(dǎo)致全部的強(qiáng)制停運(yùn)。在初始階段可通過(guò)人為管理的方式來(lái)穩(wěn)定電網(wǎng)和變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，在經(jīng)歷高風(fēng)險(xiǎn)期之后，電網(wǎng)可以過(guò)渡至另一個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，即便此時(shí)設(shè)備仍然處于故障狀態(tài)，也能夠讓設(shè)備快速地過(guò)渡到低風(fēng)險(xiǎn)期。

人身安全管理。變壓器危險(xiǎn)點(diǎn)預(yù)控過(guò)程中，人身安全風(fēng)險(xiǎn)比較低，在不同故障等級(jí)下造成的結(jié)果也會(huì)有所差距。但體系建設(shè)的最終目標(biāo)是按照要求來(lái)合理地制定方案，從而得到變壓器運(yùn)行過(guò)程中的總故障率和總危險(xiǎn)值，判定在使用狀態(tài)下的維護(hù)和更新方案，包括電網(wǎng)設(shè)備在未來(lái)可能采取的更新、維護(hù)方案及其能夠達(dá)到的預(yù)期效果。如果一臺(tái)變壓器出現(xiàn)危險(xiǎn)故障，所產(chǎn)生的事故引起人身傷亡的概率對(duì)于所有變壓器來(lái)說(shuō)是相同的。

修復(fù)成本管理。修復(fù)成本考慮到的是在變壓器出現(xiàn)故障后進(jìn)行故障處理需要消耗的成本。成本中既包含了設(shè)備維修需要消耗的人工費(fèi)、材料費(fèi)，同時(shí)還要根據(jù)不同的故障等級(jí)來(lái)評(píng)估成本之間的差異。修復(fù)成本的不同與設(shè)備的配件質(zhì)量等因素密切相關(guān)。

環(huán)境影響評(píng)估。這一體系中對(duì)于環(huán)境影響的評(píng)估主要是基于設(shè)備產(chǎn)生故障后帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題。以變壓器為例，變壓器故障后產(chǎn)生的污染類(lèi)型包括絕緣油泄漏、火災(zāi)、固體垃圾和其它社會(huì)影響，不同故障等級(jí)下污染對(duì)應(yīng)著不同的故障概率，也可根據(jù)實(shí)際情況為每一臺(tái)變壓器設(shè)定不同的重要級(jí)別，確定哪些設(shè)備在運(yùn)行時(shí)要得到嚴(yán)格控制。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，未來(lái)的變壓器等設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中也要綜合考慮到性能、技術(shù)水平等多個(gè)方面。建立變壓器運(yùn)行時(shí)的危險(xiǎn)點(diǎn)分析與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控機(jī)組，并對(duì)變壓器進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)，有助于全面準(zhǔn)確地反映出變壓器的工作性能，并從實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中不斷地對(duì)管理方案作出調(diào)整，直至最終結(jié)果可以反映出變壓器的真實(shí)運(yùn)行情況。未來(lái)的工作中還應(yīng)該以預(yù)防性試驗(yàn)、日常維護(hù)檢修等工作結(jié)果為基礎(chǔ)，讓評(píng)價(jià)結(jié)果更加清晰直觀。