用于系统地评价技术设备的评价特征参数的方法和系统

本发明涉及用于借助符合需求的、与各个设备或与各个设备类型 特定地相匹配的数据检测和/或借助特定的评价结构或特定的评价方 案对技术设备、特别是强电技术设备进行系统的评价和分级的方法和 系统。

如在2000年4月的ABB Technik刊物中所发表的文章 “Zustandsabhacngige Bewertung-Neuer Ansatz zum Lebensdauermanagement fuer elektrische Betriebsmittel(依赖 于状态的用于电气设备的使用寿命管理的评价新方法)”中所公开的 那样，在实际应用中首先将两种评价方法用于技术设备，即：统计方 法和单独针对单个设备的方法。统计方法要求足够数量的在统计学上 可使用的、可靠的数据。所观察的技术设备在此应该具有可比较的结 构，其故障机理应该是简单的并且很好地已知的。较复杂的设备、例 如功率变压器通常不满足前述的要求。然而，在大多数情况下在此每 个单元是单个块。

与此相反，统计方法的前提是具有至少在技术功能和结构上可比 较地设备的更大的“体”。相应地，这些方法例如并不适合或仅有 限地适合用于评价单个功率变压器。为了实现所设置的策略性的或操 作的目标，需要识别最易受侵蚀的装置部件和/或技术设备，并且确定 或选择分别最佳的用于每个设备的替换、维护和/或操作的方法。为此 考虑独特的方法，例如基于权重因子的评价方法或所谓的现代评价方 法。基于权重因子的方法可以在设备评价的第一阶段中使用。它通常 是简单和快速的，但鉴于判断、输入数据和权重因子也是主观的。因 此结果只提供对所观察的设备的部分元件的、有限的物理和/或功能的 认识，并且可能导致不同的要求和风险的混合。现代评价方法可以提 供更多的用于支持关于所观察的单元的判定的客观信息，然而它们的 前提是对各个设备或各个单元的历史的认识，这种认识通常仅仅是非 常有限地已知的。

相应的传统评价方案的结构是平直的，即从一系列输入或输入量 出发在没有分级的构造的情况下直接确定各个输出值。

本发明所基于的任务在于，以尽可能简单的方式以尽可能小的花 费以及在避免前述缺点的情况下能够实现对设备的系统评价和分级。

前述的任务通过开始提及的具有权利要求1的特征的那种方法来 解决。本发明方法的其它有利的扩展方案以及用于实施该方法的系统 在其它的权利要求中以及随后的描述中说明。

用于技术设备、特别是强电技术设备的系统评价和分级的方法能 够借助符合需求的、与各个设备或各个设备类型特定地相匹配的数据 检测和/或借助特定的评价结构或特定的评价方案来实现评价特征参 数、特别是涉及各个设备的技术状态的技术评价特征参数RIx、以及涉 及各个技术设备的经济价值的经济评价特征参数FIx、以及它们的可选 的成为总体评价特征参数EIx的结合的确定。在此情况下，首先为相 应的技术设备逐步地检测和/或确定至少一个具有经济相关的输入特 征参数Fm的第一数据项以及至少一个具有技术相关的输入特征参数 Rn的第二数据项。针对每个数据项，将所确定的输入特征参数借助基 于知识(wissensbasiert)预定的数值和/或逻辑联系以及基于知识预 定的设备特定的权重因子分别组合或联合成经济评价特征参数FIx以 及技术评价特征参数RIx。然后从所确定的评价特征参数中通过基于知 识预定的数值联系以及权重因子最终确定唯一的总体评价特征参数 EIx。

对于每个设备和/或每种设备类型而言，在方法准备上可以选择性 地检测或确定特定的输入特征参数Rn。

预定的输入特征参数Rn在此情况下考虑到可能的干扰或出现的错 误模式的风险或可能性以及由此产生的相应设备的可能的错误行为， 该错误行为例如在变压器以及其功能组件、特别是例如DETC(去激励 的抽头转换开关)或OLTC(负荷抽头转换开关)的分接开关或负荷开 关和/或发电机和/或电驱动中可能是由于有错误的机械线圈、有错误 的电绝缘系统、有错误的铁芯、有错误的触点或触点位置、有错误的 冷却系统、有错误的电和/或机械套管以及有错误的驱动和/或传动引 起的。

针对相应设备的每个作为基础的输入特征参数Rn，可以确定至少 一个与设备相关的定义域和/或值域。该定义域和值域在此可以这样来 确定，使得大的或高的值始终对应于可能的错误行为和/或干扰的高的 风险或高的可能性。

待检测或待确定的技术输入特征参数Rn在此情况下不能以物理单 位来说明，而是以针对相应设备而特定地预定的标度或在任意的标度 或定义域上、例如在0至100、1至5或20至80的标度上被说明。

用于在相应地设立的数据处理设备上执行的、具有本发明方法的 特征的计算机程序形成本发明系统的一种优选的实施形式。计算机程 序、特别是在数据载体上存储的、具有本发明方法的特征的计算机程 序因此被明确地包括在本申请的公开内容中。

用于技术设备的系统评价和分级的系统具有至少一个数据处理设 备，该数据处理设备与至少一个数据存储器共同工作，其中数据处理 设备包括装置，以便为相应的技术设备检测和/或确定至少一个具有经 济相关的输入特征参数的第一数据项以及至少一个具有技术相关的输 入特征参数的第二数据项，针对每个数据项，借助基于知识预定的数 值和/或逻辑联系以及基于知识预定的设备特定的权重因子将所确定 的输入特征参数分别组合成经济评价特征参数FIx以及技术评价特征 参数RIx，然后从所确定的评价特征参数中借助基于知识预定的数值联 系以及权重因子最终确定唯一的总体评价特征参数EIx，以便对相应的 技术设备进行验证。

面向系统地以及根据本发明方法系统地结构化的程序在此特别在 使用为此而设立的数据处理设备的情况下通过提供以及使用至少一个 符合需求地预配置的和/或图形结构化的工作界面或工作环境来执 行，该工作界面或工作环境能够实现有效地以及合乎目的地将所调查 的、待评价的设备分成不同的质量等级。

