110～500kV隔離開關(guān)缺陷率統(tǒng)計(jì)分析研究

李斐然，王 威，王紹安，池 偉，劉秩鋒，程養(yǎng)春

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.浙江省電力學(xué)會(huì)，杭州 310014；3.華北電力大學(xué) 高電壓與電磁兼容北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；4.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

0 引言

高壓隔離開關(guān)是電力系統(tǒng)中基礎(chǔ)的開關(guān)電器之一，在電力系統(tǒng)中起到隔離電源、分合小電流、進(jìn)行倒閘操作、改變運(yùn)行方式等作用，對(duì)變電站和發(fā)電廠的設(shè)計(jì)、建設(shè)和安全運(yùn)行影響均較大，是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要裝置[1]。然而，由于在設(shè)備運(yùn)行過程中，受到設(shè)備質(zhì)量、操作方式、設(shè)備部件老化以及環(huán)境等因素的影響，隔離開關(guān)會(huì)發(fā)生不同性質(zhì)的缺陷，較為嚴(yán)重的缺陷將會(huì)直接影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行[2-3]。

高壓隔離開關(guān)傳統(tǒng)的檢修方式是定期檢修，即根據(jù)之前設(shè)備的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)來制定一個(gè)檢修周期，在每個(gè)周期時(shí)間到達(dá)后按計(jì)劃對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修[4]，而隨著近年電網(wǎng)的迅速發(fā)展，隔離開關(guān)的投運(yùn)數(shù)量劇增、傳統(tǒng)檢修工作量大、耗費(fèi)資源多等弊端逐漸顯露[5]。狀態(tài)檢修是從定期檢修的基礎(chǔ)上形成的更適用于目前電網(wǎng)公司狀況的檢修方式，該方式主要是對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，以預(yù)測(cè)設(shè)備狀態(tài)的變化趨勢(shì)為依據(jù)制定檢修計(jì)劃，從而可以在保證設(shè)備安全性和可靠性的前提下，提高檢修效率，降低檢修成本[6-7]。隔離開關(guān)在運(yùn)行和檢修過程中記錄的缺陷數(shù)據(jù)往往會(huì)作為設(shè)備是否需要檢修和確定檢修的重點(diǎn)依據(jù)，也是設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，但目前對(duì)于隔離開關(guān)數(shù)據(jù)的收集與整理大多集中在缺陷現(xiàn)象上，缺乏從機(jī)械結(jié)構(gòu)、電壓等級(jí)、運(yùn)行時(shí)間等不同維度對(duì)隔離開關(guān)的缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，因而也無法獲取缺陷數(shù)據(jù)中包含的更多信息。

為了能充分利用缺陷數(shù)據(jù)的價(jià)值，需要將設(shè)備的缺陷數(shù)據(jù)從多個(gè)維度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從不同維度下的數(shù)據(jù)分析中得到隔離開關(guān)缺陷的潛在規(guī)律，尤其是隔離開關(guān)的缺陷率信息，這不僅可以為隔離開關(guān)的狀態(tài)檢修奠定基礎(chǔ)，而且統(tǒng)計(jì)結(jié)果中得到的規(guī)律現(xiàn)象對(duì)隔離開關(guān)的管理、運(yùn)行維護(hù)也有一定的幫助[8]。

1 數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

本文統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)是某省1980—2019 年隔離開關(guān)正常設(shè)備臺(tái)賬數(shù)據(jù)以及缺陷數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息如下。

（1）臺(tái)賬數(shù)據(jù)34 485 條，缺陷數(shù)據(jù)共1 325條，其中普通缺陷數(shù)據(jù)1 036 條，嚴(yán)重缺陷數(shù)據(jù)240 條，危急缺陷數(shù)據(jù)49 條。

（2）每條缺陷數(shù)據(jù)為一臺(tái)設(shè)備的某一部件發(fā)生的一種缺陷，沒有一臺(tái)設(shè)備同時(shí)出現(xiàn)多種缺陷的情況。

（3）缺陷發(fā)現(xiàn)的時(shí)間均為首次缺陷出現(xiàn)的時(shí)間，不包括缺陷設(shè)備經(jīng)維修后重新投運(yùn)再次出現(xiàn)缺陷的情況。

