63可靠运行 50 年

THOMAS WESTMAN, PIERRE LORIN, PAUL A. AMMANN

保持健康和“青春”是许多人梦寐以求的目标，电力变压器也是如

此。全世界很多变压器使用年限正进入这样一个关键阶段，决定着

变压器的存废及其营运公司的生存。变压器故障的后果可能是灾难

性的。这对运营商提出了高可用性以及停机故障后快速恢复的要

求。现有变压器开始老化，且维护预算有限，变压器已经渡过了其

最佳生命周期，但仍保持良好工作状态。所有变压器可以延长服务

年限的假设无疑是非常危险的赌博。在涉及变压器的资产管理时，

运营商旨在减少发生故障的风险，并在发生故障时希望所产生的影

响最小化。ABB 的 TrafoAsset Management TM 正好满足了运营商应

对这些挑战时制定正确维修决策的需求。

可靠运行 50 年ABB TrafoAsset Manage-

ment TM 主动式服务理念帮

助正在老化的变压器健康

运行更长时间。

64 ABB 评论 1|10

变压器的价格从

200 万美元至 400

万美元不等，它们

虽然偶尔发生故

障，但其对财务

状况的影响更为

严重，甚至可能

导致公司破产 (见

图 3)。此外，由

于大多数国家制

定了严格的控制

和规范供电的法

律，不供电的罚

款将百倍于能源

本身的价格。

老化的变压器

虽然变压器被视为高可靠性设备，但

大量现有的变压器大多非常老旧。工

厂中的变压器平均役龄大约已有 30

年，而公用设施中的变压器役龄已达

40 年。一般来说，老化的变压器虽然

不是“定时炸弹”，但其故障率，以及

更换和维修费用却在逐步 (缓慢) 上

升。图 4 显示了工厂 (用深橘色表示)、

电力变压器往往是变电站或工厂

的最宝贵资产，也是发电厂、

输电系统和大型工业企业高电压设备

不可或缺的装置。意外故障会给系统

运行造成极大混乱，并导致计划外停

机和电力供应问题。这类故障可能源

于保养不善、操作不当、保护欠缺、

故障未被及时发现、抑或甚至剧烈的

雷击、或短路 (见图 1 和图 2)。停机事

故影响收益，并招致罚款，致使公司

声誉受损并丢失客户。

美国核电运行研究所 (INPO) 2002 年

称，自 1996 以来，超过 70 件事故与

大型主、辅变压器或升压电力变压器

有关 [1]。事故发生期间，电站受到巨

大影响，有 30 多个反应堆停机 (即反

应堆紧急关闭)，同时导致电厂停产，

供电量下降，这些都与变压器故障

有关。许多情况下，会使生产遭受损

失，并花费昂贵的维修费用。

电力变压器故障的巨大损失大大推动

了电力公司要确保这些关键设备在

整个生命周期内的可靠性和可用性。

除了会影响运行商的声誉以外，变压器的故障可能会造成 1,500 万美元的损失。

资料来源：Doble Life of a Transformer Seminar. Clearwater, FL, United States

