CN111652473A - 基于健康指数理论的变压器运行状态三级递进式综合评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的评估方法，是基于健康指数理论构建了变压器运行状态三级递进式综合评估模型，通过三级评估获得变压器的最终健康指数，并预测变压器剩余寿命；第一级评估参与的特征量为变压器的设计寿命、投运时间、运行负荷、运行环境指标，第二级评估参与的特征量为油色谱试验数据、油质试验数据、糠醛含量数据；第三级评估是利用变压器历史故障次数、冷却方式、近区短路状况、和局部放电状况对修正前两级评估的结果；该方法克服了现有变压器状态评估方法理论过于抽象、建模困难的实际问题，对变压器运行状态特征参量进行了详细划分，将变压器运行状态评估工作本身工程化、实用化，大幅提高了变压器状态评估工作的现场实用水平。

Description

基于健康指数理论的变压器运行状态三级递进式综合评估 方法

技术领域

本发明涉及电力系统状态监测及运行评估技术领域，尤其涉及一种基于健康指数理论的变压器运行状态三级递进式综合评估方法。

背景技术

电力变压器是电网系统中地位重要、价格昂贵的电气设备之一，在电力系统中占据不可或缺的作用，在电能的变换、传输环节起着核心作用，因此，保证电力变压器的安全运行非常必要。

当前，变压器运维部门很难对变压器的运行状态进行精准的评估，往往会出现变压器过度维修，提前退役的状况，浪费大量资源和成本。因此对电力变压器的健康状况评估，是输变电设备全寿命周期运行评估的关键环节，在此环节中，需要综合考虑变压器运行的可靠性和经济性，对变压器进行绝缘状态评估和剩余寿命预测，以便制定恰当的检修、退运计划。

目前，对在运变压器的健康状态进行准确评估是国内外相关研究的热点问题。已有研究主要针对变压器运行时的重要特征信息量，建立科学评估模型，运用一些诸如模糊理论、贝叶斯网络、灰靶理论等先进算法结合变压器预防试验数据、运行工况等建立变压器故障诊断或状态评估模型，例如文献《基于健康指数的电力变压器剩余寿命评估研究》--杜江，虽然该文献也是采用健康指数进行变压器寿命评估，该方法采用改进型数据融合理论获取第二类变压器绝缘状态参量对应的健康评估指数，存在理论难理解，推广实用性差的问题，且该文献的多个健康评估指数之间是相互独立的，不成体系。现有方法很大程度推进了电力变压器的运行状态研究，但存在理论过于抽象，建模困难的实际问题。

发明内容

有必要提出一种基于健康指数理论的变压器运行状态三级递进式综合评估方法。

一种基于健康指数理论的变压器运行状态三级递进式综合评估方法，包括三级评估工作，由第一级评估获得变压器本体健康指数，第二级评估结合第一级评估获得的本体健康指数获得变压器的综合健康指数，通过第三级评估修正第二级评估获得的综合健康指数获得变压器的最终健康指数HI，通过HI预测变压器剩余寿命；

所述的健康水平计算公式如下：

其中，HI₀－为设备初始健康指数；HI－最终健康指数；B－老化系数；T₁－设备投运年份；T₂－当前年份或者为未来某一年份；

步骤1：所述第一级评估工作要实现变压器本体健康指数HI₁的计算，HI₁通过式(1)计算，其中变压器初始健康指数HI₀取0.5；老化系数B的确定：

由式(1)变形得：

设T'_exp＝T₂-T₁，T'_exp为基于变压器原始设计寿命并且考虑使用负荷等因素后的预期使用寿命；变压器使用T'_exp年后，预示着寿命的终结，查表可知，健康指数HI等于6.5必须退运，此时(2)式为：

T'_exp的确定：

根据原始预期使用寿命T'_exp，使用储备系数f_s、负载系数f_l和环境温度系数f_e对其进行修正后即可得到，修正方式如式(4)所示，其中变压器储备系数f_s查表可知，变压器负载系数f_l查表可知，

环境温度系数f_e由室-内外系数f_e1和温度系数f_e2共同决定，f_e的计算如式(5)所示，室内-室外系数f_e1如表5所示，温度系数f_e2如表6所示：

f_e＝f_e1×f_e2 (5)

式中：室内-室外系数f_e1、温度系数f_e2查表(表5、表6)可知；

步骤2：所述第二级评估要获取变压器绝缘油油色谱数据健康指数HI_2a、油质健康指数HI_2b、糠醛健康指数HI_2c，并结合第一级评估中获取的变压器本体健康指数HI₁计算变压器运行状态综合健康指数HI_com；

