（电气工程专业论文）大型变压器运行寿命预测研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：凌q 丝照 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：童越师签名：量选三坠日期：生竺翌：! ! ：刍占 山东大学硕士学位论文 摘要 随着经济的迅速发展，人民生活质量的不断提高，用户对电能质量的要求越 来越高，对电力系统的可靠性也提出了越来越商的要求。特别是中华人民共和 国电力法的颁布和实施，以及电力行业服务承诺制的开展，电力系统可靠性在 生产和管理工作中的地位日益重要。变压器作为电力系统中变换电压、交换功率 的枢纽，随着电力系统电压等级的不断提高，网络的日益复杂，它的作用越来越 重要，其安全可靠运行直接影响到电力系统的安全水平。因此，对变压器进行可 靠性评估，对提高整个电力系统的可靠性水平有着十分重要的意义。 变压器的寿命曲线与电子产品的寿命曲线不同，并不服从指数分布。本文 采用定时截尾的试验方法，对国内某变压器厂生产的某种型号的变压器的实际 运行情况进行研究。本文只统计造成变压器必须退出运行的故障，研究这类失 效应把变压器看成是不可修复系统，其最主要的指标是失效率。本文提出了数 据处理和失效率的统计方法。这些变压器虽然不是同一时刻投入运行的，但经 过处理可以认为是同时投入运行的，经分析可以得到变压器的故障率离散点， 由故障率可以得到可靠度函数，运用威布尔分布概率纸可以验证变压器的寿命曲 线服从威布尔分布。 关键词：可靠性失效率威布尔分布 山东大学硕士学位论文 a b s tr a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n ti nl i f eq u a l i t yo ft h e p e o p l e ，t h er e q u i r e m e n tt ot h ee l e c t r i ce n e r g yq u a l i t yo fu s e rh a sb e e nm o r ea n dm o r e r i g o r o u s a c c o r d i n g l yh i g h e rr e q u i r e m e n tt or e l i a b i l i t yo fe l e c t r i cp o w e rs y s t e mh a s b e e np u tf o r w a r d e s p e c i a l l yw i t ht h ei s s u a n c ea n di m p l e m e n t a t i o no ft h ee l e c t r i c p o w e rl a wo fp r ca n dt h ei n i t i a t i o no fp r o f e s s e ds e r v i c eo fp o w e ri n d u s t r y , t h e r e l i a b i l i t yo fe l e c t r i cp o w e rs y s t e mp l a y sai n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tp a r t i n p o w e r p r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n t t r a n s f o r m e ri s t h eh i n g eo ft r a n s f o r m i n gv o l t a g ea n d e x c h a n g i n gp o w e r w i t ht h ea d v a n c i n go ft h ev o l t a g ea n di n c r e a s i n g l yc o m p l e xo ft h e n e t w o r k ，t h ef u n c t i o no ft h et r a n s f o r m e ri sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti np o w e rs y s t e m i t so p e r a t i o ni n s a f e t ya n dr e l i a b i l i t yd i r e c t l yi n f l u e n c et h es e c u r i t yo ft h ep o w e r s y s t e m s oi t sv e r ys i g n i f i c a n tt oe v a l u a t et h er e l i a b i l i t yo f t r a n s f o r m e rt oi m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo f