基于故障樹與電氣試驗的變壓器可靠性分析

楊子騰 鄭小立 成 誠 毛 弟

（1、國網寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011 2、寧夏中科恒瑞智能科技有限公司，寧夏 銀川 750011）

電力變壓器具有輸送大量電能的作用，屬于電子系統的關鍵輸變電設備，其運行可靠性對系統安全具有直接影響。在電網飛速發展下，大容量變壓器數量不斷增加，受運輸、安裝等多種因素影響很容易發生故障造成停電，為人們生產生活帶來諸多不便。對此，可將故障樹分析法引入其中，通過試驗方式進行電力變壓器故障診斷，由此提高變壓器可靠性，促進整個電網的安全穩健運行。

1 故障樹分析法

1.1 故障樹建造

該法通過因果圖形的方式進行分析，圍繞系統故障成因，由整體到局部、以樹枝的方式逐漸細化出來，通過探究薄弱環節與系統最優化預測和診斷故障，十分安全可靠，在故障防范、控制與分析等方面效果顯著。故障樹建造作為分析法的核心所在，建造程度對定性、定量分析效果具有直接影響。在建造過程中，探尋系統故障與誘發故障因素間的邏輯關系，并依靠圖形符號的方式，將系統故障因素與傳遞間的邏輯關系充分體現出來。通過建造故障樹，可確定主要事件與其他事件間的關系，一般可分為并聯、串聯、混合三種類型。

1.2 故障樹評估

故障樹不但可對系統可靠性進行定性分析，還適用于定量分析。前者的重心在于主事件的核心要素，后者的重心為主事件發生概率。在定性分析中，可采用最小割集法探尋系統的不足之處，并準確找出影響可靠性的關鍵因素。一般情況下，依靠Fussel 算法計算最小割集，主要原理為故障樹增加割集數量與增加割集容量，由主事件開始，自上而下，逐漸將上一級事件轉移到下一級，如若出現與門則將輸入事件以并列形式寫出；如若出現或門則將事件以串聯形式寫出，直至將全部邏輯門均傳輸到底事件內，最后一列代表全部割集，將割集簡化后獲得最小割集，利用Fussell 算法求解。主事件發生概率可用公式表示為：

式中，N 代表的是最小割集數；MCSi 代表的是第i 個最小割集；P(MCSi)代表的是MCSi 的發生率；P(T)代表的是主事件發生概率[1]。

2 電力變壓器故障診斷試驗

2.1 直流電阻試驗

以某地66kV 興民變電站#1 主變試驗為例，變壓器等效電路如圖1 所示。S 為閉合開關，R 為電阻，L 為繞組電感，i 為通過繞組的直流電流。因有載分接開關內部不良導致缺陷處產生不規則變化，對此，技術人員針對有載分接開關進行拆分，發現觸位置出現明顯氧化跡象，對氧化膜處理后，發現互差明顯降低，之前異常位置也降低到規定值內。

圖1 實驗等效原理圖

據調查，該變壓器已經運行22 年，內部零件破損老化，發生異常情況的檔位不經常動作，但長期累計效應影響，在觸頭位置已經形成一定厚度的氧化層，如若發現不及時，在運行期間如若恰好動作到故障之處，在較大電阻影響下勢必導致觸頭發熱，受高溫影響有載分接開關的絕緣位置劣化，致使變壓器使用中發生故障，由此產生負荷損失。通過直流電阻測量儀進行繞組直流電阻檢測，可準確檢測出有載開關存在的缺陷問題，并與試驗數據相結合明確定位，以免導致缺陷擴大，該儀器應用原理如圖2 所示。

圖2 直流電阻測量儀原理圖

2.2 介質損耗因數試驗

在變壓器狀態檢測中，該項試驗可對設備絕緣整體受潮、套管內部貫通情況進行檢測。在交流電壓作用下，可將其等值劃分為一個RC 并聯回路，將電流分為兩個部分，一個是通過Cx的Ic，另一個是經過電阻Rx 的IR，介質損耗因素是流過電介質中有功與無功電流分量構成的正切值，可將變壓器油受污染、受潮情況真實的反映出來，原理如圖3 所示。

圖3 介質損耗因數測量原理圖

在實際應用中，以66kV 榮華變電站#2 主變例行試驗為例，發現該變壓器介質損耗因數較大，且絕緣電阻值較低，對介質損耗進行測量后，發現一次/二次地、二次/一次地、一次/地、二次/地的結果均為“不合格”。與前五年例行試驗數據進行對比，發現電容量沒有顯著改變，介質損耗因數顯著提升，且大于注意值的0.8%，為不合格。因高壓試驗結果不佳，為準確找到缺陷位置，針對變壓器油的耐壓值、水含量等進行檢測。根據檢測結果可知，油介質損耗因數、擊穿電壓值均與規定不符，結果為“不合格”，剩余項目為“合格”。因變壓器現已運行22 年，上述故障主要因絕緣不良所致，對變壓器油進行更換后，介質損耗值恢復正常，如表1 所示[2]。

