CN112464440A - 基于三级评价模型的干式变压器健康状况评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电气设备状态评估技术领域，具体公开一种基于三级评价模型的干式变压器健康状况评估方法，所述方法包括：采集干式变压器运行工况中的关键参量数据、绝缘状态量数据、可靠性参数数据；根据采集的关键参量数据、绝缘状态量数据和可靠性参数数据，分别计算第一级评价模型的健康指数HI₁、第二级评价模型的健康指数HI₂和第三级评价模型的修正系数F₃；根据HI₁、HI₂和F₃，计算干式变压器的健康指数HI。本发明方法实现对干式变压器的健康状况进行评估，能够有效的查找其潜在故障并有针对性的安排检修时间与项目，对降低干式变压器的故障检修工作量，对提高电力***安全稳定运行水平和供电可靠性具有不可或缺的作用。

Description

基于三级评价模型的干式变压器健康状况评估方法

技术领域

本发明属于电气设备状态评估技术领域，具体涉及一种基于三级评价模型的干式变压器健康状况评估方法。

背景技术

电力变压器是电力***运行中最重要的设备之一，它承担着电能转换和电压变换的功能，对电网和负荷的安全、稳定运行起着重要作用，其状态的好坏直接影响着电力***的可靠运行。其中干式变压器在近二三十年来发展迅速，尤其在低压配电***中所占比重不断增加，一旦其运行出现故障，将出现电网瘫痪，造成重大经济损失。

因此，亟待开发一种干式变压器健康状况评估方法，能够对故障部位、故障程度及发展趋势做出判断，提高健康状况评估和状态维修指导的准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三级评价模型的干式变压器健康状况评估方法，该方法实现对干式变压器的健康状况进行评估，能够有效的查找其潜在故障并有针对性的安排检修时间与项目，对降低干式变压器的故障检修工作量，对提高电力***安全稳定运行水平和供电可靠性具有不可或缺的作用。

