馮 凱

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江）

引言

變壓器是電力系統(tǒng)中不可缺失的電氣設(shè)備，供配電過程中，一旦變壓器的運行發(fā)生故障，不僅會對系統(tǒng)整體運行造成影響，還會對營運方造成較大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。因此，定期或有針對性的進(jìn)行變壓器維護(hù)，不僅可以提高其運行的可靠性，還可以提升變壓設(shè)備的使用壽命。

在對變壓器運行的進(jìn)一步研究中發(fā)現(xiàn)，造成電力變壓器運行故障的原因較多，包括變壓器自身因素與外部環(huán)境影響，前者包括變壓器出廠存在缺陷、經(jīng)歷短路次數(shù)過多等[2]。后者包括繞組絕緣事故、絕緣老化擊穿、運行環(huán)境過于潮濕導(dǎo)致變壓器外部導(dǎo)電、出口繞組變形、運行環(huán)境溫度過高導(dǎo)致變壓器處于高溫運行狀態(tài)等[3]。

變壓器在運行過程中所產(chǎn)生的故障大部分為潛伏性故障，為提高變壓器運行可靠性，實現(xiàn)對其運行狀態(tài)與健康狀態(tài)的評估，本文將開展如下所示的研究。

1 電力變壓器的運行可靠性評估

1.1 提取電力變壓器運行內(nèi)部潛伏性故障影響因素

在不采取維修措施的情況下，隨著電力變壓器老化程度的加深，其運行可靠性呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢[4]。圖1 為變壓器中絕緣紙抗張強(qiáng)度隨運行年限增加的變化趨勢。

圖1 變壓器中絕緣紙抗張強(qiáng)度隨運行年限增加的變化趨勢

在絕緣老化程度加深的時候，它的運行可靠性會下降。而對變壓器進(jìn)行合理的維護(hù)，則能有效的提高其使用壽命，提高其工作的可靠性[5]。通常情況下，對變壓器的維修策略包括：不完全維修、完全維修和最小維修。對維修策略的選擇會影響到變壓器故障率，具體而言體現(xiàn)在變壓器狀態(tài)轉(zhuǎn)移速率上，其公式為：

電力變壓器油中產(chǎn)氣速率的計算公式為：

式中：γoil代表油中產(chǎn)氣速率，C1代表第一次采樣時的氣體濃度，C2代表第一次采樣時的氣體濃度，Δt 代表第一次與第二次采樣時的時間間隔，moil代表總油量，ρoil代表油的密度。在變壓器運行過程中，油品氣體生成率可以較好地反映其運行狀態(tài)[6]。

1.2 電力變壓器短期故障率計算

在明確電力變壓器運行內(nèi)部潛伏性故障影響因素后，通過下述操作可以實現(xiàn)對電力變壓器短期故障率具體數(shù)值的求解[7]。假設(shè)變壓器的狀態(tài)概率矩陣為P（0），結(jié)合微分方程求解變壓器狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為：

式中：P（t）代表變壓器狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。對上述公式中的eAt進(jìn)行多項式展開，將四階及以上的多項式舍去得到新的多項展開式。當(dāng)獲得狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的特征后，即可求出矩陣的具體表達(dá)式，建立矩陣特征值求解等式為：

式中：s 代表狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的特征值。I 代表單位矩陣。在計算變壓器的實際工作可靠度時，先采集了變壓器的油品含氣量的歷史數(shù)據(jù)，再求出了各個狀態(tài)間的平均傳輸率。另外，為了考慮到絕緣老化對變壓器工作的影響，還需要對變壓器絕緣線圈中的熱斑、絕緣紙板中的水分進(jìn)行實時監(jiān)控[8]。

1.3 基于中長期故障率模型的變壓器運行可靠性分析

在明確電力變壓器短期故障率的計算方法后，構(gòu)建中長期故障率模型，并基于該模型對變壓器運行可靠性進(jìn)行分析。獲得N 組變壓器處于任意時間點時的故障率。再結(jié)合監(jiān)測得到的變壓器油中氣體含量和產(chǎn)氣速率，確定變壓器運行在某一狀態(tài)時的故障率。圖2為變壓器中長期故障率預(yù)測模型。

圖2 變壓器中長期故障率預(yù)測模型

首先，根據(jù)變頻器油層析的歷史數(shù)據(jù)，對變壓器從正常運行、報警、危險運行，直至發(fā)生故障所需的時間進(jìn)行了分析。然后，利用MCMC 法，對變壓器的故障循環(huán)進(jìn)行情景仿真，得到了變壓器在任何時間點的失效率。計算出了變壓器的歷史失效率，并將其與對應(yīng)時間內(nèi)的產(chǎn)氣率、運行時間和運行狀態(tài)進(jìn)行了擬合。通過計算變壓器失效率函數(shù)的系數(shù)，將油色譜實時監(jiān)測數(shù)據(jù)引入到下述公式中，對變壓器運行可靠性進(jìn)行預(yù)測。

