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第4O卷第19期2012年10月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlv01.40NO.19Oct.1.2012基于故障树分析的电力变压器可靠性跟踪方法周宁,马建伟,胡博。,缪书唯。(1.河南电力试验研究院,河南郑州450052;2.华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定071003;3.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆400044)摘要:电力变压器是电力系统中最重要的输变电设备之一,提高电力变压器的可靠性,对整个电网的安全可靠运行具有重要意义。提出了基于故障树分析的系统不可靠性跟踪和薄弱环节辨识方法。给出了应用故障树评估系统可靠性指标的最小割集法提出了适用于故障树分析的系统不可靠性指标比例分摊准则和系统不可靠性指标跟踪算法。根据变压器结构、各部件功能和故障模式分析,建立了变压器故障树模型。对变压器进行了可靠性跟踪算例分析,确定了影响变压器可靠性的关键部件,辨识了变压器薄弱环节。关键词:故障树;变压器;可靠性跟踪;薄弱环节辨识;最小割集ReliabilitytracingtechniqueforpowertransformersusingthefaulttreeanalysismethodZHOUNing ̄,2MAJian-wei,HUBo。MIAOShu-wei3(1.HenanElectricPowerResearchInstitute,Zhengzhou450052,China;2.SchoolofElectricalandElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071003,China;3.StateKeyLaboratoryofPowerTransmissionEquipment&SystemSecurityandNewTechnology,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)Abstract:Powertransformerisoneofthemostimportantpowertransmissionandtransformationcomponentsinpowersystems.Thereliabilityimprovementofpowertransformermakessignificantcontributionstothesafetyandreliableoperationoftheoverallpowersystem.Anewmethodisdevelopedfortracingthereliabilitycontributionsofsystemcomponentsandrecognizingthesystemweakpartsusingthefaulttreeanalysis(FTA).Theminimu.mcutset(MCS)algorithmisusedtoevaluatethesystemreliabilityusingtheFTA。TheproportionalsharingprincipleandunreliabilitytracingalgorithmforFTAareputforward.Thefaulttreeforatransformeris’constructedbasedontheanalysisoftransformerSconfiguration,thefunctionofeachpart,andthefailuremode.Thekeypartsinfluencingthereliabilityandweakpartsofatransformerarerecognizedbytheproposedtechnique.Keywords:faulttree;transformer;reliabilitytracing;recognizingweakparts;minimalcutset中图分类号:TM41文献标识码:A文章编号:1674.3415(2012)19.0072.060引言大型电力变压器担负着大量电能的输送,是电力系统中最重要的输变电设备之一,其可靠性直接关系到电力系统的安全可靠运行。