淺析供配電設(shè)備的“老化、診斷、延年、更新”技術(shù)

蘇繼紅，劉 珧

（寶山鋼鐵股份有限公司設(shè)備部，上海 201900）

一、問題的提出

在設(shè)備的日常管理活動(dòng)中，設(shè)備發(fā)生了故障對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造，其原因往往歸咎于設(shè)備“老化”。而“老化、診斷、延年、更新”是一項(xiàng)評(píng)判設(shè)備是否老化的技術(shù)課題。隨著設(shè)備管理水平的不斷深化，有必要對(duì)壽命周期較長(zhǎng)的設(shè)備展開老化、診斷、延年、更新的研究。供配電系統(tǒng)所處地位重要，壽命周期較長(zhǎng)，更具研究?jī)r(jià)值。

二、關(guān)于供配電設(shè)備的老化和壽命

1.供配電設(shè)備老化的原因

(1)熱老化

由于組成電氣設(shè)備的物質(zhì)發(fā)熱引起的物理或化學(xué)變化，造成電氣設(shè)備性能下降，如橡膠龜裂，介質(zhì)拉弧等。

(2)電氣老化

由于電場(chǎng)集中引起的電氣設(shè)備性能下降，可用材料帶電的v—t曲線表示。

(3)機(jī)械老化

由于機(jī)械應(yīng)力、磨損等引起機(jī)械性能下降。

(4)環(huán)境老化

由于污損、腐蝕、溫度、濕度、潤(rùn)滑等使用環(huán)境不良引起的性能劣化。

由此可見，電氣設(shè)備的老化程度與運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行方式、設(shè)計(jì)制造水平、維護(hù)管理水平等因素密切相關(guān)，因而掌握電氣設(shè)備的老化機(jī)理和判斷它的老化程度是一項(xiàng)非常復(fù)雜的技術(shù)。

2.對(duì)設(shè)備老化和壽命的一般認(rèn)識(shí)

老化和壽命是兩個(gè)不同的概念，老化是相對(duì)的，老化了還能繼續(xù)使用，但功能或安全性下降了。壽命是絕對(duì)的，壽命到了就不能用了。老化與壽命之間可以用生產(chǎn)所需求的“功能健全性”(包括性能、精度、可靠性)關(guān)聯(lián)起來，如某設(shè)備即使較深度老化了，但生產(chǎn)對(duì)設(shè)備的“功能健全性”要求不高，則壽命較長(zhǎng)，反之則短。

一臺(tái)設(shè)備在同一壽命周期內(nèi)由于老化造成功能喪失不可恢復(fù)，表明該設(shè)備壽命已經(jīng)終了。決定電氣設(shè)備壽命的要因有兩種，一是由構(gòu)成電氣設(shè)備的物質(zhì)材料及其性能所決定的，稱其為物理要因，它可以通過維護(hù)管理、改造更新等技術(shù)活動(dòng)來改善其老化程度，進(jìn)而獲得壽命的延長(zhǎng)。也可通過改造更新獲得第二個(gè)壽命周期，顯然，這個(gè)物理要因是基本可控的；另一種要因是由包容這些電氣設(shè)備的社會(huì)環(huán)境所決定的，如設(shè)備的維護(hù)管理、制造廠服務(wù)中止、備件供應(yīng)中止、修理體系中止等，稱為社會(huì)要因。社會(huì)要因中的很多因素取決于外部企業(yè)或團(tuán)體，國(guó)外先進(jìn)企業(yè)大多都很重視這個(gè)因素，都從設(shè)備階段開始就充分考慮這一社會(huì)因素的穩(wěn)定性和連續(xù)性，事實(shí)上，如果因素不友好，要通過企業(yè)自身的努力來彌補(bǔ)將十分困難。

設(shè)備的物理老化是一種自然規(guī)律，但只要老化的程度還不至于造成“功能健全性”障礙，或者說這種物理老化是在既定的控制范圍內(nèi)，就不能說老化故障的發(fā)生是合理的。

