高壓變電站狀態(tài)評估健康指標的確定

吳 鵬

（中國電建集團江西省電力設計院有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

高壓變電站是輸配電網(wǎng)絡中的重要組成部分。這用于控制電流以及根據(jù)負載的需要進行升高或降低電壓。高壓變電站中通常有多種設備協(xié)同工作，如斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器等。投資相對較高。在過去的十年中，雖然新建高壓變電站是滿足日益增長的電力需求的關鍵，但由于電力需求增長緩慢等諸多問題，其建設速度有所放緩[1]。因此，保持現(xiàn)有電力基礎設施處于良好狀態(tài)或及時適當更換老化設備是現(xiàn)在首要關注的問題。變電站運行的健康狀況直接關系到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟可靠運行[2-3]。變電站聚集了許多設備，包括一次以及二次設備，每一個設備都包含多項性能指標，如何了解各個設備的健康狀況，對于電力系統(tǒng)運行管理部門及時發(fā)現(xiàn)潛在問題、迅速安排設備檢修維護、盡快恢復失效功能等工作至關重要[3-4]。此外，變電站或其任何設備的故障可能導致大面積停電以及操作和維護人員的安全。因此，迫切需要從預防性或基于時間的維護過渡到基于狀態(tài)的維護。

文中介紹了高壓變電站及其設備的狀態(tài)評估。設備狀況通過目視檢查和電氣測試進行評估并采用加權評分法。在整個健康指數(shù)計算過程中，采用層次分析法（AHP）計算各指標的權重。每個測試的條件分數(shù)及其相關的權重被用來計算加權平均數(shù)。然后，通過目測、設備維修完整性和設備故障率調整得到的加權平均分。將所有設備調整后的平均得分納入變電站間隔層健康指數(shù)，并根據(jù)變電站間隔層的年齡和運營壓力進行調整。最后可確定變電站健康指標。如圖1所示。所開發(fā)的程序在MS Excel程序中實現(xiàn)，用于技術數(shù)據(jù)的收集和設備及變電站性能的評價。

圖1 工作過程圖

1 數(shù)據(jù)結構和評估狀況

1.1 變電站主要設備

在評估變電站狀態(tài)之前，需要對主要設備進行分類。主要設備由斷路器（CB）、斷開開關（DS）組成。電流互感器（CT）、電壓互感器（VT）、避雷器（SA）。

1.2 技術數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)

了解變電站主要設備后，收集技術數(shù)據(jù)，建立正式數(shù)據(jù)庫。上述設備的技術數(shù)據(jù)包括序列號、設備編號、生產(chǎn)廠家、型號/類型、生產(chǎn)年份及其技術等級[5]。然后開發(fā)檢測和試驗結果數(shù)據(jù)庫，并在數(shù)據(jù)庫中收集數(shù)據(jù)，具體如表1所示。例如，對斷路器進行了目測、主接觸時間、主接觸電阻、絕緣電阻、SF6氣密性和氣體質量等測試。最后，將所有設備的故障記錄收集到第三個數(shù)據(jù)庫中，獲取表2所列的故障模式、故障后果和所采取的糾正措施。

表1 每臺設備的測試數(shù)據(jù)

表2 故障記錄的數(shù)據(jù)列表

2 方法論

該節(jié)用幾臺設備進行七種不同的測試，包括目視檢查、主接觸電阻測試、絕緣電阻測試、絕緣功率因數(shù)測試、SF6氣密性和氣體質量、油介電強度測試和匝比試驗。每個測試和評價標準的詳細說明如下。

2.1 目視檢查

目視檢測是利用人的感官和簡單的工具對設備進行檢測的一種常用方法。主要檢查包括功能測試、清洗、潤滑驅動機構、終端檢查和所有緊固檢查[6]。這些標準見表3。

表3 目視檢查標準

2.2 主接觸電阻測試

主接觸電阻通常是由生銹、松動或連接不良引起的，產(chǎn)生熱量和功率損失。為了減少阻力，需要適當?shù)臐櫥颓鍧?。主接觸電阻試驗標準見表4。

表4 主接觸電阻試驗標準

2.3 絕緣電阻測試

絕緣電阻是指絕緣體承受外加電壓的能力。絕緣電阻越低，說明絕緣性能越不好，絕緣電阻測試標準見表5。

表5 絕緣電阻測試標準

2.4 絕緣功率因數(shù)或瓦特損耗

通常，功率因數(shù)是反映電介質在電氣設備中保持其絕緣性能效率的數(shù)字。當絕緣材料清潔、干燥且無空隙時，它可以很好發(fā)揮絕緣作用。當絕緣被污染到一定程度時，電阻電流增加，從而導致功率損耗和絕緣功率因數(shù)增加。絕緣損耗測試標準見表6。

表6 絕緣損耗測試標準

2.5 SF6氣密性和氣體質量

斷路器開斷采用SF6氣體作為絕緣和滅弧劑。為了保持SF6處于良好狀態(tài)，氣體壓力、SF6百分比和露點必須符合表7中的標準[7]。

表7 SF6氣密性和氣體質量標準

2.6 油介電強度測試

油是電流互感器和電壓互感器的絕緣材料。被污染或油況不佳會導致?lián)舸╇妷航档?。油介電強度測試標準見表8。

表8 油介電強度測試標準

2.7 匝數(shù)比測試

匝數(shù)比的測量可以反映繞組絕緣匝數(shù)的情況。匝數(shù)比試驗標準見表9。

表9 匝數(shù)比測試標準

3 健康指數(shù)計算

從前面提到的測試中，分數(shù)將來自每個測試的標準。每個標準的權重是通過層次分析法（AHP）得到的。利用各判據(jù)的權重和評分計算加權平均數(shù)（Saverage），再通過添加設備模型目視檢查結果、維修完成度和故障率的調整因子，計算調整平均分（ASi）。然后，利用ASi計算變電站間隔層健康指數(shù)（%HIbay），最后加上設備年齡和工作時操作的調整因子，得到變電站間隔層的平均數(shù)（%HIbay，average）和最差健康指數(shù)[8]（%HIbay，worst）。