3 计划外更换一台典型的发电机升压变压器所需的费用估算

环境清理 50 万美元

收入损失 (50 万美元/日) 1,000 万美元

安装作业和加工费 10 万 ~30 万美元

其它改造和现场作业 30 万美元

新变压器组 200 万 ~400 万美元

发电厂 (用浅橘色表示) 和输电网 (用

灰色表示) 中的变压器故障率增长趋

势。工厂和发电厂的风险增长曲线比

较陡峭，因为它们使用的变压器负荷

较重。役龄本身并不会增加意外故障

的风险，一般来说，它只是表明存在

这种风险。其它因素导致了故障风险

的增加，如其应用的方式、以及为

1 灾难性故障造成的变压器损坏情况

2 图 1 中的变压器经再制造后恢复了全部功能的状态

65可靠运行 50 年

满足市场化竞争不断增加变压器负

荷。

图 5 显示，欧美许多公司上世纪六、

七十年代达到了投资高峰。由于更换

老化设备费用高昂，这迫使许多企业

让变压器超期服役，以缓解投资压

力。然而，只有优化变压器维护，采

取相关措施才是延长使用寿命的唯一

可行方法。

同时，财务紧张也迫使企业减少维护

预算和支出，以增加投资回报。自由

化和市场化催生更多的融资重点，导

致维护预算压力越来越大。因此，运营

商不能再遵循简单的按时间维护策略

脚注：

1 高风险意味着发生故障的概率高，故障会对业绩

产生巨大影响。

现有的变压器大多

非常老旧，由于更

换老化设备费用高

昂，迫使许多企业

让变压器超期服

役。

(每年千方百计减少所有变压器的风

险)。相反，他们必须执行更理想的状

态检修策略：高风险的变压器比低风

险的变压器需要更多的维护 1。这就

需要掌握变压器状态的可靠信息。

ABB TrafoAsset Management—主动

式服务理念

为应对上述这些挑战，运营经理需要

特殊的工具支持他们的策略和日常决

定，并在正确的时间进行正确的维

护。于是出现了这样一个明显的趋

势：经理将按时间维护，转变成按工

作状态维护，维护决策不再依靠过去

的经验和观察所确定的平均时间，而

是考虑设备的实际情况和实现功能

6 ABB TrafoAsset Management — 主动式服务

分析

设计分析

安装的历史回顾

变压器监控

状态评估

风险评估

变量：变压器的重要性和故障风险

资产管理方案

经济的维修计划

定期资产服务生命周期的

早期检查

中期生命周期

阶段的翻新改造

生命周期结束

或再制造

4 三个不同应用领域中变压器故障率的变化趋势

年限

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

50

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

故障

率 (

%)