其中，油色谱健康指数HI_2a依据下式可得：

式中：C_ai为油色谱气体权重查表可得，油色谱气体含量等级V_ai查表可得；

所述油质健康指数HI_2b获取方式如下：

式中分级值V_bi与权重值C_bi查表(表9、10)可得；

所述糠醛健康指数HI_2c获取方式如下：

HI_2c＝2.33×FFA^0.68 (8)

第二级评估结合第一级评估获得的本体健康指数获得变压器的综合健康指数HI_com由变压器本体健康指数HI₁、油色谱气体健康指数HI_2a、油质健康指数HI_2b和糠醛健康指数HI_2c综合获得，具体遵循如下关系准则：

当HI₁>max(HI_2a、HI_2b、HI_2c)时，

HI_com＝HI₁×f_com (9)

否则，

HI_com＝max(HI_2a、HI_2b、HI_2c)×f_com (10)

其中两式中的f_com的取值与HI_2a、HI_2b、HI_2c的值相关；

步骤3：所述第三级评估工作实施措施如下：

该步骤是利用变压器冷却方式Cor1、历史故障次数Cor2、铁芯接地电流Cor3、是否存在局部放电Cor4、以及近区短路状况Cor5这五个特征参量来修正前两级评估的结果，由五种修正系数得到的综合修正系数为Cor：

所以变压器最终健康指数通过以上三级模型的建立，得到最终的健康指数:

HI＝HI_com×Cor (12)

优选的，在获得综合健康指数HI以后，通过其推算剩余使用寿命EOL(End-of-life)；一般情况下，当HI>6.5时，预示着设备故障率大大增加，取其裕度>7，因此，根据式(1)可以得：

7＝HI×e^B×EOL (13)

进而得到变压器剩余使用寿命EOL的计算公式，其中B为变压器老化系数：

优选的，所述的冷却方式修正系数Cor1获得方式如下：

变压器冷却装置的作用是当变压器上层油温产生温差时，通过散热器形成油循环，使油经散热器冷却后流回油箱，有降低变压器油温的作用，对保证电力变压器的正常运行具有非常重要的左右。不同的冷却方式也会对变压器的健康状态造成一定的影响；

当冷却方式为油浸自冷或油浸风冷时，Cor1＝1；当冷却方式为强迫油循环时，Cor1＝0.96；冷却方式为强迫导向油循环时，Cor1＝0.95；

所述的历史故障次数修正系数Cor2获得方式如下：

近五年故障次数为n，当n＝0时，Cor2＝0.96；n＝1,Cor2＝1；n＝2-4时，Cor2＝1.05；n＝5-10时，Cor2＝1.2；当n>10时，Cor2＝1.5；

所述的铁芯接地电流修正系数Cor3获得方式如下：

铁芯接地电流/A,当＝0时，Cor3＝1；时，Cor3＝1.05；时，Cor3＝1.1；时，Cor3＝1.2；

所述的局部放电修正系数Cor4获得方式如下：

当存在局部放电时，Cor4＝1.2；当不存在局部放电时，Cor4＝1

所述的近区短路修正系数Cor5获得方式如下：

当存在近区短路时，Cor5＝1.05；当不存在近区短路时，Cor5＝1。

本发明中，第一级和第二级评估对应参量和变压器运行状态的关联程度依次降低，第三级评估是对前两级评估结果的修正，最后利用评估结果实现变压器剩余寿命的预测。本发明从工程实践易实施推广的角度出发，根据表征变压器运行状态程度的不同，对变压器运行状态特征参量进行了详细划分，并在此基础上，建立了基于健康指数理论的在运变压器运行状态评估分级模型，对各级评估方案进行了详细的阐述，将变压器运行状态评估工作本身工程化、实用化，大幅提高了变压器状态评估工作的现场实用水平。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

如图1所示，本发明提出的基于健康指数理论的变压器运行状态三级评估方法包括三级评估工作，第一级和第二级评估工作是对变压器运行状态的直接和间接表征参量进行评估，第三级评估工作是对第一级和第二级评估结果的修正，具体的实施方法如下；