实现本发明目的的技术方案：一种基于三级评价模型的干式变压器健康状况评估方法，所述方法包括：

步骤1、采集干式变压器运行工况中的关键参量数据、干式变压器的绝缘状态量数据、干式变压器的可靠性参数数据；

步骤2、根据步骤1采集的干式变压器运行工况中的关键参量数据，计算第一级评价模型的健康指数HI₁；

步骤3、根据步骤1采集的干式变压器的绝缘状态量数据，计算第二级评价模型的健康指数HI₂；

步骤4、根据步骤1采集的干式变压器的可靠性参数数据，计算第三级评价模型的修正系数F₃；

步骤5、根据步骤2-4计算的第一级评价模型的健康指数HI₁、第二级评价模型的健康指数HI₂和第三级评价模型的修正系数F₃，计算干式变压器的健康指数HI。

所述步骤2包括：

步骤2.1、确定干式变压器环境系数修正因子f_e；

步骤2.2、确定干式变压器负荷水平修正因子f_l；

步骤2.3、计算干式变压器绝缘寿命损耗T_ins；

步骤2.4、计算干式变压器实际使用寿命T′_end；

步骤2.5、计算干式变压器初始老化系数B_a0；

步骤2.6、计算干式变压器第一级评价模型的健康指数HI₁。

所述步骤2.4中实际使用寿命T′_end的计算公式为：

式中T_end为干式变压器的出厂设计使用寿命。

所述步骤2.5中初始老化系数B_a0的计算公式为：

所述步骤2.6中干式变压器的第一级评价模型为：

式中HI₁为第一级评价模型的健康指数，T₀为干式变压器投运年份， T₁为干式变压器当前运行年份，HI₀为T₀年对应的干式变压器健康指数。

所述步骤3包括：

步骤3.1、计算干式变压器热点温度健康指数HI₂₁；

步骤3.2、计算干式变压器电气指标健康指数HI₂₂；

步骤3.3、计算干式变压器第二级评价模型的健康指数HI₂。

所述步骤3.3中干式变压器的第二级评价模型为：

HI₂＝w₁HI₂₁+w₂HI₂₂，

式中HI₂₁为干式变压器热点温度健康指数，HI₂₂为干式变压器电气指标健康指数，w₁、w₂分别对应热点温度状态量和电气指标状态量所占权重，分别取0.4、0.6。

所述步骤4包括：

步骤4.1、计算组部件状态修正系数F₃₁；

步骤4.2、计算家族缺陷修正系数F₃₂；

步骤4.3、计算不良工况修正系数F₃₃；

步骤4.4、计算干式变压器第三级评价模型的修正系数F₃。

步骤4.4中干式变压器的第三级评价模型的修正系数F₃的计算公式为：

F₃＝F₃₁×F₃₂×F₃₃。

所述步骤5中干式变压器的健康指数HI的计算公式为：

HI＝F₃×(ω₁HI₁+ω₂HI₂)，

式中ω₁为干式变压器第一级评价模型健康指数的相应权重，ω₂为干式变压器第二级评价模型健康指数的相应权重。

本发明的有益技术效果在于：

(1)本发明的一种基于三级评价模型的干式变压器健康状况评估方法充分利用干式变压器不同的特征状态量信息的特点，优势互补的采用三级评价模型来对干式变压器进行健康状况的评估，从而得到干式变压器的健康指数；

(2)本发明的一种基于三级评价模型的干式变压器健康状况评估方法可以有效的利用干式变压器众多的特征状态量，准确的得出其健康指数，为设备检修计划的定制提供理论指导，减少人工排查故障检修的人工成本和时间成本；

(3)本发明的一种基于三级评价模型的干式变压器健康状况评估方法提高检修效率，减少维修保养费用，而且减少了电力事故的发生，提高了电力***输电的连续性和高效性，提高电力***安全稳定运行水平和供电可靠性；

(4)本发明的一种基于三级评价模型的干式变压器健康状况评估方法不局限于干式变压器，对设备的特征状态量及其上下限阈值进行修改即可适用于其他电力设备。

附图说明

图1为本发明所提供的一种基于三级评价模型的干式变压器健康状况评估方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于三级评价模型的干式变压器健康状况评估方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、采集干式变压器运行工况中的关键参量数据、干式变压器的绝缘状态量数据、干式变压器的可靠性参数数据，所述关键参量包括出厂设计寿命、服役年限、运行环境情况和运行负荷水平，所述绝缘状态量包括绕组的热点温度和电气指标，所述电气指标包括吸收比、铁芯接地电流、绝缘介质损耗和直阻不平衡系数，所述可靠性参数包括组部件状态、家族缺陷和不良工况。

步骤2、根据步骤1采集的干式变压器运行工况中的关键参量数据，计算第一级评价模型的健康指数HI₁

第一级评价模型的健康指数HI₁是基于干式变压器的运行工况，反映了运行工况对干式变压器健康状况的影响，其中运行工况中选取的关键参量为干式变压器的出厂设计寿命，服役年限，运行环境情况，运行负荷水平。具体步骤如下：

步骤2.1、确定干式变压器环境系数修正因子f_e

f_e为环境系数修正因子，与变压器所处的环境状况有关，根据干式变压器所处环境状况及环境等级，根据表1数据，确定环境系数修正因子f_e；

表1环境系数修正因子

步骤2.2、确定干式变压器负荷水平修正因子f_l

f_l为干式变压器的负荷系数修正因子，与干式变压器的负荷率有关，根据干式变压器历史运行数据，得到其自投运以来的平均运行功率S_ave，平均运行功率S_ave与额定运行功率S_额相除，获得干式变压器负荷率，然后根据表2的数据，确定负荷水平修正因子f_l；

