配電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)檢修及運(yùn)維技術(shù)研究

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司鎮(zhèn)江供電分公司 周 凱

1 引言

配電網(wǎng)的建設(shè)和管理是電力工業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)重點(diǎn)工作，從建設(shè)和維護(hù)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，正在逐漸朝著大容量和高性能的方向發(fā)展，配網(wǎng)的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，維護(hù)的困難也日益增加，在配電網(wǎng)的管理和維護(hù)中，必須積極推廣和使用在線檢修技術(shù)。在線狀態(tài)維修是指將配網(wǎng)中的設(shè)備及結(jié)構(gòu)作為監(jiān)控核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)配網(wǎng)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)感知及故障判定，實(shí)現(xiàn)對(duì)配網(wǎng)系統(tǒng)的異常參數(shù)反演及分析，對(duì)促進(jìn)電力行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

2 配電網(wǎng)在線狀態(tài)檢修技術(shù)原理

在線狀況維修技術(shù)是當(dāng)前配網(wǎng)運(yùn)行和維修中普遍采用的一種技術(shù)，對(duì)配網(wǎng)運(yùn)行和維修起著舉足輕重的作用。在線狀態(tài)檢修技術(shù)的工作重點(diǎn)在于對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別與診斷，探明設(shè)備的運(yùn)行狀況，確定維修檢修的重點(diǎn)對(duì)象、檢修項(xiàng)目、檢修時(shí)間，并對(duì)檢修方案的調(diào)整進(jìn)行指導(dǎo)。在線狀態(tài)維修技術(shù)是一門多技術(shù)融合的現(xiàn)代維修技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備帶負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下的運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)獲取，可以對(duì)設(shè)備運(yùn).行故障進(jìn)行預(yù)判斷與分析，還可以對(duì)故障位置和故障原因進(jìn)行排查，能夠?qū)υO(shè)備的使用情況進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測(cè)。

配網(wǎng)常規(guī)的常規(guī)維修方式不僅會(huì)影響配網(wǎng)的供電質(zhì)量，還會(huì)導(dǎo)致配網(wǎng)出現(xiàn)重大停電。在線狀態(tài)維修技術(shù)以設(shè)備的狀況為依據(jù)，對(duì)維修計(jì)劃進(jìn)行科學(xué)的安排，提高維修的合理性。

3 配電網(wǎng)狀態(tài)檢修主要設(shè)備

3.1 變壓器

變壓器是一種固定的電力裝置，作用是將一個(gè)特定的電壓水平轉(zhuǎn)換為一個(gè)具有同樣的頻率的其他電壓水平，并且傳輸能量。電力變壓器的種類很多，但其主要的構(gòu)造形式都是鐵心和繞組。鐵心的功能就是組成磁路，線圈的功能就是組成電路。由鐵心和線圈構(gòu)成的主體，主體置于含變壓器油的容器中，這種容器被稱作油浸式變壓器。配電網(wǎng)中的變壓器以油浸變壓器為主。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新型的變壓器油。油罐的形狀與變壓器的容量及發(fā)熱量密切相關(guān)，當(dāng)變壓器的容量較大時(shí)，其發(fā)熱量較大。當(dāng)變壓器的容量超過(guò)1000kVA 時(shí)，必須使用空氣冷卻器，即強(qiáng)制油循環(huán)。

3.2 斷路器

主要功能包括在正常工作狀態(tài)下，用于開關(guān)線路中負(fù)載電流；當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可以切斷回路中的短路電流，切斷回路，可以使回路中的短路電流達(dá)到重合閘的要求。在配電網(wǎng)中，斷路器作為一種重要的開關(guān)電器，其運(yùn)行、保護(hù)和控制的功能最為重要。

斷路器有多種形式，結(jié)構(gòu)包括通斷元件、絕緣支承元件、中間傳輸機(jī)構(gòu)、底座和操縱機(jī)構(gòu)等5大基本部件。通斷部件是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，具有控制和保護(hù)作用。其他部件均為與開關(guān)部件相配合，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)工作。通斷部件由接觸器、導(dǎo)電部件、滅弧裝置等組成。觸點(diǎn)的分離和閉合是由操作機(jī)構(gòu)經(jīng)傳輸部件驅(qū)動(dòng)。通斷部件通常設(shè)置在一個(gè)隔離支撐上，以保證高壓接觸器與地面的隔離，隔離支撐支撐設(shè)置在底座上。斷路器如圖1所示。

圖1 斷路器

3.3 避雷器

避雷器主要用于釋放電壓能量，限制電壓幅度的一種保護(hù)性設(shè)備。在使用時(shí)，將避雷器設(shè)置在靠近被保護(hù)裝置的位置，與被保護(hù)裝置并聯(lián)，一般狀態(tài)下不導(dǎo)電。在施加于避雷器上的電壓達(dá)到工作電壓時(shí)，避雷器導(dǎo)通，使大電流流過(guò)，釋放過(guò)壓能量，使電壓保持在一定范圍，對(duì)裝置起到隔離作用。

