變壓器的老化失效及其備用規(guī)劃研究

陳法池　李林發(fā)　鄧世聰

摘 要：針對(duì)南方某電網(wǎng)部分220kV變電站內(nèi)的主變壓器構(gòu)成的變壓器設(shè)備組，應(yīng)用可靠性準(zhǔn)則，進(jìn)行共享變壓器備品策略分析。在計(jì)算各臺(tái)變壓器的不可用率時(shí)，綜合考慮變壓器的可修復(fù)失效和老化失效的影響；采用狀態(tài)枚舉法對(duì)變壓器組進(jìn)行可靠性分析；最后基于電網(wǎng)公司可靠性要求給定一個(gè)變壓器組失效判定準(zhǔn)則，確定在未來(lái)規(guī)劃年限內(nèi)備用所需變壓器的數(shù)量及就位時(shí)間。算例分析表明，應(yīng)用文中的備用策略既合理利用了變壓器資產(chǎn)，又充分保證了電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：變壓器；老化失效；備用規(guī)劃

引言

變電站設(shè)備備用規(guī)劃一直是困擾電力公司資產(chǎn)管理決策者的一大難題。至今，大多數(shù)電力公司在這一領(lǐng)域采用的是以經(jīng)驗(yàn)為主、固定備額的方法。變壓器是變電站內(nèi)最重要的設(shè)備，在變電站規(guī)劃這個(gè)層面，很多問(wèn)題都涉及變壓器由輸電網(wǎng)向配電網(wǎng)用戶(hù)可靠傳輸電能的充裕性[1-3]。一旦變壓器失效，其修復(fù)或更換過(guò)程通常要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，對(duì)用戶(hù)用電的影響也最大。因此，做好變壓器的備用規(guī)劃對(duì)控制電網(wǎng)的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，保障對(duì)用戶(hù)的持續(xù)供電，降低變壓器失效對(duì)電網(wǎng)的影響意義重大。而采用傳統(tǒng)的基于工程經(jīng)驗(yàn)的備用方法，雖然簡(jiǎn)單便捷，但無(wú)法合理確定備品數(shù)量，如果備用不足，將會(huì)增大系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，如果備用過(guò)剩將會(huì)造成資金浪費(fèi)。

為此，文章選擇基于可靠性準(zhǔn)則的共享備用變壓器策略對(duì)南方某電網(wǎng)部分220kV變電站的主變壓器進(jìn)行備用分析。首先，根據(jù)在運(yùn)行的和退役的變壓器數(shù)據(jù)構(gòu)造基于服役年齡的威布爾分布老化失效模型，建立服役年齡與老化失效不可用率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；然后，同時(shí)考慮變壓器老化失效不可用率和可修復(fù)失效不可用率，評(píng)估電壓等級(jí)、結(jié)構(gòu)和容量均相同的變壓器組的失效概率；最后，根據(jù)設(shè)定的可靠性準(zhǔn)則，提出了確定備用變壓器所需臺(tái)數(shù)和就位時(shí)間的合理經(jīng)濟(jì)的備用策略。

1 變壓器的老化失效

1.1 變壓器的老化失效不可用率

變壓器失效模型分為老化失效和可修復(fù)失效[2，4]。老化變壓器故障概率較高，會(huì)對(duì)變壓器組的可靠性評(píng)估產(chǎn)生較大的影響，忽略變壓器的老化失效會(huì)過(guò)高估計(jì)變壓器組的可靠性，從而給電網(wǎng)的安全運(yùn)行埋下潛在的隱患。由變壓器的老化失效引起的不可用率取決于設(shè)備的服役年齡和需要考慮的后續(xù)時(shí)間區(qū)間。基于服役年齡的變壓器的老化失效概率可用威布爾分布模型進(jìn)行模擬，用（1）式進(jìn)行計(jì)算[5]：

（1）式中α和β分別表示變壓器老化失效威布爾模型的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)，用于估計(jì)在未來(lái)d時(shí)間段內(nèi)的老化失效不可用率，在計(jì)算時(shí)d通常取為一年；N為將時(shí)間段d等分的子時(shí)間段數(shù)， x表示時(shí)間間隔；Qk為時(shí)間段d內(nèi)的第k個(gè)子時(shí)間段的失效概率；LI為變壓器的服役年齡。

1.2 威布爾分布模型參數(shù)的估計(jì)

計(jì)算變壓器老化失效不可用率首先要確定威布爾分布模型的尺度參數(shù)α和形狀參數(shù)β，利用電網(wǎng)內(nèi)正在運(yùn)行的變壓器和已經(jīng)退役的變壓器的歷史統(tǒng)計(jì)信息，運(yùn)用一些優(yōu)化方法可以比較方便準(zhǔn)確地對(duì)威布爾分布模型的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。具體的計(jì)算過(guò)程介紹如下[6，7]：

