【优秀毕业论文】变电站设备检修及状态诊断管理系统.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 变电站设备检修及状态诊断管理系统 姓名：陈昊华 申请学位级别：硕士 专业：水利水电工程 指导教师：李承军 2003.4.1 华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文阐述了变电站设备检修及诊断的一些理论和方法，并详细介绍了变电站设备 检修及状态诊断管理系统的设计。全文共分5 章，从电气设备检修技术，系统功能模 块设计，数据库设计3 个方面来讨论。 1 ) 综合评述了国内设备检修的现状，以及世界上设备检修的发展历程。并论述 了优化检修的思想。 2 ) 详细论述了设备检修的原理，得出在设备不同的运行时期应采用不同的检修 策略，节约成本。并介绍了绝缘老化的机理、探讨了绝缘击穿的原理，并由此讨论了 基于绝缘老化的状态维修策略。主要以大型变压器为例，介绍了电气设备检修技术以 及相应的预防性试验，并探讨了变压器的故障模型、缺陷诊断与故障评估，对现行的 预防性试验提出一些建议。 3 ) 详细介绍了系统各功能模块的设计。设备检修及状态诊断系统作为一个子系 统嵌入管理信息系统之中。子系统分为5 个模块：设备台帐，检修人员配置，检修计 划管理，实验数据管理，状态诊断。本文给出它们的界面与功能说明。并以变压器气 体继电器动作故障为例，说明了诊断的方法。最后介绍了通用查询器的设计。 4 ) 阐述了变电站设备检修及状态诊断管理系统的数据库管理系统的选型与应用 体系的结构。介绍了系统数据库的设计。并详细介绍了表的设计。 f 5 ) 最后，对全文进行总结。) - - - - 歹 关键词，设备检修状态诊断变电学备检修及状态诊断管理系嗲佤化检懂 绝缘老化预防性试验管理信息系统 华中科技大学顽士学位论文 a b s t r a c t n l i sd i s s e r t a t i o nh a se x p l a i n e ds o m et h e o r i e sa n dm e t h o d sf o rt h em a i n t e n a n c eo ft h e e q u i p m e n t s a n dt h es t a t e s d i a g n o s i n g o ft h et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n , a n di n t r o d u c e d t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nm a i n t e n a n c eo ft h ee q u i p m e n t sa n ds t a t e d i a g n o s i n gd e s i g no f a d m i n i s t r a t i v es y s t e mi nd e t a i l t h ef l l l ld i s s e r t a t i o nd i v i d e si n t o5c h a p t e r sa l t o g e t h e r , m a i n t e n a n c et e c h n o l o g yf r o mt h ee l e c t r i c e q u i p m e n t , t h es y s t e m a t i cf u n c t i o nm o d u l e d e s i g n ，a n d t h ed e s i g no f d a t a b a s ea r ed i s c u s s e d i n c h a p t e rl ，t h e c u r r e n ts i t u a t i o no fd o m e s t i co v e r h a u lo ft h e e q u i p m e n t s i s c o m m e n t e d , a n dt h ed e v e l o p m e n tc o u r s eo fm a i n t e n a n c eo ft h ee q u i p m e n t si nt h ew o r l di s d e s c r i b e ds y n t h e t i c a l l y , t h e nt h ef a c t t h a t o p t i m i z e st h et h o u g h to v e r h a u l e dh a sb e e n e x p o u n d e d i nc h a p t e r2 ，t h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e