造成設(shè)備“功能健全性”喪失的原因很多，一般說來，設(shè)備壽命周期內(nèi)的前期主要是設(shè)計(jì)、制造、安裝問題，中期主要是運(yùn)行、維護(hù)、管理問題，后期才會(huì)有設(shè)備老化問題。根據(jù)當(dāng)前的社會(huì)環(huán)境和普遍的設(shè)備制造水平，新置的供配電設(shè)備在15年之內(nèi)應(yīng)不存在老化的問題。

三、供配電設(shè)備的狀態(tài)和老化診斷技術(shù)

1.供配電設(shè)備的功能試驗(yàn)、診斷技術(shù)現(xiàn)狀

單體電氣設(shè)備常規(guī)的試驗(yàn)、診斷分兩個(gè)層次，一是簡(jiǎn)易診斷，二是精密診斷。精密診斷的對(duì)象、技術(shù)、儀器如表1所示，這些手段在公司得到了廣泛應(yīng)用。由于常規(guī)的試驗(yàn)、診斷方法對(duì)應(yīng)的診斷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較嚴(yán)格、實(shí)用，手段也比較齊全，加上多年來積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，所以，這些診斷技術(shù)的準(zhǔn)確率較高，達(dá)95%左右。

表1 供配電設(shè)備常規(guī)試驗(yàn)診斷項(xiàng)目列表

但是，這些試驗(yàn)和診斷技術(shù)的應(yīng)用是有其局限性的，大多只能判別單體設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)良好與否以及其能否正常運(yùn)行到下一試驗(yàn)周期，并不適合于更宏觀、綜合地判斷該設(shè)備的老化程度及其老化發(fā)展趨勢(shì)。

2.基于機(jī)理研究精確推導(dǎo)單體電氣設(shè)備老化程度的診斷技術(shù)

理論上，從熱效應(yīng)、電效應(yīng)、機(jī)械應(yīng)力效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)展開機(jī)理研究，同時(shí)對(duì)這些機(jī)理變化過程用數(shù)學(xué)、邏輯的方法進(jìn)行處理，應(yīng)該能更迅速有效、直接地揭示電氣設(shè)備的老化程度并預(yù)測(cè)未來。但因?yàn)樯鲜龈饕蛩刂g的關(guān)系復(fù)雜，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，所以這種基于設(shè)備老化診斷機(jī)理技術(shù)研究進(jìn)展緩慢。

日本在“老化、診斷、延年、更新”方面的研究處于世界領(lǐng)先地位，20多年前就成立了專門的研究委員會(huì)從事這項(xiàng)工作的研究，但至今未見有可以廣泛、直接應(yīng)用于企業(yè)的研究成果。在最新出版的有關(guān)文獻(xiàn)中，對(duì)19種電氣設(shè)備的老化診斷和壽命預(yù)測(cè)成果進(jìn)行了介紹，除油浸式變壓器外(聚合度、糠醛等方法比較有效)，大多數(shù)也只是指導(dǎo)性的定性分析。

另一方面，由于所具有的專門用于基于電氣設(shè)備機(jī)理老化診斷方面的手段(或器具)比較少，經(jīng)驗(yàn)也不豐富，即便是有手段、有人力也不會(huì)不惜成本廣泛推行這項(xiàng)工作。因此，目前企業(yè)想通過自身獲取電氣設(shè)備的老化特征現(xiàn)象，從機(jī)理上分析電氣設(shè)備老化本質(zhì)，進(jìn)而進(jìn)行老化程度判斷的方法很難操作和短期見成效。

3.基于常規(guī)試驗(yàn)、診斷手段和經(jīng)驗(yàn)，推導(dǎo)單體電氣設(shè)備老化程度的評(píng)判方法

(1)基本思路

電氣設(shè)備的老化會(huì)先有特征現(xiàn)象(如溫度高)后有表觀現(xiàn)象(如高溫引起碳化黑斑)，通過對(duì)大量的、容易獲取的電氣設(shè)備老化表觀現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)挖掘，以經(jīng)驗(yàn)(特別是傾向性管理)結(jié)合上述的常規(guī)試驗(yàn)、診斷手段可對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行綜合性的老化評(píng)估。

