CN105225010A - 一种基于可靠性的变压器设备寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可靠性的变压器设备寿命评估方法，包括：确定变压器设备故障率的基本变化曲线；对故障率基本变化曲线进行分段拟合，求得故障率基本变化曲线的参数；确定设备在检修过后的故障率变化曲线；考虑设备健康状况的影响，对变压器设备故障率的基本变化曲线进行修正，得到变压器设备的实际故障率变化曲线；根据变压器设备的实际故障率变化曲线分别确定设备的总寿命年限及目前剩余的寿命。本发明有益效果：结合设备目前运行状态、健康状况及检修情况对设备故障率曲线进行修正，与传统的浴盆曲线故障率相比，准确性更高。

Description

一种基于可靠性的变压器设备寿命评估方法

技术领域

本发明涉及输变电设备运行技术领域，尤其涉及一种基于可靠性的变压器设备寿命评估方法。

背景技术

目前，对于大型变压器设备寿命评估的方法主要有以下几种：

(1)绝缘老化程度分析：通过检测油中溶解的气体、油中的糠醛以及油中其他相关物质含量并求取聚合度，进而对变压器各老化特征量求取的聚合度加权计算获得绝缘纸聚合度，以此评估变压器绝缘老化程度，为设备寿命评估提供依据。

(2)退化数据建模的自适应预测方法：在设备剩余寿命的指数随机退化模型基础上引进了基于EM算法的参数自适应更新方法，使得寿命预测模型的所有参数都可随设备实时数据的积累不断更新，因而预测的结果更能反映设备的实际运行情况，达到减小预测不确定性的目的。

(3)基于GRNN神经网络理论数据挖掘技术的评估方法：通过建立基于GRNN神经网络的设备寿命预测模型，将所采集的多组油纸绝缘变压器的测试样本作为基础数据，应用所建预测模型对相应的变压器进行寿命预测评估。

(4)基于随机模糊理论和改进马尔科夫法的变压器寿命评估方法：从变压器性能衰退特性和健康指数特性出发，采用变压器寿命评估三级***，给出了变压器历年健康指数计算方法。基于变压器的历年健康指数，在传统马尔科夫预测模型的基础上，建立了改进的马尔科夫预测模型。

上述四种技术方法都是建立了评估模型对变压器设备进行寿命评估预测，但大多是通过智能算法实现，对实际设备样本数据数量需求较大、对样本数据的准确性要求较高，预测准确度受样本数据影响较大，计算速度较慢。同时，上述几种方法均忽略了设备运行重要度以及故障率变化等因素对寿命评估的影响，对设备在运行中的可靠性、检修情况均未考虑。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种基于可靠性的变压器设备寿命评估方法，该方法综合考虑了设备故障率、设备健康状况、检修情况等因素的影响，对设备进行定量评估，从而准确掌握变压器运行状态，提高设备寿命评估的准确度和实用性，为检修决策提供依据。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于可靠性的变压器设备寿命评估方法，包括以下步骤：

(1)采用威布尔分布函数对变压器故障率曲线进行拟合，确定变压器设备故障率的基本变化曲线；

(2)根据变压器设备的历史统计数据，对故障率基本变化曲线进行分段拟合，求得故障率基本变化曲线的参数；

(3)将变压器设备检修分为继续运行、大修、小修及更新四种检修方式，根据实际检修情况计算变压器设备等效役龄回退年限，确定设备在检修过后的故障率变化曲线；

(4)根据变压器设备等效实际役龄和名义役龄的关系，考虑设备健康状况的影响，对变压器设备故障率的基本变化曲线进行修正，得到变压器设备的实际故障率变化曲线；

(5)设定变压器设备故障率阀值λ_end，根据变压器设备的实际故障率变化曲线分别确定设备的总寿命年限及目前剩余的寿命。

所述步骤(1)中，变压器设备故障率的基本变化曲线由两个参数决定：

形状参数m，用于表征分布曲线的形状；

尺度参数η，用于表征坐标尺度；

当m<1时，故障率呈下降趋势；m＝1时，故障率为常数；m>1时，故障率呈上升趋势。

所述步骤(2)中，根据设备运行年限将变压器设备故障率随运行时间变化分为早期故障阶段、偶然故障阶段和耗损故障阶段；根据变压器设备的历史统计数据，对故障率基本变化曲线进行分段拟合，求得各故障阶段的形状参数m和尺度参数η。

