第２６卷第ｌ１期 ２０１０年１１月 电网与清洁能源 Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｃｌｅａｎ Ｅｎｅｒｇｙ 一
Ｓｍａｒｌ Ｇｒｉｄ
Ｖｏ１．２６ Ｎｏ．１１ ＮＯＶ．２０１０
文章编号：１６７４—３８１４（２０１０）１１－００３７—０７ 中图分类号：ＴＭ４０６
变压器健康状况评估与剩余寿命预测 文献标志码：Ａ
梁博渊１，刘 伟２，杨欣桐１
（１．华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定０７１００３；２．河北省电力研究院，石家庄０５００２１）
Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ａｎｄ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｌｉｆｅ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ
ＬＩＡＮＧ Ｂｏ－ｙｕａｎ ，ＬＩＵ Ｗｅｉ ，ＹＡＮＧ Ｘｉｎ－ｔｏｎｇ
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ ０７１００３，Ｈｅｂｅｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｈｅｂｅｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００２ １，Ｈｅｂｅｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ａ ｔｈｒｅｅ－－ｔｉｅｒ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆｔｒａｎｓｆｏ１３＂ｎｅｔ ｃｏｎｄｉ－ ｔｉｏｎ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｈｅａｌｔｈ ｉｎｄｅｘ ｆｏｒｍｕｌａ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅ１．ａｎｄ ｔｈｅｎ ａ ｆｏｒ＿ ｍｕｌａ ｉｓ ｄｅｒｉｖｅｄ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｌｉｆｅ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ ｈｅａｈｈ ｉｎ— ｄｅｘ ｆｏｒｍｕｌａ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｔｈｕｓ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｓｓｅｓｓ— ｍｅｎｔ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｌｉｆｅ ｆｏｒ ａ ５００ ｋＶ ｔｒａｎｓ— ｆｏｒｍｅｒ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｉｓｅｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｒｅ ｆｏｕｎｄ ｔｏ ｂｅ ｉｎ ｃｏｎｆｏｒｍｉｔｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ；ｒｅｓｉｄｕａｌ ｌｉｆｅ 摘要：建立了变压器健康状态三级评估模型，在模型中引入 了电力设备健康水平指数计算公式，然后对公式进行推导， 得出剩余寿命、未来健康指数公式，并应用所建立的模型对
一座５００ ｋＶ变电站变压器的健康水平指数、剩余寿命、未来 健康状况进行分析和计算，经验证评估，结果与设备的实际 情况相符。 关键词：电力变压器；状态评估；剩余寿命