3.4 配電線路

根據(jù)構(gòu)造特點(diǎn)，可以將電力線劃分為架空線和電纜線兩種類型。架空線路由導(dǎo)線、避雷線、桿塔、絕緣子以及金屬裝置等組成。電纜線路由導(dǎo)線、絕緣以及保護(hù)層等組成。架空輸電線路的引線及避雷線均置于大氣中，既要承受自重、風(fēng)荷載以及冰雪荷載等機(jī)械力，又要承受大氣中有害氣體的腐蝕和氣溫變化等因素的影響，工作環(huán)境惡劣。電纜的成本高于高架成本，隨著電壓的增加，成本也會(huì)隨之增加[1]。

4 配電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)檢修過(guò)程

狀態(tài)維修指的是通過(guò)對(duì)設(shè)備和診斷技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)設(shè)備的狀態(tài)信息進(jìn)行收集，再以設(shè)備狀態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)為依據(jù)，對(duì)設(shè)備是否存在異?；蝾A(yù)知故障進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，對(duì)異?；蚬收线M(jìn)行了科學(xué)的預(yù)判，科學(xué)合理地安排維修計(jì)劃和維修內(nèi)容。

4.1 變壓器油中溶解氣體監(jiān)測(cè)

絕緣油在加熱或放電過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生氫氣、一氧化碳以及二氧化碳等各種小分子碳?xì)浠衔?。充油電器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，其氣體的種類、濃度及產(chǎn)氣率均不同，不同的故障類型對(duì)應(yīng)的特征氣體也不一樣。通過(guò)對(duì)充油電器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)潛在故障進(jìn)行判定，是保證設(shè)備安全可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的必要措施。目前用于石油中可溶性氣體檢測(cè)的主要設(shè)備包括固定型色譜儀、簡(jiǎn)易型色譜儀和固定型油溶性氣體分析儀。這種檢測(cè)方法多采用脫機(jī)檢測(cè)，對(duì)變壓器油樣進(jìn)行采樣，送入儀表進(jìn)行分析。這是一種傳統(tǒng)的變壓器預(yù)防性測(cè)試的方式，也是保證變壓器安全工作的一種常用的方法。從整個(gè)分析過(guò)程來(lái)看，技術(shù)缺點(diǎn)較多，如測(cè)試周期很長(zhǎng)，測(cè)試誤差較大。在石油天然氣在線監(jiān)控技術(shù)日趨成熟的今天，通過(guò)安裝石油天然氣在線監(jiān)控設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控能夠反映出變壓器內(nèi)部油品、固態(tài)絕緣失效的主要指標(biāo)——H2、CO2等，可以彌補(bǔ)現(xiàn)有檢測(cè)手段的缺陷。變壓器油氣體在線監(jiān)測(cè)分析原理框圖如圖2所示。

圖2 變壓器油氣體在線監(jiān)測(cè)分析原理框圖

變壓器油氣體在線監(jiān)測(cè)分析過(guò)程是：利用油氣分離裝置將變壓器油中的氣體分離出來(lái)，并儲(chǔ)存在存儲(chǔ)裝置中，通過(guò)氣體分解裝置將各種氣體進(jìn)行分離，再通過(guò)氣敏傳感器將氣體信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，將交流電號(hào)轉(zhuǎn)化為直流電號(hào)，再將其送入智能單元，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和分析，最后得到變壓器的絕緣狀態(tài)，以供相關(guān)人員參考，或者用作診斷系統(tǒng)的輸入信號(hào)，如果絕緣狀態(tài)危害到了安全運(yùn)行，則可發(fā)出報(bào)警信號(hào)[2]。

石油中溶解性氣體的在線檢測(cè)是一種極具前景的新型檢測(cè)技術(shù)，其研究正朝著更深更高的方向發(fā)展。

4.2 變壓器繞組變形監(jiān)測(cè)

在配電網(wǎng)絡(luò)中，變壓器作用較為突出，但變壓器的繞組容易出現(xiàn)故障。目前，我國(guó)電網(wǎng)中的變壓器在設(shè)計(jì)上未能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的耐受短路性能，造成了電網(wǎng)的短路容量增加，造成了變壓器在遭受短路沖擊后的繞組產(chǎn)生了機(jī)械變形，而這種變形又因累積效應(yīng)而進(jìn)一步擴(kuò)大，最終造成了變壓器的不正常跳閘?，F(xiàn)有的各種測(cè)試手段都是離線測(cè)試，但對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的測(cè)量，可以確保對(duì)有缺陷的部件進(jìn)行及時(shí)更換，提高設(shè)備使用壽命[3]。

5 檢修運(yùn)維建模

5.1 失效率模型h（t）

在獲取了充分的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控信息和能夠反映設(shè)備當(dāng)前狀況的信息（如失效史，使用壽命）后，要考慮如何將信息與設(shè)備的健康度（即可靠性）聯(lián)系起來(lái)，即可靠性建模問(wèn)題，目前，國(guó)際上已有部分相關(guān)研究，常見的研究方式為利用卡爾曼濾波、馬爾可夫過(guò)程等建模方法。本文選擇了故障率作為可靠度，通過(guò)故障率的計(jì)算實(shí)例對(duì)維修模式進(jìn)行了闡述。