本发明的这些以及其它的有利的实施形式和扩展方案是附图描述 和从属权利要求的主题。

本发明以及其它有利的扩展方案的阐述和说明借助一些图和实施 例来进行。

图1示出了用于系统地评价和传输技术设备的评价特征参数的示 例性的方法流程，

图2示出了用于系统地评价和传输技术设备的评价特征参数的示 例性的系统，

图3示出了根据本发明的用于变压器风险判断和使用寿命判断的 方法的流程图，

图4示出了发电厂中大的变压器体的变压器机风险评价的结 果的图形示意图，

图5示出了使用寿命研究中的短路强度设计分析的结果，

图6示出了80个不同的大的网络变压器和主机变压器的变压器热 点超温，

图7示出了与临界变压器的大的体相比在两个不同的位置上(不 同图示)的变压器的使用寿命判断分析/故障风险分析的例子，

图8示出了示例性地描述故障风险计算的过程的图，

图9示出了用于确定故障风险影响的图，以及

图10示出了功率变压器的使用寿命轮廓化(Profilierung)的公 开方法的流程图。

在图1中示出了用于系统地评价和传输技术设备的评价特征参数 的示例性的方法流程，其中为了进行尽可能完整并且全面的设备状态 评价，不但逐步地确定涉及相应设备的技术状态的技术评价特征参数 RIx，而且逐步地确定涉及相应技术设备的经济价值的经济评价特征参 数FIx。结果通过联系前述的两个评价特征参数而构成总体评价特征参 数EIx。

在此情况下，首先为相应的技术设备逐步地检测或确定至少一个 具有经济相关的输入特征参数F1...Fn的第一数据项以及至少一个具有 技术相关的输入特征参数R1...Rn的第二数据项。

为了确定技术评价特征参数RIx，首先在第一步骤1R中检测或确 定或分配与预定的相关的输入特征参数R1...Rn相应的输入特征数据， 例如涉及可能的错误和/或故障的风险和/或可能性、质量、适用性、 相应的技术设备和/或其部件的一个或多个的状态的、评价者和/或用 户的估计。在此情况下，检测例如可以在与相应地配置的数据库和/或 评价工具的共同作用中自动进行。

分别属于前述的技术输入特征参数R1...Rn的输入特征值或输入特 征数据通常描述各个评价者和/或用户的最佳可能的主观估计，并且决 定性地基于其专业知识和/或经验值。

此外，如在图1中所示，前述的技术输入特征参数R1...Rn也可以 是所实施的预接或前置的计算和/或评价方法或工具的输出值，该输出 值例如通过可用的技术设备数据和/或设备参数 r11...r1i，r21...r2i，...，rn1...rni、特别是传感器系统和/或监测系统的数据 和/或诊断数据、例如涉及变压器和/或发电机的负载、油填充水平和/ 或油温、机械作用的力和/或气体形成的数据的预处理VR而获得。这 些值随后作为技术输入数据必要时借助相应地预先配置的用于数据检 测和/或数据传输的接口、例如通过局域网(LAN)和/或广域网(WAN)、 特别是因特网、无线电网、或者作为可调用地存储在数据存储器上、 优选地在数据库中的数据项被引入本方法中或递交给本系统。

也可以由各个用户手工检测不同的输入量 r11...r1i，r21...r2i，...，rn1...rni和/或输入特征参数R1...Rn。

为了确定技术评价特征参数RIx，输入特征参数R1...Rn以及相应地 属于其的输入特征数据在第二步骤2R中利用基于知识预定的、即利用 基于经验数据和/或经验值和/或技术考虑预定的、独特的技术权重因 子wt1...wtn进行加权或定标，并且利用所属的被定标的中间数据构成 最终被定标的中间量SR1...SRn。

此外，通过不同输入特征参数R1...Rn的各不相同的权重wt1...wtn， 考虑了特别是在多个设备互连地耦合和/或工作时随着技术设备的各 个错误模式而出现的危害和/或技术后果。

在确定不同的技术权重因子wtn时，必须考虑相应的输入特征参数 R1...Rn的定义域和/或值域。

被定标的中间量SR1...SRn以及所属的被定标的中间数据在第三步 骤3R中依赖于优选级借助数值和/或逻辑联系4R以及其它的设备特定 的权重因子w1...wn自动地组合或联合成技术评价特征参数RIx。优先级 分配和/或确定在此情况下例如可以从专业的评价者或用户或设备拥 有者方面进行和/或基于知识、即基于经验数据和/或经验值和/或技术 考虑来进行。优先级分配可以有利地作为方法准备和/或在本方法运行 过程中进行。优先级改变原则上也可以在任何时候进行。

被考虑用于优先级分配的，设备特定的、被标定的不同中间量 SR1...SRn的权重因子w1...wn通常不相同，然而原则上也可以具有相同的 值。

技术评价特征参数RIx借助被标定的中间量SR1...SRn来确定，其 中根据要求可以任意选择不同的逻辑/数值联系规则4R。该选择在此情 况下可以已经作为方法准备进行和/或在方法运行过程中进行。

在此情况下，从被标定的中间量SR1...SRn中确定技术评价特征参 数RIx例如可以通过利用RIx＝(∑(wn*SRn))*const形成加权和、利用 $\mathrm{RIx}=\left(\Pi \left({\mathrm{SR}}_n^{w_{\mathrm{ni}}}\right)\right)*\mathrm{const}$ 形成加权积、或者利用权重因子w1...wn形成可自由 设计的一般形式RIx＝H(SR1，SR2，...SRn，w1，w2，...wn)的数值和/ 或逻辑联系规则H来实现。

也可以有利地使用模糊逻辑规则或方法和/或概率方法来处理模 糊的输入特征参数。

有利的是，为了输入特征参数R1...Rn的客观估计，可以预接预处 理前置级，该预处理前置级能够至少部分地通过插值法和/或估计方法 借助多个前置级值来实现输入特征参数的值确定。