根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司采用的輸變電一次設(shè)備缺陷分類的標(biāo)準(zhǔn)[9]，將隔離開關(guān)的缺陷數(shù)據(jù)按照電壓等級(jí)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)行時(shí)間、缺陷部位、缺陷現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，使統(tǒng)計(jì)結(jié)果能直觀的展示出隔離開關(guān)缺陷數(shù)據(jù)信息內(nèi)部的潛在規(guī)律，以此輔助隔離開關(guān)設(shè)備選型、隔離開關(guān)設(shè)備運(yùn)檢策略優(yōu)化等工作決策。

2 不同電壓等級(jí)與機(jī)械結(jié)構(gòu)隔離開關(guān)總?cè)毕萋?/h2>

設(shè)備投運(yùn)的電壓等級(jí)與自身機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同往往會(huì)造成不同的設(shè)備缺陷率，此部分首先分別從這兩個(gè)維度分別對(duì)缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)統(tǒng)計(jì)分析，得到設(shè)備的總?cè)毕萋?；然后將兩維度結(jié)合，從而得到更具體的隔離開關(guān)總?cè)毕萋?，總?cè)毕萋师?計(jì)算方法如式（1）所示[10]：

式中：n 為所考慮數(shù)據(jù)集合中缺陷設(shè)備的總數(shù)量；N 為所考慮數(shù)據(jù)集合中投運(yùn)設(shè)備總數(shù)量。

本文所統(tǒng)計(jì)的缺陷數(shù)據(jù)集中分布在110 kV，220 kV 和500 kV 這3 種電壓等級(jí)下，統(tǒng)計(jì)不同電壓等級(jí)下隔離開關(guān)的總?cè)毕萋?，結(jié)果如表1 所示。

表1 不同電壓等級(jí)下隔離開關(guān)缺陷數(shù)據(jù)

現(xiàn)有的隔離開關(guān)根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)大致可劃分為兩類：水平式隔離開關(guān)和垂直式隔離開關(guān)，其中水平式隔離開關(guān)共有26 906 臺(tái)，缺陷數(shù)量為1 054臺(tái)，總?cè)毕萋蕿?.91%；垂直式隔離開關(guān)共有7 579 臺(tái)，缺陷數(shù)量為271 臺(tái)，總?cè)毕萋蕿?.57%，與水平式隔離開關(guān)相比較低。

其中水平式隔離開關(guān)又可分為水平式兩柱型、水平式三柱型兩類，垂直式隔離開關(guān)可分為垂直式折臂型、垂直式剪刀型隔離開關(guān)，每種機(jī)械結(jié)構(gòu)隔離開關(guān)的總?cè)毕萋嗜绫? 所示[10]。

表2 不同機(jī)械結(jié)構(gòu)隔離開關(guān)缺陷數(shù)據(jù)

上述分析是從機(jī)械結(jié)構(gòu)和電壓等級(jí)兩個(gè)維度分別對(duì)隔離開關(guān)的缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到的結(jié)果，單一維度下得出的總?cè)毕萋孰m有差異但相差不是特別大，現(xiàn)將兩個(gè)維度結(jié)合，得到不同機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)備在不同電壓等級(jí)下缺陷數(shù)據(jù)，見表3[10]。

表3 不同機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)備在不同電壓等級(jí)下缺陷數(shù)據(jù)

在分配運(yùn)維檢修任務(wù)時(shí)，可根據(jù)上述結(jié)果針對(duì)不同電壓等級(jí)下不同機(jī)械結(jié)構(gòu)隔離開關(guān)進(jìn)行更有針對(duì)性的管理。

3 隔離開關(guān)年缺陷率與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系

在對(duì)隔離開關(guān)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估或安排檢修任務(wù)時(shí)，最需要關(guān)注的因素之一就是設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間。由于運(yùn)行時(shí)間不同，設(shè)備的年缺陷率變化趨勢(shì)也會(huì)有所不同[11]。統(tǒng)計(jì)過程中運(yùn)行時(shí)間以年為單位，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間處在t～t+1 年之間時(shí)，認(rèn)為運(yùn)行時(shí)間為t 年。在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中，運(yùn)行時(shí)間在20年以上的設(shè)備數(shù)量很少，缺陷數(shù)量也較少，為避免偶然性，只統(tǒng)計(jì)運(yùn)行時(shí)間在20 年以內(nèi)的年缺陷率。隔離開關(guān)年缺陷率λt計(jì)算方法如下：