dp r i n c i p l eo fm a i n t e n a n c eo ft h ee q u i p m e n t si n d e m i l ，a n dt h e nd r a wt h a td i f f e r e n to p e r a t i o np e r i o d ss h o u l da d o p td i f f e r e n tt a c t i c so f o v e r h a u l i n gi ne q u i l ：l m e r i t t h a te c o n o l n i z e st h e c o s t h a v i n g i n t r o d u c e dt h e i n s u l a t i n g m e c h a n i s mt h a tw e a r so u ta n dp r o b e di n t ot h ei n s u l a t i n gp r i n c i p l ep u n c t u r e d ，i td i s c u s s e d m a i n t a i nt a c t i c so nt h eb a s i so f t h e i n s u l a t i n gs t a t et h a tw e a ro u t t a k i n gl a r g e - s c a l ev o l t a g e t r a n s f o r m e ra sa ne x a m p l em a i n l y , i ti n t r o d u c e de l e c t r i cm a i n t e n a n c eo ft h ee q u i p m e n t s t e c h n o l o g ya n dc o r r e s p o n d i n gp r e v e n t a t i v et e s t ，p r o b e di n t o t r o u b l em o d e lo fv o l t a g e t r a n s f o r m e r , a n di n t r o d u c e dd e f e c td i a g n o s i n ga s s e s sw i mt h et r o u b l e p u tf o r w a r ds o m e s u g g e s t i o n s t ot h ec u r r e n tp r e v e n t a t i v et e s ta ti a s t i nc h a p t e r3 , t h ed i s s e r t a t i o nh a si n t r o d u c e dt h ed e s i g no f e v e r yf u n c t i o nm o d u l eo f s y s t e mi nd e t a i l 1 1 1 et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nm a i n t e n a n c eo ft h ee q u i p m e n t sa n ds t a t e s d i a g n o s i n gs y s t e m i si n l a i da sas u b s y s t e me n t e rt h em a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m n e s u b s y s t e m i sd i v i d e di n t o5p i e c e so fm o d u l e ：e q u i p m e n tm a n a g e m e n t ，m a i n t e n a n c e p e r s o n n e l sd i s p o s i t i o n ，m a i n t e n a n c ep l a n n e dm a n a g e m e n t ，e x p e r i m e n td a t am a n a g e m e n t ， s t a t e sd i a g n o s i n g n l i st e x th a sg a v ea p p e a ri n t e r f a c ea n df u n c t i o ne x p l a i n i n go ft h e m a n d t a k i n gg a sr e l a ym o v e m e n tt r o u b l eo f t h ev o l t a g et r a n s f o r m e ra sa ne x a m p l e ，s