t h ep o w e rs y s t e m t h el i f ec u r v eo ft h et r a n s f o r m e ri sd i f i e r e n tf r o ml i r ec u r v eo ft h ee l e c t r o n i c p r o d u c ta n di td i s o b e y st h ee x p o n e n t i a ld i s t r i b u t i o n t h et h e s i ss t u d i e st h e a c t u a lo p e r a t i o na c t i v i t yo fac e r t a i nt r a n s f o r m e ru s i n gt h em e t h o do f f i x e dt i m ec e n s o r i n g t h e t h e s i so n l yc o u n t s t h e f a i l u r e t h a t l e a d s t h e t r a n s f o r m e r t oq u i to p e r a t i o n ，r e g a r d i n gt h et r a n s f o r m e ra sn o n r e p a i r a b l es y s t e mw h o s e m a i ni n d e xi sf a i1 u r er a t e t h et h e s i sp u t sf o r w a r dt h em e t h o dt op r o c e s s t h ed a t aa n dc o u n tt h ef a i l u r er a t e a f t e rp r i m a r yd e a l i n gw i t ht h ed a t a w ec a l lt h i n kt h a tt h et r a n s f o r m e rw e r ep u ti n t oo p e r a t i o na tt h es a m eti m e t h o u g ha c t u a l1yt h e yw e r en o ts o t h r o u g ha n a l y zi n gt h ed a t a ，t h et h e s i s g e t s t h e d i s p e r s e dp o i n t s o f f a il u r er a t ea n dt h e nc a l c u l a r e s r e l i a b i l i t yf u n c t i o n i tv e r i f i e st h a tt h e1 i f ec u r v eo ft r a n s f o r m e ro b e y s w e i b u l ld i s t r i b u t i o nu s i n gw e i b u l ld i s t r i b u t i o np r o b a b i l i t yp a p e r k e y w o r d s ：r e l i a b i l i t y ；f a i l u r er a t e ；w e i b u l ld i s t r i b u t i o n 2 山东大学硕士学位论文 1 1 可靠性的意义 绪论 2 l 世纪是以知识经济和高科技为主导的世纪，竞争将是非常激烈的。现在 国际上有些发电设备在投标和签订合同中，已经开始采用可靠性指标。用户对供 电的质量( 包括可靠性) 也越来越重视，随着现代工业设备的容量、参数的日益 提高因事故或故障引起的损失也随之增大。反之，提高可靠性的效益也显著 增大。例如，一台6 0 0 m w 的发电机强迫停运一天，少发电1 4 4 0 0 m w h ，使电 厂的收入减少4 3 2 万元。又如1 9 9 6 年美国西部电力系统发生了两次特大停电 事故。一次发生在1 9 9 6 年7 月2 日，停电时间持续约0 5 小时，停电负荷 达7 5 g w 损失发电容量6 4 g w ，影响用户约2 0 0 万个。另一次发生在1 9 9 6 年8 月1 0 日，停电时间约3 小时，损失负荷达3 0 4 9 8 g w ，损失发电容量 2 5 5 7 8 g w ，影响用户7 5 0 万个，停电面积达4 8 5 万平方米，包括美国的1 4 个州和加拿大的两个省。像这样的事故对社会的影响很大，造成的损失也十分 惨重。2 0 0 1 年约2 2 日零时起，受大雾天气造成的雾闪，辽西、辽南7 条5 0 0 千伏的线路及3 9 条2 2 0 千伏的线路相继跳闸，导致十个2 2 0 千伏的变电所 全停，6 6 千伏变电所及线路强迫停运1 7 0 多条次。沈阳、营口、鞍山、抚顺负 荷损失较大。辽沈地区发生大面积停电事故，尤以拥有7 0 0 万人口的沈阳最为 严重。