表1 變壓器油更換后介質損耗數據

2.3 油中溶解氣體試驗

對于66kV 和220kV 變壓器來說，大多數采用油浸式變壓器，內部利用油紙絕緣，并整體浸泡到變壓器油內，變壓器油在與鐵芯、繞組接觸后會產生變化，影響散熱性、絕緣性的發揮。為檢測這一故障，可對油內溶解氣體進行試驗，由此發覺設備內部的潛在故障。在變壓器油中溶解氣體包括CH4、N2、C2H6、C3H6等氣體，其中氧氣與氮氣源于空氣溶解，C02源于變壓器運行中油紙等材料老化分解，還會產生一些氫氣與烴類氣體。因變壓器內部有機物鍵較大，在常規情況下不會受損，但若設備過熱或者受雷電因素影響，很可能導致化學鍵受損，產生小分子烴類氣體、氫氣等，由此導致設備故障。

在電氣試驗過程中，選用氣相色譜法對油內溶解氣體進行分析，此法具有高靈敏度、高效能、高精度等特征。在氣相色譜分析過程中，還應通過復雜脫氣將油中的氣體分離出來，獲得平衡氣，再科學檢測分離后的氣體，標定各類已知組分濃度，將平衡器灌入儀器內分析組分，明確氣體內各類組分的濃度。在實際檢修期間，不但要在實驗室中定期分析油中溶解氣體，還可利用變壓器油色譜在線監測系統，該系統可為各個220kV 變壓器準備獨立的油氣分離、監測裝置，可直接應用到油循環系統內，持續不斷的分析油內溶解氣體，采集濃度趨勢圖、色譜圖等信息，再借助網絡將信息上報給終端。

3 故障樹基礎上變壓器可靠性評估

在變壓器可靠性評估期間，先要確定該設備的可靠性指標，如失效率、可靠度、無故障時長等等。其中，可靠度代表的是設備持續運行后無故障概率，與故障概率互為余數；失效率是設備在特定時間內的故障概率，即故障設備數量與非故障設備量的比值；平均無故障時長與壽命相關，壽命不但是將設備投運到故障發生時間的非負隨機變量，其數學期望即無故障時長。假設壽命T 與指數分布相符，在創建故障樹模型后，可利用該模型獲得故障最小割集C＝ {A1,A2,A3 , …,E4,E5,E6}, 最小割集數量為27，假設概率值分別為P1＝P（A1）P27＝P（A27），主事件發生概率可表示為：

在明確底事件故障率的情況下，便可得出變壓器故障了，進而明確該設備的可靠性。為準確評估變壓器可靠性，對各個部件的關鍵性進行分析。結合變電站對故障數據的統計，根據每年此類故障間隔時間得出失效率。通過計算可知，變壓器失效率均值為0.450394，可靠度為0.55。如若變壓器使用壽命為15年，則總失效率為0.04 次/臺/年；無故障運行時間為25 年左右，超過這一時間后設備故障概率便會顯著增加，需要加大檢修力度。在對變壓器整體故障進行研究后，還要對故障中間事件進行分析，對失效概率進行統計，使設備薄弱環節得以確定。同樣的道理，用公式（2）對中間事件故障率進行計算，如表2 所示[3]。

表2 中間時間故障率分布

根據表2 數據可知，變壓器不同位置的失效率、無故障時間均值有所區別，這意味著設備內各個部件與整體的關聯不同，產生的影響自然存在差異。失效率對整體運行的影響程度由大到小分別為繞組、鐵芯、變壓器油、分接開關、附件。由此可見，變壓器繞組對其運行可靠性產生的影響最大。對此，在變壓器檢修期間，應有側重點的開展檢修工作，同時還要根據變壓器薄弱進行針對性檢測，靈活調整電氣試驗手段與檢修周期。例如，因繞組失效率為最高，無故障運行時間為6.7 年，為提高變壓設備運行可靠性，可將檢修周期定為6 年，利用頻響法進行檢測。再如，附件故障的失效率最低，無故障運行時間為12.36 年，可將檢修周期定位12 年，與繞組檢修相比延長一倍。同樣的道理，可對變壓器其他部件確定相應的檢修周期，及時發現潛在故障，提高運行可靠性[4]。

4 結論

綜上所述，在變壓器日常檢修與診斷期間，根據設備故障情況創建故障樹模型，并與故障數據統計相結合，對其可靠性進行定量分析，尋找薄弱環節。在本文研究中，發現變壓器的薄弱之處為繞組與鐵芯，其運行狀態對整個變壓設備具有較大影響。對此，應適當縮短此類部件的檢修周期，優化檢修方案，促進檢修效率提升，使變壓器運行更加穩定可靠。