（1）統(tǒng)計(jì)正在運(yùn)行的變壓器和退役變壓器的服役年齡；

（2）建立一個(gè)包含以下內(nèi)容的表：第一列：服役年齡；第二列：與服役年齡相對(duì)應(yīng)的變壓器的存活概率。從第一步準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)中可以獲得每年正常運(yùn)行的變壓器的數(shù)目和那一年退役的變壓器的數(shù)目。變壓器每年老化失效的概率為當(dāng)年退役的變壓器的數(shù)目除以當(dāng)年所有的變壓器的數(shù)目。那么，當(dāng)年變壓器的存活概率為1減去當(dāng)年變壓器的累積失效概率。

2 變壓器備用規(guī)劃策略的制定

備用規(guī)劃采用設(shè)備組公共備用的策略。選擇地理位置相近的變電站，讓其中電壓等級(jí)、結(jié)構(gòu)和容量相同的變壓器共享備用，一旦變電站出現(xiàn)一臺(tái)或多臺(tái)變壓器失效，附近一臺(tái)或多臺(tái)備用設(shè)備能及時(shí)地安裝投入運(yùn)行，以確保變電站正常運(yùn)行。根據(jù)每臺(tái)變壓器的綜合失效不可用率，可以用狀態(tài)枚舉法評(píng)估在有備用和沒(méi)有備用的情況下變壓器組的失效概率和成功概率。

變壓器組的備用規(guī)劃包括以下幾個(gè)步驟[1]：（1）選定合適的變壓器組可靠性準(zhǔn)則；（2）根據(jù)地理位置劃分變壓器組；（3）利用第1節(jié)的方法計(jì)算變壓器組中每臺(tái)變壓器的綜合不可用率；（4）評(píng)估有備用和沒(méi)有備用情況下整個(gè)變壓器組的失效概率；（5）對(duì)規(guī)劃期間內(nèi)所有年份重復(fù)步驟（3）和（4）；（6）根據(jù)選定的可靠性準(zhǔn)則，對(duì)比有備用情況下變壓器組在不同年份的成功概率。通過(guò)對(duì)比確定所需備用變壓器的臺(tái)數(shù)和就位年份。

3 算例

以南方某電網(wǎng)220kV變電站內(nèi)的部分主變壓器作為分析算例，將2015年作為起始年展開(kāi)分析。根據(jù)變電站的地理位置分布，把這些變壓器分為3個(gè)設(shè)備組進(jìn)行備用分析，分組情況如表1所示。

根據(jù)南方某電網(wǎng)在運(yùn)行的變壓器和退役的變壓器的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，按照1.2節(jié)介紹的方法，估計(jì)得到變壓器老化失效威布爾分布模型的參數(shù)為α=44.7939，β=3，變壓器的故障率為0.0065次/臺(tái)年，變壓器的平均修復(fù)時(shí)間為768h，則可修復(fù)失效不可用率約為0.0006。設(shè)定2016年到2025年為規(guī)劃年限，分別計(jì)算未來(lái)規(guī)劃期間每年各臺(tái)變壓器的老化失效不可用率，結(jié)合已求出的可修復(fù)失效不可用率計(jì)算每年的綜合失效不可用率。最后計(jì)算得到有備用和沒(méi)有備用情況下整個(gè)變壓器組的失效概率列于表2中。

若電力公司設(shè)定可接受的變壓器組失效概率為1%，那么根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果可以確定所需備用變壓器的數(shù)量和就位時(shí)間。對(duì)第1組變壓器組來(lái)說(shuō)，2016年首次需要準(zhǔn)備1臺(tái)備用變壓器，2023年開(kāi)始需要準(zhǔn)備第2臺(tái)備用變壓器；對(duì)第2組變壓器組來(lái)說(shuō)，2016年首次需要1臺(tái)備用變壓器，2023年需要準(zhǔn)備第2臺(tái)備用變壓器；對(duì)第3組變壓器組來(lái)說(shuō)，在2016年首次需要1臺(tái)備用變壓器，2025年開(kāi)始需要準(zhǔn)備第2臺(tái)備用變壓器。總的來(lái)看，電力公司在2016年需準(zhǔn)備3臺(tái)備用變壓器，到2023年需準(zhǔn)備2臺(tái)備用變壓器，到2025年需準(zhǔn)備1臺(tái)備用變壓器。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章將基于可靠性準(zhǔn)則的電力設(shè)備備用規(guī)劃方法應(yīng)用于變壓器組的備用分析。考慮老化失效和可修復(fù)失效計(jì)算變壓器的不可用率，介紹了模擬變壓器老化失效的威布爾分布模型以及威布爾分布模型尺度參數(shù)和形狀參數(shù)的估計(jì)方法，給出了基于可靠性準(zhǔn)則，采用共享設(shè)備組備用進(jìn)行備品規(guī)劃分析的步驟。通過(guò)對(duì)南方某電網(wǎng)220kV變電站內(nèi)部分變壓器構(gòu)成的設(shè)備組的實(shí)例分析，確定了規(guī)劃期內(nèi)最佳的變壓器備用數(shù)量及其就位時(shí)間，該策略在減少了備用投資的同時(shí)，還能保證電網(wǎng)的可靠運(yùn)行，確保向用戶(hù)持續(xù)可靠供電，既提升了該供電公司的資產(chǎn)管理水平，也能幫助該供電公司樹(shù)立良好的社會(huì)形象。

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