如图1中所示，前述的输入特征参数R1...Rn的确定通常可以通过 至少一个经验确定的和/或技术考虑得出的数值和/或逻辑联系规则Pn 来进行，该规则一般可以利用输入量r11...r1i，r21...r2i，...，rn1...rni或它 们的所属的技术设备数据和/或参数通过Rn＝Pn(rn1，rn2，rn3...rni)来表 示。

优选地，在预处理VR中，可以为每个待确定的输入特征参数R1...Rn 分别使用三个处理值rn1...rn3。这些处理值例如可以涉及待分别评价的 技术设备的设计和/或制造rn1、老化rn2以及所观察的和/或所测量的数 据rn3。在前置级中考虑的值的数目和类型以及因此循环变量i是可以 自由选择的或可以预定的，并且没有限制。待考虑的用于确定不同输 入特征参数R1...Rn的值的数目可以根据输入特征参数而改变或随各个 输入特征参数而改变。

有利的是可以进行一致性检验，该一致性检验例如允许检验可用 于确定输入特征参数R1...Rn的数据库存量.如果现有的数据库存量不 足以确定一个或多个输入特征参数R1...Rn的值，则相应的输入特征参 数可以任意地根据现有的数据库存量近似地确定或从技术评价特征参 数RIx的确定中除去或手工地说明。

根据本方法，也可以执行关于是否原则上为相应的权重因子和/或 输入特征参数规定或检测具体的值或数据以及所检测到的数据是否对 应于预定的定义域和/或值域的一致性检验。

为了确定描述技术设备的经济价值的经济评价特征参数FIx，在另 外一个步骤1F中确定至少一个具有经济相关的输入特征参数F1...Fm的 第二数据项。确定各个技术设备、特别是强电技术设备的经济评价特 征参数Fix所需的、经济相关的输入特征参数F1...Fm的输入数据在此 情况下可以基于经验值和/或技术/商业考虑来进行估计，和/或与用于 确定技术评价特征参数RIx的技术输入特征参数R1...Rn可比较地，借 助另外一个预接的前置级处理VF来确定。

前置级处理VF在此情况下可以分等级地在多个层面中被构建，以 致预处理VF的一个层面的或一组输入量可以用于每个经济相关的输入 特征参数F1...Fm。

经济相关的或金钱相关的输入特征参数F1...Fm在此情况下一般来 说可以由例如涉及购买成本、维护成本、获得的利润、运输成本、安 装成本、在设备故障时每时间单位的成本、原料、辅助材料和操作材 料的存储成本和/或购买成本、由于设备中出现的损耗而引起的成本、 恢复成本、未提供的能源的成本或者这些成本或类似成本因素的任意 组合的数值f11...f1q，f21...f2q，...fm1...fmq通过至少一个基于经验数据和/ 或商业/技术考虑所确定的、利用数值f11...f1q，f21...f2q，...，fm1...fmq的 一般形式Fm＝Gm(fm1，fm2，...fmq)的数值和/或逻辑联系规则Gm来进行。

也可以通过相应的用户对不同的输入量和/或输入特征参数进行 手工检测。

在此情况下，对于特征参数确定来说相关的成本的大小特别是在 相应的设备组合中基本上依赖于相应的技术设备和/或其位置或价 值。经济的、特别是金钱的输入特征参数F1...Fm的值的第一近似估计 在此情况下可以由评价者和/或用户进行。

在另一步骤2F中从金钱的输入特征参数F1...Fm或其输入特征数据 中通过数值联系3F所确定的总成本TF与经济评价特征参数FIx成比 例。为了确定经济评价特征参数FIx，所确定的总成本TF在另一步骤 4F中在预定的标度或预定的值域、例如0-100上被定标。经济评价特 征参数FIx被相应地规定。必要时，总成本TF也可以由前置的、分离 的处理工具来确定和/或由相应的用户手工检测。

在另一个步骤5中，在将其它的权重因子wr和wf和/或联系6结合 的情况下组合技术评价特征参数RIx和经济评价特征参数FIx并且最 终确定总体评价特征参数EIx。

总体特征参数EIx的确定可以任意地通过被加权的欧几里得距离 的确定根据联系规则 $\mathrm{EIx}=\sqrt{({(w_r*\mathrm{RIx})}^2+{(w_f*\mathrm{FIx})}^2)}$ 来进行，其中wr和wf表 示技术评价特征参数RIx和经济评价特征参数FIx的相应的权重。针 对前述的两个权重因子wr和wf对应于值1、即wr＝wf＝1的情况，得出 二维空间中的欧几里得距离。由经济评价特征参数FIx和技术评价特 征参数RIx在结合用于定标的因子k的情况下根据联系规则 EIx＝(wr*RIx+wf*FIx)*k得出的加权和也可以被用作用于确定总体评价 特征参数Eix的任意的联系规则。由经济评价特征参数FIx和技术评 价特征参数RIx根据联系规则EIx＝(RIxwr*FIxwf)*l得出的加权积的确定 也可以任意地作为另外的替代的联系规则，其中权重或权重因子wr和 wf分别被用作相应的特征参数的指数。在此，I也表示用于对总体评价 特征参数Eix进行定标的因子。

原则上，可以使用可任意地预给定的、具有一般形式EIx＝Q(RIx， FIx)的数值和/或逻辑联系规则Q来确定总体评价特征参数EIx。

所确定的特征参数和/或其所基于的输入量和输入数据的显示7自 动地以表格或图形形式、例如作为直方图或作为树形结构(参见图2) 进行，以及必要时自动进行其在数据存储器上或在数据库中的存储8。

有利地，所确定的特征参数和/或输入量以及属于它们的数据在另 一步骤9中以表格形式被准备并且通过特别为此而设立的、与分别所 使用的程序或相应的客户机共同作用的接口作为根 据本发明方法配备有唯一的标识的被自动创建的文件的附件 10而被附加，并且以可重新到的方式被存储在数据存储器中。这样 准备的以及所包括的数据附件10可以相应地以简单的方式借 助网络和/或服务器连接通过传输给一个和/或任意 多的世界范围的收件人。