表2负荷水平修正因子

步骤2.3、计算干式变压器绝缘寿命损耗T_ins

T_ins为根据干式变压器服役年限确定的绝缘寿命损耗，其计算方法法如下：

其中F_ins为单位小时绝缘寿命老化因子，常数b和绕组额定热点温度θ_HS,r与干式变压器的耐热等级有关，可通过查阅导则GBT 1094.2013第5.2 节进行确定，θ_h为干式变压器运行热点温度；

因此，对应的绝缘寿命损耗T_ins为：

式中，Δt_i为时间间隔；F_ins,i为时间间隔Δt_i下对应的单位小时绝缘寿命老化因子。

应为其服役年限对应小时数；

根据干式变压器运行热点温度θ_h和干式变压器服役年限Δt_i，计算获得绝缘寿命损耗T_ins；

步骤2.4、计算干式变压器实际使用寿命T′_end

T′_end为由干式变压器根据其实际运行情况确定的实际使用寿命，计算方法如下：

式中T_end为干式变压器的出厂设计使用寿命，

根据步骤2.1-2.3获得的环境系数修正因子f_e、负荷水平修正因子f_l、和绝缘寿命损耗T_ins，及出厂设计使用寿命T_end，计算获得实际使用寿命T′_end；

步骤2.5、计算干式变压器初始老化系数B_a0

健康指数能够反映干式变压器健康状态随时间变化，基本计算公式为：

式中HI为干式变压器当前运行年份的健康指数，HI₀为干式变压器开始投运时对应的初始健康指数，一般取95分，T₁为干式变压器当前运行年份，T₀为干式变压器投运年份，B_a为老化系数；

由公式(4)推导出初始老化系数B_a0表达式为：

令T_end＝T₁-T₀为干式变压器的出厂设计使用寿命，假设变压器投运 T_end之后，其故障风险非常高，临近寿命的终结，需要更换设备，此时的健康指数将为60，同时，假设干式变压器开始投运时健康指数HI₀＝95，则有

厂商在对干式变压器进行设计时，已经确定了其出厂设计使用寿命 T_end，一般取20～30年，出厂设计使用寿命长短取决于干式变压器标准运行状态下绝缘材料的寿命。但干式变压器运行在不同环境中，由其负荷水平及运行环境决定其实际使用寿命，尤其在变压器维护检修得当、运行环境良好的情况下，其实际使用寿命可能超过出厂设计使用寿命，也就是其实际绝缘寿命超过出厂设计使用寿命。因此可以提前根据实际情况，将出厂设计使用寿命T_end调整为实际使用寿命T′_end；

此时，式(6)变为

根据步骤2.4计算的实际使用寿命T′_end，计算获得初始老化系数B_a0；

步骤2.6、计算干式变压器第一级评价模型的健康指数HI₁

根据第一级评价模型得出第一级评价模型的健康指数HI₁，第一级评价模型为：

式中T₁为干式变压器当前运行年份，T₀为干式变压器投运年份，HI₀为T₀年对应的干式变压器健康指数，即干式变压器开始投运时对应的初始健康指数。

根据步骤2.5计算的初始老化系数B_a0，及干式变压器投运年份T₀，T₀年对应的干式变压器健康指数HI₀和干式变压器当前运行年份T₁，计算获得第一级评价模型的健康指数HI₁。

步骤3、根据步骤1采集的干式变压器的绝缘状态量数据，计算第二级评价模型的健康指数HI₂

第二级评价模型的健康指数HI₂是基于干式变压器的绝缘状态，反映了绝缘状态对干式变压器健康状况的影响，干式变压器的绝缘相关状态量为绕组的热点温度和相关电气指标，相关电气指标包括吸收比、铁芯接地电流、绝缘介质损耗和直阻不平衡系数。具体步骤如下：

步骤3.1、计算干式变压器热点温度健康指数HI₂₁

根据步骤2.3中绝缘寿命老化因子F_ins的计算公式(1)，根据干式变压器耐热等级确定常数b和θ_HS,r，统计干式变压器热点温度和其对应的时间间隔，计算出在绕组热点温度θ_h下的单位小时绝缘老化因子F_ins，