随着电网的迅速发展,单台高电压、大容量的变压器越来越多地投入电网运行,与此同时,由于制造、运输、安装和维修质量等因素造成的电力变压器故障不仅影响电力系统的输电能力,还可能造成电力系统的大规模停电,给电力系统和国民经济带来巨大损失。因此,提高电力变压器的可靠性,对整个电网的安全可靠运行具有十分重要的意义L1弓J。目前,关于电力变压器可靠性研究可分为定性分析和定量评估两方面。在定性分析方面,中国电力可靠性管理中心根据历年统计数据对变压器运行可靠性指标及变压器可靠性影响因素进行了分析,按部件分析了变压器非计划停运情况,指出变压器故障主要集中于变压器绕组、套管、绝缘介质、冷却装置、铁芯、分接开关、调节装置、油枕等部件【4.引。在定量分析方面,国内外学者也取得了一定—研究成果J:文献『914]均通过故障树分析法对电力变压器可靠性进行了分析,这些文献根据变压器各部件的部位和功能以及变压器故障模式,将变压器划分为绕组、套管、冷却系统、铁芯、分接开关、绝缘介质等子系统,建立变压器故障树模型实现变压器的可靠性评估分析;文献[15]将变压器所处的周宁,等基于故障树分析的电力变压器可靠性跟踪方法.73.使用状态分为正常运行、绕组故障、预防性试验等11种状态,针对变压器可靠性指标统计数据,结合马尔科夫过程原理,运用频率和持续时间法建立了变压器可靠性评估模型。对设备进行可靠性研究,不仅要对它的一些可靠性指标例如故障概率、故障频率等做出评估,更重要的是要找出对其可靠性影响较大的因素,辨识薄弱环节,从而确定提高该设备可靠性的对策,包括设计制造和运行维护两方面宜采取的措施。所谓可靠性跟踪就是运用跟踪思想科学合理地确定各元件与系统可靠性指标之间的分配关系,确定“”元件对系统不可靠性指标的贡献。已有文献将可靠性跟踪理论用于电力系统可靠性研究中[16-18】:文献—【1617]提出可靠性跟踪的比例分摊准则,辨识对系统“”不可靠性贡献最大的元件;文献[181讨论了HVDC输电系统可靠性跟踪方法,提出基于比例分摊思想的系统不可靠性跟踪准则,基于该准则得到各子系统、元件对直流输电系统可靠性指标的分摊。变压器可靠性跟踪就是确定换流变压器各部件“”对(可能发生的)故障事件的贡献大小,进而确定影响换流变压器可靠性的关键部件,为换流变压器薄弱环节辨识等提供量化依据。当前针对变压器可靠性跟踪的研究较少,仅有文献【19]提出的基于故障树法的变压器可靠性评估,该文献计算了变“”压器各部件对换流变压器不可用率贡献的大小,但是该文献仅通过变压器各部件故障率在变压器故障率中所占的比例来评估各部件对变压器不可靠性“”应承担的责任,未计及各部件修复时间的不同。本文提出了基于故障树分析的系统可靠性跟踪和薄弱环节辨识方法。根据变压器结构、各部件功能及故障模式分析,建立了变压器故障树模型,进行了变压器可靠性跟踪计算分析,并根据可靠性跟踪结果辨识了变压器薄弱环节。1故障树分析1.1故障树建造故障树法是一种由果到因的图形演绎分析方法,是对系统故障形成的原因采用从整体至局部、按树枝状逐渐细化分析的方法。它通过分析系统的薄弱环节和完成系统的最优化来实现对设备故障的预测和诊断,是一种安全性和可靠性分析技术,对于系统故障的预测、预防、分析和控制效果显著,广泛用于大型复杂系统可靠性、安全性分析和风险评价[20-21]。故障树的建造是故障树分析法的关键,故障树建造的完善程度将直接影响定性分析与定量分析的准确性。故障树建造过程即是寻找系统故障和导致系统故障的诸因素之间的逻辑关系的过程,并且用故障树的图形符号(事件符号与逻辑门符号)抽象表示实际系统故障组合和传递的逻辑关系。图1(a)给出了故障树的事件类型和逻辑门符号。图1(b)为一故障树实例。通过故障树的建造过程可确定顶事件和其他事件间的逻辑关系。事件问的逻辑关系有并联、串联和混合三种。V-7of!)口故障事件底事件或fq与门(a1事件和逻辑门符号(b)故障树实例图1故障树事件和逻辑门符号及故障树实例Fig.1Eventsymbolsinfaulttreesand8I"1exampleoffaulttree1.2故障树评估故障树既可用于系统可靠性的定性分析,又可用于定量评估。定性分析致力于顶事件的关键因素或关键事件分析,而定量评估主要用于评估顶事件发生的概率。