110- 500kV 電力變壓器健康指數(shù)模型分析

陳 亮 賈少華

（1、寧夏天鷹電力物資有限公司，寧夏 銀川 750011 2、國網(wǎng)寧夏電力有限公司銀川供電公司，寧夏 銀川 750011）

基于電力變壓器所建立健康指數(shù)模型，強調(diào)以變壓器相關(guān)參數(shù)為依據(jù)，結(jié)合實際運行參數(shù)，對當(dāng)前、未來變壓器風(fēng)險還有健康情況進行說明，確保工作人員能夠以經(jīng)濟性、可靠性視角為切入點，在對現(xiàn)有資源進行綜合規(guī)劃與充分利用的前提下，使管理設(shè)備的水平更接近預(yù)期，真正做到既控制運維成本，又增強日常供電的穩(wěn)定性還有可靠性。

1 項目研究背景概述

變壓器運行是否穩(wěn)定，對電網(wǎng)功能的發(fā)揮有重大意義，如果變壓器有故障存在，不僅故障電流會急速增大，還會引發(fā)設(shè)備跳閘和負(fù)荷損失等問題，甚至給現(xiàn)場人員安全帶來威脅。要想最大程度降低變壓器故障所造成損失，關(guān)鍵是對設(shè)備內(nèi)部工況有系統(tǒng)且準(zhǔn)確的了解，在對故障發(fā)生率進行分析的基礎(chǔ)上，有針對性的提出解決策略。以確定影響健康指數(shù)的因素為前提（如圖1 所示），通過建模的方式對設(shè)備健康指數(shù)進行評估，既能使事故率、故障率始終被維持在較低水平，又能夠避免大量財力還有人力資源被浪費，保證相關(guān)工作的社會與經(jīng)濟效益，本文所研究內(nèi)容的現(xiàn)實意義有目共睹[1]。

圖1 影響健康指數(shù)的因素

2 建立健康指數(shù)模型

2.1 劃分故障類型

現(xiàn)階段，我國對變壓器故障進行劃分的方式為小/中/重型故障，其中，小型故障的處理難度較小且速度較快，通常不會給電網(wǎng)正常運行造成影響。對中型故障進行處理的工序相對繁瑣，只有盡快對其進行消缺處理，才能避免供電受到嚴(yán)重影響。重型故障的特點，主要是高風(fēng)險、大規(guī)模，不僅需要長時間停電，還有再次引發(fā)事故的可能，給電網(wǎng)運行所造成影響較其他類型故障更加明顯，具體定義為：

發(fā)生小型故障的設(shè)備仍然能夠短期運行，不僅處理故障的方法簡單，處理風(fēng)險也較小，通常不會再次引發(fā)事故。發(fā)生中型故障的設(shè)備只有第一時間搶修，才能使故障影響范圍得到控制，處理風(fēng)險略大于小型故障，可將設(shè)備停止運行的時間控制在7d 內(nèi)。發(fā)生重型故障的設(shè)備，只有吊罩大修才能使故障得到解決，不僅要耗費大量時間，再次引發(fā)風(fēng)險的可能性也更大[2]。

2.2 確定計算公式

設(shè)備故障率和健康度的關(guān)系為正相關(guān)，初期故障率水平偏低，經(jīng)過平臺期，故障率上升速度加快（如圖2 所示）。

圖2 故障發(fā)生率和健康指數(shù)的關(guān)系

對其進行計算的公式為：

在以上表達(dá)式中，POF 代表故障發(fā)生率。HI 代表健康指數(shù)。C 代表曲率系數(shù)。K 代表幅值系數(shù)。

故障類型不同，導(dǎo)致故障出現(xiàn)的原因也不同，與健康指數(shù)所具有關(guān)聯(lián)性同樣存在顯著差異，基于故障率、線性關(guān)系所推出C 和K 取值自然不同。K 值代表變壓器故障水平，對其取值加以確定所使用方法如下：第一步，通過測算的方式，獲得理論故障率。第二步，對實際故障率進行整合。第三步，逐一匹配實際故障率、理論故障率，得出K 值。