t a t e dt h e m e t h o dd i a g n o s e d r e c o m m e n d e di nc o m m o nu s ed e s i g no f i n q u i r i n ga b o u td e v i c ef i n a l l y i nc h a p t e r4 ，t h ed i s s e r t a t i o ne x p l a i n e dt h es e l e c t i n gt y p eo fd a t a b a s em a n a g e m e n t s y s t e m a n dt h e a p p l i c a t i o n s t r u c t u r eo ft r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nm a i n t e n a n c eo ft h e 拄 华中科技大学硕士学位论文 e q u i p m e n t sa n ds t a t e sd i a g n o s i n ga d m i n i s t r a t i v es y s t e m ，t h e ni t i n t r o d u c e dt h ed e s i g no f t h es y s t e m a t i cd a t a b a s ea n dt h ef o r mi nd e t a i l c h a p t e r 5s u m m a r i z e dt h i sd i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：m a i n t e n a n c e o f t h e e q u i p m e n t s s t a t e sd i a g n o s i n g t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nm a i n t e n a n c eo f t h ee q u i p m e n t sa n ds t a t e sd i a g n o s i n gs y s t e m o p t i m i z eo f m a i n t e n a n c e w e a ro u t i n s u l a t i n g p r e v e n t a t i v et e s t m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m m 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 本章全面评述了国内外学者在电力设备检修中所使用的理论和方法，总结了状态 检修的特点和研究状况，最后阐述了本文的主要研究内容。 1 1引言 优质、可靠、经济地供电，是对现代电力系统运行的三大要求，其中以可靠性最 为重要。企业供电可靠性指标要求达到网一流9 9 9 ，国一流9 9 9 6 。提高供电可靠 性、降低用户平均停电时间的途径，一是减少停电次数，二是缩短每次的停电时间， 三是缩小每次停电范围( 用户数) 。其中要挖掘减少停电次数和缩短每次停电时间的潜 力很大 5 0 j 。而供电系统的关键设备如大型电力变压器、断路器、电抗器、互感器在长 期运行过程中，受外界环境的各种因素的影响，不可避免的逐渐老化以至于丧失其本 身的设计功能，如未能及时发现并采取适当的修复措施则缺陷会不断发展，就有可能 引发运行事故。因此运用一定的管理方法和手段对设备维护和运行进行管理和监控， 成为了电力行业可靠生产的重要任务。 设备的可靠运行不仅离不开良好的设备检修质量和合理运行操作，也离不开设备 状态的检测，只有发现萌芽状态的设备缺陷，才能把事故消灭在萌芽状态。状态检修 就是确保设备可靠、经济安全运行的一个重要手段。 发电设备实施状态检修是一项复杂的系统工程，它不仅涉及到电力设备各专业、 多学科的技术问题，而且还涉及到系列的管理科学上的问题。目前我国推行的状态 检修是指在试点厂探索融故障检修、计划性检修、状态检修、主动检修为一体的，使 设备具有最大可靠性和最低成本消耗的混合检修方式。实施状态检修从整体上理解， 就是围绕降低设备维护成本，提高设备利用率和检修的预见性、预控性，使用先进的 科学技术手段，从方方面面去做好设备管理工作儿j j p j 。 1 2 国内设备检修状况综述 长期以来，我国电力企业所执行的设备维修制度是1 9 5 4 年从前苏联引进的计划 性预防维修制度，其主要内容是：日常维护、定期检查、计划修理等，实际上是属于 以时间为基础的“定期维修”制度。这种制度的典型特征是设备运行一段时间( 般 是规定周期) 后，无论有无缺陷或问题都要停下来检查、试验、修理，也就是“到期 华中科技大学硕士学位论文 必修【2 7 】【3 2 】f 3 3 】1 3 6 】。 