最小割集法(theMinimalCutSets,MCS)可用于故障树的定性分析。最小割集是导致顶事件发生的最小事件组合。通过最小割集可辨识系统的薄弱环节和影响其可靠性的关键部件。故障树的最小割集可fl ̄Fussel算法_2J求得,其基本原理为故障树的或门增加割集数目,与门增大割集容量(割集中包含的底事件数目)。从故障树的顶事件开始,由上到下,顺次把上一级事件置换为下一级事件,遇到与门将输入事件横向并列写出,遇到或门将输入事件竖向串联写出,直到把全部逻辑门都置换成底事件为止,此时最后--YU代表所有割集,再将割集简化、吸收得到全部最小割集。采用Fussell算法求解图1(b)所示故障树的最小割集,具体见表1。故障树顶事件的发生概率尸(可表示为……P(r1=P(MCSluMCS2UUMCSiLJUMCSu)(1).74..电力系统保护与控制表1Fussell法求解步骤Table1SolutionprocedureoftheFussellmethod分析步骤最小割集TM1M2x4M2xaxlx4xtlx4Lx4xiMCS{X4,I)M3M2x4M5x4x3x5x4x3x54x35x435MCS{3,X2,XI}M3xlX3M4XIX32l3X2lX3X2IMCS{3,5)M3M5x3IVhM5x3x5xIx3X5xIx3x5x1x3x2M5x3x2x3x5x2x3x5x3xsMsx3x5x3x5X3x5Ⅳ…式中:是最d, ̄Jl集数;MCSt(i=1,2,,加是故障树第i个最小割集;P(MCSi)为MCSi的发生概率。2故障树可靠性跟踪准则文献[18】提出了电力系统可靠性跟踪不可靠性指标的比例分摊准则,同样适用于故障树模型的可靠性跟踪。根据比例分摊准则,底事件溉对顶事件概率指标的贡献一为屯酱P(xj,~Xh…XjlXh,2)-一=_了__’’…’J式(4)即为故障树模型的可靠性跟踪准则。应用式(1)可将顶事件的概率分摊到底事件中。由式(2)可以看出,上述可靠性跟踪准则具有两个重要特征:(1)对称性,即P(x3只是一个符号,可以代表任何底事件。(2)同一性,即依据该准则可实现顶事件概率指标的完全分摊,如式(3)所示。∑…P()三P(xi,,Xj2,,)(3)∈X3故障树可靠性跟踪算法假设故障树底事件和最小割集数分别为和N。由式(2)可知,Ⅳ有2_1项。应用式(2)可得任意底事件Xi对顶事件概率P(的贡献。式(2)包括的所有展开项的可靠性指标跟踪表示为(UnreliabilityTracingSharingFactor,UTSF)为(5=,其表达式为P—UTSF;=Lx100%(5)∑=lUTSF表征每个底事件对系统不可靠性指标贡献的大小。底事件UTSF指标越大,其对系统不可靠性承担的责任越大。(F指标较大的底事件即为系统的薄弱环节。故障树可靠性跟踪算法流程如图2所示。.图2故障树可靠性跟踪算法2一lFig・2um。liabil仃acinglgorithmforfaulttree(一)(4)4算例分析式中,m为式(2)中第项最小割集数。根据式(4),可得所有底事件不可靠性指标的跟…踪为{,,,)。定义第f个底事件不可靠性指标跟踪分摊因子4.1变压器故障树.变压器主要部件包括铁芯、绕组、套管、冷却系统、分接头装置、绝缘介质、油枕等。统计数据表明变压器故障主要集中在线圈、套管、调压装置、周宁,等基于故障树分析的电力变压器可靠性跟踪方法.75.铁心、绝缘介质、冷却装置、油枕等部件l4{】。文献[9】将变压器划分为器身、绕组、铁芯、有载分接开关、非电量保护系统、冷却系统、套管、油枕八大子系统;文献[101将变压器故障事件划分为引线故障、线圈故障、铁芯故障、套管故障、分接开关故障及其他故障六大类;文献[11]按变压器的故障部位将故障停运划分为绕组故障、铁心故障、套管故障、冷却系统故障、分接头调节装置故障、绝缘介质故障和其他故障共7种;此外文献[131也均对变压器故障按部件进行了分类。本文在变压器故障历史数据统计分析14-8]及文献『9.13]的基础上,结合变压器的组成部件和功能,对变压器故障按部件作如下划分:绕组、铁芯、套管、冷却装置、分接头调节装置、绝缘介质、油枕及其他8类。其中其他主要包括中性点设备、引出线、均压罩等部件故障。基于上述故障部件划分建立变压器故障树如图3所示。