所述步骤(3)中，假设变压器运行到t_n阶段，需要对变压器进行状态检修；

将变压器大修后设备的等效役龄回退年限y_d值定义为一个分段函数，所述分段函数根据变压器运行年限将等效役龄回退年限y_d的值分成三段；

变压器第一次、第二次大修的等效役龄回退年限y_d均由所述分段函数获得，之后每次大修的等效役龄回退年限y_d均为上一次大修等效役龄回退年限值的h％，其中，h为设定值，h<1。

所述步骤(3)中，假设变压器运行到t_n阶段，需要对变压器进行状态检修；

变压器小修的等效役龄回退年限y_x设定为一年。

所述步骤(4)中，由于存在检修、不良工况和负载情况对变压器故障概率的影响，变压器役龄存在实际役龄和名义役龄的区别；

根据检修过后的故障率变化曲线，预测出变压器在运行年份对应的故障概率，该故障概率根据变压器的名义役龄推算所得；

利用名义役龄为t_a时基于健康指数的故障概率，此故障概率作为变压器当前状态下的故障概率；

再由此故障概率在对应的检修过后的故障率变化曲线上查得相应的运行年数，即为变压器在该时刻的等效实际役龄t_e；

在原有的检修过后的故障率变化曲线的基础上，将变压器名义役龄替换为等效实际役龄，得到变压器设备的实际故障率变化曲线。

所述步骤(5)中，变压器设备的总寿命年限的确定方法为：

假定变压器设备故障率为设定的变压器设备故障率阀值，根据变压器设备故障率变化曲线的形状参数和尺度参数，确定变压器设备的运行年限，此运行年限为设备等效实际役龄，

根据等效实际役龄确定设备名义役龄，所述设备名义役龄即为变压器设备的总寿命年限。

具体表达式为： $t_{end}=\sqrt[\left(m-1\right)]{\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{end}}{m/\mathrm{\&eta;}}}\&times;\mathrm{\&eta;}-\mathrm{\&Delta;}t;$

其中，λ_end为变压器设备故障率阀值，m为变压器设备故障率变化曲线的形状参数，η为尺度参数，_Δt为等效实际役龄与名义役龄的差值。

所述步骤(5)中，变压器设备目前剩余寿命为：变压器设备的总寿命年限与变压器设备的名义役龄的差值。

具体表达式为：ΔT＝t_end-t_a；

其中，t_end为变压器设备的总寿命年限，t_a为变压器设备的名义役龄。

本发明的有益效果是：

(1)结合设备目前运行状态、健康状况及检修情况对设备故障率曲线进行修正，与传统的浴盆曲线故障率相比，准确性更高；

(2)本发明建立的基于可靠性的设备寿命评估模型，与目前应用较广泛的智能算法建立寿命评估模型对比，对样本需求量小，且评估计算的准确度不受样本数量影响；

(3)综合考虑了设备运行过程的故障率变化、设备重要度等引起的影响，更符合实际运行状况，对设备定量评估，可准确把握设备运行状态及故障趋势，及时做出准确应对策略，确保设备运行安全稳定。

附图说明

图1为本发明变压器设备寿命评估方法流程图；

图2为变压器故障率运行年限关系拟合曲线；

图3为不同检修方式下故障率的变化趋势图；

图4为名义役龄与实际役龄的关系示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实例对本发明做进一步说明：

本发明提出一种基于设备可靠性的变压器设备寿命评估方法，如图1所示，其主要步骤包括：

(1)采用威布尔分布函数对变压器故障率曲线进行拟合，确定变压器设备故障率的基本变化曲线；

设备故障率函数的形式与设备故障率分布情况关系密切，对于变压器设备，一般认为故障率随运行时间变化曲线为经典的浴盆曲线，大致分为早期故障期、偶然故障期，以及耗损故障期3个阶段。