所述的健康水平计算公式如下：

其中，HI₀－为设备初始健康指数；HI－最终健康指数；B－老化系数；T₁－设备投运年份；T₂－当前年份或者为未来某一年份。

健康水平的值与变压器状态的对应关系如下表1所示：

表1健康水平值与变压器状态对应关系

所述的第一级评估工作实施措施如下：

第一级评估工作要实现变压器本体健康指数HI₁的计算，HI₁通过式(1)计算，其中变压器初始健康指数HI₀取0.5。

老化系数B的确定：

由式(1)得：

设T'_exp＝T₂-T₁，T'_exp为基于变压器原始设计寿命并且考虑使用负荷等因素后的预期使用寿命。变压器使用T'_exp年后，预示着寿命的终结，由表2可知，这时的健康指数HI等于6.5，必须退运，此时(2)式为：

T'_exp的确定：

变压器出厂时根据国标和行业要求，一般会有一个原始预期使用寿命T'_exp。一般1990年前出厂的变压器T'_exp定为20年，1990-2000年间出厂的变压器T'_exp定为25年，2000年以后出厂的变压器T'_exp定为30年。根据原始预期使用寿命T'_exp，使用储备系数f_s、负载系数f_l和环境温度系数f_e对其进行修正后即可得到，修正方式如式(4)所示，其中变压器储备系数f_s如表2所示，变压器负载系数f_l如表4所示，

表2变压器储备系数f_s

表3变压器负载系数f_l

其中，变压器负平均载率β是变压器长期运行所承载的平均负荷S_av与变压器额定容量S_N之间的比值，β的计算公式为：

环境温度系数f_e由室-内外系数f_e1和温度系数f_e2共同决定，f_e的计算如式(6)所示，室内-室外系数f_e1如表4所示，温度系数f_e2如表5所示：

f_e＝f_e1×f_e2 (6)

表4室内-室外系数f_e1

表5温度系数f_e2

在得出变压器老化系数B后，变压器本体健康指数HI₁直接通过(1)计算获得。

所述的第二级评估工作实施措施如下：

第二级评估工作要获取变压器绝缘油油色谱数据健康指数HI_2a、油质健康指数HI_2b、糠醛健康指数HI_2c，并结合第一级评估中获取的变压器本体健康指数HI₁计算变压器运行状态综合健康指数HI_com。

所述的油色谱数据健康指数HI_2a获取方式如下：

根据H₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₂、C₂H₄五种油色谱气体的检测结果，分别计算这五种油色谱气体对应的含量等级V_i，分级规则如表6：

表6油色谱气体分级表

将油色谱气体含量等级V_ai乘以对应气体权重C_ai即可得到各种油色谱气体对应的分值S_i为，其中油色谱气体权重C_ai如表7所示，S_i的计算公式为:

S_i＝V_ai×C_ai (7)

表7油色谱气体权重C_ai

因此可以得到油色谱健康指数HI_2a：

所述的油质健康指数HI_2b获取方式如下：

油质健康表征参量包括微水含量、酸值、介质损耗和击穿电压，这个四个特征量对应的分级V_bi和权重C_bi分别如表8和表9所示。

表8油质数据分级表

表9油质数据权重表

由表8和表9以上两表对应的分级值V_bi与权重值C_bi乘积的累加和即为油质健康指数HI_2b：

所述的糠醛健康指数HI_2c获取方式如下：

糠醛是绝缘材料碳—碳分子链断裂的产物，它直接反映了绝缘的老化状况，并且在油中有很好的稳定性和很好的积累效果。碳—碳链的断裂程度用聚合度表示，一般而言新的绝缘材料聚合度为1000，甚至高于1000，当绝缘材料的聚合度低于250时，需要重点警戒。绝缘纸的聚合度(DP)和糠醛含量(FFA)之间满足经验公式：

DP＝-121×ln(FFA)+458 (10)

FFA(槺醛含量)为实际测量值。当绝缘油中糠醛值为5，此时对应聚合度DP＝250，设备绝缘水平达到设计下限，必须退运，此时健康指数HI＝7；当绝缘油中糠醛值等于0.01，此时对应聚合度DP＝1000，设备的绝缘材料状况良好，性能优异，此时设定HI＝0.1。由以上关系和边界条件可以推导出糠醛健康指数HI_2c：

HI_2c＝2.33×FFA^0.68 (11)

所述的综合健康指数HI_com由变压器本体健康指数HI₁、油色谱气体健康指数HI_2a、油质健康指数HI_2b和糠醛健康指数HI_2c综合获得，具体遵循如下关系准则：

当HI₁>max(HI_2a、HI_2b、HI_2c)时，

HI_com＝HI₁×f_com (12)