沈阳地区的1 2 个2 2 0 千伏变电所全停8 个，占6 6 6 ，1 7 7 个6 6 于 伏的变电所停1 2 0 个，占6 7 8 。沈阳地区的沈海热电厂、沈阳电厂也脱离了 供电系统口停电面积约为全市面积的7 0 ，电薰损失约为9 g w - h 。影响人口约 为3 0 0 万。社会生活受到严重影响。桃仙机场关闭了近5 小时。沈阳市因停电 而停止供水占全市的4 0 ，约有4 0 0 多个小区无法供水上楼停电使东北制药总 j 的染料染蘸全部报废，并直接威胁生产维生素c 所需的原始菌种。直接经济 损失达1 0 0 0 多万元，见经济损失达l 亿多元口有以上各事故可以看出有故障 所带来的损失是十分惨重的。因此研究电力系统及电力设备可靠性具有十分重要 的意义。1 1 1 山东大学硕士学位论文 1 2 可靠性的概念及可靠性工程 1 2 1 可靠性概念 所渭可靠性是指部件、元件、产品或系统在规定的环境下，规定的条件下 无故障的完成其功能的概率。他是部件、元件、产品或系统的完整性的最佳数量 的度量。 从上述可靠性的定义看出，一个产品的可靠性受三“规定”的限制。第一个规定是指 因使用工况和环境条件的不同，可靠性水平有很大差异。例如，要求恒温和净化环境下使 用的设备如果放到不同的环境下工作，可靠性水平将会成倍的下降。因此，要研 究元件或产品的可靠性，必须严格明确使用条件和环境，对于不按规定使用的 产品，不能要求保证达到言定的可靠性水平。第二个“规定”是指规定的时间长 短不同，其可靠性水平也不同。一般机电产品的功能、性能都有随时间衮退的 特点，规定的时间越长，最终的可靠性越低。同一种产品在不同的使用时间范 围，其可靠性水平是不同的。这里时间的定义是广泛的，可以使统计的日历小 时，也可以是工作循环次数、作业班次、行驶里程等，将根据产品的具体特性 而定。第三个“规定”是指引规定的产品功能判据不同，将得到不同的可靠性 评定结果。完成功能和发生故障是可靠性问题的正反两个方面，产品完成了规 定的功能认为是可靠的，丧失功能就认为是故障或失效。统一产品规定的功能不 同，其可靠性也不同。例如，同一辆汽车，一种规定是只要汽车能行驶就算完成 功能；另一种规定实际是汽车能行驶，但是若噪声、油耗超标，或者发生螺丝松 动、漏水、漏油等现象事业也要算作故障，这两种判据下的可靠性数值将有很大 差别。所以在讨论和评估产品的可靠性时，应明确以上三个规定，否则将失去可 比性。”1 1 2 2 可靠性工程 可靠性工程是一个涉及多种学科的复杂的系统工程，也是系统工程进行技术 经济评价的一个重要内容，他贯穿于产品和系统的整个开发过程中。 可靠性工程有三大特点，即实用性、科学性和实践性。实用性是指可靠性工 程从诞生之日开始就和工程实践紧密联系和结合，具有强大的生命力：科学性是 指可靠性工程有一套独特的科学的理论和方法：时间性是指可靠性存在于产品或 山东大学硕士学位论文 1 2 可靠性的概念及可靠性工程 【2 l 可靠性概念 所请可靠性是指部件、元件、产品或系统在规定的环境下规定的条件下 无故障的完成其功能的概率。他是部件、元件、产品或系统的完整性的昂佳数量 的度量。 从上述可靠性的定义看出，一个产品的可靠性受三“规定”的限制。第一- 一个规定是指 因使用工况和环境条件的不同可靠性水平有很大筹异。例如，要求恒温和净化环境下使 用的殴备如果放到不同的环境下工作，可靠性水平将会成倍的下降。因此，耍研 究元件或产品的可靠性，必须严格明确使用条件和环境对于不接规定使州的 产品，不能要求保证达到言定的可靠性水平。第二个“规定”是指规定的时间长 短不同，其可靠性水平也不同。 般机电产品的功能、性能都有随时间衰退的 特点，规定的时间越长，最终的可靠性越低。同一种产品在不同的使用时间范 围，其可靠性水平是不同的。这里时间的定义是广泛的，可以使统计的日历小 时，也可以是工作循环次数、作业班次、行驶里程等将根据产品的具体特| 生 而定。第三个“规定”是指引规定的产品功能判据不阗，将得到不同的u j 靠性 评定结果。完成功能和发生故障是可靠性问题的正反两个方面，产品完成，规 定的功能认为是可靠的，丧失功能就认为是故障或失效。统一产品规定的功能不 同，其可靠性也不同。例如，同一辆汽车，一种规定是只要汽车能行驶就算完成 功能；另一种规定实际是汽车能行驶，但是若噪声、油耗超标，或者发生螺丝松 动、漏水、漏油等现象事业也要算作故障，这两种判据下的可靠性数值将存很大 差别。所以在讨论和评估产品的可靠性时，应明确以上三个规定，否则将失去可 比性。1 122 可靠性工程 可靠性工程是一个涉及多种学科的复杂的系统工程，也是系统工程进行技术 经济评价的一个重要内容。他贯穿于产品和系统的整个开发过程中。 可靠性工程有三大特点，即实用性、科学性和实践性。实用性是指可靠性工 程从诞生之日开始就和工程实践紧密联系和结合，具有强大的生命力：科学性是 指可靠性工程有一套独特的科学的理论和方法；时间性是指可靠性存在于产品或 指可靠性工程有一套独特的科学的理论和方法；时间性是指可靠性存在于产品或 山东大学硕士学位论文 系统整个开发过程之中，不论设计、研究、应用等各阶段都起作用，其中任何一 个阶段对可靠性问题考虑不周，都将对整个的各个阶段及过程产生影响。”