式中：λt，x為在第x 年投運(yùn)的設(shè)備運(yùn)行時(shí)間為t 年時(shí)的年缺陷率；nt，x為在第x 年投運(yùn)的設(shè)備運(yùn)行時(shí)間為t 年時(shí)發(fā)生缺陷的數(shù)量；Nt，x為在第x 年投運(yùn)的設(shè)備運(yùn)行時(shí)間為t 年時(shí)減去之前發(fā)生缺陷的設(shè)備后剩余設(shè)備的總數(shù)。由于設(shè)備失效率定義為工作到t 時(shí)刻尚未失效的產(chǎn)品，在該時(shí)刻t 后的單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率，若時(shí)間以年為單位，則本文中所定義的年缺陷率與設(shè)備失效率本質(zhì)相同，所以在后文中提到的失效率也指年缺陷率。

3.1 年缺陷率與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系

根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)計(jì)算，隔離開關(guān)年缺陷率（失效率）與設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 設(shè)備年缺陷率與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系

圖1 中曲線總體變化趨勢(shì)與描述電力設(shè)備失效率的浴盆曲線的第二階段和第三階段較相近，分別為隨機(jī)失效階段與老化失效階段。前者導(dǎo)致設(shè)備失效的主導(dǎo)因素是環(huán)境因素，包括自然環(huán)境（環(huán)境溫度、雷電活動(dòng)、氣候）和工作環(huán)境（系統(tǒng)中斷、瞬態(tài)現(xiàn)象、保護(hù)區(qū)域），幾乎與電氣元件的老化無關(guān)，因此設(shè)備失效的概率在整個(gè)生命周期內(nèi)是恒定的；后者對(duì)應(yīng)于隨時(shí)間增長(zhǎng)的失效率，這一階段設(shè)備失效是由于設(shè)備電氣或機(jī)械強(qiáng)度的降低，電氣元件可靠性不足而引起的，包括各部件機(jī)械溫升、磨損、疲勞等[12]，4.3 節(jié)中對(duì)老化缺陷產(chǎn)生的原因做了進(jìn)一步解釋。

Weibull 分布在可靠性理論中是適用范圍較廣的一種分布。它能全面地描述浴盆曲線的各個(gè)階段，大量實(shí)踐表明，凡是因?yàn)槟骋痪植渴Щ蚬收纤鸬娜謾C(jī)能停止運(yùn)行的元件、器件、設(shè)備、系統(tǒng)等的壽命均服從Weibull 分布。為能準(zhǔn)確得到電力設(shè)備的壽命模型，有學(xué)者采用雙參數(shù)Weibull 分布對(duì)失效率曲線進(jìn)行擬合并得到效果較好的擬合結(jié)果?；诖?，這里同樣采用雙參數(shù)Weibull 分布對(duì)圖中曲線進(jìn)行擬合，雙參數(shù)Weibull分布的概率密度函數(shù)、累積缺陷率函數(shù)計(jì)算公式分別如式（4）和式（5）所示[13-14]：

式中：β 為形狀參數(shù)；η 為尺度參數(shù)；t 為設(shè)備運(yùn)行時(shí)間；η 為累積缺陷概率為63.2%時(shí)設(shè)備的壽命，用以描述設(shè)備的總體壽命水平。理想狀態(tài)下，隨機(jī)缺陷階段β=1，老化缺陷階段β＞1。

在可靠性理論中，設(shè)備可靠度R（t）定義為：

設(shè)備年缺陷率計(jì)算表達(dá)式為：

考慮到存在隨機(jī)缺陷和老化缺陷兩個(gè)階段，聯(lián)立式（4）—式（7）可以得到：

式中：λR和λA分別為隨機(jī)缺陷率和老化缺陷率。雙參數(shù)Weibull 擬合不考慮常規(guī)Weibull 分布的常數(shù)項(xiàng)，而由于在本文的定義中運(yùn)行時(shí)間即使為0 年時(shí)也有一定的年缺陷率，所以需要設(shè)定常數(shù)項(xiàng)抵消偏移量，且為了簡(jiǎn)化擬合過程，不再進(jìn)行分段擬合，即不分別考慮λR和λA，直接用設(shè)定的常數(shù)項(xiàng)代替λR，最終擬合結(jié)果如圖1 中曲線所示，與點(diǎn)線幾乎完全重合，擬合效果較好。