否则，

HI_com＝max(HI_2a、HI_2b、HI_2c)×f_com (13)

其中两式中的f_com为修正系数，f_com的取值与HI_2a、HI_2b、HI_2c的值相关：若油色谱气体健康指数HI_2a、油质健康指数HI_2b和糠醛健康指数HI_2c都完整，这种情况下f_com的取值为0.6；若油色谱气体健康指数HI_2a、油质健康指数HI_2b和糠醛健康指数HI_2c中只有两个完整，这种情况下f_com的取值为0.75；若油色谱气体健康指数HI_2a、油质健康指数HI_2b和糠醛健康指数HI_2c只有一个存在，这种情况下f_com的取值为0.85；若油色谱气体健康指数HI_2a、油质健康指数HI_2b和糠醛健康指数HI_2c都不存在，这种情况下f_com的取值为1.0。

所述的第三级评估工作实施措施如下：

第三级评估工作是利用变压器冷却方式、历史故障次数、铁芯接地电流、是否存在局部放电、以及近区短路状况这五个特征参量来修正前两级评估的结果，这五个特征参量对应的修正系数分别为冷却方式修正系数Cor1、历史故障次数修正系数Cor2、铁芯接地电流修正系数Cor3、局部放电修正系数Cor4和近区短路修正系数Cor5。

所述的冷却方式修正系数Cor1获得方式如下：

变压器冷却装置的作用是当变压器上层油温产生温差时，通过散热器形成油循环，使油经散热器冷却后流回油箱，有降低变压器油温的作用，对保证电力变压器的正常运行具有非常重要的左右。不同的冷却方式也会对变压器的健康状态造成一定的影响。

当冷却方式为油浸自冷或油浸风冷时，Cor1＝1；当冷却方式为强迫油循环时，Cor1＝0.96；冷却方式为强迫导向油循环时，Cor1＝0.95。

所述的历史故障次数修正系数Cor2获得方式如下：

近五年故障次数为n，当n＝0时，Cor2＝0.96；n＝1,Cor2＝1；n＝2-4时，Cor2＝1.05；n＝5-10时，Cor2＝1.2；当n>10时，Cor2＝1.5。

所述的铁芯接地电流修正系数Cor3获得方式如下：

铁芯接地电流/A,当＝0时，Cor3＝1；时，Cor3＝1.05；时，Cor3＝1.1；时，Cor3＝1.2。

所述的局部放电修正系数Cor4获得方式如下：

当存在局部放电时，Cor4＝1.2；当不存在局部放电时，Cor4＝1

所述的近区短路修正系数Cor5获得方式如下：

当存在近区短路时，Cor5＝1.05；当不存在近区短路时，Cor5＝1。

以上五种修正因子若缺少相关数据，则不修正，即对应修正系数为1。这样由五种修正系数可以得到综合修正系数Cor：

所述的变压器最终健康指数通过以上三级模型的建立，得到最终的健康指数:

HI＝HI_com×Cor (15)

对比获得的最终健康指数HI和表1中健康指数范围，就可以获知变压器此时的运行状态。

另外，在获得综合健康指数HI以后，可以通过其推算剩余使用寿命EOL(End-of-life)。一般情况下，当HI>6.5时，预示着设备故障率大大增加，这里放宽一定的裕度到>7。

因此，根据式(1)可以得：

7＝HI×e^B×EOL (16)

进而得到变压器剩余使用寿命EOL的计算公式，其中B为变压器老化系数：

以上所揭露的仅为本专利文件较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种基于健康指数理论的变压器运行状态三级递进式综合评估方法，其特征在于包括三级评估工作，由第一级评估获得变压器本体健康指数，第二级评估结合第一级评估获得的本体健康指数获得变压器的综合健康指数，通过第三级评估修正第二级评估获得的综合健康指数获得变压器的最终健康指数HI，通过HI预测变压器剩余寿命；

所述的健康水平计算公式如下：

其中，HI₀－为设备初始健康指数；HI－最终健康指数；B－老化系数；T₁－设备投运年份；T₂－当前年份或者为未来某一年份；

步骤1：所述第一级评估工作要实现变压器本体健康指数HI₁的计算，HI₁通过式(1)计算，其中变压器初始健康指数HI₀取0.5；老化系数B的确定：

由式(1)变形得：

设T'_exp＝T₂-T₁，T'_exp为基于变压器原始设计寿命并且考虑使用负荷等因素后的预期使用寿命；变压器使用T'_exp年后，预示着寿命的终结，查表可知，健康指数HI等于6.5必须退运，此时(2)式为：