式中N為設備試驗方法數(shù)，WTi為每個測試方法權重ASi為主要設備調整后平均得分、WEi為變電站間隔層設備的權重，SMAX和SMIN分別為測試的最大評分值和最小評分值[9]。

健康指數(shù)將分為3個級別：紅色、黃色和綠色，分別表示差、較差和好。%HIbay的范圍[10]見表10。

表10 變電站健康指數(shù)的顏色編碼

4 結果與討論

該節(jié)以3個變電站的健康指數(shù)計算為例。每個變電站由5個相同的間隔組成。第一個變電站是新的，第二個變電站中度老化，最后一個變電站老化嚴重且狀況不佳。健康指數(shù)計算解釋如下。

步驟1：計算各主要設備的健康指數(shù)

舉例說明了第一個變電站間隔主要設備的計算。它從斷路器開始，然后是其他設備。通過使用公式Waverage等于1.00。

新變電站各主要設備的平均權重見表11。

由于第一個變電站是新的，并且狀態(tài)良好，所有測試方法的條件分數(shù)都等于1。設備型號的目視檢查結果、維修完備程度、故障率均可忽略不計，所有主要設備的等于1.00。在第二個變電站中，斷路器所有測試數(shù)據(jù)的條件分數(shù)也等于1。目視檢查發(fā)現(xiàn)一些有缺陷的部件，由于臨界負載和設備型號故障率低，延長了維修周期。目視檢查、維修完整性、故障率的調整因子分別為0.5、0.03和0.06。那么斷路器的等于1.536。因此，第二個變電站其他主要設備的分別為1.56、1.47、1.32和1.76。對于第三個變電所，其斷路器在主接觸電阻測試中失效導致測試失敗了。因此斷路器的自動等于3。那么就沒有必要再增加調整因素了。第三個變電站其他主要設備的值分別為2.10、2.23、2.17、2.50。

步驟2：計算各主要設備的后，可使用公式2計算。分別等于主要設備的40%、20%、15%、15%和10%。最大和最小條件分值分別為3和1。則等于0%、25.02%和76.50%，分別為第一、第二、第三樣位。變電站間隔層健康指數(shù)計算如表12所示。

表12 變電站間隔層健康指數(shù)計算

步驟3：變電站間隔層評估的調整因素包括年齡和操作壓力。對于第一個變電站，有5個新間隔，但他們服務的設備額定幾乎滿負荷。由于該變電站是新建的，且在全運行應力下運行，故對老化和運行應力的調整系數(shù)分別為0%和20%。這些設備間隔層的%HIbay，final最終等于80%。第二個變電站，有5個中等老化的變電站間隔層。它們在正常負荷下工作。年齡和操作應力的調節(jié)因子分別為5%和5%，則這些設備間隔層的%H Ibay，final為64.98%。第三個變電站，該變電站由5個老化的變電站間隔層組成。這個變電站服務于輕負荷。年齡和操作應力分別為10%和0%。那么這些設備間隔層的%H Ibay，final等于13.50%。

步驟4：計算出變電站各個變電站間隔層的%H Ibay，final后，計算平均變電站間隔層健康指數(shù)（%H Iaverage，bay）和最差變電站間隔層健康指數(shù)（%H Iworst，bay）。對于三個示例變電站，%HIaverage，bay分別 等 于80%、64.98%和13.50%，因為其5個變電站間隔層健康指數(shù)相似。因為最壞的變電站間隔層健康指數(shù)可以表明迫切需要修復有缺陷的設備或更新老化和高壓力作業(yè)的設備。然后，從變電站間隔層健康指數(shù)的最小值或%HIworst，bay中選擇%H Isubstation。該變電站健康指數(shù)分別顯示了變電站的整體狀況為良好、中等和較差。

用上述方法計算出十五個變電站的健康指數(shù)，如表13所示。

表13 15個變電站的健康指數(shù)

結果顯示，良好、中等、較差變電站分別有1座、10座、4座。對于狀態(tài)良好的變電站，應保證其正常運行并進行例行維護。對于中等狀態(tài)，需要進行適當?shù)木S護計劃。對于情況較差的，需要緊急修理或更換。

5 結語

對由斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器五大設備組成的高壓變電站及其設備，考慮目視檢查和電氣試驗進行狀態(tài)評估。采用加權評分法計算主要裝備的加權平均數(shù)。然后，通過目測、設備維修完整性和故障率調整加權平均數(shù)。將變電站各設備調整后的平均得分綜合作為變電站健康指數(shù)，再根據(jù)變電站間隔層的年齡和運行應力進行調整。最后，成功地確定了變電站的健康指標。將所開發(fā)的程序應用于MS Excel軟件中，對15個變電站的健康指標進行了測定。這個開發(fā)的工具及其信息對有效的維修和翻新計劃是很大的幫助。