年缺陷率計(jì)算模型如式（9）所示：

由式（9）可知，運(yùn)行時(shí)間t 較小，即處在隨機(jī)缺陷階段時(shí)，式（9）中的后半部分較小，幾乎可以忽略不計(jì)，年缺陷率主要由常數(shù)項(xiàng)決定，近似恒定；老化缺陷階段運(yùn)行時(shí)間t 逐漸增大，式（9）中的后半部分占比逐步增大，年缺陷率上升趨勢(shì)逐漸明顯，與實(shí)際情況相符合。

3.2 不同機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)備年缺陷率與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系

上述是對(duì)缺陷設(shè)備進(jìn)行整體的分析，但由于設(shè)備本身結(jié)構(gòu)或者運(yùn)行環(huán)境的影響，年缺陷率與運(yùn)行時(shí)間的變化曲線可能與圖1 所示曲線有所差異。為更詳細(xì)的了解不同維度下設(shè)備年缺陷率隨運(yùn)行時(shí)間變化的情況，首先統(tǒng)計(jì)了不同機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)備年缺陷率與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系，如圖2 所示。

圖2 不同機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)備年缺陷率與運(yùn)行時(shí)間關(guān)系

根據(jù)圖2 比較水平式和垂直式兩種隔離開關(guān)的年缺陷率與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系，兩者在隨機(jī)缺陷階段年缺陷率很相近，但垂直式隔離開關(guān)年缺陷率開始上升的時(shí)間點(diǎn)比水平式隔離開關(guān)要早一些。分析原因可能是由于垂直式隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、活動(dòng)構(gòu)件較多，動(dòng)作次數(shù)也相對(duì)更多，部件老化速度與水平式隔離開關(guān)相比更快，所以會(huì)更早的進(jìn)入老化缺陷階段。

同樣用含常數(shù)項(xiàng)的雙參數(shù)Weibull 分布擬合兩種不同機(jī)械結(jié)構(gòu)隔離開關(guān)的年缺陷率，擬合曲線如圖2 所示，模型如式（10）和（11）所示，其中λt，horizontal為水平式隔離開關(guān)年缺陷率，λt，vertical為垂直式隔離開關(guān)年缺陷率。

3.3 不同電壓等級(jí)設(shè)備年缺陷率與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系

除不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)外，不同電壓等級(jí)下隔離開關(guān)年缺陷率隨運(yùn)行時(shí)間的變化也稍有不同。統(tǒng)計(jì)110 kV 和220 kV 兩個(gè)電壓等級(jí)下隔離開關(guān)年缺陷率與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系，結(jié)果如圖3 所示。隔離開關(guān)在這兩個(gè)電壓等級(jí)下處于隨機(jī)缺陷階段時(shí)缺陷率也較為相近，但220 kV 比110 kV 電壓等級(jí)下設(shè)備年缺陷率急劇上升的時(shí)間點(diǎn)更早，后期220 kV 電壓等級(jí)下隔離開關(guān)年缺陷率增長(zhǎng)速度與110 kV 相比略低一些。

用含常數(shù)項(xiàng)的雙參數(shù)Weibull 分布擬合兩個(gè)電壓等級(jí)下隔離開關(guān)的年缺陷率，擬合曲線如圖3 所示，模型如式（12）和（13）所示，其中λt，110為110 kV 隔離開關(guān)年缺陷率，λt，220為220 kV 隔離開關(guān)年缺陷率。

圖3 不同電壓等級(jí)設(shè)備年缺陷率與運(yùn)行時(shí)間關(guān)系

4 缺陷部件及缺陷類型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

電力設(shè)備發(fā)生缺陷往往是由于其中某一部件發(fā)生了缺陷導(dǎo)致，清楚了解電力設(shè)備各部件發(fā)生缺陷的占比以及各部件出現(xiàn)的缺陷類型能更有效的對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行運(yùn)維檢修。現(xiàn)將隔離開關(guān)進(jìn)行部件拆分，其中每臺(tái)缺陷設(shè)備均只對(duì)應(yīng)于一個(gè)缺陷部件，每個(gè)缺陷部件均只有一種缺陷，將缺陷數(shù)據(jù)中的缺陷類型進(jìn)行整理，從而得到更直觀的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，并利用Arrhenius 模型及Coffin-Mason 模型從不同角度解釋了設(shè)備在老化階段產(chǎn)生缺陷的原因。

