变压器的综合技术寿命及其大修技改决策的研究

邓长征 彭永康 邱 立 邓海峰

(1. 三峡大学 电气与新能源学院， 湖北 宜昌 443002；2. 新能源微电网湖北省协同创新中心(三峡大学)， 湖北 宜昌 443002；3. 国网湖北省电力公司 宜昌供电公司， 湖北 宜昌 443002)

变压器的综合技术寿命及其大修技改决策的研究

邓长征1，2彭永康1，2邱 立1，2邓海峰3

(1. 三峡大学 电气与新能源学院， 湖北 宜昌 443002；2. 新能源微电网湖北省协同创新中心(三峡大学)， 湖北 宜昌 443002；3. 国网湖北省电力公司 宜昌供电公司， 湖北 宜昌 443002)

由于变压器运行环境复杂，现有检修体系整体考虑不足，导致部分变压器投运不久便被更换，而状态较差的仍在运行，造成了一定的经济损失和安全隐患．为此，本文提出了变压器综合技术寿命评价方法，量化变压器对技改或大修的需求．变压器的综合技术寿命由3个分寿命构成，分别为自然寿命、评价损失寿命、累积损耗寿命，本文依据相关标准、规范和专家经验选取各分寿命的状态量，设置权重，据此进行寿命评价，并依据评价结果给出针对变压器的大修技改决策原则．以某地区110 kV电力变压器的综合技术寿命评价为例，通过与以往大修技改方案的对比分析，发现本文提出的方案与其总体一致，并对少数个体的差异进行分析，结果表明综合技术寿命评价结果能量化变压器的健康状态，检修人员可根据评价结果制定更具针对性、科学性的大修技改方案．

变压器； 大修技改； 综合技术寿命； 辅助决策

传统变压器大修技改的决策来源于状态评价的结果，虽颇为直观，但状态评价对变压器自然寿命、变压器故障的可修复性考虑不足，从而导致策略缺乏针对性和科学性，造成了一定数量的变压器失修或过修[1-4]．

综合技术寿命旨在准确评价变压器的健康状态和技术性能．在以往的研究中，有学者提出过类似的评价方法，文献[5]提出了一种综合考虑基于风险的检修和基于全寿命周期成本(LCC)的电网主设备运维辅助决策方法，该方法能定量评估设备运行风险，评定设备的最佳运行年限，但针对变压器，缺乏个性化的评价指标；文献[6]结合表征变压器寿命的有效特征信息，进行分层评价，可有效削弱单一参量引起的评估误差，提高变压器老化状态预测模型的准确度，但缺乏对自然寿命的考虑，模型不尽完整；文献[7]建立了变压器各部分状态量的评估模型，并运用行规一法和三标度法确立了专家评价的优先关系矩阵，可减少对变压器寿命评价的主观性，然而需要人为评价，设备较多时不甚便利．现阶段对于变压器寿命的研究缺乏统一而完善的模型，且多着眼于对变压器剩余寿命的预测和评估[8-14]，不具备指导变压器大修技改的能力．因此，本文结合实际大修技改经验和状态检修的相关标准，提出了变压器综合技术寿命评价方法，并以实例论证了该方法能为实际工程中变压器的大修技改决策提供依据．

1 变压器综合技术寿命的评价

1.1 寿命的划分

变压器的综合技术寿命由自然寿命、评价损失寿命和累积损耗寿命3部分组成．自然寿命是指输变电设备自初次投运之日起，在电网中运行的实际年限；评价损失寿命指输变电设备当前因存在缺陷或试验数据不合格等，通过状态评价结果确定的损失寿命，但通过检修或更换主部件可以恢复设备的初始寿命；累积损耗寿命指输变电设备运行过程中因受不良工况、机械磨损等因素的累加作用，对设备的寿命造成不可逆的影响，导致设备损耗的寿命．