干式变压器

内的等效单位小时绝缘老化因子F_EQA为：

式中Δt_n为时间间隔，F_ins为在Δt_n内的绝缘老化因子，

因此，单位天数，即24h内的寿命损失率L％为：

L％＝F_EQA×24×100 (10)

因此，对于一台运行N＝T₁-T₀年的干式变压器而言，其绝缘寿命损失因子健康指数，即热点温度反映的健康指数HI₂₁为：

公式(11)可以应用于干式变压器投运以来所有运行数据都齐全的情况下，

若干式变压器投运以来的运行数据并不齐全，可利用下式计算:

式中

为N年的年累计平均损失因子，k为专家经验系数。

根据干式变压器热点温度θ_h和其对应的时间间隔Δt_n，计算获得干式变压器热点温度健康指数HI₂₁；

步骤3.2、计算干式变压器电气指标健康指数HI₂₂

根据干式变压器预防性试验测得的实验数据，选取吸收比、铁芯接地电流、绝缘介质损耗和直阻不平衡系数四项试验状态量作为电气指标状态量进行评分，评分标准参见表3，

表3变压器电气指标评分标准

考虑各试验状态量因子对电气指标的重要性，确定电气指标各项状态量所占权重，根据干式变压器电气指标的健康指数计算模型，计算获得干式变压器电气指标健康指数HI₂₂，干式变压器电气指标的健康指数计算模型为：

式中，HI₂₂为干式变压器电气指标健康指数，w_i，F_i分别是电气指标各项状态量所对应的权重和评分值。

步骤3.3、计算干式变压器第二级评价模型的健康指数HI₂

干式变压器的第二级评价模型为：

HI₂＝w₁HI₂₁+w₂HI₂₂ (14)

式中HI₂₁为干式变压器热点温度健康指数，HI₂₂为干式变压器电气指标健康指数，w₁、w₂分别对应热点温度状态量和电气指标状态量所占权重，分别取0.4、0.6。

根据干式变压器热点温度健康指数HI₂₁、干式变压器电气指标健康指数 HI₂₂及温度状态量和电气指标状态量所占权重w₁、w₂，计算获得干式变压器第二级评价模型的健康指数HI₂。

步骤4、根据步骤1采集的干式变压器的可靠性参数数据，计算第三级评价模型的修正系数F₃

第三级评价模型的健康指数HI₃是基于干式变压器的可靠性参数对第一级评估模型和第二级评估模型得到的健康指数进行修正，评估运行过程中出现的各类缺陷和故障对干式变压器健康状况的影响，可靠性参数包括干式变压器组部件状态、家族缺陷及不良工况等。具体步骤如下：

步骤4.1、计算组部件状态修正系数F₃₁

干式变压器的组部件状态包括套管状态和有载分接开关状态，根据干式变压器现场有载分接开关机械性能来确定有载分接开关机械性能量化修正系数F₃₁₁，具体等级划分参见表4；测量套管介质损耗因数，与历年数值相比较，参见表4，确定套管量化修正系数F₃₁₂；

表4有载分接开关机械性能量化修正系数

表5套管量化修正系数

对于三相变压器而言，考虑高、中、低侧套管具有不同的可靠性等级，此时，若max(F_312h,F_312m,F_312l)＞1，则F₃₁₂＝F_312h*F_312m*F_312l，若 max(F_312h,F_312m,F_312l)≤1，则F₃₁₂＝min(F_312h,F_312m,F_312l)；

其中，F_312h为高压侧套管量化修正系数；F_312m为中压侧套管量化修正系数；F_312l为低压侧套管量化修正系数；

组部件状态修正系数F₃₁根据以下公式计算：

F₃₁＝F₃₁₁×F₃₁₂ (15)