对变压器进行寿命评估，一般是针对运行年限在十年以上的设备，故本发明采用威布尔分布函数对变压器故障率曲线进行拟合。基于威布尔分布的变压器故障率λ(t)可表达为式(1)所示。

$\mathrm{\&lambda;}\left(t\right)=\frac{m}{\mathrm{\&eta;}}{\left(\frac{t}{\mathrm{\&eta;}}\right)}^{m-1}---\left(1\right)$

由式(1)可知，变压器故障率函数主要有两个参数决定：形状参数m，表征分布曲线的形状；尺度参数η，表征坐标尺度。

当m<1时，故障率呈下降趋势；m＝1时，故障率为常数；m>1时，故障率呈上升趋势。

(2)根据变压器设备的历史统计数据，对故障率基本变化曲线进行分段拟合，求得故障率基本变化曲线的参数；

如表1所示为某一地区同电压等级的变压器故障率与对应运行年限的统计数据。根据变压器设备的历史统计数据，对式(1)表示的故障率曲线分段拟合，可求得各阶段的参数m、η。

表1平均故障率和运行年限统计数据

根据表1中数据进行Weibull分布双参数拟合，可以得到设备的故障率拟合结果如图2所示。在损耗故障期(运行10年以后)设备的故障率曲线可表示为式(2)所示。

$\mathrm{\&lambda;}\left(t\right)=\frac{m}{\mathrm{\&eta;}}{\left(\frac{t}{\mathrm{\&eta;}}\right)}^{m-1}=0.1826\&CenterDot;{\left(\frac{t}{27.95}\right)}^{4.573}(t>10a)---\left(2\right)$

(3)将变压器设备检修分为继续运行、大修、小修及更新四种检修方式，根据实际检修情况计算变压器设备等效役龄回退年限，确定设备在检修过后的故障率变化曲线；

变压器故障率与运行年限关系拟合曲线。假设变压器运行到t_n阶段，需要对变压器进行状态检修，主要有继续运行、大修、小修及更新四种检修方式。不同的检修方式对变压器故障率的影响不同。

实际情况下，变压器投运的前十五年故障率较低，一般仅需要小修维护即可。变压器投运后十五年到三十年期间故障率偏高，需要适时进行大修。而变压器大修后健康恢复的效果随着大修次数的增加会越来越差。到变压器寿命的末期，大修对变压器健康恢复的效果甚微，此时应考虑对变压器进行更换以取得更高的经济效益。此外，变压器投运后到投运十五年期间变压器的绝缘状态较好，故障率较低，若对变压器进行大修，则变压器的故障率降低较小，等效役龄回退年限y_d值较小。投运十五年到投运三十年期间变压器故障率较高，变压器可维修性较好，若对变压器进行大修，则变压器的故障率降幅较大，等效役龄回退年限y_d值较大且趋于稳定。投运超过三十年的变压器绝缘老化健康状态较差，可维修性较差，大修导致的变压器等效役龄回退年限y_d值随运行时间而逐渐变小。

本发明在模拟实际变压器故障率变化情况的基础上，将变压器大修后设备的等效役龄回退年限y_d值定义为一个分段函数。其中y_d1＝1，y_d2＝10，y_d3＝2，可表示为式(3)所示。

$y_d=\left\{\begin{array}{cc}(y_{d2}-y_{d1})t/15+y_{d1}& \&lsqb;0,15)\\ y_{d2}& \&lsqb;15,30\&rsqb;\\ (y_{d3}-y_{d2})t/10+y_{d2}/(y_{d3}-y_{d2})& (30,\mathrm{\&infin;}\&rsqb;\end{array}\right.---\left(3\right)$

考虑到变压器在运行期间一般要经历两次以上的大修。变压器第一、第二次大修的等效役龄回退年限y_d，如图3中的y_d＝t_n-t₁由式(3)获得，以后每次大修的等效役龄回退年限y_d为上一次大修等效役龄回退年限值的50％。