4.1 隔離開關(guān)各部件缺陷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

參考Q/GDW 450—2010《隔離開關(guān)和接地開關(guān)狀態(tài)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》[15]和Q/GDW 11245—2014《隔離開關(guān)和接地開關(guān)檢修決策導(dǎo)則》[16]，遵循相對(duì)獨(dú)立性以及等效型的原則，將隔離開關(guān)拆分為傳動(dòng)連桿、導(dǎo)電回路、機(jī)構(gòu)箱、基礎(chǔ)及支架、接地開關(guān)、絕緣子、線夾7 部分，各部件缺陷數(shù)量占比如圖4 所示。

圖4 隔離開關(guān)各部件缺陷數(shù)量占比

圖4 是對(duì)各部件在所有缺陷數(shù)據(jù)中總占比的統(tǒng)計(jì)，但實(shí)際上隨著運(yùn)行時(shí)間的變化，各部件的缺陷占比也會(huì)隨之變化。在此以5 年為一周期，統(tǒng)計(jì)不同時(shí)段各部件的缺陷占比，由于投運(yùn)時(shí)間超過20 年的缺陷設(shè)備數(shù)據(jù)較少，存在一定的偶然性，所以只統(tǒng)計(jì)運(yùn)行時(shí)間在20 年內(nèi)的缺陷數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 中各面積隨時(shí)間的變化即每種部件缺陷占比隨時(shí)間的變化，部件缺陷占比較大的數(shù)值已標(biāo)注。明顯可以看出，機(jī)構(gòu)箱在任何時(shí)段，占比都非常大；線夾隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)缺陷占比有一定的增長(zhǎng)趨勢(shì)，主要原因是線夾的松動(dòng)、損壞以及脫落等問題在超過一定的運(yùn)行年限后會(huì)頻發(fā)；接地開關(guān)的缺陷占比變化趨勢(shì)不固定，這可能與部件來自不同廠家導(dǎo)致質(zhì)量不同有關(guān)；基礎(chǔ)支架在投運(yùn)初期有一定的占比，但比例較低，分析原因可能是因?yàn)樵诎惭b時(shí)存在一些問題，及時(shí)解決后后期占比逐步降低。

4.2 隔離開關(guān)主要缺陷類型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)隔離開關(guān)的缺陷類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在1 325條缺陷數(shù)據(jù)中，缺陷類型大致分為14 種，各缺陷類型及占比如表4 所示。

表4 隔離開關(guān)缺陷類型及占比

分析上述隔離開關(guān)占比較大的主要缺陷類型隨運(yùn)行時(shí)間變化的分布特征，同樣也是只統(tǒng)計(jì)運(yùn)行時(shí)間在20 年內(nèi)的設(shè)備缺陷數(shù)據(jù)，為使圖更簡(jiǎn)潔明了，這里主要的缺陷類型依據(jù)占比由高到低依次編號(hào)為A—H，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 缺陷類型占比隨運(yùn)行時(shí)間變化

其中“異常發(fā)熱”“操作卡澀”“機(jī)構(gòu)箱內(nèi)加熱器工作異?！眴栴}幾乎貫穿整個(gè)周期，檢修維護(hù)時(shí)要特別注意此類問題；“遙信不正確”隨運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)占比呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)；“無法實(shí)現(xiàn)有效的機(jī)械閉鎖、電氣閉鎖”問題主要發(fā)生在運(yùn)行時(shí)間在5～10 年的設(shè)備；“傳動(dòng)連桿銹蝕、連接松動(dòng)”和“機(jī)構(gòu)箱箱體變形、銹蝕、受潮”問題隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)占比有一個(gè)上升的趨勢(shì)。

4.3 缺陷產(chǎn)生原因

設(shè)備在隨機(jī)缺陷階段發(fā)生缺陷的主要原因與工作環(huán)境和自然環(huán)境有關(guān)，而設(shè)備在老化缺陷階段發(fā)生缺陷的原因從本質(zhì)上講與兩種因素有關(guān)，一種與設(shè)備溫度有關(guān)，即物理化學(xué)機(jī)理，最終導(dǎo)致部件發(fā)熱、銹蝕等缺陷；另一種是由于設(shè)備反復(fù)操作，導(dǎo)致部件磨損、變形嚴(yán)重，即機(jī)械疲勞機(jī)理。