比例故障模型能夠有效利用裝備的狀態(tài)、使用壽命等數(shù)據(jù)，對(duì)裝備的失效率進(jìn)行預(yù)報(bào)，按照最小成本、最大可用性等指標(biāo)進(jìn)行預(yù)防維護(hù)決策。該模型能夠綜合考慮系統(tǒng)的狀態(tài)信息與系統(tǒng)的使用壽命，能夠更科學(xué)、更準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀況[4]。

5.2 決策目標(biāo)

維護(hù)策略的選擇與維護(hù)策略的選擇密切相關(guān)，維護(hù)策略的選擇與維護(hù)策略的選擇密切相關(guān)，維護(hù)策略的選擇與維護(hù)策略的選擇密切相關(guān)；最少的期望維護(hù)成本：最少的期望停工時(shí)間等。決策的目的有如下。

可用性目標(biāo)：可用性（或可靠性）是一種可能性的可用性測(cè)量.可用度的定義是，在任何一個(gè)隨機(jī)時(shí)刻，按照規(guī)定的條件，以設(shè)備在一段時(shí)間中正常工作時(shí)間所占的百分比，來(lái)代表其可用性。即：

式中，MTTF 為運(yùn)行時(shí)間（也就是在發(fā)生問(wèn)題之前的平均使用時(shí)間），MTTR 為維護(hù)的平均時(shí)間。

費(fèi)用目標(biāo)包括維修需要消耗材料、備件、人工工時(shí)以及由于錯(cuò)工成本及故障所帶來(lái)的損失，并且如果不能及時(shí)進(jìn)行維修，就會(huì)發(fā)生故障，從而導(dǎo)致更大的損失。針對(duì)維護(hù)的基本特征，對(duì)維護(hù)成本進(jìn)行了相應(yīng)分析分析：

一是直接維護(hù)成本，主要分為預(yù)防性維護(hù)成本和失效修理成本。二是為防止修理或失效而必須停止生產(chǎn)所造成的成本[5]。在實(shí)際的檢修過(guò)程中，由于零部件處于不同的工況，其檢修成本也有差異，工況愈差，檢修成本愈高。利用比例故障模型、統(tǒng)計(jì)方法以及專家經(jīng)驗(yàn)，可以得到維護(hù)成本與元件狀態(tài)之間的關(guān)系。在維護(hù)過(guò)程中，如果若干零件同時(shí)進(jìn)行維護(hù)，維護(hù)總成本將低于各維護(hù)工作單獨(dú)實(shí)施所產(chǎn)生的成本之和。在進(jìn)行維護(hù)成本核算時(shí)，應(yīng)予以考慮。風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)主要是將失效的發(fā)生概率控制在某一特定的區(qū)域，提高組件和系統(tǒng)的可靠性，通常把風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)當(dāng)作一種約束。

決策目標(biāo)是決定失效率（失效率）門限的依據(jù)，本文將決策目標(biāo)的表達(dá)式與各個(gè)已知量相結(jié)合，得到相應(yīng)于各個(gè)決策目標(biāo)的預(yù)防性維護(hù)的最優(yōu)時(shí)間區(qū)間T，基于T，可以從現(xiàn)有的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和故障歷史數(shù)據(jù)中，找到一套與之最近的故障時(shí)間和伴隨變量數(shù)據(jù)，得到失效率門限h＊。

5.3 維修決策

以h（t）和h＊為基礎(chǔ)，維修原則是，如果設(shè)備的故障率h（t）超過(guò)了這一閾值h＊，就應(yīng)該立即進(jìn)行維修。通過(guò)考慮h（t）和h＊的不同關(guān)系，可以在仿真平臺(tái)中畫出維修決策曲線，來(lái)引導(dǎo)維修的進(jìn)行，從而給出維修決策。維護(hù)決策包含維護(hù)時(shí)間、維護(hù)措施（維護(hù)工作）以及維護(hù)等級(jí)三個(gè)方面。工作方式主要包括徹底修理、不徹底修理、最小修理、檢查、零件替換以及報(bào)廢。徹底修理是將設(shè)備還原到最初的狀態(tài)，可修理的范圍通常指經(jīng)過(guò)一次大修，可將設(shè)備還原；不完整維修是指將設(shè)備的功能部分恢復(fù)；最小維修通常指在設(shè)備發(fā)生故障之后，為使設(shè)備快速投入使用而進(jìn)行的修理，這樣的修理并不會(huì)使設(shè)備的功能得到改善，僅是將其恢復(fù)到故障之前的狀態(tài)。

6 結(jié)語(yǔ)

在線狀態(tài)檢查技術(shù)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)的普及和應(yīng)用是必然的發(fā)展方向，將在線狀態(tài)檢查技術(shù)引入到配電網(wǎng)的設(shè)備管理和電力運(yùn)行控制中，是一種必然的選擇。在線條件維修技術(shù)是一項(xiàng)較為成熟的綜合維修技術(shù)，與設(shè)備維修新方式相適應(yīng)。