110- 500kV 电力变压器健康指数模型分析

陈 亮 贾少华

（1、宁夏天鹰电力物资有限公司，宁夏 银川 750011 2、国网宁夏电力有限公司银川供电公司，宁夏 银川 750011）

基于电力变压器所建立健康指数模型，强调以变压器相关参数为依据，结合实际运行参数，对当前、未来变压器风险还有健康情况进行说明，确保工作人员能够以经济性、可靠性视角为切入点，在对现有资源进行综合规划与充分利用的前提下，使管理设备的水平更接近预期，真正做到既控制运维成本，又增强日常供电的稳定性还有可靠性。

1 项目研究背景概述

变压器运行是否稳定，对电网功能的发挥有重大意义，如果变压器有故障存在，不仅故障电流会急速增大，还会引发设备跳闸和负荷损失等问题，甚至给现场人员安全带来威胁。要想最大程度降低变压器故障所造成损失，关键是对设备内部工况有系统且准确的了解，在对故障发生率进行分析的基础上，有针对性的提出解决策略。以确定影响健康指数的因素为前提（如图1 所示），通过建模的方式对设备健康指数进行评估，既能使事故率、故障率始终被维持在较低水平，又能够避免大量财力还有人力资源被浪费，保证相关工作的社会与经济效益，本文所研究内容的现实意义有目共睹[1]。

图1 影响健康指数的因素

2 建立健康指数模型

2.1 划分故障类型

现阶段，我国对变压器故障进行划分的方式为小/中/重型故障，其中，小型故障的处理难度较小且速度较快，通常不会给电网正常运行造成影响。对中型故障进行处理的工序相对繁琐，只有尽快对其进行消缺处理，才能避免供电受到严重影响。重型故障的特点，主要是高风险、大规模，不仅需要长时间停电，还有再次引发事故的可能，给电网运行所造成影响较其他类型故障更加明显，具体定义为：

发生小型故障的设备仍然能够短期运行，不仅处理故障的方法简单，处理风险也较小，通常不会再次引发事故。发生中型故障的设备只有第一时间抢修，才能使故障影响范围得到控制，处理风险略大于小型故障，可将设备停止运行的时间控制在7d 内。发生重型故障的设备，只有吊罩大修才能使故障得到解决，不仅要耗费大量时间，再次引发风险的可能性也更大[2]。

2.2 确定计算公式

设备故障率和健康度的关系为正相关，初期故障率水平偏低，经过平台期，故障率上升速度加快（如图2 所示）。

图2 故障发生率和健康指数的关系

对其进行计算的公式为：

在以上表达式中，POF 代表故障发生率。HI 代表健康指数。C 代表曲率系数。K 代表幅值系数。

故障类型不同，导致故障出现的原因也不同，与健康指数所具有关联性同样存在显著差异，基于故障率、线性关系所推出C 和K 取值自然不同。K 值代表变压器故障水平，对其取值加以确定所使用方法如下：第一步，通过测算的方式，获得理论故障率。第二步，对实际故障率进行整合。第三步，逐一匹配实际故障率、理论故障率，得出K 值。

分别对不同类型故障发生率进行计算，所用公式如下：

公式（2）为小型故障，公式（3）为中型故障，公式（4）为重型故障，公式（5）为总故障。

3 模型应用意义探究

3.1 指示变压器风险

作为输变电核心设备的变压器，其特点可被概括为结构复杂和体积庞大，无论是前期制造、中期运行还是后期安装，均有出现故障的可能，进而给其稳定且安全的运行造成负面影响。变压器所存在故障，主要分为线圈故障、绝缘故障，变压器风险以人身安全、电网性能为主，对相关子风险进行计算的公式为：

在该计算公式中，POFi代表某类子风险的发生率。COFi代表某类子风险所造成后果。COAi代表子风险中某个设备的重要程度。

3.1.1 人身安全

设备故障所导致火灾、放电及爆炸风险，均会威胁工作人员安全，此类风险可被划分成轻微伤、重伤还有死亡三类。我国针对工业设备所造成损伤的赔偿标准并不固定，本文参考EA企业的做法进行研究。安全风险导致人身安全受到威胁的概率见表1，评估安全损失的方法，主要是以不同类型故障所造成损伤严重程度为依据，通过加权计算的方式，得出相应结论[3]。

表1 人身安全故障后果

3.1.2 电网性能

电网设备出现故障所造成损失，通常集中在社会形象、经济方面，出于对故障损失进行准确评估的考虑，研究人员决定对其做量化处理。结合N-1 结构特点可知，仅在有大型事故发生时，供电才会被影响，量化的侧重点是设备运维及负荷转移所存在风险，具体方法如下：