变压器小修对等效役龄回退年限的影响趋于恒定，因此可设定变压器小修的等效役龄回退年限y_x，如图3中的y_x＝t_n-t₂为一年；变压器更换引起的等效役龄回退年限可设定为y_g，如图3中的y_g＝t_n-t_n-2。在获得变压器的故障率的变化趋势之后，便可以为变压器的经济性评估提供技术支持。

图3示出设备运行到t_n时，继续运行、进行大修、小修或者更换后设备故障率的变化趋势。若变压器在t_n时刻继续运行，则变压器的故障率沿着曲线1的发展趋势继续升高。若变压器在t_n时刻小修，则变压器的故障率首先回退到等效役龄t₂处，然后沿着曲线2的发展趋势继续升高。若变压器在t_n时刻大修，则变压器的故障率首先根据式(3)求得等效役龄t₁，从t₁处沿着曲线3的发展趋势继续升高。若变压器在t_n时刻更换，则变压器的故障率首先回退到等效役龄t_n-2处，然后沿着曲线4的发展趋势继续升高。

(4)根据变压器设备等效实际役龄和名义役龄的关系，考虑设备健康状况的影响，对变压器设备故障率的基本变化曲线进行修正，得到变压器设备的实际故障率变化曲线；

由于存在检修、不良工况和负载情况对变压器故障概率的影响，变压器役龄存在实际役龄和名义役龄的区别。变压器的名义役龄指的是设备运行的总年数，而实际役龄则与变压器的健康状态相关，一般情况下实际役龄与名义役龄存在差别。

根据式(1)所建立的基于Weibull分布的变压器故障率函数，可以方便地预测出变压器在运行年份对应的故障概率。但该故障概率仅是根据变压器的名义役龄推算所得，由变压器的健康指数推算的实际故障概率存在一定偏差。

可以利用名义役龄t_a时基于健康指数的故障概率，作为变压器当前状态下的故障概率，再由此故障概率在对应的Weibull分布曲线上查得相应的运行年数，即为变压器在该时刻的等效实际役龄t_e。等效实际役龄与名义役龄的差值Δt＝t_e-t_a可以看作是变压器因为个体运行的原因，导致基准故障概率曲线在时间轴上提前(或滞后)的时间，但仍然按Weibull曲线规律变化，如图4所示。可以求得变压器的实际故障概率曲线为式(4)所示。

$\mathrm{\&lambda;}\left(t\right)=\frac{m}{\mathrm{\&eta;}}{\left(\frac{t+\mathrm{\&Delta;}t}{\mathrm{\&eta;}}\right)}^{m-1}=0.1826\&CenterDot;{\left(\frac{t+\mathrm{\&Delta;}t}{27.95}\right)}^{4.573}---\left(4\right)$

(5)设定变压器设备故障率阀值λ_end，根据变压器设备的实际故障率变化曲线分别确定设备的总寿命年限及目前剩余的寿命。

随着变压器的运行与老化，其故障概率逐渐增大，可靠性降低，当故障概率达到某一阈值λ_end时，变压器有了明显的老化迹象，进入快速老化期，各状态量变化较大，已接近或略微超过标准阈值，相应的老化速率也开始呈急剧上升趋势。可以认为此时即为变压器可靠性寿命的终点，不宜再继续使用，应尽快安排更换变压器的计划。

相对应的可靠性剩余寿命计算方法为即为：计算设备故障率阀值λ_end，如式(5)所示，则根据故障率可求得设备全寿命年限t_end，设备剩余寿命即为设备总寿命与目前运行年限的差值，如式(7)所示。

${\mathrm{\&lambda;}}_{end}=\frac{m}{\mathrm{\&eta;}}{\left(\frac{t+\mathrm{\&Delta;}t}{\mathrm{\&eta;}}\right)}^{m-1}=0.1826\&CenterDot;{\left(\frac{t_{end}+\mathrm{\&Delta;}t}{27.95}\right)}^{4.573}---\left(5\right)$

$t_{end}=\sqrt[4.573]{\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{end}}{0.1826}}\&times;27.95-\mathrm{\&Delta;}t---\left(6\right)$

ΔT＝t_end-t_a(7)

