顯著性差異法則在變壓器狀態評估中的應用

李憲棟，蔡 路，王宏飛，袁彥凱，趙 震

（黃河水利水電開發總公司，河南省濟源市 459017）

0 引言

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

變壓器狀態評估體系一般包括變壓器的運行和監測信息，變壓器的狀態等級劃分一般按照平均劃分原則進行劃分[1-4]。對影響變壓器狀態的主要組成部分油紙絕緣的老化研究表明，變壓器狀態變化具有非線性[5-6]。對變壓器狀態劃分的非平均處理成為更合理更普遍的方法[7-16]。這種變壓器狀態的非平均劃分一般依據經驗給定，很少給出合理科學的依據。目前的變壓器狀態評估大多集中在根據評估指標判斷隸屬不同變壓器狀態的方法改進上，對變壓器狀態劃分方法的改進和合理探討很少。結合變壓器故障程度統計分布規律對變壓器狀態的分級方法[17]實現了沒有標準故障模型情況下的狀態分級，引進大數據分析方法實現根據現有樣本對變壓器狀態劃分的方法擴展了狀態劃分的范圍[14-15]，但這些基于統計樣本的分級方法不能反應變壓器狀態的變化規律。

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

1 基于顯著性差異法則的變壓器狀態分級

這里說的顯著性差異不是嚴格意義上的統計學中的概念，而是借用了統計學中顯著性差異的思想，將其應用到變壓器狀態的評估中。在統計學中，把實際發生于假設之間的差異限定在可接受的范圍內，從而實現對事物性質在假設情況下的判斷。同理，在變壓器狀態等級劃分中，可以采用變壓器狀態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。本文將結合變壓器狀態評估中常用的層次分析模型和健康指數模型對變壓器狀態等級劃分進行討論。

1.1 層次分析模型中的變壓器狀態分級

變壓器狀態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。狀態劃分一般以設備投運初期試驗指標數據和規程中確定的注意值為界限，在此范圍內對設備狀態進行劃分。為了適應層次分析評估和比較的需要，一般將各狀態指標狀態量歸一化處理。常見的變壓器狀態分級描述與采用的模型相關，狀態分級的定義也不完全一致。常見的設備狀態分級[7-8]如表1所示。

表1 變壓器狀態分級策略Table 1 Classification strategy for transformer state

本文按照電力行業內普遍認可的狀態分級方案將變壓器狀態劃分為四個等級，將狀態值描述范圍擴展到包含超出規程規定注意值的情況，對狀態分級重新進行定義，詳細描述見表2。

表2 層次分析模型狀態值及其描述Table 2 State value scope for hierarchy analysis model

1.2 健康指數模型中的變壓器狀態分級

為了便于對比，將變壓器明顯老化對應的健康指數分界點作為縮短試驗（檢修）周期的分界點，按照設備狀態顯著性差異劃分標準，根據變壓器健康指數將變壓器狀態等級劃分如表3所示。

表3 健康指數模型狀態值及其描述Table 3 State value scope for health index model

續表

2 變壓器狀態分級評估

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

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一水電站的主變壓器，其基本情況及參數見表4。變壓器自2001年5月投運以來運行穩定，沒有發生內部故障，沒有經受近區故障沖擊，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 待評估變壓器技術參數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評估

本文對變壓器的狀態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。各指標的權重在參考文獻[19]的基礎上進行了適當的補充修正。在各狀態量評估模型中選用投運初期試驗數值為最優值，規程規定值為最差值。

2.2.1 電氣試驗狀態值

電氣試驗指標的狀態函數取：

式中：c0——指標出廠試驗值；

cq——狀態量監測值。

對絕緣電阻等戒下型指標：

對于介質損耗因素等戒上型指標：

式中：cg——規程規定的指標注意值。

若si＞1，則si=1。將模型中狀態量小于規程規定值的情況包含進來，取消關于狀態量小于0的限制。這與狀態量越小表示狀態越差的規定一致。

DL/T 596—1996《電力設備預防性試驗規程》和DL/T 393—2010《輸變電設備狀態檢修試驗規程》給出的標準是，在常溫（10～30℃）下測量，吸收比應不小于1.3，極化指數應不小于1.5，變壓器直流電阻差值的警示值為2%，變壓器繞組介質損耗不大于0.8%。DL/T 393—2010《輸變電設備狀態檢修試驗規程》中將變壓器鐵芯接地絕緣電阻的注意值規定為100МΩ。