在图2中示出了示例性的系统，它借助与至少一个数据存储器21 共同作用并且具有输入装置22以及显示装置23的数据处理设备20对 技术设备的评价特征参数进行系统评价。

该系统、特别是数据处理设备20具有装置20a，以便为待分别评 价的技术设备检测和/或确定至少一个具有经济相关的输入特征参数 F1...Fm的第一数据项以及至少一个具有技术相关的输入特征参数R1...Rn 的第二数据项。针对每个数据项，该系统根据基于知识预定的数值和/ 或逻辑联系以及基于知识预定的设备特定的权重因子来自动地确定经 济评价特征参数FIx以及技术评价特征参数RIx。该系统从所确定的评 价特征参数中通过基于知识预定的数值联系6(参见图1)以及权重因 子最终确定唯一的总体评价特征参数EIx。所确定的特征参数和/或其 所基于的输入量和输入数据被系统地以表格形式24或图形形式、例如 作为直方图25或作为树形结构进行显示，并且被可调用地提供，以及 必要时可调用地存储在数据存储器21上或数据库中。

有利地，该系统具有接口26，该接口被设置用于与传统的电子邮 件程序或客户机共同作用，并且将所确定的特征参数和/或输 入量以及其所属的数据以表格形式进行整理并且作为配备有唯一的标 识的被自动创建的文件的附件10而附加并且以可重新到的 方式例如存储在数据存储器21中和/或传输给一个或多个收件人和/或 其他的数据处理设备28。在此情况下，标识可以包括涉及分别被评价 的设备的特定说明、日期说明、涉及作者和/或时间的说明。

该系统提供评价掩码(Bewertungsmaske)，借助于该评价掩码来 选择性地检测不同输入量和/或输入特征参数的数据并且以图形形式 进行显示。为了更好地理解，示出了作为基础的抽象的方法示意图28。

为了预定例如权重因子和/或优先级和/或为了确定需考虑的输入 量和/或联系规则的特征参数，由系统提供相应的具有可随意选择的选 择可能性的输入掩码27和/或选择掩码。

事先在数据库中存储的设备数据和/或设备状态数据也可以由与 数据库共同工作的系统考虑用于评价技术设备。这特别适用于在数据 库中存储的并且对于确定的设备类型来说典型的缺省值。

为了给出用于技术设备的系统评价和分级的本发明方法或本发明 系统的例子，以下将说明为变压器而研发这种方法的例子。

在最近几年中，变压器的风险/使用寿命判断已受到相当大的重 视，其原因在于工业上老化的变压器机(Transformatorenflotte) 和由于变压器故障而引起的重要系统的故障。针对大型功率变压器的 使用寿命判断和风险管理技术的十年的应用和发展产生基于单元的具 有以下部分的方法：

●对大的变压器体进行故障风险筛选，以识别危急的设备。

●在利用当前的设计实践和工具的情况下对危急的变压器进行详 细的设计评价。其中包括当前的热点温度和实际的使用寿命损 耗、短路强度和与已知设计问题(流量充电 (Stroemungselektrifizierung)、线圈弯曲、局部放电、 回路电流、铁芯加热等等)关联的将来的故障的风险。

●在使用由常规诊断和先进的诊断得出的结果的情况下的状态评 价以及与设计评价的相关性。

●在包括对变压器功率有影响的所有关键性方面的情况下的使用 寿命判断(轮廓化)。

●推荐用于延长使用寿命的最有吸引力的选项。

以下针对供电方的变压器体的许多不同的段来描述该过程的评 价和应用。一种好的方法基于它是为特定的变压器体以及在应用中 所使用的变压器而设置的。所示的例子证明设计分析以及制造者具有 针对正确的使用寿命判断的特定设计经验的大的重要性。这种重要的 技术的应用示出面向未来的供电公司如何为不确定的将来作准备。

根据本发明的使用寿命判断方法使其开始部分按要求更好地认识 不同变压器的状态的诊断和判断。在北美安装的大型设备的大约75％ 的变压器设计的详细的历史认识被作为数据库使用。此外还有维修车 间的认识，许多发生故障的变压器都在这些维修车间中经历过，并且 这些维修车间在变压器部件的辩论分析方面有数十年的经验。

使用寿命判断是变压器诊断的一个重要部分。该使用寿命判断方 法聚焦于网络中提供所期望的功率的单个变压器的适用性或能力。在 基于模糊逻辑的评价中，在技术(设计数据、诊断测试数据，等等) 以及非技术(应用、重要性、替代变压器，等等)方面对变压器单独 地进行了分析。净结果得出不同变压器的等级列表，用于识别危急的 变压器以便随后进行维护或维修工作或者在极端情况下进行替换。

使用寿命判断由于以下原因而进行：

(1)关于较老的设备的可靠性考虑；

(2)替换以及维修的计划；

(3)延长使用寿命/提高功率容量；

(4)改善的维护；以及

(5)更好的设备使用。

大量变压器、例如在机风险评价过程中被识别出的那些变压器 的使用寿命判断的结果通常在RCM程序(以可靠性为中心的资产管理 -面向可靠性的设备管理)的范围内被使用，以便能够将资源分配按 优先级排列。如果只有小的组或只有一个变压器参与，则使用寿命 判断被理解为用于使用寿命延长、维修或替换的判定过程的一部分。

实际上进行的使用寿命判断的大多数针对主机变压器而进行，这 可归因于这种重要的设备的价值和故障成本。如在每个处于发展中的 技术中一样，分析的细致性和复杂性随时间的推移和所获得的经验而 增长。生产企业的要求也随着新一代的能源社会的发展而发生了改 变。替代传统的、具有由能源生产设备、传输设备和分配设备的混合 的发电企业，目前有大的能源企业，它在国家的不同部分拥有发电设 备的混合。发电设备不再与传统的供电方以及原始的所有者的服务组 织相联系。在大多数情况下，对设备管理负责的人员不再拥有必须的 关于变压器或其状态的历史知识。考虑到正在老化的、具有未知的预 期寿命的变压器体(平均年龄～33年)，企业已经在寻用于设备 计划决策的可靠的技术基础。