1 2 1 纯计划性检修的弊病 纯计划性的预防检修它包括了设备的大修、小修、定期维护等，如发电厂检 修规程明确规定，机组大修每3 5 年1 次，小修每年2 次，检修安排的重要依据 是检修周期。这种检修模式虽有一定的科学依据，但比较保守，且存在许多弊病： ( 1 ) 纯计划检修的不科学性 纯计划检修是依据设备的制造质量、安装工艺、现场投运调试情况而预定一个检 修周期，将其写入设备的检修规程并固定下来，由生产计划部门参照执行。纯计划检 修虽然对设备状态不佳的设备进行了必要的维修，但对设备运行情况良好的设备按部 就班修理，这样势必造成有些发电机组越修越坏或者良好设备一修就造成故障率增加 的现象，因此缺乏科学性。 ( 2 ) 设备检修的不经济性 纯计划检修一方面致使有些状况较好的设备到期必须修理，增加设备检修费用， 同时又加速了设备的磨损，甚至缩短了使用寿命，降低了设备币用率：另一方面，少 数状况不好的设备因检修周期未到而得不到及时检修，降低了设备运行的安全可靠 性，甚至到发生事故后才抢修，扩大了经济损失。 ( 3 ) 检修过程的不持续性 上世纪九十年代以来，有许多电厂相继推出了检修运行分离的管理体制的改革措 施，纷纷成立和组建了各自的检修公司，但由于发电厂和检修公司之间设备责任的不 明确和分工的交叉，在检修特别是大修及扩大性大修方面，尽管检修质量能够得到保 障，仍普遍存在着检修与维护过程的不持续性，常常使一些技改项目特别是一些小的 技改项目，在检修完成后进行日常维护或事故处理时一些资料图纸、技术参数的混乱， 从而延长了检修时问，降低了设备利用率，给发电厂造成不必要的运行时间损失和经 济损失。 因此，纯计划性检修带有极大的盲目性，不是修试过度，就是修试不足。对供电 设备而言，当前的主要倾向是修试过度，以致造成大量人力、财力、物力的浪费，并 影响供电可靠性的提高，甚至增加了人身事故和误操作事故的几率。 1 2 2 纯计划性检修已不能适应于现代电厂的需求 以葛洲坝电厂为例，它是华中电网的主力电厂，是正在兴建的三峡电厂的反调节 华中科技大学项士学位论文 水电厂。电站设计水头】8 6 皿，全厂共装机2 1 台，装机容量2 1 7 5 m w 。近年来，该厂 经过对水轮发电机油、水、风系统的自动化元件、发电机励磁、调速、保护系统，水 轮机推力瓦和2 2 0 k v 、5 0 0 k v 开关站等设备的优化改造，其设备的自动化水平和安全 运行稳定性得到明显提高。以往采用的纯计划检修已不能适应现代化设备运行和各种 突发事故的要求，因此实行状态检修已成为该厂各项管理体制改革的重要内容。 1 2 3 国内检修状况的发展 在国外，日本、美国等国，早在7 0 年代初就开始了设备检修方面的研究，提出 了“状态维修”的概念与方法【1 们1 15 】【j 8 l f l9 1 。 近年来，随着市场经济的发展，荠借鉴电力发达国家诊断性检修的经验，推进发 电设备检修体制的改革依据，提高全国发电设备科学管理水平和整体经济效益，我国 也开始提出并试行状态检修的设想。电力系统中较早开展该项工作的大连电业局，由 于实行状态维修提高了供电可靠性，可靠率指标由1 9 8 7 年的9 9 7 6 提高到1 9 9 3 年的 9 9 8 3 ，每年多售电量近4 0 0 万k w h 3 6 l 。 由此可见，为了提高供电可靠率，减少不必要的维修费用，开展设备状态维修是 今后的必然趋势。 a ) 定期维修制仅仅体现了“预防为主”思想，这种制度适用于产品质量较差、监 测技术落后、运行经验不足的年代。现在的设备状态、人员素质、监测技术已经有了 很大的改善，设备维修方法也应改变。 b ) 加强设备在设计、制造、基建安装、运行使用等环节的可靠性管理，消除故 障根源，最大限度地延长设备寿命，是今后供电单位采取的新的管理模式。 c ) 现行的定期维修制是沿用5 0 年代前苏联的经验式维修方法，缺乏科学的理 论依据，在实际应用中具有一定的盲目性。 d ) 早在1 9 8 7 年，我国在有关法规中已明确规定：“企业应当积极采用先进的设 备管理方法和维修技术，采用以设备状态监测为基础的设备维修方法。”“继续破除单 纯以时间周期为基础的设备维修制度，建立以状态监测为基础的设备维修制度。” 在生产实际中，基于在线监测技术的迅速发展，管理水平的不断提高，市场销售 体制的变革，同时考虑到现行设备运行状况良莠不齐因素，设备的维修工作应逐步采 用以下模式： 主动维修+ 预测维修+ 预防维修= 可靠性维修 其中的主动维修是在设备选型、选厂、制造、安装等环节，严格监督，确保设备 3 - 华中科技大学硕士学位论文 投运的初始关。预测维修是以设备状态监测为手段而采用的维修方法( 也称为状态维 修) 。预防维修即定期维修。在设备投产运行后，主要采用预防维修和预测维修等方法 的维修策略。