Industrial transformer

Generator transformer

Network transformer

资料来源：CIGRE WG 12-05. (1983)。对大型电力变压器故障的一项国际调研

ELECTRA, 88, 21-48。

工业变压器

发电机变压器

电网变压器

5 以往和现在变压器投资情况

制造年份

1920

-192

9

1930

-193

9

1940

-194

9

1950

-195

9

1960

-196

9

1970

-197

9

1980

-198

9

1990

-199

9

250

200

150

100

50

0

变压

器数

量

更换年份

目前预计投资

采用 TrafoAsset ManagementTM 后的预期投资

1980

-198

9

1990

-199

9

2000

-200

9

2010

-201

9

2020

-202

9

2030

-203

9

2040

-204

9

2050

-205

9

投资

5a 上世纪六、七十年代，新变压器的投资达到了高

峰。如果不采取优化的维修策略和延长使用寿

命，那么五十年后会出现另一个投资高峰。

5b 实施 ABB 的 TrafoAsset Management 计划有助

于平缓潜在的投资高峰。

66 ABB 评论 1|10

8 变压器监控界面显示的变压器重要部件状况

变压器在线监测

变压器在线监测已成为变压器管理中

的一个重要部分。它可以对主油箱及

附件中发生的任何故障起到一个预警

系统的作用，让运营商能够评估情况

的严重性。通过连接多台变压器与运

营商的网络，可以从本地控制室或远

程工作站实施监控 (见图 7)。传感器测

量冷却油中溶解气体、水分、油温、

每一单元的负载电流和环境温度，

所要求的可靠性程度。Tra foAsset

Management 侧重以下三要素：分

析、风险评估以及基于资产管理方案

的维护计划 (见图 6)。

分析

设计数据、安装地点的电力系统信

息、状态评估的结果和维护历史记

录……，这一切有助于 ABB 对所有变

压器拥有全方位的了解。这些数据在

ABB 评估管理过程中发挥了重要作

用。它不仅对降低故障的风险至关重

要，而且也为启动维护工作提供了宝

贵的信息，一旦发生问题，也可以加

速维修工作，缩短停机时间。

设计分析

ABB 已获得 30 多个传统品牌原始设

计和北美大型电力变压器安装地区近

75 % 的设计资料——其中包括西屋电

气、通用电气、ASEA 和 BBC——以

及其它先期产品的技术。ABB 所有的

新型变压器都采用相同的设计概念，

采用标准化和经过实际检验的组件和

模块，使变压器的设计具有灵活性、

可靠性和适应性。

历史回顾

ABB 安装的数据系统可以监控公司的

多种产品。系统可以提供各种各样变

压器数据，同时不断更新，如目前变

压器拥有者的详细信息和历史资料。

该系统为各种问题的主动检测提供重

要基础。例如，分析显示，在已安装

的变压器中，大约 700 台可能存在冷

却器问题。分析主要研究了役龄超过

20 年的 10 至 600 MVA 变压器 (采用油

冷式和水冷式冷却器)。许多变压器的

故障完全源于冷却系统的泄漏，类似

的故障会导致三个月停产，给运营商

造成损失。通过安装的系统获得变压

器信息，可主动联系运营商，定期检

查系统。

脚注：

2 根据统计，通过监控变压器，可使灾难性的故障

风险从 0.07 % 下降到 0.03 % [2]。

3 一级维护是问题管理的首要任务，通过收集信息

和分析症状可确定根本原因。通常，对产品了解

的人员采用一级维护方式处理明显的问题。

资料来源：ABB TEC 监控，根据 2010 年 1 月 http://tec2.vbelnat.se/ 检索。

通过模拟信号将数据传送到系统。通

过生成变压器及其工作状态的模型，

系统界面可提供确切的状态信息，然

后比较测量参数与模拟值 (见图 8)。

7 变压器监控系统结构图

HYDRAN M2或等效产品

底部油温

顶部油温

控制柜

CT

环境温度(阳光下/背光处)

