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电力设备的寿命评估_郝江涛

电力设备的寿命评估

郝江涛,刘念,幸晋渝,薄丽雅,陈卓

(四川大学电气信息学院,四川成都610065)

摘要:综述了电力设备寿命评估的各种方法、理论,介绍了国内外对电力设备寿命评估技术的研究动态,同时还对变压器、发电机和电动机的寿命评估方案进行了阐述。

关键词:电力设备;寿命评估;方法;理论

Abstract:Differen t methods and theories for life evaluation of power equip ment have been summarized,and the research develop-men ts of life evaluation technique for power equipments at home and abroad have been introduced as well.At the same ti me,the life evaluation schemes for transformer,generator and electric motor have been set forth.

Key words:power equipment;life evaluation;method;theory

中图法分类号:TM31文献标识码:B文章编号:1003-6954(2005)01-0005-03

电力设备的寿命评估是一项复杂的系统工程。变压器、发电机、电动机等大型电力设备经数万小时的运行,实际上就是长期的热处理或者高强度的负荷试验,材料老化、绝缘受损等问题是高温运行的必然结果,尤其是那些超期服役的电力设备,除少量报废外,大部分仍在使用,老化问题日益突出,延长寿命使用依据不足,风险性很大。为了有效延长电力设备的使用寿命,让投资和回报有一个最佳平衡,必须进行寿命评估[1]。如何科学地评估其剩余寿命,保证超期服役的电力设备安全运行是一个亟待解决的问题。

1国内外电力设备寿命评估技术的研究动态

1.1日本电力设备寿命评估技术简介

日本对电力设备部件残余寿命评估的办法是按照1987年日本自然资源与能源署与日本国际贸易与工业部联合颁布的国家导则进行的,第一阶段的研究内容包括3部分:(1)用制造锅炉与汽轮机的典型材料进行破坏性与非破坏性试验,同时进行解析分析作寿命评估,比较这3种方法并提出其各自的使用范围;(2)在实际运行部件上作非破坏性试验或取样作破坏性试验并进行解析分析,进一步验证3种方法的适用范围;(3)对3种方法综合评价,总结出各种改进办法。第二阶段的研究工作包括超临界机组设备部件的寿命评估以及疲劳-蠕变损伤的非线性数学模型。1.2美国电力设备寿命评估技术简介

美国电力研究院采用多数国家使用的/三级评估法0并制定出较完整的/综合寿命管理程序0作为美国电力企业寿命管理工作的通用导则。在三级评估工作中,/一级评估0是在企业上层机构中进行的,尽量使用现有资料进行企业规模的全面综合分析,包括发电规划、电网规划、用电规划与老厂寿命评估更新改造做经济分析对比。/二级评估0以设备的无损检测为主要手段配合一般常规技术检查。/三级评估0一般需要破坏性试验、各种取样、机理研究,甚至需要安装一些监测系统来最终确定损伤根源并提出解决办法。

中国的寿命管理工作目前还是处于初级阶段,它仅限于某些技术专业内的活动,而且只作为个别设备、部件必要时的安全评估手段。

2电力设备寿命评估的方法及理论

2.1寿命评估方法简介

电力设备寿命评估方法分为三类:(1)解析法:根据各种运行情况下的材质老化数据和本机组使用时间、温度、应力大小及其分布状况、起停次数等工况,利用各种曲线、公式综合判断,然后可以预测部件的剩余寿命。该方法可以评价设备的任意部位,但机组运行时间长的话,机组的材料性能将发生变化,影响评价精度。同时这种方法是间接评估设备寿命的,有很多局限性。(2)破坏性检测法:从有代表性的部位

取得试样后,进行相应的性能实验并进行组织断口状况分析、化学成分分析及碳化物分析,而后进行综合判断,进而预测部件材料的剩余寿命。这种方法在实际机组上取样有两种形式,一种是从评价的机组上直接取样;另一种是从电厂更换下来的、经过长期运行后的部件取样,其数据准确性高。第一种方法受结构限制,相应部位的取样会有各种困难;第二种方法需要有机组运行情况的详细记录。(3)非破坏性检测法:不破坏机组部件,通过外部测量、试验就可以定量掌握材质状况,因此也称无损检测法。该方法不需要切割小型样品,仅在实物表面上测定,比较方便。但该方法也有其局限性,因为材料的固有特性偏差较大,即使相同的部件,运行条件不同,则材料的老化程度也各不相同。