步骤4.2、计算家族缺陷修正系数F₃₂

采用家族缺陷系数来描述由于家族缺陷给干式变压器绝缘造成的损伤程度。查询干式变压器历史运行数据，统计过去运行过程中由于自身质量原因发生的家族缺陷，将干式变压器在过去运行过程中由于自身质量原因发生的家族缺陷分为以下三种：一般缺陷、严重缺陷和紧急缺陷，其缺陷基数分别为1、3和5，如表6所示：

表6缺陷基数表

家族缺陷等级系数的计算方法为：缺陷等级系数＝一般缺陷次数×一般缺陷基数+严重缺陷次数×严重缺陷基数+紧急缺陷次数×紧急缺陷基数。家族缺陷等级系数与修正系数的关系如表7所示：

表7缺陷修正系数

根据计算获得的家族缺陷等级系数，再根据表7的数据，确定家族缺陷修正系数F32；

步骤4.3、计算不良工况修正系数F₃₃

不良工况主要指干式变压器运行过程中可能出现的近区短路、过电压和过负荷等现象。不良工况系数F₃₃反映干式变压器在运行过程中由于发生近区短路、过电压、过负荷等现象导致变压器绝缘薄弱环节发生故障时，该故障对绝缘造成的损伤程度；

步骤4.3.1、确定过电压修正系数F₃₃₁

当发生过电压时，变压器绝缘的薄弱环节就可能发生故障，如绕组绝缘击穿造成的绕组相间短路故障等。采用过电压系数F₃₃₁来描述干式变压器发生过电压时对其绝缘造成的损伤程度；

查询干式变压器历史运行数据，统计过去运行过程中的过电压大小和过电压次数，根据表8数据，确定过电压修正系数F₃₃₁，其中，U为干式变压器当次过电压最大值，U_N为干式变压器所在运行等级的额定电压；

表8过电压修正系数

步骤4.3.2、确定过负荷修正系数F₃₃₂

干式变压器长期超载运行时，会加速绝缘的老化进程，甚至引发击穿事故的发生，严重影响变压器的使用寿命和可靠性。采用过负荷系数F₃₃₂来描述干式变压器发生过负荷现象时对其绝缘造成的损伤程度；

统计过去运行过程中的过负荷程度与次数，根据表9数据，确定过负荷修正系数F₃₃₂，其中，K为负载系数；

表9过负荷修正系数

步骤4.3.3、确定近区短路修正系数F₃₃₃

统计过去运行过程中近区短路的有无，根据表10数据，确定近区短路修正系数F₃₃₃；

表10近区短路修正系数F₃₃₃

步骤4.3.4、计算不良工况修正系数F₃₃

干式变压器的不良工况修正系数F₃₃与F₃₃₁、F₃₃₂、F₃₃₃的值密切相关，所以不良工况修正系数F₃₃根据以下公式计算：

F₃₃＝F₃₃₁×F₃₃₂×F₃₃₃ (16)

步骤4.4、计算干式变压器第三级评价模型的修正系数F₃

干式变压器的第三级评价模型的修正系数F₃根据以下公式计算：

F₃＝F₃₁×F₃₂×F₃₃ (17)

步骤5、根据步骤2-4计算的第一级评价模型的健康指数HI₁、第二级评价模型的健康指数HI₂和第三级评价模型的修正系数F₃，计算干式变压器的健康指数HI；

根据以下公式计算干式变压器的健康指数HI

HI＝F₃×(ω₁HI₁+ω₂HI₂) (18)

式中ω₁为干式变压器第一级评价模型健康指数的相应权重，ω₂为干式变压器第二级评价模型健康指数的相应权重，ω₁，ω₂的取值分别为0.4，0.6。以上系数的设定均根据专家经验所设，可根据变压器的实际运行状况进行相应的修正。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (10)