分別對不同類型故障發(fā)生率進行計算，所用公式如下：

公式（2）為小型故障，公式（3）為中型故障，公式（4）為重型故障，公式（5）為總故障。

3 模型應(yīng)用意義探究

3.1 指示變壓器風(fēng)險

作為輸變電核心設(shè)備的變壓器，其特點可被概括為結(jié)構(gòu)復(fù)雜和體積龐大，無論是前期制造、中期運行還是后期安裝，均有出現(xiàn)故障的可能，進而給其穩(wěn)定且安全的運行造成負(fù)面影響。變壓器所存在故障，主要分為線圈故障、絕緣故障，變壓器風(fēng)險以人身安全、電網(wǎng)性能為主，對相關(guān)子風(fēng)險進行計算的公式為：

在該計算公式中，POFi代表某類子風(fēng)險的發(fā)生率。COFi代表某類子風(fēng)險所造成后果。COAi代表子風(fēng)險中某個設(shè)備的重要程度。

3.1.1 人身安全

設(shè)備故障所導(dǎo)致火災(zāi)、放電及爆炸風(fēng)險，均會威脅工作人員安全，此類風(fēng)險可被劃分成輕微傷、重傷還有死亡三類。我國針對工業(yè)設(shè)備所造成損傷的賠償標(biāo)準(zhǔn)并不固定，本文參考EA企業(yè)的做法進行研究。安全風(fēng)險導(dǎo)致人身安全受到威脅的概率見表1，評估安全損失的方法，主要是以不同類型故障所造成損傷嚴(yán)重程度為依據(jù)，通過加權(quán)計算的方式，得出相應(yīng)結(jié)論[3]。

表1 人身安全故障后果

3.1.2 電網(wǎng)性能

電網(wǎng)設(shè)備出現(xiàn)故障所造成損失，通常集中在社會形象、經(jīng)濟方面，出于對故障損失進行準(zhǔn)確評估的考慮，研究人員決定對其做量化處理。結(jié)合N-1 結(jié)構(gòu)特點可知，僅在有大型事故發(fā)生時，供電才會被影響，量化的側(cè)重點是設(shè)備運維及負(fù)荷轉(zhuǎn)移所存在風(fēng)險，具體方法如下：

第一步是對計算額定容量進行確定。若輸變電網(wǎng)絡(luò)有故障存在，可選擇隔離故障并轉(zhuǎn)移負(fù)荷，但這樣做會增加其他處于運行狀態(tài)的設(shè)備的負(fù)荷，導(dǎo)致設(shè)備風(fēng)險、電網(wǎng)風(fēng)險增大，對額定容量進行確定很有必要。由于故障變壓器有停止運行的可能，其所承受負(fù)荷將會向其他變壓器進行轉(zhuǎn)移，因此，在確定額定容量時，研究人員應(yīng)將最大值扣除。

第二步是對風(fēng)險負(fù)荷進行確定。圖3 為風(fēng)險負(fù)荷，陰影區(qū)域是當(dāng)前變電站負(fù)荷高于額定容量的部分，若變電站負(fù)荷處于陰影區(qū)域且有主變停運情況存在，將有較大概率引發(fā)變壓器過載問題，這便是研究人員將陰影部分負(fù)荷視為風(fēng)險負(fù)荷的原因。

圖3 設(shè)備風(fēng)險負(fù)荷

第三步是對風(fēng)險可能持續(xù)的時長進行確定。根據(jù)故障性質(zhì)還有風(fēng)險等級，可將以變壓器為代表的輸變電設(shè)備的故障處理工作分成高風(fēng)險期與低風(fēng)險期，高風(fēng)險期需要啟動應(yīng)急響應(yīng)，在隔離故障設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過轉(zhuǎn)移負(fù)荷的方式，達(dá)到消除風(fēng)險的目的，其特點主要是風(fēng)險高、持續(xù)時間短。低風(fēng)險期的特點，主要是經(jīng)過處理的電網(wǎng)，在重新投入運行后，其結(jié)構(gòu)將發(fā)生較為明顯的變化，導(dǎo)致風(fēng)險系數(shù)較之前有所提高（如圖4 所示）。