4.3.1 阿倫尼斯模型

阿倫尼斯（Arrhenius）模型是基于設(shè)備失效過程的物理化學(xué)解釋而提出的一種典型的模型，主要描述了設(shè)備壽命和溫度應(yīng)力之間的關(guān)系，可以用于解釋設(shè)備發(fā)熱、銹蝕、腐蝕等缺陷產(chǎn)生的原因，其表達(dá)式如式（14）所示[17]：

式中：M 為設(shè)備某特性值的退化量；?M/?t 表示退化速率，退化速率是時(shí)間t 的線性函數(shù)；玻耳茲曼常數(shù)k=8.617×10-5eV·℃；T 為絕對(duì)溫度；A0為常數(shù)；t 為設(shè)備運(yùn)行時(shí)間；ΔE 為失效機(jī)理激活能，以eV 為單位，對(duì)同一類設(shè)備的同一種失效模式為常數(shù)。通過對(duì)M 進(jìn)行關(guān)于時(shí)間t 的積分，該模型進(jìn)一步表示為：

式中：L 為量化的壽命指標(biāo)，如平均壽命、中位壽命等；C 是待定參數(shù)，且C>0；B=ΔE/k，是與激活能有關(guān)的參數(shù)。

將式（15）代入雙參數(shù)Weibull 分布的概率密度函數(shù)中的尺度參數(shù)η，可得到威布爾分布—阿倫尼斯模型的表達(dá)式為：

根據(jù)式（7）和（8）得到設(shè)備年缺陷率：

式（17）將設(shè)備年缺陷率與溫度應(yīng)力和時(shí)間關(guān)聯(lián)起來，根據(jù)前文整體隔離開關(guān)年缺陷率擬合結(jié)果可知λR=0.003 27，β=5.3，參數(shù)B 和C 需要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得，t 為運(yùn)行年限，T 可以直接代入設(shè)備運(yùn)行時(shí)的絕對(duì)溫度，可以明顯看出當(dāng)溫度應(yīng)力增大或運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備年缺陷率增大。

4.3.2 Coffin-Mason 模型

金屬材料在高循環(huán)應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生塑性應(yīng)變，塑性應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致金屬永久變形或者出現(xiàn)斷裂，進(jìn)而發(fā)生疲勞失效，隔離開關(guān)發(fā)生的操作卡澀、變形等缺陷都屬于疲勞失效。對(duì)于金屬疲勞失效來說，最為經(jīng)典的是Coffin-Mason 模型，表示如下[18]：

式中：Δεp為塑性應(yīng)變范圍，在隔離開關(guān)中可以表示為各部件的操動(dòng)幅度；為疲勞延性系數(shù)；c 為疲勞延性指數(shù)，根據(jù)Mason 提出的通用斜率法[19]，c=-0.6，Nf是失效時(shí)的循環(huán)周期數(shù)，在這里可以認(rèn)為是部件的動(dòng)作次數(shù)。

假設(shè)隔離開關(guān)某一部件平均每年動(dòng)作次數(shù)為Nc，量化的壽命指標(biāo)為L(zhǎng)（平均壽命、中位壽命），那么設(shè)備失效時(shí)的部件動(dòng)作次數(shù)Nf可用式（19）表示：

聯(lián)立式（18）和式（19），可以推出：

式中：D 為與疲勞延性系數(shù)εf′有關(guān)的常數(shù)。由式（20）可以看出，當(dāng)每年平均動(dòng)作次數(shù)增加或者操動(dòng)幅度增大時(shí)，設(shè)備壽命會(huì)相應(yīng)縮短。將式（20）代入雙參數(shù)Weibull 分布的概率密度函數(shù)中的尺度參數(shù)η，根據(jù)式（7）和式（8）得到設(shè)備年缺陷率：

式（21）將設(shè)備年缺陷率與設(shè)備部件操動(dòng)次數(shù)、操動(dòng)幅度和時(shí)間關(guān)聯(lián)起來，同樣根據(jù)前文整體隔離開關(guān)年缺陷率擬合結(jié)果，λR=0.003 27，β=5.3，參數(shù)D 需要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得，t 為運(yùn)行年限，Nc可直接代入部件平均每年動(dòng)作次數(shù)，Δεp可直接代入部件累積的操動(dòng)幅度，當(dāng)設(shè)備部件操動(dòng)次數(shù)增多，操動(dòng)幅度增大或者運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備年缺陷率增大。由表1 數(shù)據(jù)也可以看出，110 kV 和220 kV 電壓等級(jí)下設(shè)備動(dòng)作次數(shù)與500 kV 相比略多，所以其缺陷率也相對(duì)高一些。