1.一种基于三级评价模型的干式变压器健康状况评估方法，其特征在于：所述方法包括：

步骤1、采集干式变压器运行工况中的关键参量数据、干式变压器的绝缘状态量数据、干式变压器的可靠性参数数据；

步骤2、根据步骤1采集的干式变压器运行工况中的关键参量数据，计算第一级评价模型的健康指数HI₁；

步骤3、根据步骤1采集的干式变压器的绝缘状态量数据，计算第二级评价模型的健康指数HI₂；

步骤4、根据步骤1采集的干式变压器的可靠性参数数据，计算第三级评价模型的修正系数F₃；

步骤5、根据步骤2-4计算的第一级评价模型的健康指数HI₁、第二级评价模型的健康指数HI₂和第三级评价模型的修正系数F₃，计算干式变压器的健康指数HI。

2.根据权利要求1所述的一种基于三级评价模型的干式变压器健康状况评估方法，其特征在于：所述步骤2包括：

步骤2.1、确定干式变压器环境系数修正因子f_e；

步骤2.2、确定干式变压器负荷水平修正因子f_l；

步骤2.3、计算干式变压器绝缘寿命损耗T_ins；

步骤2.4、计算干式变压器实际使用寿命T′_end；

步骤2.5、计算干式变压器初始老化系数B_a0；

步骤2.6、计算干式变压器第一级评价模型的健康指数HI₁。

3.根据权利要求2所述的一种基于三级评价模型的干式变压器健康状况评估方法，其特征在于：所述步骤2.4中实际使用寿命T′_end的计算公式为：

式中T_end为干式变压器的出厂设计使用寿命。

4.根据权利要求2所述的一种基于三级评价模型的干式变压器健康状况评估方法，其特征在于：所述步骤2.5中初始老化系数B_a0的计算公式为：

5.根据权利要求2所述的一种基于三级评价模型的干式变压器健康状况评估方法，其特征在于：所述步骤2.6中干式变压器的第一级评价模型为：

式中HI₁为第一级评价模型的健康指数，T₀为干式变压器投运年份，T₁为干式变压器当前运行年份，HI₀为T₀年对应的干式变压器健康指数。

6.根据权利要求1所述的一种基于三级评价模型的干式变压器健康状况评估方法，其特征在于：所述步骤3包括：

步骤3.1、计算干式变压器热点温度健康指数HI₂₁；

步骤3.2、计算干式变压器电气指标健康指数HI₂₂；

步骤3.3、计算干式变压器第二级评价模型的健康指数HI₂。

7.根据权利要求6所述的一种基于三级评价模型的干式变压器健康状况评估方法，其特征在于：所述步骤3.3中干式变压器的第二级评价模型为：

HI₂＝w₁HI₂₁+w₂HI₂₂，

式中HI₂₁为干式变压器热点温度健康指数，HI₂₂为干式变压器电气指标健康指数，w₁、w₂分别对应热点温度状态量和电气指标状态量所占权重，分别取0.4、0.6。

8.根据权利要求1所述的一种基于三级评价模型的干式变压器健康状况评估方法，其特征在于：所述步骤4包括：

步骤4.1、计算组部件状态修正系数F₃₁；

步骤4.2、计算家族缺陷修正系数F₃₂；

步骤4.3、计算不良工况修正系数F₃₃；

步骤4.4、计算干式变压器第三级评价模型的修正系数F₃。

9.根据权利要求8所述的一种基于三级评价模型的干式变压器健康状况评估方法，其特征在于：步骤4.4中干式变压器的第三级评价模型的修正系数F₃的计算公式为：

F₃＝F₃₁×F₃₂×F₃₃。

10.根据权利要求1所述的一种基于三级评价模型的干式变压器健康状况评估方法，其特征在于：所述步骤5中干式变压器的健康指数HI的计算公式为：

HI＝F₃×(ω₁HI₁+ω₂HI₂)，

式中ω₁为干式变压器第一级评价模型健康指数的相应权重，ω₂为干式变压器第二级评价模型健康指数的相应权重。

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