1.2 寿命的评价方法

对上述3个分寿命，以指导变压器的大修技改为目的，先结合相关国家或行业的标准、规范或导则，选取各分寿命的状态量及其寿命基准值；再依据现场统计数据和专家经验选取状态量的权重系数(权重系数分布于0-1之间)，据此进行寿命评价．总体评价思路为：首先依据各状态量的实际记录数据及其权重依据相关公式对上述3个分寿命进行评价计算，得出各分寿命的计算值；由于变压器运行需各部件运行良好，属于串联结构，故其综合技术寿命取其3个分寿命的最大值；最后依据变压器的综合技术寿命和各分寿命的计算值制定相应的大修技改方案．对各分寿命的具体计算公式做如下说明．

1.2.1 自然寿命

考虑自然寿命的目的在于表征变压器自然老化程度，其中包括变压器绝缘性能的自然老化，绝缘油的缓慢劣化，以及绕组长期处于交变电流之下而造成的自然变形．根据变压器生产厂商对变压器的设计标准和实际运行条件、运行经验，将110 kV变压器自然寿命的基准值设置为40年．将上述老化程度因素折算成标准状态下的寿命损耗，换算方法见式(1)．

(1)

式中，Lfcal为寿命计算值，Lfact为寿命实际值，a为寿命基准值，w为权重系数，最高权重为1．需要说明的是，公式(1)为将各寿命、状态量实际值(观测所得)转换到计算值的通用公式．此处，自然寿命的实际值通过式(1)已换算到全寿命为100岁情况的计算值．

1.2.2 评价损失寿命

评价损失寿命的作用是表征变压器缺陷或不良工况的现状，评价损失寿命的结果反应了设备的紧急需求，可直接决定设备是否需要大修．根据《油浸式变压器(电抗器)状态评价导则》(Q/GDW 169-2008)，将评价损失寿命分为4级：1)正常状态，寿命取0岁；2)注意状态，寿命取20岁；3)异常状态，寿命取60岁；4)严重状态，寿命取80岁．

1.2.3 累积损耗寿命

累积损耗寿命评价的是变压器本体在运行过程中遭受的短路冲击、过负荷、过励磁、高温等不良工况以及分接开关的调压次数，机械磨损等累积损耗以及密封件的劣化等在非时间因素作用下对变压器寿命造成的影响．上述因素的影响采用以下方式进行定量评价．

1)短路冲击．依据《油浸式变压器(电抗器)状态评价导则》(Q/GDW 169-2008)规定的变压器允许短路冲击电流及其对应的冲击次数，对变压器短路冲击选取两档状态量：①达到允许短路电流70%～90%的次数，基准值为10次，依据重要性原则权重系数取0.6；②达到允许短路电流90%以上的次数，基准值为2次，权重系数取0.8．

2)过负荷．依据文献[15]，将折算到150%额定负荷的持续运行时间作为评价过负荷的状态量，其基准值取30 min；依据重要性原则权重系数取0.4．

3)过励磁．根据文献[15]，取折算到1.25倍额定工频电压的持续时间作为评价状态量，基准值取20 s，依据重要性原则权重系数取0.4，并按标准规定对过负荷倍数进行换算．

4)高温．依据《油浸式变压器负载导则》(GB/T 15164-94)可知，针对变压器油温的影响，选取两档状态量：①顶层油温81～86℃持续运行时间，基准值为12 h，权重系数取0.6；②顶层油温87～92 ℃的持续运行时间，基准值为120 min，权重系数取0.8．

5)分接开关的调压次数和机械寿命．依据《电力变压器运行规程》(DL/T 572-2010)，取前一次检修之后的调压次数作为分接开关调压次数的评价状态量，基准值取5 000次，权重系数取0.8;依据《电力变压器检修导则》(DL/T 573-2010)，变压器切换开关的机械寿命不小于80万次动作无损伤，故选择80万次作为分接开关机械寿命的基准值，依据专家经验和统计数据，权重系数取0.8．