根据设备的故障率阀值λ_end以及上述式5-式7可求得设备的总寿命年限及目前剩余的寿命。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于可靠性的变压器设备寿命评估方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)采用威布尔分布函数对变压器故障率曲线进行拟合，确定变压器设备故障率的基本变化曲线；

(2)根据变压器设备的历史统计数据，对故障率基本变化曲线进行分段拟合，求得故障率基本变化曲线的参数；

(3)将变压器设备检修分为继续运行、大修、小修及更新四种检修方式，根据实际检修情况计算变压器设备等效役龄回退年限，确定设备在检修过后的故障率变化曲线；

(4)根据变压器设备等效实际役龄和名义役龄的关系，考虑设备健康状况的影响，对变压器设备故障率的基本变化曲线进行修正，得到变压器设备的实际故障率变化曲线；

(5)设定变压器设备故障率阀值λ_end，根据变压器设备的实际故障率变化曲线分别确定设备的总寿命年限及目前剩余的寿命。

2.如权利要求1所述的一种基于可靠性的变压器设备寿命评估方法，其特征是，所述步骤(1)中，变压器设备故障率的基本变化曲线由两个参数决定：

形状参数m，用于表征分布曲线的形状；

尺度参数η，用于表征坐标尺度；

当m<1时，故障率呈下降趋势；m＝1时，故障率为常数；m>1时，故障率呈上升趋势。

3.如权利要求1所述的一种基于可靠性的变压器设备寿命评估方法，其特征是，所述步骤(2)中，根据设备运行年限将变压器设备故障率随运行时间变化分为早期故障阶段、偶然故障阶段和耗损故障阶段；根据变压器设备的历史统计数据，对故障率基本变化曲线进行分段拟合，求得各故障阶段的形状参数m和尺度参数η。

4.如权利要求1所述的一种基于可靠性的变压器设备寿命评估方法，其特征是，所述步骤(3)中，假设变压器运行到t_n阶段，需要对变压器进行状态检修；

将变压器大修后设备的等效役龄回退年限y_d值定义为一个分段函数，所述分段函数根据变压器运行年限将等效役龄回退年限y_d的值分成三段；

变压器第一次、第二次大修的等效役龄回退年限y_d均由所述分段函数获得，之后每次大修的等效役龄回退年限y_d均为上一次大修等效役龄回退年限值的h％，其中，h为设定值，h<1。

5.如权利要求1所述的一种基于可靠性的变压器设备寿命评估方法，其特征是，所述步骤(3)中，假设变压器运行到t_n阶段，需要对变压器进行状态检修；

变压器小修的等效役龄回退年限y_x设定为一年。

6.如权利要求1所述的一种基于可靠性的变压器设备寿命评估方法，其特征是，所述步骤(4)中，由于存在检修、不良工况和负载情况对变压器故障概率的影响，变压器役龄存在实际役龄和名义役龄的区别；

根据检修过后的故障率变化曲线，预测出变压器在运行年份对应的故障概率，该故障概率根据变压器的名义役龄推算所得；

利用名义役龄为t_a时基于健康指数的故障概率，此故障概率作为变压器当前状态下的故障概率；

再由此故障概率在对应的检修过后的故障率变化曲线上查得相应的运行年数，即为变压器在该时刻的等效实际役龄t_e；

在原有的检修过后的故障率变化曲线的基础上，将变压器名义役龄替换为等效实际役龄，得到变压器设备的实际故障率变化曲线。

7.如权利要求1所述的一种基于可靠性的变压器设备寿命评估方法，其特征是，所述步骤(5)中，变压器设备的总寿命年限的确定方法为：

假定变压器设备故障率为设定的变压器设备故障率阀值，根据变压器设备故障率变化曲线的形状参数和尺度参数，确定变压器设备的运行年限，此运行年限为设备等效实际役龄，

根据等效实际役龄确定设备名义役龄，所述设备名义役龄即为变压器设备的总寿命年限。

8.如权利要求1所述的一种基于可靠性的变压器设备寿命评估方法，其特征是，所述步骤(5)中，变压器设备目前剩余寿命为：变压器设备的总寿命年限与变压器设备的名义役龄的差值。