回答是三阶段的过程，由以下部分组成：

(1)变压器机的风险评价，

(2)严格的、基于单元的设计评价，包括状态判断，以及

(3)详细的使用寿命判断，包括用于延长每个特定的变压器的使 用寿命的装置的设计/工程分析(参见图3)。

变压器机的检验

机风险评价方法是使用寿命管理过程中的第一步骤或先驱步 骤。该方法用于探测容易得到的关于机的每个变压器的分析数据和 统计信息，由此可以制订准确的和聪明的关于单个变压器和整个机 的将来的措施计划。目标是将针对机中的变压器的措施计划按优先 级排列并且识别出为详细的设计、状态以及使用寿命判断的候选变压 器的每个变压器。

该分析不仅包括各个变压器的故障风险的计算，而且还包括单个 变压器的相对重要性的评价。故障风险的计算是基于对变压器故障数 据的统计分析而发展起来的，其中该变压器故障数据作为多个变压器 功率参数和设计参数的函数以及已知的一般的、就较老的一代设计而 言的设计弱点的函数。这些数据在考虑到关于确定的变压器的历史记 录以及关于故障统计的公开数据的情况下而被收集。变压器的相对重 要性考虑到所涉及的设备的运行故障的经济影响。重要性可以以不同 的方式来确定。然而，一种可能的方式包括例如变压器的替换成本、 与故障相联系的销售下降以及在故障情况下出现的可用性损失和相对 的成本故障和时间问题之类的参数。这种评价的参数通常由一个团队 来确定，该团队由用户的技术人员以及变压器制造商组成。在机中 的每个单个变压器的故障风险和相对重要性被确定之后，制订组合的 措施图，如在图4中的例子中所示。该例子涉及能量产生系统中的大 的变压器机并且包括在单个发电厂中的所有变压器。

变压器的设计和状态评价

变压器的设计评价和状态评价方法对于变压器的使用寿命判断和 设备管理来说是决定性的步骤。它涉及非常有技术性的过程并且要求 严格的、最现代的分析方法和规则，这些分析方法和规则对于目前由 设计者在设计和制造铁芯变压器和壳体变压器 (Gchaeusetransformator)所使用的设计工具、测试工具和质量保 证工具来说是典型的。

使用寿命判断的方法基于单元和设计。这意味着，方法和分析工 具聚焦于单个的变压器、类型、使用方式、供应者或运营者的应用和 要求。然而该方法也是基于状态的，即它包括变压器状态的不同的诊 断的和历史的测量数据。基于状态的数据在独特设计和类型的认识中 被分析，以致已知的一般的或地方性的特征可以被识别并被分类。状 态评价也参考详细的设计研究的结果来进行。

详细的设计评价

对较老的变压器的设计分析或工程分析是使用寿命判断的非常重 要的部分。在对上百个具有多种不同设计形式的不同变压器进行了使 用寿命判断或设计研究之后，清楚的是，所说明的变压器的额定值并 不一定对应于它在实践中的实际容量或功率极限。

过去，变压器设计师并没有如目前一样的仪器可用。代替目前常 见的、挖空心思想出来的基于计算机的设计程序，通常只有计算尺计 算和普通的图表或规则可用。设计的实践、规则和限制也随着时间的 推移而显著地被改进或者随着不断增加的知识和经验而被再采用。此 外，自从变压器被设计之后，经常识别出时间典型的(zeittypische) 变压器问题，并且之后这样改变设计实践，使得这些问题可以被纠正。 由此产生的结果是，设计/工程分析说明许多关于变压器的信息-它为 何如此工作，它如何工作以及哪些改进可能是必要的，以便提高功率 或增加负载或用于其它的应用。虽然例如当前的标准要求将热点超温 限制在80℃，然而较老的变压器的设计分析表明，15至40年的老变 压器的实际的计算出来的热点超温位于60℃和超过170℃之间的某处 (图6)。只是在很少的情况下，热点测量计才显示正确的热点温度。 我们可以断言，它们通常稍高于平均的线圈温度。鉴于这种不安全性， 几乎不可能在未进行设计研究的情况下就确定较老的变压器的实际的 使用寿命损耗或负载能力或过载能力。虽然看起来在这样的情况下以 附加的冷却来作出反应是有意义的，然而这也可以带来风险或者与已 经实现的经济的优点相比证实是无意义的。带有泵的变压器可以具有 已经超过设计限制的油流量率，因此附加的冷却的添加可能由于流量 充电而导致故障。

同样地也适用于较老的变压器的机械设计。虽然一些较老的实施 形式非常稳健并且能够经受住能源系统中最严重的错误条件，然而其 它的变压器在克服严峻的环境方面又受到显著的限制，因为在这些变 压器的设计中使用了不太精确的计算和短路强度的限制。这些较老的 设计的分析对于确定将来工作的风险和替换部件要求来说是具有很大 价值的。关于目前可用的、几年前还不可用的新计算方法的另一个例 子是，在铁芯和壳体变压器中线圈回路电流和铁芯电流的计算。目前， 3D计算提供新的、很有价值的、关于较老的设计类型、特别是壳体变 压器的设计和设计评价的显著更高的准确性的信息。

用于使用寿命判断的、变压器的详细的设计评价利用最新的变压 器制造者特有的设计程序和设计实践。这对于每种设计来说都包括：

1.变压器的电功率和热功率的评价，包括：

a)线圈的欧姆损耗和涡流损耗，回路电流/损耗，总的线圈损耗 密度分布以及实际的局部化的热点温度，

b)铁芯损耗密度分布和铁芯热点温度的计算，以及

c)铁芯电流强度，

d)足够的磁屏蔽或线路屏蔽，用于防止局部的储能电路或支撑结 构加热超过可接收的极限值，

e)计算线圈中以及凸轮结构(Knaggcnstruktur)和导体结构中 的介电负载和强度。

2.机械设计的评价，用于确定是否变压器由于系统错误而容易出 现短路故障。在进行机械设计检验中，确定线圈中以及绝缘和金属支 撑结构中的内部负载，为此使用所计算出的、由于在高压侧(HV)或 低压侧(LV)的所有错误类型而在线圈中产生的最大不对称短路强度。 这些负载值随后与所计算出的线圈(向下直到单个导体平面)和支撑 结构的强度相比较。