TAPGUARD 260 或等效产品

可控的以太网交换机(MOXA) 或等效产品

客户 TCP/IP 网络

采用IEC 60870-5-101 / IEC 60870-5-104 / IEC 61850 / DNP 3.0 标准与 SCADA* 连接

通过 ABB 服务中心远程监控访问

TEC 先进 PC 机 1 号工作站 n 号工作站

* 监控和数据采集 (SCADA) 铜电缆 / CANBUS 通过 TCP/IP 协议的通信

光纤连接

变压器

控制室/远程

与 S

CA

DA

系统

连接

的报

警信

号辅

助触

头IDD 或等效产品 TEC

资料来源：Uhlmann O. (2009)：ABB 变压器服务工程设计解决方案现状概述。

67可靠运行 50 年

计算出其它必要参数，因此并没给变

压器增加多少复杂性。最终用户不用

再花很多时间整理和解释数据。此

外，维修经理能收到重要信息，表明

需要采取必要行动进行一级维护 3。

状态评估

ABB 是提出高度定制化状态评估方案

的开拓者。ABB 变压器管理计划 (MT-

MP) 是最先进的微创状态管理程序，

可以评估客户的所有电力变压器，并

确定哪些机组何时需要更换或翻新。

这一程序分三步展开 (见图 9)。首先，

从易于获得数据的高风险变压器评估

开始，如变压器机组的铭牌数据、油

类及油类中溶解气体的数据、负载分

布及该机组 (经筛选的变压器) 的历

史 (见图 9a)。接着，对第一步中确定

的变压器子单元进行更详尽的检查 (变

压器设计和状态评估) (见图 9b)。采

用现代的设计规则和工具评估原始设

计，并进行先进的诊断测试，以结构

化方式评估每台变压器的主要特性，

包括机械状态、热状态 (绝缘老化情

况)、主动部件的电气性能以及附件的

状况，如分接开关、套管、过压阀、

空气干燥系统、泵和继电器等。确定

进一步分析的部件数量，一般只限于

差异可以检测出来，并显示变压器及

其辅助设备的潜在故障和正常磨损。

该监控系统还能跟踪变压器报警，记

录实际事件及顺序，直到发出警报，

帮助运营商确定根本原因。监控的

好处十分明显。一项 CIGRE 研究表

明，变压器的监控有助于将灾难性的

故障风险减少 50 % 2 [2]。此外，早期

发现问题可使维修费用减少 75 %，收

入损失减少 60 %，每年节约的成本相

当于一台新变压器价格的 2 %，约达

40,000 美元至 80,000 美元 [3]。

ABB 变压器电子控制 (TEC) 监控系统

的优势就在于它只用少量的多功能传

感器就能获得所有相关信息。也可以

运营商不再遵循按

时间维护的简单策

略 (每年千方百计

减少所有的变压器

风险)。9c 第 3 步：生命评估/分析 (第 1 步和第 2 步中已有

不寻常结果的变压器) 采用深入分析方法显示变

压器状况。圈内部分表示需要立即采取的行动。

9 ABB 的变压器管理计划 (Mature Transformer Management Program TM) (MTMP) 典型的输出结果

工厂 1 – 状态评估和行动计划的结果

机械 电气 热 附件 整体风险 减少风险 – 计划

TFO 2 绕组 电弧 发热 95 工厂的外观检查和修理/绕组重制

TFO 5 油箱OLTC 发热

80 现场维修和 OLTC 大修

TFO 1 老化的油 套管 70 冷却油再生/过滤和先进的诊断/更换高压套管

TFO 6 电弧 温度计 50 顶部油温热交换器/DGA 在线监控

TFO 3 硅胶 40 更换硅胶

TFO 7 25 标准维修操作和控制

TFO 8 15 标准维修操作和控制/10 % 过载能力

TFO 4 10 标准维修操作和控制/15 % 过载能力

采取紧急行动

预防行动计划

考虑小修计划

变压器分析

相对重要性

故障

风险

9a 第 1 步：对全部变压器进行筛选分类后所提供的

风险评估。

9b 第 2 步：变压器的设计和状态评估 (高风险变压器子单元) 提出每台变压器的具体计划

68 ABB 评论 1|10

效益

如果不了解全部变压器的风险构成，

会造成低风险变压器的维修费用超

支，而高风险变压器维修费用不足 (见

图 10)。低风险变压器维修费用超支是

一项“高风险行为”，因为大约 30 %

至 50 % 的维修工作并无必要 [6]。然而