实际上,在对机组部件进行寿命评估时,为使结果更加可靠,往往将以上的3种方法综合运用。

2.2寿命评估技术新理论

如今已出现了各种新的理论应用于电力设备的寿命评估,其中有以下几种:(1)神经元网络理论,该理论具有高度非线性、并行处理、自学习等优点。在对转子剩余寿命的评估中,首先确定自适应BP人工神经元网络评估模型结构,然后对选择的样本进行训练,调节网络连接权数使输出与目标值逼近,对于已经训练好的网络,只要输出预测样本,通过网络训练就可以得到剩余寿命的运算。(2)可靠性技术,实际上就是运用概率断裂力学,考虑工程中的诸多随机因素,可给人们提供部件在当前缺陷状态下的可靠度,提供整个部件在继续运行过程中可靠度的变化趋势,给寿命管理提供更为客观科学、有预见性的指导。

(3)突变理论,它可以用于突变事件的建模和预测,对材料裂纹的演化模型作出预测。

3变压器、发电机、电动机的寿命评估

3.1变压器的寿命评估

目前关于变压器的寿命难于精确计算,这是因为影响寿命因素的多维性和大量随运行时间而随机变化的不确定情况造成的。通常有两种方法用于粗略估计变压器的寿命,第一种是统计法,它对运行中的变压器进行统计,然后评估寿命,这种方法成本低,但对新开发的变压器很难在出厂前获得寿命数据;第二种是整机加速寿命试验法,该法用变压器试品或模拟试品进行加速寿命试验来评估寿命,这种方法成本高,难以描述元器件损坏的内在机理。针对这两种方法存在的缺陷,文献[3]提出一种新的方法来评估变压器的寿命,该方法是基于变压器绝缘纸聚合度的测定,从而依据绝缘纸聚合度计算出变压器寿命,该方法可以为制造厂在出厂前向用户提供变压器的预期寿命,还可以估计运行中的变压器残余寿命。人们通常认为变压器的寿命,即油纸绝缘的寿命是由绝缘纸(板)纤维素的热老化决定的。这里有两种方法可以判断绝缘寿命[4],一是测定老化绝缘纸的抗拉强度,并将其强度损失50%作为材料的寿命终点。二是测定纸纤维素分子聚合度(DP)值。当聚合度下降到DP =200时,认为材料寿命达到终点。国外有人对变压器提出/绝缘年龄0的概念。/绝缘年龄0的评估依靠的是对绝缘状态参量数据分析处理的结果,而可靠性评估是一种使用测量绝缘老化数据估计剩余寿命的概率统计应用技术。随绝缘年龄的增加,可靠性降低。文献[5]提出了用人工神经网络来判断变压器绝缘老化程度和评估剩余寿命。人工神经网络实质是模拟人脑信息处理的功能,能映射高度非线性的输入、输出关系。传统的行业导则将变压器的寿命仅归因于绝缘纸的热老化,针对这一说法,文献[6]提出了一种评估变压器寿命最有效的方法。对变压器的老化机理进行了数学分析。老化函数F(p)=Kt,式中t是时间;K是化学反应速率常数,对于基本的化学反应,K=K0e-B/T,T是绝对温度。当材料特性劣变到设定的极限值时,则该材料的寿命已尽。该材料的寿命为:

L=F(P(E-O-L)/K=Ae B/T(AD公式)类似的经验公式为:L=e-P H;该式中:P是常数,H是摄氏温度。上述公式是在一定实验条件下以材料某一特性的假定寿命标准表示该材料的寿命期限。

评估变压器可靠性的最佳途径是严密监测变压器油中的气体分解,分解气体分析是检测变压器中的问题的最有效途径。人们在研究油的含烃量、纸样的DP值与变压器寿命的内在联系,以期找出绝缘材料的固有寿命及其残余寿命的最有效办法。

3.2发电机的寿命评估

目前确定电机绝缘系统剩余寿命有两种方法,一是监视导致劣化的应力,该方法不是定量地确定剩余寿命,由此确定的剩余寿命是很保守的,有些缩短绝缘寿命的应力不是很容易监测。二是通过监测和试验,观察各种征兆,然后根据经验判断剩余寿命。但是该方法要求有丰富的经验和多次停机检修,针对这一问题,文献[7]提出用马尔可夫模型就可以用离散型变量法和连续型变量法较快的计算出电机的剩余寿命。高压成型线圈及低压嵌套线圈的绝缘结构耐热等级评定符合老化寿命公式:lg L =A +B @1/T (式中L 为绝缘寿命,T 为绝对温度,A 、B 为待定常数),这里绝缘材料的老化速率B 可以用文献[8]所用的逸气分析-气相色谱技术(EGA-GC)求得,由此就可以求出大电机的绝缘寿命。对于大电机定子绕组绝缘剩余寿命的估计,文献[9]提出的方法基础是定期对介电测量结果(介电损耗因素和电容)进行数学处理。在不同温度下得到的介电测量结果要变换到参数温度上来。可能的击穿电压在原理上等于一个电压值,在这个电压下介电性能与电压的变化函数符合通常的界限点。这种现象可以根据二次多项式函数通过最小二乘法来分析模拟。最后维持寿命的时间用决定于测量次数的某些置信度来确定。此外,文献[10]还根据最大局部放电量来推断发电机定子线圈绝缘耐压水平和剩余寿命,然后再用吸湿度tg D 0/R 1C 0来加以修正,其中为静电容量,从文中结果看出,修正后的绝缘寿命误差比修正前小,说明用此方法提高了发电机寿命预测精度。3.3 电动机寿命评估简介[11][12][13]