3.对其它已知的故障或场问题的原因的设计评价，如对于相同类 型的其它变压器来说典型的那样。

图5示出了一组典型的较老的变压器的机械设计研究的结果，并 示出了短路设计研究的结果的图示。

这种信息对于解释变压器的场历史以及对于设备管理(替换部件 使用、紧要的单元的识别等等)来说是极其有用的。

状态评价

状态评价的目的是对变压器的内部及外部部件的可能状态的评 价。内部评价包括绝缘系统(纸、纸板、油，等等)、铁芯、机械支 撑结构以及内部附加装置、例如步进开关和辅助变压器或者反应堆。 属于外部设备的有储能电路、冷却系统、控制装置、油保存系统、套 管和集成保护系统。该评价将设计评价的输入与历史的负载数据和工 作数据以及常规和先进的诊断数据结合起来。

状态评价的一个重要部分是线圈绝缘和所估计的纸绝缘的剩余使 用寿命的评价。研究将历史的变压器负载数据与变压器线圈和冷却系 统的热学仿真一同使用。借助这些输入，变压器热点温度对纸绝缘的 累积作用可以被评价。根据本发明的方法的关键是设计分析，以确定 变压器的热点超温。图6示出了80个不同的网络变压器以及发电站变 压器(主机变压器，附加单元，等等)的额定MVA时的热点超温的统 计图，这些变压器是在1960年至1992年之间制造的。即使这些变压 器是在考虑到80度极限的情况下设计的，利用我们的现代设计工具的 设计分析还是表明，70％的变压器具有事实上的热点超温，该热点超 温位于当前的80℃的ANSI极限值之上。此外，在所有超过80度极限 的70％的情况下以及在低于该极限的30％情况中的一些情况下，实际 的热点超温比在变压器线圈的热点超温显示装置上给出的值更高。

没有这些设计分析就不可能对变压器上的负载进行评价或对绝缘 材料的使用寿命损耗进行估计。其原因在于，在所假设的热点温度中7 ℃的超温意味着所预测的绝缘老化的加倍。

对图6中的变压器体的另外一个有趣的观察是以下事实，即虽 然在许多变压器中给出的热点超温远远超过ANSI极限值，但是80个 变压器中只有一些具有超过100％的绝缘材料使用寿命的损耗。这归因 于以下事实，即这些变压器中的大多数的负载从来没有达到所给出的 最大额定值。

状态评价通常还包括现场检查和对历史(常规)诊断数据和维护 信息以及先进的诊断测量的评价。这些常规诊断数据包括DGA(对在油 中溶解的可燃气体的分析)和油化学分析以及包括线圈和套管功率因 子测试的结果在内的电气测试数据。为此开发专门的诊断测试分析工 具，用于对DGA和油质量结果进行评价。

先进的诊断测试在状态评价中也起着重要作用。DFR测试(介电频 率响应)被开发成为一种用于对绝缘系统进行状态诊断的重要工具。 这种测试被用于确定纤维素绝缘材料中准确的湿量，以支持关于场干 燥要求的决定以及提供用于绝缘材料使用寿命评价的输入。此外DFR 方法中的新的进步被用于识别变压器中的特定问题，所述问题包括金 属微粒污染、具有腐蚀性硫的污染、碳裂解和高欧姆的铁芯-地连接。 其它先进的诊断测试，包括油的呋喃分析、FRA(频率响应分析)和局 部放电分析，同样根据特殊情况的需要而进行。

使用寿命判断/轮廓化

设计分析通常解释诊断数据(DGA、电气测试结果，等等)的模式 并且在重要领域的识别中有帮助，在这些重要领域中，可以进行一些 改变以延长变压器使用寿命。冷却系统的改进(泵或冷却器升级等等) 或配件(油保存系统、套管、控制装置等等)的改进也可以属于其中。 此外，研究还提供对变压器的剩余使用寿命的估计，因此用户可以为 将来的投资需求作出计划。

使用寿命判断的另一个输出是根据单元的等级分级，其中描述了 基于分析评价和状态评价的结果的故障风险。与在机风险评价中相 比，这是更详细的并且更精确的故障风险判断，特别是因为它基于变 压器设计和实际的状态的特定的认识，并且结合机风险评价还附加 地考虑统计的和历史的参数。所得出的分级提供变压器的故障风险的 精确评价，该故障风险可以与工业上的其它变压器的期待的故障风险 相比较。

在图7中示出了使用寿命判断轮廓化的结果的一个典型例子，它 包括与在工业上的其它紧要的变压器的体的比较。紧要的变压器 体被理解为如在图4中的红或黄区域内的那些变压器。借助于这 种轮廓化，供应者可以做出使用寿命管理决定，这些使用寿命管理决 定基于变压器的相对故障风险和与工业上的其它紧要单元的比较。如 果该风险比紧要体的平均值高，那么清楚的是，必须采取立即措施 来防止不恰当的故障或服务丢失。

为了克服在使用寿命判断研究中认识到的特定的问题，或者当考 虑到变压器的负载或应用的显著变化时，基于工程的解决方案是必须 的。在进行了使用寿命判断之后，或者在进行了关于数百个具有多种 不同设计的不同变压器的设计研究之后，清楚的是，额定值并不一定 仅仅对应于在运行中的变压器的实际的能力或限制。由于这个原因， 需要符合设计的解决方案，以便能够适当地提出对使用寿命延长的建 议或对服务情况的其它改变。此外，老化过程对变压器的影响(根据 状态评价的认识)也可能限制变压器将来的使用或可能的升级。