通过定期评估全部变压器，就可以避

免不必要的维修工作。采用预防性或

预测性维修方式可降低变压器成本 (受

制于维修资源不足，这与电力行业解

除管制有关)。通过集中人力和资金资

源到优先需要的地方 (优先顺序按照

状态评估后的排序而定)，这样只需

花费传统的按时间制定维修计划中的

一小部分费用，就可以提高变压器可

靠性。

据估计，如能侧重预防性维修计划，

会使寿命延长 5 至 15 年。与预防性维

修工作及正确行动相关的经济效益体

现在变压器使用寿命的延长方面，许

多故障可能源于缺乏及时的维修，因

此只要排除各种故障就可以达到上述

目标。

主动式服务

ABB TrafoAsset Management 为运营

商提供了他们所需的信息、专业知识

和维修工具，以应对管理全部变压器

所面临的挑战，从而改进了资产管理

和降低了意外故障的风险。此外，从

设计到状态评估的全面数据收集，有

助于减少变压器故障的影响，使变压

器能够快速回到正常工作状态。基于

TrafoAsset Management 实施主动式

成本：投资额、维护费用、运行成本

和间接成本。可以通过对变压器的更

换年份或维护情况的变化进行投资方

案的比较研究和敏感度研究。对每种

情况，该方案会显示相关的净现值。

另外，也可采用一个优化程序，自动

将各台变压器的生命周期成本降至最

低。该方法可生成一个表格，说明维

护或更换各台变压器或变压器组的最

佳时机。根据每台变压器的工作情况

以及为改善工作状态选用的维护措

施，可以确定全部变压器净现值。然

后，运营商可以评估不同的维护方

案，同时获得一份实施维修计划后所

获回报的总结报告。该方法包含的新

意在于：不仅考虑了维护成本，而且

也考虑了维护导致的可靠性提高所带

来的经济效益 [5]。

维修包

ABB 使用现有数据和现代化工具以及

维修包 (见图 6)，提供个性化建议和支

持，其中包括经常性资产服务、生命

周期早期阶段的检查、中期阶段的整

修和再制造。对于许多运营商来说，

由于变压器开始老化，中期阶段的整

修因此十分重要。中期阶段的整修是

对变压器的全面大修，从而延长其剩

余的生命周期时间以及提高可靠性。

通常在预期寿命过半时开始大修。它

包括几个维修步骤，包括先进的诊

断，检查机械、

热和电气状态的

问题。可能会使

用新的或整修配

件，如分接开关、

套管、泵、温度传

感器、阀门、衬垫

和水冷却器等。

例如通过清洗、绕组重新夹紧固定、

连接件重新拧紧和安装新部件整修主

动部件，这往往是中期阶段整修的一

个重要方面。

100 个中的 2 个或 3 个。在这一阶段

(生命评估/分析) (见图 9c)，高度专业

化的专家采用模拟工具分析这些单

元。然后将详细的数据发送给最终用

户的运行管理者，提供以下具体信

息：该变压器是否可以过载、其功率

或电压额定值是否可以增加，或其使

用寿命是否可以延长 [4]。

风险评估

风险评估 (见图 6) 基于两个变量。第

一个变量即故障风险，采用来自分析

阶段的输入数据进行估算，如役龄或

服役时间、变压器的铭牌数据 (如 kV

和 MVA 等)、实际应用和负载状况、操

作中出现的问题或结果、最新现场测

试数据 (如溶解气体与油类的分析)，

以及备用变压器和备件供应情况。第

二个变量是变压器在电网中的重要

性，表明如果一台特殊的变压器发生

故障，运营商系统中的多少设备将停

止运行。比较这两个变量就可以确定

不同等级的紧急维修行动 (见图 9a)。

资产管理员就可以确保优先开展高风

险变压器的维护。

资产管理方案

变压器运行商的风险不仅包括固有的

技术风险，而且也包括故障可能带来

的经济损失，如因不能供电而引起的

费用支出。有鉴于此，ABB 和一个大

型运营商共同开发了一个经济模型，

评估每台变压器在设定时间内的生命

周期成本 (见图 6)。该模型考虑了变压

器整个生命周期中四类与业主相关的

早期发现问题可

使维修费用减少 75 %，收入损失

减少 60 %。

ABB TrafoAsset Management聚焦于分析、风险评估以及制

定维修计划。

69可靠运行 50 年

维修方式，运营商将面临较低的意外

故障风险、较少的罚款 (对公用设施

而言) 和较低的收入损失 (对工业而言)