０ 引言
随着电压等级的提高和电网规模的扩大，对电
网内运行设备，尤其是核心设备电力变压器的可靠、
健康运行提出了更高的要求。通过对变压器进行剩
余寿命分析、状态评估并采取相应的寿命延长技术，
可以有效地提高变压器的可靠性与经济效益。
目前，国内外专家学者通过神经网络、模糊理
论、贝叶斯网络、专家系统、粗糙集理论等方法，结合
对变压器预防试验数据、运行工况等建立相应的变
压器故障诊断或状态评估模型【】－６］，研究广泛，理论
基金项目：河北省电力公司重点科技项目（ｋｊ２００９—０３８）。 较为成熟。由于变压器结构本身的复杂性，以及导致
变压器突发故障原因的不确定性，对变压器剩余寿
命进行准确的分析预测十分困难，该领域目前的研
究主要是通过分析变压器糠醛含量来对变压器的固
体绝缘性能进行评估，再根据绝缘状况来确定变压
器的可靠性及剩余寿命。
本文建立了电力变压器状态评估的三级模型，
在评估模型中引入英国ＥＡ公司的电力设备健康状
况老化公式，根据老化公式，推导出基于健康状态值
的剩余寿命及故障率判断公式，并应用该模型对一
座５００ ｋＶ变电站变压器进行健康状态评估、剩余寿
命预测、未来健康状况预测。
１ 变压器状态评估信息的确定
电力变压器的老化通常是指绝缘的老化。变压
器投运后，电场和磁场共同作用，温度升高，负荷增
加，加快了变压器的老化进程；运行期间，偶然发生
的过电压、短路故障，导致变压器绕组瞬间大电流，
温度急剧升高，严重损坏了绝缘的耐压强度［７１。图１
形象模拟了变压器健康状况的老化进程。
对变压器老化进程进行研究分析后，进而确定
变压器的各个状态信息量，把状态信息分为基础信
息、运行信息、试验信息、故障缺陷信息４部分。
１１基础信息：基础信息为变压器自身所固有的
信息，包括变压器的额定容量、额定电压、额定电压
比、绝缘水平、空载损耗和空载电流、负载损耗和短
路阻抗、绕组联结组标号，同时还有冷却方式、变压 ■隧 鬃
Ｓｍａｒｔ Ｇｒｉｄ
梁博渊等：变压器健康状况评估与剩余寿命预测
器油温升、绕组温升，还包括制造厂家、出厂日期、投
运日期，及本系列设备的家族缺陷等。
图 电力变压器老化进程模拟图
２１运行信息：运行信息为变压器运行期间状态信
息的记录，包括变压器的负载隋况、变压器外部所在环
境隋况（温度、污秽等级）、冷却系统的工作状况和调压
开关的工作状况等其他辅助机构的状态信息。
３１试验信息：包括油化试验（酸度、击穿电压、
微水、介质损耗）信息、油色谱试验（氢气、甲烷、乙
烷、乙烯、乙炔）信息、糠醛试验信息。
４）故障缺陷：变压器最近５ ａ的各种故障信息（包
括故障大小、故障持续时间、维修更换情况等），如短
路故障（要有故障电流、故障时间记录，故障后的直
阻测试、电容量测试、频谱测试分析等）。
２变压器状态评估模型的建立
２ １～级谭估模型
本文将变压器状态评估模型分为三级。第一级
评估模型选用对变压器状态最重要的指标，这些指
标直接反映变压器主体的健康状况、投运的时间长
短及此期间健康值损失，包括生产厂家、型号规格和
设计寿命、投运年限、运行负荷、运行环境指标。具体
的评估模型如图２所示。
ＨＩ
圈２电力变压器健康状态评估一级模型
一级评估模型的评估结果为一个值在０～１Ｏ的 健康指数，其值与变压器的设计寿命、运行负荷、投
运年限、运行环境成一定的比例或指数关系。
２．２二级评估模型
二级评估模型主要针对油色谱试验数据、油质试
验数据、糠醛含量数据进行评估。这些试验数据是对
变压器健康状况的间接反映，把这些数据与标准数
据和前期数据进行比较，就可以反映出当前变压器
的健康变化情况，其评估模型的结构图如图３所示。
图３电力变压器健康状态评估二级模型
２．３三级评估摸型
三级评估模型如图４所示。三级评估主要用三个
系数 、 、 对一、二级模型评估出的健康指数进行
修正。 是外观状况修正系数，是由变压器主体反映