前面描述了多阶段的变压器风险/使用寿命判断过程的优点，以及 该过程如何从分级方法发展成为基于设计/单元的方法，在基于设计/ 单元的方法中对变压器设计的特定的认识与先进的诊断方法和基于经 验的状态评价相结合处于重要地位。其中对于该改进的过程来说，对 数以千计的变压器设计数据的访问以及最新的基于计算机的设计程序 的实施是决定性的。在将这种技术应用于北美和全球的能源系统中的 数以百计的较老的变压器时，已经为该方法的用户证明了其价值，并 且为这些用户提供了设备管理决策的丰富的并且首先也是在经济上重 要的基础。没有基于设计知识的状态评价的优点，可能导致对变压器 的剩余寿命或故障风险的错误估计。随着变压器的不断增加的平均年 龄，这种方法只会变得更加重要和紧要。

关于图8的详情：

BIL因子表示：具有位于普通设计水平之下的BIL(Basic Insulation Level-基本绝缘水平)的变压器由于较短的绝缘路径而 具有较高的故障风险。

RP因子表示：RP或“Reclosing Practice”(重新闭合实践) 涉及重新闭合功率开关的设备的实践，该设备在馈电线被关断的情况 下为变压器供电。因为重新闭合在错误状态下可能引起不对称的穿越 故障电流，所以该实践提高了故障风险。如果进行多次自动重新闭合， 那么这附加地提高了故障风险，因为变压器遭受另外的穿越故障。

SQRT MVA因子表示：该因子是MVA因子的平方根。MVA因子是一 种算法的输出，该算法被开发用于使平均故障风险与变压器的大小或 MVA相关联。该算法是基于也考虑到变压器的MVA的、变压器故障的历 史记录而被开发的。

TF/Y因子表示：每年变压器遭受的重要的穿越故障的数目。重要 的穿越故障被理解为产生流过变压器的电流的故障，该电流大于变压 器的峰值额定电流的四倍。如果没有数据可供使用或者每年穿越故障 的数目小于2.5，则设定故障值为2.5。

SQRT老化因子表示：涉及老化因子的平方根。老化因子被理解为 与在Bengtsson、Persson和Svenson所著的技术文献“Replacement and refurbishment strategies for transformer populations(变 压器体的替换和整修策略)”中所描述的变压器类型相同的变压器的 平均故障概率。

设计因子表示：该因子表示基于特殊的设计由于在变压器端子上 的短路而导致的线圈中的机械运动或扭曲的相对风险。该因子通过关 于特定的变压器的专家判断而确定并且可以包括对特定设计的认识。

诊断测试显示表示：该因子基于频率响应分析测试(FRA-频率响 应测试)的结果或功率因子电容测试的结果。如果FRA测试或者功率 因子电容测试显示出与基础值的显著偏差(在电容有超过在可识别模 式下的1％的变化的情况下)，则变压器得到由于穿越故障电流而导致 的线圈机械运动的风险的诊断证据。

TD因子表示：表示热学设计因子，并且基于设计的认识和以下证 据，即确定的设计易受线圈中的不寻常的热点影响，并且可能经受线 圈中纸绝缘热恶化的风险。

CO因子表示：因为线圈中的纤维素绝缘材料的热分解产生CO和 CO2气体，所以这种气体的不寻常高的数量是对纸介中的过度老化和脆 度的风险的指示，由于过度老化和脆度可能出现更高的故障风险。

TC因子表示：TC(＝膨胀箱的类型)影响热引起的分解的相对风 险。恒定的油保存系统在限制油中的湿气量和氧气量以及与之相关的 热分解的风险的降低方面有帮助。具有氮覆盖的系统比密封系统具有 更小的风险，因为氧气和湿气渗透到变压器中的风险被降低。

负载因子表示：负载因子使热分解的风险与变压器的负载相联 系。具有较高的负载的变压器通常具有较高的线圈温度，并且显示出 更强的绝缘老化。

BIL+kV因子表示：该因子使设计BIL与额定HV-kV水平与相对故 障风险相联系。该因子基于关于变压器故障的历史数据，在这些历史 数据中BIL和kV是已知的。

避雷器类型因子表示：具有原始的带有火花隙(Funkenstrecken) 的SiC避雷器的、较老的变压器可能比具有较新的ZnO导体的变压器 承受更高的过电压；因此它们具有更高的介电故障风险。

介电设计因子表示：在介电设计方面具有已知的缺陷的变压器具 有更高的介电故障风险，这些变压器一般是那些具有容易出现介电场 故障的妹单元(Schwestereinheiten)的变压器。

电弧证据因子表示：在DGA结果中具有异常高的乙炔值的变压器 遭受变压器中电弧形成风险，这可能导致故障。

PD因子表示：DGA指示PD(局部放电)(通常基于氢气)的变压 器有故障风险。

油介电因子表示：这样的具有油的变压器有更高的介电故障风 险，其中油具有测试结果，这些测试结果位于所推荐的服务老化的油 的极限值之外。

PF因子表示：最新的功率因子介电测试结果位于所推荐的范围(通 常0.5％)之外的变压器具有介电故障风险。

LTC类型因子表示：确定类型的负载步进开关(LTC)比其它的负 载步进开关经受更高的故障风险。通常电弧步进开关比断续器开关具 有更高的风险。

LTC诊断因子表示：当DGA结果示出触点中异常的电弧形成或异常 高的温度(由于热金属气体与氢气和乙炔的比例)的证据时，则对于 步进开关来说产生故障风险。

套管类型因子表示：确定的套管类型(例如GE类型的U型套管) 比其它的套管类型在历史上已显示出更高的故障风险。

套管诊断因子表示：具有高功率因子的套管或那些功率因子显著 变大的套管具有故障风险。

泵故障表示：与油环轴承泵相比，滚珠轴承泵通常具有通过将金 属释放到变压器中而导致主变压器故障的更高的风险。

套管或LTC老化因子表示：负载步进开关(LTC)或具有超过20 年的年龄的套管比较新的LTC或套管具有显著更高的故障风险。

变压器类型因子表示：确定的包括电炉变压器、移相变压器以及 工业变压器的变压器类型一般比其它类型的变压器具有更高的故障 率。

位置因子表示：位置在东海岸、西海岸或在南部的人口密集地区 的变压器通常由于不同的因子、例如更多的短路、更高的故障电流和 更高的开关动作(特别是电容器的开关)而具有更高的故障风险。