通過各種常規(guī)診斷手段收集電氣設(shè)備老化的表觀現(xiàn)象，并經(jīng)驗(yàn)性地以點(diǎn)數(shù)形式對(duì)各項(xiàng)老化現(xiàn)象加以量化，根據(jù)這些點(diǎn)數(shù)之和可綜合評(píng)判電氣設(shè)備的老化程度。統(tǒng)計(jì)、分析要素包括社會(huì)要因中的運(yùn)行年限、環(huán)境條件、維護(hù)水平、備品配件，物理要因中的異?，F(xiàn)象、劣化現(xiàn)象、診斷試驗(yàn)等。

為了操作方便，評(píng)判方法分兩個(gè)層次，一是一次診斷，主要由點(diǎn)檢人員用簡(jiǎn)單儀器結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)來完成，其中社會(huì)要因和物理要因的比例約各占50%；二是二次診斷，主要由專業(yè)技術(shù)人員實(shí)施，其中社會(huì)要因和物理要因的比例分別占15%和85%。85%的物理要因中，可分為劣化現(xiàn)象和試驗(yàn)兩個(gè)方面。盡管劣化現(xiàn)象占有絕對(duì)的比重，但在實(shí)際工作中仍會(huì)更關(guān)心后者，因?yàn)樗话愠霈F(xiàn)在劣化現(xiàn)象之前。

(2)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)一般都遵循正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，可以用以下方法處理。

①把這項(xiàng)試驗(yàn)根據(jù)它的有效性定一個(gè)比較合適的分?jǐn)?shù)，根據(jù)已有的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或經(jīng)驗(yàn)確定正態(tài)分布的方差范圍(一般取3σ，即xc=x+3σ,xc為參考標(biāo)準(zhǔn)，x為平均值)，并依此分為若干個(gè)等級(jí)。

另外，也可以用無量綱峭度(Σni=1(xi-x)4/(n-1))/σ4的方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，它基本消除了其他因素對(duì)本質(zhì)數(shù)據(jù)的影響，但存在離散性較大的不足。

(3)綜合統(tǒng)計(jì)

根據(jù)以上原則結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)電氣單體設(shè)備制定統(tǒng)計(jì)內(nèi)容和權(quán)重，如表2所示。

表2 電容器老化診斷評(píng)價(jià)表

(4)評(píng)判參考標(biāo)準(zhǔn)

評(píng)判參考標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

對(duì)某廠的高壓?jiǎn)误w設(shè)備按上述方法進(jìn)行了分析，分析結(jié)果得到技術(shù)管理人員的廣泛認(rèn)同。

4.基于可靠性評(píng)估和單體設(shè)備老化程度的系統(tǒng)老化程度評(píng)判方法

表3 評(píng)判參考標(biāo)準(zhǔn)

在日常設(shè)備管理活動(dòng)中更關(guān)心的是系統(tǒng)設(shè)備。系統(tǒng)設(shè)備的老化程度與組成它的單體設(shè)備老化程度和各單體設(shè)備之間組合后的可靠程度密切相關(guān)，大體上可用兩者之和來表示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性高，則構(gòu)成它的單體設(shè)備即使老化一點(diǎn)也能允許，反之則不然。

(1)供配電系統(tǒng)的可靠性評(píng)估

按可靠性理論及其方法來評(píng)價(jià)電氣系統(tǒng)的可靠度是一項(xiàng)非常艱巨的工作，無論用蒙可馬利還是馬爾柯夫分析法，都需要大量的概率和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，作為企業(yè)來說很難操作。可用實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)方法來替代。

供配電系統(tǒng)的可靠性取決于它的可靠性設(shè)計(jì)及其他的“功能健全性”技術(shù)指標(biāo)，前者可用進(jìn)線方式、回路數(shù)、母線方式的冗余備用性和可維護(hù)性來評(píng)價(jià)，后者可用運(yùn)行實(shí)績(jī)來評(píng)價(jià)，如負(fù)荷側(cè)故障、系統(tǒng)性故障、天災(zāi)等。評(píng)判的參考方法如表4所示，評(píng)判結(jié)果可用量值S3來表示。