6)本体和分接开关密封件．由于密封件生产厂商设计的服役寿命一般为12～15年，因此取密封件寿命为评价状态量，基准值取两个检修周期，即12年，权重系数取0.2．

根据上述6种因素对应的状态量和权重系数，利用式(1)即可得到对应的累积损耗寿命计算值．由于本模型属首次提出，相关状态量、基准值以及权重系数的选取仅依据已有标准和经验，将来还需依据实际使用情况进行更为科学的调整．

1.3 大修技改决策

根据1.2节的评价方法，取变压器综合技术寿命计算值大于80岁的变压器作为大修技改对象．其中，自然寿命计算值大于80岁为技改决策条件，即当变压器自然寿命计算值大于或等于80岁时，对其进行技术改造；当变压器某一元件或状态量的累积损耗寿命或评价损失寿命计算值大于80岁时，则对其进行大修．当设备大修完成后，该部件或状态量恢复初始状态，即寿命计算值归零，此时变压器的综合技术寿命需重新评价；技改完成后，变压器整体恢复初始状态，其综合技术寿命归零．

2 案例分析

截止2014年4月20日，某地区供电公司所辖220 kV变电站18座，主变30台，容量4 686 MV·A；110 kV变电站72座，主变124台，容量3 998.3 MV·A．由于数量庞大，为便于说明，综合技术寿命评价主要针对110 kV主变压器．

2.1 评价结果

在评价的124台110 kV主变中，综合技术寿命60～70岁之间有7台，70～80岁之间有2台，80岁以上有18台．变压器综合技术寿命大多在80岁以下；综合技术寿命在10～40岁间有79台，其自然寿命实际值大约5～15岁，占总量的一半以上，基本符合电网建设实际情况．此外，综合技术寿命不小于80岁的变压器共18台，均是由于累计损耗寿命或评价损失寿命超过80岁，其具体信息见表1．

表1 综合技术寿命计算值大于80的110 kV变压器

由表1可知，水布垭变电站1号和2号主变综合技术寿命高达135.71岁和125.73岁，主要寿命损耗是累积损耗寿命，表明上述变压器的运行环境较差，不良工况较多，自然寿命和评价损失寿命均属正常；另外佐家坪2号主变等7台变压器主要是由于状态评价达到严重状态，其评价损失寿命达到80岁；其他变压器均为累积损耗寿命达到80，根据上文提到的大修技改决策方法，建议上述变压器进行大修处理．

2.2 对比分析

为便于比较，将综合技术寿命在80岁以上变压器的状态检修决策列于表2．针对综合技术寿命计算值最大的水布垭2号主变和状态检修等级被评为B级的安鹿1号主变，进行具体分析．

1)水布垭2号主变

该变压器于2001年7月15日投运，寿命评价结果见表3．

表2 综合技术寿命计算值在80以上的变压器的状态检修决策

注：状态检修中，B类检修是指设备局部性的检修，部件的解体检查、维修、更换和试验．C类检修是对设备常规性检查、维护和试验．D类检修是对设备在不停电状态下进行的带电测试、外观检查和维修．

表3 水布垭2号主变综合技术寿命评价表

由表3可知，该变压器分接开关调压次数实际值为8 482次，基准值为5 000次，则分接开关累积损耗寿命计算值为135.71岁，自然寿命计算值为35.73岁．根据大修技改原则，该变压器无需技改，只须对分接开关进行大修，即可使整体恢复较小的综合技术寿命值．

对比综合技术寿命评价和设备状态评价可知：状态评价未及时发现该变压器分接开关调压次数偏高的问题，而在综合技术寿命的评价过程中发现该变压器分接开关的调压次数远超基准值，成为各寿命计算值中最大的部分，虽然未出现明显异常，但值得运检人员密切注意，这一结果说明综合技术寿命评价是对状态检修的有益补充．