5 討論與分析

無論從電壓等級(jí)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的維度去分析總?cè)毕萋?，還是從運(yùn)行時(shí)間的維度去分析年缺陷率，由于不同情況下投運(yùn)設(shè)備的數(shù)量不同，導(dǎo)致得到的缺陷率結(jié)果置信度也會(huì)有一定的差異。不過本文數(shù)據(jù)基數(shù)較大，所以得到的結(jié)果準(zhǔn)確性相對(duì)都較高，具有一定的參考價(jià)值。

針對(duì)不同的階段可以安排不同力度的檢修任務(wù)。運(yùn)行時(shí)間在0～5 年的設(shè)備檢修間隔時(shí)間可以稍微較長(zhǎng)一些，抽樣檢修的數(shù)量也可以少一些；運(yùn)行時(shí)間在5～14 年的設(shè)備檢修力度要有一定的加強(qiáng)；運(yùn)行時(shí)間超過14 年的設(shè)備，要視為重點(diǎn)檢修對(duì)象，檢修間隔時(shí)間要短，但由于過多的檢修可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成不必要的損傷，因此筆者認(rèn)為檢修周期縮短到之前的一半相對(duì)合適一些。

從隔離開關(guān)各部件的角度去分析，機(jī)構(gòu)箱缺陷占比非常大，檢修時(shí)對(duì)其內(nèi)部的加熱器、箱體材質(zhì)及密封情況要重點(diǎn)關(guān)注；隔離開關(guān)中缺陷占比較高的異常發(fā)熱、卡澀、銹蝕等缺陷均隨著投運(yùn)年限的增長(zhǎng)占比逐漸增大，這不僅與部件磨損、老化有關(guān)，也與隔離開關(guān)部件金屬選材直接或間接相關(guān)，金屬材質(zhì)對(duì)缺陷的產(chǎn)生也有著根本的影響，特別是不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備差異性可能較大，可以加強(qiáng)對(duì)機(jī)構(gòu)箱以及金屬部件的抽檢力度，并且隨著投運(yùn)年限的增長(zhǎng)對(duì)不同部件的檢修任務(wù)應(yīng)制定不同的計(jì)劃。

6 結(jié)語

本文以某省1980—2019 年共34 485 條隔離開關(guān)臺(tái)賬數(shù)據(jù)和1 325 條缺陷數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，從不同維度得到隔離開關(guān)的缺陷特征如下：

（1）從電壓等級(jí)維度來看110 kV 的隔離總?cè)毕萋首罡撸_(dá)到4.05%；從機(jī)械結(jié)構(gòu)維度來看水平式兩柱型隔離開關(guān)總?cè)毕萋首罡撸_(dá)到4.03%。220 kV 的水平式兩柱型和110 kV 的水平式三柱型隔離開關(guān)總?cè)毕萋蔬_(dá)到10%以上，需重點(diǎn)關(guān)注。

（2）隔離開關(guān)年缺陷率變化曲線與浴盆曲線的二、三階段近似，分為年缺陷率較穩(wěn)定的隨機(jī)缺陷階段和年缺陷率急劇上升的老化缺陷階段，老化階段產(chǎn)生缺陷的原因主要與溫度應(yīng)力、動(dòng)作次數(shù)、操動(dòng)幅度等因素有關(guān)，采用帶有常數(shù)項(xiàng)的雙參數(shù)Weibull 分布模型可以較準(zhǔn)確地計(jì)算運(yùn)行時(shí)間在20 年以內(nèi)的隔離開關(guān)年缺陷率。整體隔離開關(guān)擬合結(jié)果：常數(shù)項(xiàng)為0.003 27，形狀參數(shù)為5.30，尺度參數(shù)為34.97。

（3）隔離開關(guān)在整個(gè)壽命周期中缺陷占比最高的部件是機(jī)構(gòu)箱，其次是操動(dòng)頻數(shù)較多的導(dǎo)電回路與傳動(dòng)連桿；出現(xiàn)頻率較多的缺陷類型是“異常發(fā)熱”“操作卡澀”以及“輔助開關(guān)損壞”，在進(jìn)行檢修時(shí)需對(duì)這些部件和缺陷類型重點(diǎn)關(guān)注。