1 1 3 电力系统及电力设备可靠性 1 3 ，l 电力系统可靠性 所谓电力系统可靠性，就是可靠性工程的一般原理和方法与电力系统工程问 题相结合的应用科学。电力系统可靠性是指电力系统按可接受的质量标准和所需 数量不间断地向电力用户供应电力和电能量的能力的量度，包括充裕度和安全性 两个方面。充裕度( a d e q u a c y ) 是指电力系统维持连续供给用户总的电力需求和 总的电能量的能力，同时考虑到系统元件的计划停运及合理的期望非计划停运， 又称为静态可靠性，即在静态条件下电力系统满足用户电力和电能量的能力：安 全性( s e c u r i t y ) 是指电力系统承受突然发生的扰动，如突然短路或未预料到的 失去系统元件的能力，也称为动态可靠性，即在动态条件下电力系统经受住突然 扰动且不间断地向用户提供电力和电能量的能力。电力系统规模很大，习惯上将 电力系统分成若干子系统，根据这些子系统的功能特点分别评估各子系统的可靠 性。 电力系统可靠性是通过定量的可靠性指标来量度的。一般可以是故障对电力 用户造成的不良后果的概率、频率、持续时间、故障引起的期望电力损失及期望 电能量损失等，不同的予系统可以有不同的可靠性指标。 1 3 2 电力设备可靠性 电力系统设备可靠性是指用于电力系统的设备或产品在规定的条件下和规 定的时间内完成规定功能的能力。它综合反映了一种设备的耐久性( d e p e n d a b i l j t y ) 、可靠性( r e l i a b i l i t y ) 、维修性( i f l a i n t a i na b i l i t y ) 、有效性 ( a v a i l a b i l i t y ) 和使用经济性等，可用各种定量指标表示。按照电力设备在生 产过程各阶段应用的目的和任务大致可分为： a l 可靠性设计。通过设计奠定产品的可靠性基础，研究在设计阶段如何预 测和预防各种可能发生的故障和隐患。 b l 可靠性试验。通过试验测试和验证产品的可靠性，研究在有限的样本、 山东大学硕士学位论文 时间和试验费用下如何获得合理的评定结果。 c 1 制造阶段可靠性。通过制造实现产品的可靠性，研究制造偏差的控制、 缺陷的处理和早期故障的排除，保证设计目标的实现。 叭使用阶段可靠性。研究产品运行中的可靠性监视，诊断预测，采用售后 服务和维修策略等防止可靠性劣化。 e 1 可靠性管理。组织实施以较少的费用和时间实现产品的可靠性目标，研 究可靠性目标的实施计划和数据反馈系统。” 1 4 电力系统可靠性评估 14 1 评估目的 在电力系统规划、设计运行的全过程中，坚持系统全面的可靠性定量评估制 度以提高电力系统的效能，对可能出现的故障迸行故障分析，采取措施减少故障 造成的影响，对可靠性投资与相应带来的经济效益进行综合分析，以确定合理的 可靠性水平，并使电力系统的综合效益达到最佳。为了实现电力系统可靠性评估， 就要确定可靠性目标，应用评估手段，确定故障准则，并对故障严重性做出估计。 1 4 2 评估目标 为保证电力系统可靠性达到期望水平，在规划阶段、设计阶段和运行阶段必 须实现以下目标：保证电力系统的充裕度；保证系统的安全性，采取措施 使系统能经受住可能的偶发事故而不必削减负荷或停电避免对系统和元件造成 严重损坏； 保持电力系统的完整性，避免主要部分的不可控解列；限制故 障扩大，减小大范围停电；保证停电后迅速恢复运行。 1 4 3 评估准则 可靠性准则指为达到可靠性水平，在发电系统、发输电合成系统、输电系统、 电气主接线系统及配电系统应满足的条件。可靠性准则分概率性指标或变量的准 则和确定性行为或性能试验准则两类。嘲 1 5 变压器可靠性问题的研究现状 目前，对电力系统可靠性的研究大多集中于发电系统、输电系统、互联系统、 山东大学硕士学位论文 配电系统，但对设备可靠性的研究却相当的少，而设备可靠性指标却恰恰是上述 系统可靠性的基础。 在使用初期由于元件内在的设计错误，工艺缺陷等原因造成的失效率兄( ，) 表 现为早期故障型，在此时期对元件故障原因必须尽早发现，尽早消除，以便使丑( f ) ) 降低。当排除了所有能够排除的缺陷后 此时五( f ) 近似保持不变。对于元件来说 元件或系统的失效率进入偶然故障期， 这时处于最佳状态，并希望失效率尽可 能低于要求值，而且希望这一时期的持续时间尽可能长，。但是随着使用时间的 增长，元件和系统总要老化，总要进入耗损故障期。将这三个时期的曲线连在一 起形成形似浴盆的曲线，称它为浴盆曲线。目前，对早期赦障、偶然故障的失效 率研究较少，只是先验地认为早期寿命分布服从威布尔分布、对数正态分布或者 伽玛分布之中的一种分布；偶然期寿命分布服从指数分布，失效率为a ( f ) = 且。 损耗期寿命分布则几乎没有研究，只是认为服从某一种寿命分布。”1 1 6 本文研究的若干可靠性问题及意义 造成变压器失效的原因有很多( 如受潮或进水等) ，本文忽略这些具体原因， 只从引起事故的结果进行可靠性分析，研究这类失效率把变压器看成是不可修复 的系统，其主要可靠性指标是失效率。通过对变压器运行数据的统计，可获得失 效率的统计值，并由此导出可靠性函数的估计值。