式中：λm（t）代表變壓器故障率。ε、α 和β 代表待估參數(shù)。t 代表經(jīng)歷時間。λ0代表隨機(jī)事件引起隨機(jī)故障率。根據(jù)上述計算結(jié)果，得到變壓器的故障率，計算1-λm（t）的結(jié)果，即為變壓器運行可靠性預(yù)測的量化結(jié)果。

2 剩余壽命預(yù)測

2.1 建立電力變壓器剩余時間概念模型

變壓器的實際使用壽命很大程度上是由絕緣中的化學(xué)成分所決定的，在變壓器的使用中，由于絕緣的老化或者是其本體結(jié)構(gòu)受到了機(jī)械破壞，都會使絕緣壽命縮短。當(dāng)變壓器由目前的狀態(tài)，進(jìn)入到故障狀態(tài)的時候，由于變壓器絕緣損失比較嚴(yán)重，或者是油中的氣體含量比較高，導(dǎo)致變壓器不能正常工作而被迫停運，此時就需要技術(shù)人員進(jìn)行相應(yīng)的維修工作。因此，可以將電力變壓器的故障狀態(tài)作為其終點狀態(tài)，明確電力變壓器的剩余壽命主要是指變壓器從當(dāng)前狀態(tài)到故障狀態(tài)所需要的時間。建立電力變壓器從當(dāng)前無故障狀態(tài)到故障狀態(tài)的剩余時間概念模型，見圖3。

圖3 電力變壓器從當(dāng)前無故障狀態(tài)到故障狀態(tài)的剩余時間概念模型

圖3 中，t1 代表變壓在運行中處于健康狀態(tài)（良好工況或運行狀態(tài)）的監(jiān)測時段。t2 代表變壓在運行中處于告警狀態(tài)的監(jiān)測時段。t3 代表變壓在運行中處于異常狀態(tài)（故障狀態(tài)或危險狀態(tài)等）的監(jiān)測時段。T1～T3 代表電力變壓器從當(dāng)前狀態(tài)運行到故障狀態(tài)所需要的平均時間。

2.2 剩余壽命預(yù)測

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合電力變壓器在運行過程中的老化程度、作業(yè)環(huán)境、當(dāng)前工況等，進(jìn)行電力變壓器故障率的定義，計算公式為：

式中：λ（t）代表在時間t 下的電力變壓器故障率。f（t）代表壽命分布函數(shù)。F（t）代表時間t 下的電力變壓器壽命密度函數(shù)。t 代表電力變壓器運行時間。對上述計算公式進(jìn)行規(guī)正與變形處理，得到下述公式：

對上述計算公式進(jìn)行求解，得到F（t）。F（t）的求解計算公式為：

式中：C 代表常數(shù)項。μ 代表以μ 為計算變量的電力變壓器運行故障率函數(shù)。計算過程中，考慮到F（0）=0，因此，求得常數(shù)項C 的取值為1。

由于電力變壓器運行在t 時刻前未出現(xiàn)概率，因此，可以將其在運行過程中的可靠性描述為1-F（t），此時，可以根據(jù)如下公式，計算得到電力變壓器在未來時刻下運行的可靠性函數(shù)表達(dá)式：

式中：R 代表可靠性函數(shù)。T 代表剩余平均壽命（電力變壓器從當(dāng)前無故障狀態(tài)到故障狀態(tài)所需要的時間）。t0代表監(jiān)測時間點。根據(jù)上述研究內(nèi)容，對變壓器無故障運行的時間進(jìn)行分析。計算公式為：

式中：M 代表無故障運行的時間。結(jié)合上述計算公式，進(jìn)行電力變壓器剩余壽命的預(yù)測，計算公式為：

式中：M'（t0）代表電力變壓器剩余壽命的預(yù)測結(jié)果。在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對剩余壽命的預(yù)測求解過程進(jìn)行描述，見圖4。

圖4 電力變壓器剩余壽命的預(yù)測求解過程

結(jié)束語

隨著社會的快速發(fā)展，電力消費也在逐步增加。通過對變壓器風(fēng)險的科學(xué)評價，可以使變壓器的缺陷得到及時地檢測和修復(fù)，從而將損失降低到最小。在此基礎(chǔ)上，考慮到變壓器故障成因多樣、影響因素復(fù)雜，因本次研究經(jīng)驗不足、認(rèn)識程度有限、時間有限等原因，本論文尚有很多不足之處。因此，在后續(xù)的工作中，將根據(jù)電力變壓器運行的實際情況，從變壓器的絕緣老化角度入手，提取更多可能造成變壓器隱性故障的因素，以此為依據(jù)，進(jìn)行與之方面工作在實施中的進(jìn)一步優(yōu)化。此外，在后續(xù)工作中，還將加大對變壓器設(shè)計、生產(chǎn)的監(jiān)管，通過此種方式，降低由于自身原因引起的變壓器運行故障，為變壓器的規(guī)范化運行予以指示、幫助。