电动机绝缘结构寿命是服从正态分布LN (L ,R 2),其平均寿命H 为:

H =exp (L +R 2

),其中L 为对数均值,R 为对数标准差。用该正态分布公式评估电动机的寿命很难实施,因此文献[11]中对F 级绝缘的电动机在加大应力的作用下进行加速试验,结果很好地评估出了电动机的平均寿命。提高电动机的绝缘电阻最低要求值对于延长电动机绕组绝缘寿命具有一定的意义。为了对一台新购置的F 级绝缘隔爆型电动机的绝缘寿命进行评估,文献[13]用K RS 法进行了评估,其中:K RS =

R tol d -R t min

R tnew =R t min

,根据K RS 与电动机绝缘剩余寿命

下限T 的关系式:T =(KT N -T t )#210(K RS -1就可以评估出电动机的绝缘寿命。

4 结论

变压器、电动机、发电机都是电力系统很重要、也很昂贵的电力设备,由于都是长期处于高强度负荷的运行中,受外界各种因素影响,材料绝缘老化等将使其寿命难以精确估计,因此,采用各种新技术,新理论对其寿命进行准确的评估就显得十分重要。此外,电力设备的寿命也不只是一项纯技术工作,而是一件在经济分析指导下具有企业规模的有序和整体的活动,是一种企业行为。它不但要引起中国技术人员的重视,而且更应该引起中国企业领导的重视。

参考文献

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(收稿日期:2004-09-10)