利用可靠性函数，使用概率纸 来确定变压器寿命的分布类型。 我国的变压器，特别是大型电力变压器，运行的事故和故障多，造成的危害和 损失是十分严重的。因此提高电力变压器的可靠性具有十分重要的经济意义和社 会意义，而且也是现代变压器研究和发展的重要课题之一。变压器的可靠性涉及 面比较广，问题比较复杂。他与科研、设计、带4 造、工艺、材料、配套零部件、 环境和管理等一系列环节都有关系。我国的变压器产品的质量总体水平与国际先 进水平相比还有相当大的差距。如果能将我国的变压器的可靠性指标提高的世 界先进水平，则运行维修的费用的减少，故障事故停电的经济损失的减少将是 难以估计的，因此研究变压器的可靠性具有十分重要的意义。 山东大学硕士学位论文 此外，变压器可靠性是电力系统可靠性的重要基础，对系统可靠性指标的可 信度有重要影响。通过本文的研究可以进一步提高变压器可靠性参数从而提高系 统可靠性的可信度。变压器运行，家可根据故障率的不同阶段确定相应的维护、 修理、更换计划。变压器生产厂家也可改进变压器设计水平。剐9 i 山东大学硕士学位论文 第二章故障过程 2 1 概述 一台设备从设计、制造到安装、运行有诸多环节。任何不应有的偏差都可能 导致设备的“先天不足”，造成带病运行。在运行过程中，设备可能处于各种各 样的环境之中，其内部必然受到力、热、摩擦等多种物理、化学作用，使其性能 劣化，造成“后天故障”。故陈的产生可能造成生产系统的紊乱，使设备遭受损 失，甚至使全线停工，造成巨大的经济损失，而且还可能破坏环境，危及人身安 全，带来严重的社会问题。 产品寿命期的可靠性工作不外乎包括宏观与微观两个方面。宏观方面手要是 借助故障统计来揭示产品在设计、制造和使用中的可靠性水平。微观方面则是运 用近代数学和物理学成果来预测产品可能发生的故障并采取预防措施提高其可 靠性。宏观仅能给人以表象认识，而微观则可揭示可靠性问题发生的物理本质。 于是便出现了故障物理分析这一研究提高产品可靠性的方法。故障物理分析通常 是透过产品的故障现象了解其变化的物理本质，进而对故障产生的物理、化学过 程进行分析，同时深入研究其变化规律，掌握故障与产品使用条件的内在联系 为预测和谋求产品可靠性的提高寻找依据。但是，现场的运行环境是变化无常 的，在实验室里许多因素是无法模拟的。“” 2 1 1 故障的范畴 设备故障是指设备不能按照预期的指标工作的一种状态，也可以说是设备未 达到其应该达到的功能，其内容包括： 1 ) 能使设备或系统立即丧失其功能的破坏性故障。 2 ) 由于设计、制造、安装或与设备性能有关的参数不当造成的设备性能降低 的故障。 3 ) 设备处于规定条件下工作时，由于操作不当而引起的故障。 2 1 2 故障的分类 故障的分类方法有多种，它们分别从不同的角度，如经济性、安全性、故障 山东大学硕士学位论文 发展速度、起因等方面，观察设备丧失工作效能的程度。 按故障的性质分类 ( 1 ) 人为故障由于设备的操作者无意或有意造成的故障。 ( 2 ) 自然故陈设备在运行时，因自身的原因而造成的故障。 2 ，按故障发生的快慢程度分类 ( 1 ) 突发性故障发生前无明显可察觉征兆，突然发生，且破坏性较大的故 障。 ( 2 ) 渐进性故障设备中某些零件的技术指标逐渐恶化，最终超出允许范围 而g i 起的故障。 3 按故障的维持时间分类 ( 1 ) 间断性故障故障发生后在没有外界干涉的情况下，很快恢复正常状态 的故障。 ( 2 ) 持续性故障故障发生后直至外界采取措施，方可恢复其原有功能的故 障。 4 按故障的发生程度分类 ( 1 ) 局部性故障部分性能指标下降，但未丧失其全部功能的故障。 ( 2 ) 完全性故障设备或部件完全丧失其应达到的功能的故陈。 5 按故障产生的原因分类 ( 1 ) 先天性故障由于设计、制造不当而造成的设备固有缺陷而引起的故障。 ( 2 ) 使用性故障由于装配、运行过程使用不当或自然产生的故障。 6 按故陈造成的后果分类 ( 1 ) 轻微故障设备略微偏离正常的规定指标，设备运行受影响轻微的故障。 ( 2 ) 一般故障设备运行质薰下降，导致能耗增加、环境噪声增大等的故障。 ( 3 ) 严重故障某些关键设备或部件整体功能丧失，造成停机或局部停机的故 障。 ( 4 ) 恶性故障设备遭受严重破坏，造成重大经济损失，甚至危及人身安全或 造成严重环境污染的故障。 t 0 山东大学硕士学位论文 2 2 工作能力降低的过程 下面是对变压器的故障发生过程一般描述，虽然本文并不关心变压器的故 障过程，但是了解一些简单的故障过程会对我们分析故障类型有所帮助。因此本 文想对故障过程作一简单说明。 产品工作能力降低的一般过程 囡一囡一园一固一圈 图2 一l 产品工作能力降低的过程 材料性能或状态变化往往是累积效应的结果如疲劳裂纹的扩展是在交变应 力达到一定的循环数之后才会发生等。材料损伤与产品输出参数间虽存在定关 系，但材料的损伤并非都会影响产品输出参数。只有当损伤达到某一极限值时产 品才会发生故障。还要指出的是，上述变化过程尚有可逆与不可逆之分。在可逆 过程产品零部件或整个产品的参数，在一定范围内可暂时改变，并影响其技术特 性，但不会造成持续性劣化：只有不可逆过程才会使产品技术特性随时问而劣 化。