4.2可靠性参数中国电力企业联合会电力可靠性管理中心发布ElE2E3E4E5E6E7E8图3变压器故障树模型Fig.3Fault-treemodelfortransformer了1999年~2001年全国220kV及以上电压等级电力变压器运行可靠性指标分析及2000年~2003年全国220kV及以上输变电设施可靠性分析报告,分析报告中给出了1999年~2003年全国220kV及以上电压等级电力变压器统计数量及按部件分类的非计划停运次数、非计划停运时间统计数据,由此可得变压器各部件非计划停运率和平均停运持续时间,如表2和表3所示。表2变压器各部件非计划停运率Table2Unplannedfailurerateforeachpartoftransformer4.3可靠性跟踪结果采用4.2节给出的变压器可靠性参数,应用前述可靠性跟踪算法,计算得到变压器各部件对变压器概率指标的分摊列于表4。图4为变压器各部件对变压器故障概率指标贡献的对比分析。由表4所列数据及图4可知:绕组对变压器故.76一电力系统保护与控制“”障概率指标承担的责任最大,所占比例高达63.83%,这是由于绕组设计不当、绝缘薄弱、受大气过电压及操作过电压等因素影响易于发生短路故障,且维修工序复杂,需较长时间才能修复;其次表4变压器可靠性跟踪结果Table4Resultofunreliabilitytracingforatransformer63.8%■绕组●铁芯一套管■冷却装置瓣分接头调节装置瓣绝缘介质油枕其他图4变压器各部件故障概率指标贡献的对比图’Fig.4ComparisondiagramofeachpartScontributiontothefailureprobabilityofatransformer为套管,所占比例为15.44%,其余各部件所占比例均较小。由以上分析可知,变压器故障主要由绕组和套管引起,绕组和套管为换流变压器最大薄弱环节。因此,应加强对变压器绕组和套管的设计研制,提高变压器可靠性。同时在变压器实际运行中,也应重点监视、维护变压器的绕组和套管,尽可能减少变压器故障次数,提高变压器可用率。5结论本文提出了基于故障树分析的可靠性跟踪方法。该方法给出了系统不可靠性指标与各个部件间的直接分摊关系。不可靠性指标分摊结果和UTSF指标可表明每个部件对系统不可靠性的贡献,基于此辨识系统薄弱环节。根据变压器结构、各部件功能和故障模式分析,建立了变压器故障树模型。变压器可靠性跟踪结果表明,绕组为变压器最大薄弱环节,其次为套管。在变压器设计、运行中应重点考虑变压器的绕组和套管。参考文献[1]WangM,VandermaarAJ,SrivastavaKD.Reviewofconditionassessmentofpowertransformersinservice[J].IEEEElectricalInsulationMagazine,2002,18(6):12-25.[2]江荣汉,王联群.大型电力变压器故障机辅分析[J】.中国电机工程学报,1992,12(6):25.32.WANGRong-han,WANGLian-qun.Computer-aidedanalysisforthefailuresoftheLSPT[J].Proceedingsof—theCSEE,1992,l2(6):2532.[3]朱英浩.不断提高变压器的运行可靠性[J].变压器,2005,42(8):6-7.ZHUYing-hao.Constantimprovementoftransformeroperationreliability[J].Transformer,2005,42(8):6-7.[4]黄幼茹,刘华,刘丽娟.1999.2001年220kV及以上电压级大型变压器运行可靠性指标分析【J】.电力设备,2002,3(4):53・62.HUANGYou-ru,LIUHua,LIULi-juan.Electricalequipment,reliabilityanalysisreportoftransformerequipmentwithvoltagesof220kVandin1999-2001[J].—ElectricalEquipment,2002,3(4):5362.[5]陈丽娟,蒋锦峰,赵凯,等.2000.2002年全国220kV及以上电压等级输变电设施可靠性分析报告(上)fJ].电力设备,2004,5f2):60.66.—CHENLi 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