的实际状况得到的； 是故障及维修系数，是由变压
器前期的故障、缺陷情况，结合工区的维修、更换配
件等情况得到的； 是附件系数，是由变压器几个重
要附件的实际健康状况决定的。评估最终得出健康
指数ＨＩ、剩余寿＂ｂＥｏＬ。
Ｎｔ４电力变压器健康状态评估三级模型
３评估模型中系数与权重的确定
３ １ 健康水平指数计算公式
在本文所建立的评估模型中，引入了英国ＥＡ公
司的一个健康指数计算公式，该公式是基于设备老
化原理、体现设备健康水平指数随时间变化过程的 第２６卷第１１期 电网与清洁能源 ＿ 透叠
Ｓｍａｒｔ Ｇｒｉｄ
３９
一个经验公式，目前广泛应用于英国和北美电力设
备的健康状态评估。健康水平指数计算公式为：
ＨＩ＝Ｈ１０×ｅ烈 （１）
式中，ＨＩ。为设备的初始健康水平指数；ＨＩ为设备最
终的健康水平指数； 为老化系数；Ｔ１为与全新设备
ＨＩ （寸应的年份，一般为设备投运年份； 为与所要
计算的对应的年份，可为当前年份，也可为未来年份。
健康水平指数的取值范围为０～１０，其值越低表示
的设备状态越好。健康水平指数处于０￣３表明设备状态
良好；健康水平指数处在３．０￣６．５表明设备已经出现比
较明显的老化现象，且老化过程开始明显上升；健康水
平指数 ５时，表明设备已经出现严重的老化现象，在
此状态下，故障发生概率明显上升。
３．２评估模型中各指标权重的确定
本文所建立的变压器状态评估模型是分层次的
多指标综合评判，需要赋予各指标合理的权重，以
正确反映它们在同一层次评估中不同的重要性。本
文通过多位专家群组决策，采用层次分析法 对各
指标赋予权重，计算结果见表１、２。
表１ 变压器油色谱试验主要气体杈重表
表２变压器油质试验各因素权重表
３．３一级评估模型中各系数的确定
１）老化系数 的确定。由式（１）可得：
船 （２）
设 一Ｔｌ，为基于变压器设计运行年限的预
期运行年限。假设当变压器运行 年后，其健康状
态明显劣化，处于寿命的终结，此时其健康指数ＨＩ
将达到６．５，事故率非常高，马上就要坏掉。变压器初
始健康水平指数ＨＩ。为变压器投运时的健康指数，一
般取０．５。由此，式（２）满足如下关系： （３）
２）设备预期寿命 的确定。电力变压器在进
行产品设计时，就已经基本确定了其使用寿命。但不
同的生产厂家、不同的生产技术及工艺都可能对所
生产的设备的质量和寿命造成一定的影响；此外，即
使是在同一时间、同一工厂生产的不同批次的产品
都可能存在质量上的差异，因此，在考虑设备的设计
寿命时，本文先通过用户对设备质量的掌握情况，根
据设备的厂家和型号规格设定一个预期的使用寿命
７ ，再利用负荷系数和环境系数对其进行修正：
唧＝彘 （４）
在设备正常运行、没有外来因素（如出口短路等）
影响的情况下，电力变压器的负荷对其健康状况的
影响起决定作用。一般来说电力企业对变压器的负
荷情况管理比较严格，变压器负荷率用百分比表示，
通常控制在４０％～６０％最佳。变压器负荷系数取值见
表３。
表３变压器负荷系数表
变压器负荷率，％ 负荷系费 ０～４Ｏ ４０－６Ｏ ６ ７Ｏ ７０－８０ ８０～ｌ５０ １．００ １．０５ １．１Ｏ １．２５ １．６０
变压器负荷率是指变压器运行中所承载的平均
负荷与变压器额定容量之比：
卢： （５） ．）额 ３）环境系数的确定。不同地区、不同环境污染
程度、年平均气温、湿度、当地的污秽等级对变压器
的安全运行、使用寿命都有较大影响。对环境温度的
要求是：最高气温４０℃，最高日平均气温３０℃，最高
年平均气温２０ ｃＩ＝，最低气温一２５℃。高相对湿度易繁
殖霉菌，影响金属的耐腐蚀性能。污秽较严重的地
区，比如附近有水泥厂，空气中灰尘含量对外部绝缘
套管有很大影响，环境系数取值见表４。
在得出老化常数Ｂ之后，根据变压器健康指数
公式得出老化健康指数ＨＩ ：
ＨＩ，ＨｉｏｘｅＢＸ（ｒ￣－ｒ＇）＝０．５＝Ｈｌｏｘｅ ５ｘｅ戤 （６） ， ． （６）
式中，△劝设备的投运年限。