而变压器的技术特性就随着时间的推移而老化。此外，对于产品工作能力降 低过程，还应关注其能量作用过程的速度以及损伤的性质，这对了解不同作用过 程速度的叠加影响和针对不同性质的损伤采取相应对策都具有重要意义。以上是 从变压器的内部对变压器故障的过程做了一些研究，这样有助于我们在宏观上对 变压器的故障有了更深刻的认识。 2 3 作用过程速度分类 能量对产品的作用速度可以分为高速、中速及缓慢三种过程，其变化周期或 持续时间、典型示例、起因或过程描述等详见表2 1 。 山东大学硕士学位论文 类别 说明 交化周期：长短为一分零几秒 高速作用过程 起因：由机械工作过程中复杂的物理作用引起的 持续时间：常以分钟或小时计算 中速作用过程 过程描述：常用随机变量或随机函数来描述 持续时间：数天或数月 缓慢作用过程 过程描述：随机函数 表2 1 作用过程速度分类 不同的作用速度不仅分别直接影响产品输出参数的初始值还可能诱发不同速 度的叠加影响。如一典型零件主轴为例，主轴轴颈的磨损为缓慢过程他不仅 影响轴的几何精度，还会由此导致震动加剧的高速作用过程以及热量增加引起 的中速作用过程。1 2 4 故障过程 研究产品的可靠性问题，通常都从其故障着手，而故障的发生可能由零件损 坏引起，也可能是由于产品技术特性劣化超出允许极限的结果，但二者都有一个 演变过程。 图2 2 反映了故障发生的一般过程。对作用于产品上能量的影响，框图提 供了四个层次的分析流程： 能量值与产生有害过程；有害过程与导致损伤：损 伤与参数发生变化；参数值与允许极限的比较。由此可反映哪些能量作用利损伤 将会导致产品发生故障，这一方法适用予对结构故障或参数故障形成过程的分 析。1 山东大学硕士学位论文 2 5 变压器故障 图2 2 故障发生框图 电力变压器冉勺故障常被分为内部故障和外部故障两种。内部故障为变压器油 箱内发生的各种故障，其主要类型有：务相绕组之间发生的相问短路、绕组的线 匝之间发生的匝间短路、绕组或引出线通过外壳发生的接地故障等。外部故障为 变压器油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障，其主要类型有：绝缘套 管闪络或破碎而发生的接地( 通过外壳) 短路，引出线之间发生相间故障等而引起 变压器内部故障或绕组变形等。 变压器的内部故障从性质上一般又分为热故障和电故障两大类。热故障通常 山东大学硕士学位论文 为变压器内部局部过热、温度升高根据其严重程度。热性故障常被分为轻度过 热( 一般低于1 5 0 c ) 、低温过热( 1 5 0 3 0 0 c ) 、中温过热( 3 0 0 7 0 0 c ) 、高温过 热( 一般高于7 0 0 c ) 四种故障情况。电故障通常指变压器内部在高电场强度的作 用下，造成绝缘性能下降或劣化的故障；根据放电的能量密度不同，电故障又分 为局部放电、火花放电和高能电弧放电三种故障类型。 由于变压器故障涉及而较广，具体类型的划分方式较多，如从回路划分丰要 有电路故障、磁路故障和油路故障s 若从变压器的主体结构划分，可分为绕组故 障、铁心故障、油质故障和附件故障。同时习惯上对变压器故障的类型一般是根 据常见的故障易发区位划分，如绝缘故障、铁心故障、分接开关故障等。而对变 压器本身影响最严重、目前发生机率最高的又是变压器出口短路故障，同时还存 在变压器渗漏故障、油流带电故障、保护误动故障等等：所有这些不同类型的故 障，有的可能反映的是热故障，有的可能反映的是电故障，有的可能既反映过热 故障同时又存在放电故障，而变压器渗漏故障在一般情况下可能不存在热或电故 障的特征。3 山东大学硕士学位论文 3 i 元件的可靠性 第三章可靠性的基本原理 系统是由元件组成的，元件是系统的基本单元，在可靠性评估中元件不可再 分。根据元件的使用情况可将其分为两类：不可修复元件和可修复元件。不可修 复元件投入使用后，一旦损坏在技术上就无法修复，或者即使能修复，在经济 上也很不划算。可修复元件是指元件在投入使用后，如果损坏，仍能修复而且可 以修复到原有的功能再次投入使用。从元件发生故障到元件再次投入运行的过程 叫做修复过程。对电力系统来说，绝大部分的元件都是可修复元件，变压器也是 可修复元件，但是在本篇文章中，为了研究需要我们把变压器看成是不可修复元 件来进行研究。 i 4 3 2 元件的可靠性指标【1 5 】卅 如果一个元件丧失规定的功能后，检修是不可能的或是不划算得，称为故 障。这类元件的模型的建立是以寿命实验和故障率数据为基础的。虽然某些情况 下可在故障物理的基础上建立模型，但很困难，并需要大量的研究和分析。 假定n 。个相同的元件在t = 0 时刻投入运行，随着时间的推移，有些元件将发生 故障，记n s , 为t 时亥0 完好的元件数，单位是h 。那么己故障了的元件数m 为： n f , = n o 一心 ( 3 - i ) 下面构造两种时间函数，即故障密度函数： z = 古( 晚一盹一，0 ( 3 - 2 ) 及故障率函数 = 古( 腑一胁。) n s ， ( 3 3 ) 山东大学硕士学位论文 _ ，：是在时段，故障元件与初始子样之比，再除以时段，五足在时段， 里故障元件与，之前完好的元件之比，再除以时段，所以，是元件发牛故障 的总速度的度量， 是元件发生故障的瞬时速度的度量。 