T'_exp的确定：

根据原始预期使用寿命T'_exp，使用储备系数f_s、负载系数f_l和环境温度系数f_e对其进行修正后即可得到，修正方式如式(4)所示，其中变压器储备系数f_s查表可知，变压器负载系数f_l查表可知，

环境温度系数f_e由室-内外系数f_e1和温度系数f_e2共同决定，f_e的计算如式(5)所示，室内-室外系数f_e1如表5所示，温度系数f_e2如表6所示：

f_e＝f_e1×f_e2 (5)

式中：室内-室外系数f_e1、温度系数f_e2查表(表5、表6)可知；

步骤2：所述第二级评估要获取变压器绝缘油油色谱数据健康指数HI_2a、油质健康指数HI_2b、糠醛健康指数HI_2c，并结合第一级评估中获取的变压器本体健康指数HI₁计算变压器运行状态综合健康指数HI_com；

其中，油色谱健康指数HI_2a依据下式可得：

式中：C_ai为油色谱气体权重查表可得，油色谱气体含量等级V_ai查表可得；

所述油质健康指数HI_2b获取方式如下：

式中分级值V_bi与权重值C_bi查表(表9、10)可得；

所述糠醛健康指数HI_2c获取方式如下：

HI_2c＝2.33×FFA^0.68 (8)

第二级评估结合第一级评估获得的本体健康指数获得变压器的综合健康指数HI_com由变压器本体健康指数HI₁、油色谱气体健康指数HI_2a、油质健康指数HI_2b和糠醛健康指数HI_2c综合获得，具体遵循如下关系准则：

当HI₁>max(HI_2a、HI_2b、HI_2c)时，

HI_com＝HI₁×f_com (9)

否则，

HI_com＝max(HI_2a、HI_2b、HI_2c)×f_com (10)

其中两式中的f_com的取值与HI_2a、HI_2b、HI_2c的值相关；

步骤3：所述第三级评估工作实施措施如下：

该步骤是利用变压器冷却方式Cor1、历史故障次数Cor2、铁芯接地电流Cor3、是否存在局部放电Cor4、以及近区短路状况Cor5这五个特征参量来修正前两级评估的结果，由五种修正系数得到的综合修正系数为Cor：

所以变压器最终健康指数通过以上三级模型的建立，得到最终的健康指数:

HI＝HI_com×Cor (12) 。

2.如权利要求1所述的基于健康指数理论的变压器运行状态三级递进式综合评估方法，其特征在于：在获得综合健康指数HI以后，通过其推算剩余使用寿命EOL(End-of-life)；一般情况下，当HI>6.5时，预示着设备故障率大大增加，取其裕度>7，因此，根据式(1)可以得：

7＝HI×e^B×EOL (13)

进而得到变压器剩余使用寿命EOL的计算公式，其中B为变压器老化系数：

3.如权利要求1所述的基于健康指数理论的变压器运行状态三级递进式综合评估方法，其特征在于：所述的冷却方式修正系数Cor1获得方式如下：

变压器冷却装置的作用是当变压器上层油温产生温差时，通过散热器形成油循环，使油经散热器冷却后流回油箱，有降低变压器油温的作用，对保证电力变压器的正常运行具有非常重要的左右。不同的冷却方式也会对变压器的健康状态造成一定的影响；

当冷却方式为油浸自冷或油浸风冷时，Cor1＝1；当冷却方式为强迫油循环时，Cor1＝0.96；冷却方式为强迫导向油循环时，Cor1＝0.95；

所述的历史故障次数修正系数Cor2获得方式如下：

近五年故障次数为n，当n＝0时，Cor2＝0.96；n＝1,Cor2＝1；n＝2-4时，Cor2＝1.05；n＝5-10时，Cor2＝1.2；当n>10时，Cor2＝1.5；

所述的铁芯接地电流修正系数Cor3获得方式如下：

铁芯接地电流/A,当＝0时，Cor3＝1；时，Cor3＝1.05；时，Cor3＝1.1；时，Cor3＝1.2；

所述的局部放电修正系数Cor4获得方式如下：

当存在局部放电时，Cor4＝1.2；当不存在局部放电时，Cor4＝1

所述的近区短路修正系数Cor5获得方式如下：

当存在近区短路时，Cor5＝1.05；当不存在近区短路时，Cor5＝1。

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