表4 供配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估表

(2)供配電系統(tǒng)的老化程度評(píng)判方法

供配電系統(tǒng)的老化程度與供配電系統(tǒng)的可靠度及組成系統(tǒng)的單體設(shè)備老化程度有關(guān)。供配電系統(tǒng)主要由刀閘、斷路器、變壓器、電流電壓變換器、配電盤及其他有關(guān)設(shè)備6類單體設(shè)備構(gòu)成，這些單體設(shè)備均可按前面的方法分別得出它們的老化程度(S2)平均值，然后把這6個(gè)平均值的算術(shù)和再加表4中的系統(tǒng)可靠度S3，就能大致把握整個(gè)電氣系統(tǒng)的老化程度S。即：

其評(píng)判參考標(biāo)準(zhǔn)見表5。

表5 評(píng)判參考標(biāo)準(zhǔn)表

對(duì)某廠的高壓設(shè)備系統(tǒng)按上述方法進(jìn)行了分析，分析結(jié)果也得到了技術(shù)管理人員的廣泛認(rèn)同。

需要指出的是，上述這兩種方法是相對(duì)的，如果全公司乃至全行業(yè)都來使用這種方法，將更為有效。

四、老化診斷后的延年更新技術(shù)

1.控制設(shè)備異常老化的一般對(duì)策

基于常規(guī)試驗(yàn)、診斷手段和經(jīng)驗(yàn)，推導(dǎo)單體電氣設(shè)備老化程度的評(píng)判方法對(duì)單體設(shè)備的老化程度進(jìn)行了綜合評(píng)估，需進(jìn)一步細(xì)化而采取有針對(duì)性的對(duì)策。但構(gòu)成單體設(shè)備的部件很多，所以要考慮投入和回報(bào)的最佳比例。

比較實(shí)用的老化管理思路是，先將設(shè)備按其地位(包括生產(chǎn)、安全、環(huán)保等因素)的重要程度劃分維修管理方式(DBM、TBM、CBM)，把不重要的設(shè)備從中剔除(供配電系統(tǒng)很少有這樣的設(shè)備)，然后根據(jù)系統(tǒng)或設(shè)備的構(gòu)成分層次盡量細(xì)分，如變壓器可細(xì)分為鐵心、線圈、油箱、油等，線圈又可再分為導(dǎo)體、導(dǎo)體絕緣材料、線圈絕緣材料，然后羅列上述被細(xì)分的各部件，按下述3個(gè)層次分類，并按所定義TSR方法實(shí)施老化管理。

層次T：基于點(diǎn)檢健全性確認(rèn)層次。在功能喪失前有明顯的征兆，通過人的感知、簡(jiǎn)單測(cè)試能較準(zhǔn)確把握其狀態(tài)的，或者是通過定期點(diǎn)檢能確認(rèn)當(dāng)前狀態(tài)良好且又能預(yù)計(jì)到下次點(diǎn)檢之前不會(huì)出問題的部件可納入該層次。

層次S：基于更換標(biāo)準(zhǔn)的層次。除層次T外，很多部件是很難通過日常點(diǎn)檢把握設(shè)備的老化程度的，從技術(shù)上來說，應(yīng)該對(duì)它們進(jìn)行進(jìn)一步的老化診斷，然而老化診斷也是有成本的。從實(shí)用的角度出發(fā)，把某些價(jià)格便宜、更換方便而診斷成本較高的部件歸為S層次，對(duì)屬S層次的部件不進(jìn)行老化診斷，而是采取建立更換標(biāo)準(zhǔn)（如運(yùn)行年限、動(dòng)作次數(shù)、啟動(dòng)次數(shù)等），超過標(biāo)準(zhǔn)就更換的策略。在S層次，除了為完善標(biāo)準(zhǔn)做必要的試驗(yàn)、診斷外，不再做其他額外的診斷工作。