可靠函数尺，为时刻t 尚完好的元件数与起始元件数之比： r ：堕：n o - n f , ：l - 盟：卜f ( 3 4 ) ? n on on 。 式中 为至时刻t 故障元件的个数，e 是运行寿命的分布函数。 五：五：一生r ；一尘( 3 5 ) r ，d ，d ， 由上式可见， d ，表一台变压器在工作寿命间隔( t ，t + t ) 发生失效的 概率。根据( 3 - 5 ) 式，由 可计算出可靠度函数矗，和寿命概率分布函数f 平 ? 。 将大型变压器看作是第一类失效的不可修复系统，意味着在正常工作寿命范 围内应尽量避免第一类失效的发生，因为第一类失效是变压器寿命的终止，但是 在实际情况下，大部分变压器在发生第一类失效后仍可修复。不过，这种修复 与可修复系统的修复的含义是不同的。常见的理论通常认为可修复系统失效后 旦修复，它就跟新投入的系统没有多大区别。而变压器发生故障后的修复，通常 只将损坏部分进行更换，大部分旧的线圈和绝缘器件仍被继续使用，修复后的变 压器的老化程度与修复前的变压器基本相同，因此就不能认为它是新的。只有 在少数情况下，当变压器的绝缘线圈全部被更换时，只保留铁心和油箱等不易老 化的部件，这时才可以把它看成是新的变压器。当考虑这种情况，建议将发牛失 效的变压器当作两个样本，其中一个样本是由于失效而终止寿命：另一个样本是 根据修理情况，可以认为是新投入运行的变压器，或是与失效变压器有同样寿命 但尚未发生失效的变压器，这样在进行可靠性数据统计和分析时，样本总数与实 际考察的变压器总数不相等。这种处理方法在统计和分析上由许多矛盾之处。将 来发生失效的变压器在统计时，应看作是两个样本还是一个样本? 已发生失效的 变压器在计算其失效前菜时期的失效率时，他被当作两个样本，但实际只有一台 山东大学硕士学位论文 变压器在承受各种应力，失效率计算值会明显偏低。本文采用另一种处理方法， 即台变压器失效后，若他以报废或将大部分线圈和绝缘件进行了更换，则认为 该变压器寿命到失效时停止，若他只进行了少量零部件的更换，则该变压器应看 成是两个样本，其中一个因失效而终l e 寿命另一个时“新”投入运行的。似它 的各部件与变压器发生事故前有同样的老化程度，这样这台变压器所对应的两个 样本分别在事故前后的统计、分析、和计算时效率时加以考虑。对于第二类失效， 变压器可以看成是个可修复系统。这是因为变压器的正常老化寿命为二二十年 以上，而第二类失效发生的概率略多，两次失效间变压器绝缘的老化程度不 大。大型变压器的第二类失效有一些特点，这是可靠性研究比较少遇到的。由于 变压器油中溶解气体的色谱分析和其他在线手段的发展，变压器在运行中发生 的故障有很多可以比较及时的发现。其中有些故障经过简单的处理，甚至不处理 就可维持变压器正常运行或降低负荷运行知道变压器豹正常检修时间或特殊安 排的检修时间，在这个过程中，通常缩短色谱分析的周期以确保故障不发生突 变。这是一个准正常工作时期，他对变压器运行的可靠性有相当重要的作用，必 须加以考虑。以下指标可用来考核大型变压器第二类失效的运行可靠- 陡：“7 1 叮用系数 强迫停机率 平均无故障时间 平均修复时间 潜伏故障率 艘= 蒜需枷蝴统计期间的时间1 。 f o r = 丽嚣淼枷o m t b f = 罴枷。 m t t r = 燃x - 嗍 山东大学硕士学位论文 脚= 翥鬻淼枷。 平均带故障工作时间 m t i f = j i i ：；j ! i ； i 器。 其中潜伏性故障的开始时间由色谱分析或其他检测手段确诊时间计算起。锓然 i f r 与m t i e 对于制定维修策略将有格外重要的意义。 除以上指标外，还应补充一些指标来建立两类失效间的关系。其中最重要的 是防止第二类失效处理及时或不妥当而发展成第一类失效。为此提出第二类失效 向第一类失效转化的转化率指标： i f c r - 有第二类失效转化第一类失效的概率 3 3 常用寿命分布【1 9 【2 0 常用寿命分布有指数分布、威布尔分布、伽玛分布和对数正态分布，下面分 别对其进行简单的介绍。 3 3 1 指数分布 指数分布常用来描述电子元器件的寿命分布由许多独立元件组成的复杂系 统的寿命分布，也常用指数分布来描述。只要当元件出现的故障次数服从泊松分 布，此元件的寿命就是指数分布。指数分布还可以看成是威布尔分布和伽玛分布 的特例，因此指数分布在可靠性领域中占有重要的地位。 指数分布的概率密度、分布函数、可靠度豳数和失效率函数分别为： 朋，= 蒜佗。 1 1 一e “t 0 即) 2 1 0其他 r ( f ) = 1 一f o ) 五( f ) = a 山东大学堡主堂垡迨壅 一一 3 3 。：。苎翟竺篓耄一种比较茸杂的分布，它起初多用来研究金属材料的疲劳寿命 一威篇熹冀嚣篡意凳翥= 磊篡蒌茬、。磨 黑黧曩兰黧，篡嘲i h u l 妻茹翕i “。 腊篓笑裟量黧兹鎏、可薹篡篙篡 成布尔分布的概率密度、分布函数、9 】靠厦幽双和犬取芈“”“” 州，：卅”嚣。“，胁一h 舻。 