圖4 變壓器故障后風(fēng)險階段

第四步是對變壓器出現(xiàn)負(fù)荷損失的概率進行確定。突發(fā)重型故障會損失大量負(fù)荷，多數(shù)小/中型故障均不會發(fā)展成為重型故障，負(fù)荷損失占比較小，即便如此，研究人員仍要評估其風(fēng)險。事實證明，處于高風(fēng)險期的變壓器，其負(fù)荷損失率往往較大，隨著風(fēng)險嚴(yán)重程度的降低，負(fù)荷損失率逐漸減小。

第五步是對量化風(fēng)險的標(biāo)準(zhǔn)進行確定。在以上計算工作告一段落后，研究人員便可對負(fù)荷風(fēng)險做量化處理，即根據(jù)當(dāng)?shù)貑挝籊DP 和用電量之比進行計算。例如，某地2020 年的GDP是2252 億，供電量是89 億kW·h，通過計算可知，該地的負(fù)荷風(fēng)險為25303 元/MVA。

3.2 指導(dǎo)檢修工作開展

該方案強調(diào)以風(fēng)險評估結(jié)果為依據(jù)，對風(fēng)險閾值、健康指數(shù)進行設(shè)定，將結(jié)果較閾值更大的設(shè)備視為檢修對象，基于該方案所提出檢修方法如下：風(fēng)險具有相對性，例如，某臺斷路器有極高風(fēng)險，得出這一結(jié)論的參照物，通常是電壓參數(shù)相同的另一臺斷路器，如果選擇變壓器作為參照物，即便其健康狀態(tài)更符合要求，但變壓器的風(fēng)險值普遍大于斷路器[4]。由此可見，基于風(fēng)險值對檢修對象加以確定所適用方法，主要是組合判斷。

3.2.1 風(fēng)險值較設(shè)定閾值設(shè)備更大

對風(fēng)險值進行計算所使用的公式為：

要想對風(fēng)險閾值進行設(shè)定，前提是以健康指數(shù)閾值為依據(jù)，明確故障率閾值。要求研究人員綜合考量以下指數(shù)：一是老化健康指數(shù)，結(jié)合老化理論可知，在負(fù)荷正常的工況下，變壓器投入運行的時間將和使用壽命持平，但受外界因素影響，變壓器通常無法做到勻速老化，此時，便需要修正故障、外觀以及故障系數(shù)，確保實際健康指數(shù)較理論指數(shù)更大。二是油質(zhì)健康指數(shù)，對該指數(shù)進行計算所需參數(shù)，主要有酸值、擊穿電壓警示值和微水值。

老化健康指數(shù)所反映內(nèi)容為變壓器老化程度，若固體絕緣急速老化，變壓器將出現(xiàn)絕緣水平還有擊穿電壓下降的問題，對該指數(shù)進行計算前，通常要明確初始指數(shù)、老化常數(shù)、修正系數(shù)和運行時間。而獲得油質(zhì)健康指數(shù)的方式，主要是酸值、擊穿電壓還有微水測試，通常被用來說明絕緣油性能，此外，油質(zhì)試驗還能夠幫助工作人員及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備所存在老化及受潮問題。

3.2.2 根據(jù)中間環(huán)節(jié)與評估結(jié)果確定檢修對象

對檢修對象進行確定時，既要考慮風(fēng)險閾值、健康指數(shù)，還要考慮缺陷、預(yù)試等關(guān)鍵參數(shù)以及子健康指數(shù)，相關(guān)設(shè)備清單如下：其一，子健康指數(shù)較某閾值設(shè)備更大。結(jié)合風(fēng)險評估原理可知，若存在中間參數(shù)較特定閾值更大的情況，則表明設(shè)備有缺陷或故障存在。其二，在特定時間范圍內(nèi)健康指數(shù)增速過快，可推斷出該設(shè)備將進入急速老化期。

4 結(jié)論

建立并應(yīng)用健康指數(shù)模型的研究，在項目評估、參數(shù)論證等方面，均發(fā)揮著重大作用，真正做到了既符合各地實際情況，又使評估結(jié)果所具有準(zhǔn)確性得到顯著提升。有關(guān)人員可通過評估的方式，對變壓器當(dāng)前狀態(tài)進行全方位了解，根據(jù)自身所掌握評估方法與工序，視情況對其進行推廣。隨著管理輸變電設(shè)備的體系走向完善，電網(wǎng)安全性自然較之前更接近理想水平，這對社會發(fā)展有重要意義。