第一步是对计算额定容量进行确定。若输变电网络有故障存在，可选择隔离故障并转移负荷，但这样做会增加其他处于运行状态的设备的负荷，导致设备风险、电网风险增大，对额定容量进行确定很有必要。由于故障变压器有停止运行的可能，其所承受负荷将会向其他变压器进行转移，因此，在确定额定容量时，研究人员应将最大值扣除。

第二步是对风险负荷进行确定。图3 为风险负荷，阴影区域是当前变电站负荷高于额定容量的部分，若变电站负荷处于阴影区域且有主变停运情况存在，将有较大概率引发变压器过载问题，这便是研究人员将阴影部分负荷视为风险负荷的原因。

图3 设备风险负荷

第三步是对风险可能持续的时长进行确定。根据故障性质还有风险等级，可将以变压器为代表的输变电设备的故障处理工作分成高风险期与低风险期，高风险期需要启动应急响应，在隔离故障设备的基础上，通过转移负荷的方式，达到消除风险的目的，其特点主要是风险高、持续时间短。低风险期的特点，主要是经过处理的电网，在重新投入运行后，其结构将发生较为明显的变化，导致风险系数较之前有所提高（如图4 所示）。

图4 变压器故障后风险阶段

第四步是对变压器出现负荷损失的概率进行确定。突发重型故障会损失大量负荷，多数小/中型故障均不会发展成为重型故障，负荷损失占比较小，即便如此，研究人员仍要评估其风险。事实证明，处于高风险期的变压器，其负荷损失率往往较大，随着风险严重程度的降低，负荷损失率逐渐减小。

第五步是对量化风险的标准进行确定。在以上计算工作告一段落后，研究人员便可对负荷风险做量化处理，即根据当地单位GDP 和用电量之比进行计算。例如，某地2020 年的GDP是2252 亿，供电量是89 亿kW·h，通过计算可知，该地的负荷风险为25303 元/MVA。

3.2 指导检修工作开展

该方案强调以风险评估结果为依据，对风险阈值、健康指数进行设定，将结果较阈值更大的设备视为检修对象，基于该方案所提出检修方法如下：风险具有相对性，例如，某台断路器有极高风险，得出这一结论的参照物，通常是电压参数相同的另一台断路器，如果选择变压器作为参照物，即便其健康状态更符合要求，但变压器的风险值普遍大于断路器[4]。由此可见，基于风险值对检修对象加以确定所适用方法，主要是组合判断。

3.2.1 风险值较设定阈值设备更大

对风险值进行计算所使用的公式为：

要想对风险阈值进行设定，前提是以健康指数阈值为依据，明确故障率阈值。要求研究人员综合考量以下指数：一是老化健康指数，结合老化理论可知，在负荷正常的工况下，变压器投入运行的时间将和使用寿命持平，但受外界因素影响，变压器通常无法做到匀速老化，此时，便需要修正故障、外观以及故障系数，确保实际健康指数较理论指数更大。二是油质健康指数，对该指数进行计算所需参数，主要有酸值、击穿电压警示值和微水值。

老化健康指数所反映内容为变压器老化程度，若固体绝缘急速老化，变压器将出现绝缘水平还有击穿电压下降的问题，对该指数进行计算前，通常要明确初始指数、老化常数、修正系数和运行时间。而获得油质健康指数的方式，主要是酸值、击穿电压还有微水测试，通常被用来说明绝缘油性能，此外，油质试验还能够帮助工作人员及时发现设备所存在老化及受潮问题。

3.2.2 根据中间环节与评估结果确定检修对象

对检修对象进行确定时，既要考虑风险阈值、健康指数，还要考虑缺陷、预试等关键参数以及子健康指数，相关设备清单如下：其一，子健康指数较某阈值设备更大。结合风险评估原理可知，若存在中间参数较特定阈值更大的情况，则表明设备有缺陷或故障存在。其二，在特定时间范围内健康指数增速过快，可推断出该设备将进入急速老化期。

4 结论

建立并应用健康指数模型的研究，在项目评估、参数论证等方面，均发挥着重大作用，真正做到了既符合各地实际情况，又使评估结果所具有准确性得到显著提升。有关人员可通过评估的方式，对变压器当前状态进行全方位了解，根据自身所掌握评估方法与工序，视情况对其进行推广。随着管理输变电设备的体系走向完善，电网安全性自然较之前更接近理想水平，这对社会发展有重要意义。