地震因子表示：在具有较高的地震风险的地区内的变压器在地震 的情况下由于线圈运动或套管或其它附件的损坏而经受更高的故障风 险。

流量充电因子表示：在确定的时期生产的确定的变压器类型由于 流流量充电而表现出更高的故障频率。

热金属DGA因子表示：具有高含量的确定的可燃气体的变压器具 有变压器中热金属的风险。这虽然可能并不导致变压器的故障，可是 可能引起变压器停止工作的必要性，以便进行特别的维护或油脱气。

热线圈DGA因子表示：DGA结果显示出热线圈的可能性(通常是热 金属气体和一氧化碳气体的组合)的变压器可能由于内部检测或维修 的必要性而具有工作损失的风险。

油箱热点因子表示：具有通常通过红外热成像法确定的高油罐热 点温度的变压器经受油恶化的风险或在内油罐壁的屏蔽上有问题的风 险；它们可能引起工作损失风险，因为油必须被处理或屏蔽必须被修 补。

松连接因子表示：在轻负载条件下产生可燃气体(热金属气体， CO和CO2)的变压器具有松动的挤压连接或螺纹连接或者有缺陷的焊接 连接的风险。变压器可能具有用于校正错误的工作损失风险。

基于故障风险计算和变压器对于系统而言的相对重要性制订出如 图9那样的图表，在该图表中机中的每个变压器被表示为曲线上的 点。曲线中的定标因子被这样匹配，使得最重要的变压器被置于图表 的上侧附近。故障风险标度被这样匹配，使得接近10％的变压器(优 选地)位于红区域内。利用这种定标，一些变压器可能位于图表之 外；然而这不是不常见的。

在使用图9的方法的情况下的机中变压器的分类不但得出变压 器上的工作的优先级，而且得出高故障风险影响的原因。故障风险影 响被理解为对于系统的重要性与故障风险的结合。落入红紧急区域 中的变压器通常需要立刻注意，以便获得将故障风险影响减小的可能 性。该风险或者可以通过减小故障风险(例如借助维修或者详细的调 查以弄清问题)或者通过降低重要性(通过向下级站添加替代物或者 通过将变压器移置到不太重要的位置)来降低。

以下将说明功率变压器的使用寿命轮廓化的方法的一个例子。

根据图10的随附的流程图示出了一种扩展方案中的本发明方法， 借助该扩展方案可以进行功率变压器的精确的使用寿命轮廓化。

步骤1：输入数据

对于步骤2：设计检验和步骤3：状态评价来说输入数据非常重要。 对于设计评价(步骤2)来说，必须有以下的数据可供使用：来自档案 和关于设计性能的统计数据的原始的历史设计记录。对于状态评价(步 骤3)来说，以下输入数据是重要的：最近的(现代的)设计程序(步 骤2)的输出以及负载历史、测试结果、维护信息、具有厂家证明的测 试报告、检查的历史和当前状态信息、操作和例行程序以及先进的诊 断。

步骤2：设计检验

变压器的详细的设计评价需要的条件是最新的设计程序和实践。

对于壳体变压器而言这包括：

1.漏磁通的MF3D软件分析

2.计算闭合电路中的最高电流强度

3.确定最高单导体温度

4.计算最热焊接连接

5.计算最高导线温度

6.计算铁芯环路电压和铁芯电流强度

7.铁芯的热点确定

8.流量充电的设计潜力

9.短路强度评价

对于铁芯变压器而言这包括：

1.漏磁通的TRACE或ACE分析

2.计算闭合电路中的最高电流强度

3.确定最高单导体温度

4.计算最高导线温度

5.铁芯的热点确定

6.线圈压缩损耗的风险

8.流量充电的设计潜力

9.借助TRACE的短路强度评价

步骤3：状态评价

状态评价的目的是对内部和外部的变压器部件的可能状态的评 价。内部评价包括绝缘系统(纸、纸板、油，等等)、铁芯、机械支 撑结构以及内部辅助设备、例如步进开关以及辅助变压器或者反应 堆。属于外部设备的有油罐、冷却系统、控制装置、油保存系统、套 管以及集成保护系统。该评价将设计评价的输入与历史的负载和工作 数据以及常规的和先进的诊断数据结合起来。先进的诊断测试在状态 评价中也起着重要作用。DFR测试(介电频率响应)被进一步开发为一 种用于对绝缘系统状态进行诊断的重要工具。这种测试被用于确定纤 维素绝缘中准确的湿度值，以便支持关于用户特定的干燥极限的决定 获得以及获得用于绝缘材料使用寿命评价的输入。此外，DFR方法中的 新的进步被用于识别变压器中的特定问题，包括金属微粒污染、具有 腐蚀性硫的污染、碳裂解和高欧姆的铁芯-地连接。其它先进的诊断 测试、例如油的呋喃分析、FRA(频率响应分析)和局部放电分析同样 根据特殊情况的需求而进行。

步骤4：有效使用寿命的计算

使用寿命轮廓化方法的一个重要部分是线圈绝缘的评价和纸绝缘 的所估计的剩余寿命的评价。研究使用历史的变压器负载数据与变压 器线圈和冷却系统的热学仿真。借助这些输入，变压器热点温度对纸 绝缘的累积作用被评价。

步骤5：故障风险的评价和分级

使用寿命轮廓化的另一个输出是根据单元的分级，该分级基于设 计检验和状态评价以及寿命消耗计算的结果来描述故障风险。这是非 常详细和精确的故障风险评价，因为它除了统计的和历史的参数之外 还聚焦于对变压器设计及其当前状态的特定的认识。所得出的分级给 出变压器的故障风险的精确判断，该故障风险可以与工业上的其它变 压器的期待的故障风险相比较。