待評估變壓器繞組的極化指數為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。變壓器套管試驗數據參考2010年試驗記錄，絕緣電阻為14.2GΩ，介質損耗為0.23%，電容為342.24pF。利用變壓器最近一次試驗數值（2016年11月23日）計算變壓器電氣試驗狀態值如表5所示。

表5 電氣試驗指標狀態值Table 5 State value of electrical test index

續表

綜合表5中數據，可以得出變壓器電氣試驗狀態值S1=0.7332。

2.2.2 油中溶解氣體試驗狀態值

DL/T 722—2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》中規定，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據見表6。

表6 變壓器狀態評估用油中溶解氣體數據 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》中規定總烴相對產氣速率的注意值為10%/月。變壓器投運初期總烴產氣速率為0.0628%/月，CO產氣速率為0.2555%/月。2017年下半年監測CO產氣速率為0.0142%/月，記錄數據期間CO產氣速率為0.0649%/月。變壓器油中溶解氣體狀態評估模型采用：

經過計算后各狀態變量見表7。

表7 油中溶解氣體指標狀態值Table 7 State value of dissolved gas in oil index

綜合表7中數據，可以得出變壓器油中溶解氣體狀態值S2=0.9174。

2.2.3 油絕緣試驗狀態值

絕緣油特性試驗中選取擊穿電壓、油中水分、油酸值和介質損耗四個特征量作為狀態量，其中介質損耗指標可以用線性插值來量化其狀態，其余三個指標用半哥西分布函數處理。參考GB/T 7595—2008《運行中變壓器油質量》和IEC Std C57.106—2015標準中關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[8]表示為：

根據以上模型計算變壓器2016年12月20日試驗數據的狀態值見表8。綜合表8中數據，可以得出3號主變壓器油絕緣特性試驗狀態值S3=0.8970。

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

2.2.4 變壓器狀態評估結論

在對電氣試驗、油中溶解氣體和油絕緣試驗3類試驗數據狀態值進行融合時，其權重分別取為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 基于健康指數的變壓器狀態評估

2.3.1 基礎級

變壓器基礎健康指數的計算考慮變壓器熱點溫度、負荷率和運行環境，根據這些因素確定老化率[22]。變壓器健康指數計算依據的是變壓器的老化規律，關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為對應熱點溫度ΘHST下時間段Δti內的絕緣損耗因子。

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%，負荷系數取1.00。變壓器位于地下廠房的室內環境，環境系數取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。

變壓器的基礎健康指數為：

2.3.2 試驗級

對變壓器的油化試驗數據按照設定的標準進行狀態評估，再根據設定的各指標權重進行融合，權重設置、評估標準[22]及評估結果如表9～表12所示。

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

表10 油絕緣特性指標狀態值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月的試驗數據對變壓器狀態進行評估，各指標狀態值如表9～表10中數值所示，對應的綜合狀態值分別為

綜合基礎級和試驗級評估結果，HICOM=HI1×fCOM=1.34×0.8500=1.14

fCOM數值從文獻[22]中推算得出。

2.3.3 修正級

修正級主要根據變壓器運行狀況和故障檢修情況對得出的健康指數進行修正。修正通過乘以修正系數來實現，修正系數采用主成分分析法、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、近區短路和局部放電。修正系數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F3等于高、中、低系數的和；若max（高、中、低）≤1，則套管可靠性系數F3=min（高、中、低）。

若某一項指標缺失，則對應的修正系數為1。

綜合修正系數為：

則對應的變壓器健康指數為：

對照變壓器健康指數分級標準評估判斷，該變壓器處于正常狀態。

3 結論及展望

層次分析評估模型得出的變壓器狀態值為0.8450，在狀態總體范圍中的相對位置為51.67%。變壓器健康指數模型得出的變壓器健康指數為1.15，在狀態總體范圍中的相對位置為58.97%。變壓器健康指數在狀態劃分比例中的占比為0.8231，這與層次分析模型中的結論0.8451很接近，兩種方法評估結果確定的變壓器狀態基本一致。基于層次分析模型和健康指數模型的變壓器狀態評估得出的結論一致，均為正常狀態，且在變壓器狀態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良好的變壓器狀態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，該方法對其他狀態變壓器的狀態分級合理性和有效性仍有待研究。