層次R：基于老化診斷的層次。除S、T層次外的則歸結(jié)到R層次，R層次的主要手段如三、1和三、2所述。當(dāng)然，這兩種方法不可能包含所處R層次中的所有設(shè)備，這正是技術(shù)人員要研究的課題。

2.電氣設(shè)備的診斷周期

當(dāng)單體設(shè)備的S1超過標(biāo)準(zhǔn)后，就要進(jìn)行二次診斷。在二次診斷中，要使用較多的儀器儀表，還必須停止生產(chǎn)，實(shí)施的成本比較高。在二次診斷實(shí)施更新改造時(shí)，設(shè)備的診斷周期可按以下原則確定：

式中：C——綜合成本；

C1——每次的診斷成本；

C2——每次的停機(jī)損失；

T——時(shí)間；

MDT——停機(jī)時(shí)間函數(shù)。

當(dāng)C最小時(shí)，對(duì)應(yīng)的T就是最佳診斷周期。MDT是故障確切密度時(shí)間函數(shù)，可用∫T0(T-t)f(t)d t來表示，在設(shè)備的平均壽命內(nèi)，可認(rèn)為設(shè)備的運(yùn)行基本是穩(wěn)定的，所發(fā)故障是偶發(fā)性的，f(t)可用e-λt(λ為故障率)來表示，可得出MDT＝T-(1-e-λt)/T。

對(duì)C微分求最小值，可得出最佳的T為T＝(2C1/λC2)1/2。值得注意的是，如果考慮到診斷技術(shù)的有效性，在上述最佳診斷周期T中，還應(yīng)乘以有效性系數(shù)(P/1＋β)1/2

式中：P——檢出率；

β——漏檢率。

3.電氣設(shè)備的延年和更新措施

基于常規(guī)試驗(yàn)、診斷手段和經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)單體電氣設(shè)備老化程度的評(píng)判方法或基于可靠性評(píng)估和單體設(shè)備老化程度的系統(tǒng)老化程度評(píng)判方法，可基本把握電氣設(shè)備的老化程度，按控制設(shè)備異常老化的一般對(duì)策可基本控制電氣設(shè)備的異常老化，顯然，其老化對(duì)策不可能按四、1的方法無限期進(jìn)行下去，到時(shí)總要更新。

更新與否與該設(shè)備的老化程度、更新推薦期(一般由制造廠提供)和平均壽命有關(guān)。老化程度、更新推薦期、平均壽命的關(guān)系如圖1所示。

圖1 老化程度、更新推薦期、平均壽命的關(guān)系示意圖

在A區(qū)，應(yīng)立即更新改造；在B區(qū)，可綜合考慮相關(guān)因素(如成本、停機(jī)時(shí)間等)采取延年措施或更新改造措施；在C區(qū)，更換或修復(fù)失效部件；在D區(qū)，加強(qiáng)點(diǎn)檢，實(shí)施二次診斷；在E區(qū)，常規(guī)維護(hù)管理即可。

采取延年措施的指導(dǎo)思想主要是參照?qǐng)D1中的縱軸方向，通過改善設(shè)備的運(yùn)行條件或采取部件更換和修復(fù)的方法來降低(或延緩)設(shè)備的老化程度，不同設(shè)備的具體做法不同；而更新改造的指導(dǎo)思想是使設(shè)備獲得第二次生命，它同時(shí)參照?qǐng)D1中的縱、橫軸兩個(gè)方向。供配電設(shè)備系統(tǒng)的更新改造是一個(gè)比較大的舉措，應(yīng)與公司的中長(zhǎng)期規(guī)劃、投資費(fèi)用及其安全性、可靠性、功能和性能、可維護(hù)性、節(jié)能環(huán)保性等當(dāng)今技術(shù)進(jìn)步因素結(jié)合起來綜合考慮。

五、結(jié)論

供配電設(shè)備的“老化、診斷、延年、更新”中的重點(diǎn)是老化診斷，如何建立一套實(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)是要很多技術(shù)作支撐并且是高于一般的技術(shù)研究。