(见图 10)。

由于全世界变压器平均役龄不断提

高，因此对不间断供电的质量提出了

更高的要求，基于变压器状态评估的

资产管理和主动式服务就显得尤为重

要。为满足资产可靠性和可用性，

ABB 综合模块化资产管理法描绘了一

幅风险结构和维修需求的清晰画面。

运行经理能最优化利用维修和更换预

算，将资金拨付给高风险机组。

ABB 的 TrafoAsset Management 提供

了强有力的服务工具，以较少的费用

减少故障风险，或者最大限度地降低

故障的影响 (故障发生时)。

欲了解更多 ABB 变压器产品，请访问：

www.abb.com/transformers。

为满足资产可靠性

和可用性，ABB 资

产管理方法描绘了

一幅风险结构和维

修需求的清晰画

面。

ABB 对变压器评估前后的维修预算分布。优化维护解决方案后，客户的维修预算节约了 24 % (每年节约 30.6万美元)，而且高风险的变压器获得更好的维护。

10 ABB TrafoAsset ManagementTM ——实践中的主动式服务

ABB 的客户 (一个主要变压器运营商) 一直使用基

于时间的维修策略，这意味着它并不知道每台变

压器的维修是否适合其风险情况。此外，由于市

场解除管制，维修预算受限，因此对于是否能够

足以应对变压器风险结构并不清楚。

ABB 承担了 54 个变电站中 128 台单独变压器的群

体评估研究，以确定全部变压器中每台变压器的

故障风险。通过采取正确措施，例如精心的设计

或状态评估、诊断性评价、检验、维修或更换，

优先排列变压器。有了这些信息之后，客户就可

以针对高风险变压器重新分配资源，降低工艺成

本。

基于状态的维修，已经在这个实例中清楚地显示

优点。客户已经从优化利用时间和资源上获得了

收益，不断提高变压器可靠性。现在，大部分的

维修预算更多集中在高风险变压器上，或在电网

中发挥重要作用的变压器。这类变压器需要主动

维护，以降低意外的故障风险。

机组 变压器评估前的预算 变压器评估后的预算

11 台高风险变压器 11 万美元 (预算的 9 %) 24.55 万美元 (预算的 25 %)

47 台中等风险变压器 47 万美元 (预算的 37 %) 43.40 万美元 (预算的 45 %)

70 台低风险变压器 70 万美元 (预算的 54 %) 29.45 万美元 (预算的 30 %)

总计：128 台变压器 维修预算：128 万美元 维修预算：97.4 万美元

Thomas WestmanABB 电力产品业务

瑞士苏黎世

thomas.westman@ch.abb.com

Pierre LorinABB 电力产品业务

瑞士日内瓦

pierre.lorin@ch.abb.com

Paul A. AmmannABB 电力产品业务

瑞士巴登

paul.a.ammann@ch.abb.com

参考文献：

[1] Institute of Nuclear Power Operations (INPO). (2002, September 18). Significant Operating Experience Report, Ref. SOER02-3.

[2] CIGRE Technical Brochure 248. (2004, June). Economics of transformer management.

[3] Boss P., Lorin P., Viscardi A., et al. (2000). Economical aspects and experiences of power transformer on-line monitoring. CIGRE Session.

[4] Boss P., Horst T., Lorin P., et al. (2002). Life assessment of power transformers to prepare rehabilitation based on technical-economical analysis. CIGRE Session.

[5] Lorin P. (2004). Lifetime decisions: Optimizing lifetime costs for transformers through informed decisions. ABB Review Special Report Power Services, 10–15.

[6] IEEE PES Transformers Committee. (2007, March). Tutorial: Transformer fleet health and risk assessment, Dallas, TX.

延伸阅读：

– Eklund L,. Lorin P., Koestinger P., et al. On-site transformation: TrafoSiteRepairTM combines the old with the new to improve power transformer availability. ABB Review 4/2007, 45–48.

– Jonsson L. Transforming Transforming: Advanced transformer control and monitoring with TEC. ABB Review 4/2002, 50–54.

– Lorin P. (2005, April/May). Forever young (long-lasting transformers). IET Power Engineer, 19(2), 18–21.

– Lorin P., Fazlagic A., Pettersson L. F., Fantana N. Dedicated solutions for managing an aging transformer population. ABB Review 3/2002, 41–47.

– Potsada S., Marcondes R., Mendes J.-C. (2004). Extreme maintenance: No location too challenging for an on-site repair! ABB Review Special Report Power Services, 59–62.

– Westman T. (2009). ABB Transformer Service Marketing and Sales Presentation Pack.

– ABB Transformer Experts. (2006). Transformer Service Handbook.