2)安鹿1号主变

安鹿变电站1号主变，额定容量20 MV·A，1990年8月1日投运，2015年3月，该变压器的状态评价为正常状态，无重大缺陷．然而，2015年6月进行状态检修时发现，其本体CO含量有明显增长，增长率为23.67%，且35 kV侧A相套管颈部、110 kV侧中性点套管CT处渗油，以及有载分接开关频繁滑档．处理建议已将其列入2015年停电检修计划，执行B类检修．同时，由综合技术寿命评价可知：到2015年6月为止，该变压器自然寿命、累积损耗寿命计算值均未超过80岁，而状态评价结果是严重状态，根据寿命评价方法将其评价损失寿命评为80岁．

对比安鹿1号主变3月和6月的状态评价结果可知该主变压器在3月到6月间发生了严重故障，但并不清楚该故障是突发性故障还是累积性故障，故无法准确判断是大修还是技改；而与综合技术寿命评价结果进行对比可知，由于自然寿命和累积损耗寿命变化不大，可判断该故障为突发性缺陷，非累积损耗过大而导致的不可修复故障．可见，评价损失寿命可分辨变压器突发缺陷和累积缺陷，继承了状态评价的灵活性．

通过对同一台变压器两种评价方式的对比，可更加明确变压器的健康状态，简而言之，状态评价解决“怎么修”的问题，而综合技术寿命评价解决“该不该修”的问题．通过综合技术寿命的评价，可直观筛选出需进行大修技改的变压器，同时还可对无明显异常状态且未超期服役的变压器进行预警．

3 结 论

变压器综合技术寿命模型的建立，给出了一种新颖的变压器技术寿命评价方法．通过对湖北某地区110kV变压器的综合技术寿命试点评价和大修技改决策制定，可得到以下结论：1)综合技术寿命评价结果可定量地反应该地区110kV变压器的健康状况，可直观且简单地确定变压器是否需要技改或大修．2)与状态评价不同，综合技术寿命评价可发现变压器超期服役但并未出现状态异常的部件．

本模型基于“整站整线”式技改大修思路提出，是变电站整体综合技术寿命的确定及整体技改大修决策的第一步．状态评价与综合技术寿命评价二者互补，可以共同指导变压器的大修技改工作，建议将变压器综合技术寿命评价作为现行状态评价的辅助评价方法．

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[责任编辑 张 莉]

Study of Comprehensive Technology of Life and Major Repairs or Technological Renovation Strategy of Transformer

Deng Changzheng1,2Peng Yongkang1,2,Qiu Li1,2Deng Haifeng3

(1. College of Electrical Engineering & Renewable, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China； 2. Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for New Energy Microgrid, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China;3. Yichang Power Supply Company, State Grid Hubei Power Company, Yichang 443002, China)

Transformers work in complex environment and the present maintenance organization is not complete enough; so that several transformers is replaced after a few days' running; and several others are still running while their situations are not well. Some economic losses and safety problems caused by these conditions. For this reason, comprehensive technology of life model of transformers is proposed in this paper. Considering if the transformer needs to be technological renovation and major repairs or not, the model formed by three part：nature life，state evaluation loss of life and accumulation loss of life. Selecting state leap in accordance with the principle of materiality and setting up weighting. According to the life assessing result of transformers, the technological renovation and major repair strategy were made. Taking an example of the 110 kV power transformer in some city, according to the comparing with the present scheme, discovering that the repairs strategy referring in this paper is agreeable with the ones concluding by evaluation of status; but a few transformers are not. Analyzing the practice of these different ones, it is certified that the strategy putting forward by this paper can reflect the health condition of transformer well. The conclusion shows that the strategy made thought comprehensive technology of life model can be used as the assist technological renovation and major repairs measure, and the assist measure can be good consults for maintenance staff.

transformer; major repairs and technological renovation; comprehensive technology of life; assist strategy

2016-06-22

国家自然科学基金项目(51507092)

邓长征(1980-)，男，博士，副教授，研究生导师，主要研究方向为接地技术及其新材料研发、输变电工程先进设计理论及应用． E-mail：dcz_1980@ctgu.edu.cn

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.02.018

TM732

A

1672-948X(2017)02-0084-05