基于电力设备状态评价体系的GIS状态评估方法

基于电力设备状态评价体系的GIS状态评估方法发表时间：2018-01-19T21:48:50.807Z 来源：《电力设备》2017年第28期作者：吴文利 [导读] 摘要：随着社会不断进步，电网飞速发展，电力通信网络已构建成复杂化的专网，极大地促进了地区经济全面发展。 (平高集团印度电力有限公司河南省平顶山市 467001) 摘要：随着社会不断进步，电网飞速发展，电力通信网络已构建成复杂化的专网，极大地促进了地区经济全面发展。在电网运行中，极易受到多种因素影响，加强电力设备完整化管理尤为重要。因此，该文笔者以多角度客观分析了电力设备状态评价，多层次探讨了状态评价下电力设备完整化管理有效途径。关键词：封闭式组合电器；SF6；状态检修；状态评估；状态指数导言 GIS(gas insulated switchgear)是指一种将断路器、隔离开关、快速接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线、套管及电缆终端等其他功能部件封闭组合在接地的金属外壳中并采用SF 6作为绝缘介质的电器装置。当前对GIS展开的研究工作大部分集中在检测技术领域，对其健康状态及剩余使用寿命评估领域的研究未见有比较成熟的报道。电力技术与市场经济的高速发展已经对电力设备的管理提出了新的要求，需要电力企业在GIS全寿命周期内基于GIS的状态实行有针对性的差异化检修管理方案。 1电力设备状态评价与风险管理系统在电力设备运行中，状态评价流程贯穿其完整化管理系统的关键性，促使电力设备系统核心功能模块紧密相连，处于统一化的网络结构体系中，各自发挥着不同的作用。试验、巡视是日常检查电力设备运行状态的重要形式，其检查时间以及方式各不相同，通常情况下，不能同时采用这两种检查方式，但电力设备状态评价和试验、巡视紧密相连，缺一不可。也就是说，试验以及巡视之后，相关人员都必须综合分析各方面主客观影响因素，严格按照相关规定，再次对各类电力设备进行必要的状态评价，这是提高电力设备状态评价结果实效性的重要保障。就电力设备状态评价来说，具有多样化的功能，比如，查询电力设备状态评价数据，审核电力设备状态评价结果。在检查电力设备过程中，相关人员需要对电力设备各部件进行状态评价，根据各个部件状态评价结果，明确电力设备整体情况，是否处于“健康”状态，个部件都没有异常情况出現，才能说明电力设备处于稳定运行中，一旦某部件不属于“正常状态”，比如，注意状态、严重状态，需要将电力设备评价为最严重的状态。通常情况下，在评价电力设备部件状态中，其评价结果建立在一组状态参量基础上，以状态判断为基点，各状态参量劣化情况可以分为多个等级，等级越高，说明电力设备劣化状态最为严重。 1.1简介 “电力设备状态评价与风险管理系统，(Condi-tion Assessment and Risk Management System of E-lectrical Equipment，CARMS)”通过收集设备资产信息(直接反映与间接反映资产状态的信息，包括基础数据、运行参数、变电站环境资料、试验数据、缺陷情况等信息)，采用信息量化方法，结合工程学理论知识与现场运行经验，深入研究电网资产的老化过程和故障机理，在充分了解和掌握设备资产运行、环境、维护以及设备状态性能之间关系的基础上，针对电网资产开展状态评估与风险评估，以量化的状态指标准确、直观地计算每台、每组设备当前、未来的运行状态，每台、每组设备当前、未来的运行风险并最终直观地以货币化的参数展示，同时基于状态评估结果与风险评估结果，在电力企业可用的检修资源的情况下，以定量的指标(故障率、状态、风险等)给出合理的检修、维护建议。 1.2理论基础 1.2.1特征状态量目前国内外主要通过对GIS的绝缘性能进行监测以评估其运行状态，但单独采用该数据以表征GIS的健康状态较为片面，实际上该数据只能反映GIS的绝缘状态。GIS的主要功能是开合线路，由于机械性能劣化是断路器无法正常工作的主要原因，因此基于触头的机械特性评估其状态，对于GIS的健康状态评估及剩余寿命评估具有重大意义。 1.2.2理论基础 CARMS定义GIS的剩余使用寿命是指GIS能够在一定可靠性的情况下连续运行的时长，当GIS的可靠性无法满足电网运行的需求时，即认定GIS达到了寿命终期。一般意义来说，GIS在寿命周期内的失效概率呈浴盆曲线，刚投运时，由于设计、原材料及制造过程中产生的一些缺陷，GIS在该阶段失效率较高，但GIS此时处于老化的初始阶段，仍有较长的剩余使用寿命；投运一段时间后，GIS进入稳定期，开始了正常老化过程，其状态相对来说比较稳定；当GIS的失效概率开始急剧上升，说明GIS已经严重老化，接近寿命终期。 2状态评价下电力设备完整化管理有效途径 2.1状态评价下电力设备完整化管理的重要性在状态评价下，电力设备完整化管理尤为重要，可以对电力设备进行必要的缺陷以及预防性检修，有效防止电力设备运行中出现“过修、欠修”现象，提高电力设备整体性能的基础上，延长了电力设备使用寿命，不需要多次对电力设备进行较大的检修，计划检修已成为状态检修，可以避免检修中电力设备被损坏，电力设备检修成本大幅度降低。在此基础上，还在一定程度上减少了电力设备检修人员工作量，电力设备状态检修各方面明确化，其检修难度大幅度降低，极大地提高了电力设备检修准确率，利于电力设备随时处于稳定运行中，提高其运行效益。 2.2状态评价下电力设备完整化管理有效途径 2.2.1电力设备风险评估依据从某种角度来说，在电力设备完整化管理方面，电力设备风险评估是其不可忽视的关键性依据。相关人员客观评价电力设备运行状态之后，需要客观评估其存在的风险，明确电力设备存在或者即将发生的风险，便于领导者科学决策，确保输变电设备方面一系列工作顺利开展，比如，运行、检修、试验，进而将电力设备完整化管理工作落到实处。在评估电力设备风险过程中，相关人员必须准确把握其具体化评估依据，比如，电力设备价值、用户，准确把握电力设备各方面权重，比如，价值、地位，根据相关计算公式准确计算电力设备风险值等，确保电力设备风险评估工作有序展开。 2.2.2电力设备检修对策在客观“评价、评估”之后，电力企业需要根据电力设备各自运行情况，进行针对性的状态检修，需要围绕状态评价结果，全方位客观

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5.4 电缆 (6) 变电一次部分………………………………………………………………………………… 6.1 电力变压器、油浸式电抗器……………………………………………………………… 6.2 断路器……………………………………………………………………………………… 6.3 隔离开关…………………………………………………………………………………… 6.4 母线………………………………………………………………………………………… 6.5 电流互感器、电压互感器、电容式电压互感器…………………………………………… 6.6 电容器……………………………………………………………………………………… 6.7 避雷器……………………………………………………………………………………… 6.8 避雷针、接地网……………………………………………………………………………… 6.9 干式电抗器、阻波器……………………………………………………………………… 7 变电二次部分…………………………………………………………………………………

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