图3 一1w e i b u l l 分布的失效函数 土3 黧耄笔麓柿分布啪也是寿命试验分析中的一种重要分布。其概率密 伽玛分布和其他分布一样，也是寿命试验分析甲阴一硎里露刀1 ”。” 度、分布函数、可靠度函数和失效率函数分别为： 9 f ( t ) = f ( ，) = 山东大学硕士学位论文 p - 2 旯 0 t 0a o 为常数 其他 伽玛分布的失效函数图为 oi2 图3 2 伽玛分布的失效率函数 其中 = l ，d = 0 5 ，l ，1 5 和2 3 3 4 对数正态分布 对数正态分布和其他分布一样，也是寿命试验分析中的一种重要分布。其概 率密度、分布函数、可靠度函数和失效率函数分别为： ，( f ) 口 0t 0 口为常数 甲， !如o ，：tl m兄 一 斑 池 n 其 工 旦删 f o ) 6 5 4 3 2 1 耐 靴 专 志。 山东大学硕士学位论文 即) ：j 妒( 字) 盯 。x o 曲常数 【0 其他 坤)。瓦罔e 2 c + 2 c t n t 对数诈杰分布的失效函数图为： 图3 3 对数正态分布的失效率函数 其中口= 1 ，口= 0 5 ，l ，1 5 和2 ( 右边从上到下) 3 4 失效寿命分布类型的选择【2 2 i t 2 3 】 变压器在实际工作中，往往由于偶然的原因而发生故障，由于这些原因的偶 然性，因此对于一个具体的研究对象来说，他在规定的条件下和规定的时间内， 能否完成规定的功能是无法事先知道的，也就是说这是一个随机时间，但是大量 的随机事件中包含一定的规律性，偶然事件中包含着必然性。由上述分析可以看 出变压器的失效机理是非常复杂的，尽管这样，支配变压器工作寿命的规律是实 际存在的，在此规律的支配下，变压器失效服从某种概率分布，即为威布尔分 布。任何产品或系统的寿命与英失效率有内在的联系。失效率达到一定程度其寿 命就终止。如图3 所示，失效率曲线大致可分为三类： 山东大学硕士学位论文 图3 4 失效的类型 失效的类型 1 递减类型( d e r ) ：2 恒定型( c f r ) ：3 递增类型( i r f ) 对于不可修复 系统，设备及零部件等的典型失效率是将上述三种典型曲线加以组合，而服从图 4 那样的时间过程( 浴盆曲线) 。即分别对应着d f r 、c f r 和i f r ，包含了早期 失效率、偶然失效率、损耗失效率三种类型。 许多实际例子中在确定产品可靠性时往往没有证据证明其寿命服从何种简 单的分布( 指数或是威布尔分布) 。而且更多的情况是，当某种设备寿命服从 双参数分布时，其可靠性要求只需确定一个参数就够了。进一步而言在双参数模 型中我们并不总是清楚如何确定参数的可接受值和不可接受值。甚至于当可靠性 规定需要由两个参数来确定时，这一问题仍然不清楚。 效 图3 5 浴盆曲线 由于变压器在投入运行之前经过多次严格的质量检查，故发生早期失效的情 况很少，大多数失效发生在偶然失效和损耗失效这两个阶段上。变压器系统的失 山东大学硕士学位论文 效也往往是由于某一局部失效而失效。而这正好比从连环的两端拉伸，将是强度 最弱的环被坏，并由此决定了整个连环的强度一样。一般情况下，设备及装置的 寿命取决于其构成要素的最薄弱环节不能满足功能的要求，由该模型构成的寿命 分布就是威布尔分布。因此选用威布尔分布作为变压器的随机寿命分布是符合实 际情况的。 3 5 威布尔分布刚 3 5 1 失效机理的分析 威布尔分布是一种适用性很广泛的分布，其形状参数与失效率 有如下的 关系 加：旦，p 1 ( 3 6 ) 即 利用威布尔图形可以识别机械产品的失效机理。 a 口 1 0 ，暗示早期失效。无论电子系统还是机械系统最初都会有较高的 失效率。制造商在将产品交付给用户之前，要进行生产验收试验、老炼和环境应 力筛选，以消除早期失效。因此，如果在威布尔豳中得到p 1 o 可以怀疑存在 下列问题： 老炼或应力筛选不充分； 零部件质量问题： 生产问题，装配不正确，质量控制问题； 翻修不当。 如果一部件的主导失效模式的。 1 o 而且该部件在早期失效期中生存f 来 那么，它将随时间的增长而改进，即随着时间的推移，失效率将下降，可靠性提 高。对这种部件进行翻修是不合适的，因为其中的旧零件比新零件更好。 b 口= 1 0 ，暗示随机失效。此时，可以a 怀疑存在下列问题： 维修及人为差错造成的失效： 由自然因素、外来物损伤及电击引起的失效： 3 个或3 个以上失效模式的混合( 假定它们具有不同的口值) 失效 山东大学硕士学位论文 失效间隔问题。同样，此时不宜进行翻修。 c 1 0 口 4 0 ，暗示早期耗损。此时，可怀疑存在下列机械失效： 低周疲劳： 大多数轴承失效： 腐蚀、侵蚀失效。 在低可靠寿命下进行翻修或更换零件较经济有效。对应一定可靠寿命的翻修 期可以从威布尔图上读出。如果此失效会造成危险，可靠寿命b 应取很低的值( b 0 1 、b0 叭) 。如果失效是轻微的，翻修期或更换零件所对应的寿命b 可取较高值 ( b 1 o 。b i o ) d 口 4 0 ，暗示快速耗损。此时，可怀疑存在下列问题： ，材料固有属性限制： 宏观制造过程问题： 制造过程或材料中的微小易变性。 在设计寿命内如出现大值应给以重视，因为它表示此时整个系统存在