1 2 6 ”2 1 【3 3 l 【3 5 1 【3 6 1 1 3 设备检修思想发展历程 国外早期的设备检修与目前国内的设备检修基本经历了两个阶段即故障检修和 定期检修，然而近些年来国外积极探索状态检修( c b 1 ) 和以可靠性为中心的检修 ( r c m ) ，收到了成效，下面简要概括以下四种检修策略： ( 1 ) 故障检修b 阻( b r e a kd o w nm a i n t e n a n c e ) 故障检修包括纠正检修c m ( c o r r e c t i v em a i n t e n a n c e ) 、反应性检修r m ( r e a c t i v e m a i n t e n a n c e ) 、事后检修r t f ( r u n t i l l f a i l u r e ) 、以事件为基础的检修策略 ( e v e n t - b a s e ds t r a t e g y ) ，该类检修是当设备功能失效后的作业，即为把设备恢复 到能完成所要求功能的状态而进行的检修，此种检修的时机是只在故障发生后才进行 更换或检修故障。 ( 2 ) 定期检修t b m ( t i m e - b a s e dr m i n t e n a n c e ) 与设备无关的，按预先决定的时间间隔或操作次数执行的预防性作业，这是我国 目前执行的基本检修模式，是预防性检修的一种。 ( 3 ) 状态检修 状态检修也称作预知性检修p d m ( p r e d i c t i v em a i n t e n a n c e ) 或视情维修c b m ( c o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e ) 。是根据状态监铡所提示的检修需求( 按设备的状 态) 而执行的预防性作业。状态的检查是以在线或以固定的间隔或根据以前检查结果 决定的间隔进行的。 状态检修的基本思想是：维修方式从事后维修向预防维修发展，其目的是为了使 生产得以合理安排，通过这种维修方式，可以避免和减少设备故障停机，有效提高设 备管理水平。但是在预防维修方式下，设备状态要素的提取不全面，管理者过多强调 设备周期检修，为了避免电厂故障停机，往往靠投入大量的计划维修甚至过维修来换 取设备的可靠运转，所以必然会带来设备的过维修或欠维修问题以及设备的可用性及 维修费的高居不下。设备零部件的不确定性，使设备更换的周期难以确定，这种不确 定性造成备件在服役周期内仍有失效发生，并由此产生非计划抢修，打乱了正常的生 产节奏，另一方面，按事前确定的检修周期来更抉备件或检修设备，往往由于周期设 置偏于保守而出现过维修，造成维修资金和生产的浪费。设备状态维修就是让设备应 华中科技大学硕士学位论文 尽可能长时间地处于运行状态，只有设备结构和性能即将破坏和急速下降的临界状态 才停运检修，变以时间为基准的预防性检修( 计划检修) 为以状态为基准的响应性检 修，做到该修时才修。与传统的计划检修相比较，实施状态检修可以延长检修间隔， 避免过度检修。由此，设备可用率提高，发电量增加，单位发电量的平均检修成本下 降设备的可用系数大幅上升。 c 4 ) 以可靠性为中心的维修r 饿( r e l i a b i l i t y c e n t e r e dm a i n t e n a n c e ) r c m 的定义为：一种用于确定为确保任何设施在现行使用环境下保持实现其设计 功能的状态所必须的活动( 即维修需求) 的方法。 过去几年中，c b m 已经补充考虑了某些设备在系统中的重要性，也就是某一设备 的停用对可靠性的影响得到了更多的重视。很明显某设备在电网中的重要性对决定检 修设备的等级有较大的影响。这种c b m 方法加上可靠性方面的因数被称作以可靠性为 中心的检修r c m 1 7 】【1 8 i 【1 9 】【2 0 】【4 0 】。 1 4 优化检修 1 4 1 优化检修提出的背景 随着平均运行年龄的增长，电网中的设备将因老化而导致故障率大大增加，使供 电企业面临设备维修和更换的高峰。由于维修费用占有成本的相当比重，迫使供电企 业认真考虑如何节省维修与更换的耗费，保持在低成本下的运行可靠性和安全性。在 这种情况下，就需要建立一个设备的寿命模型和相应的更节约的维修策略口2 1 【2 4 l 。 目前供电企业采用的变电站设备维修策略高度依赖定期检查和解体检修，通常是 按照制造厂推荐和供电公司公认的经验执行，而为了获得高度的可靠性，时间间隔的 选择是偏保守的，这样不必要的定期检修把“早期损坏”引入本应稳定的系统，由于这 种维修方案未考虑设备的实际运行条件和实际状态，因而可能造成以下失误： 在不需要的时候进行了维修：在急需的时候又因固定不变的计划表而延误了维 修。任何类型的这类失误均导致不必要的维修成本。 定期维修大大增加了企业的生产成本，出于降低费用与改善效率的需要，有必要 启动减少计划性维修的项目，更多地采用以状态为基础的检修( 即通常所说的状态检修 c b m l ，使维修任务与维修间隔更多地建立在反映设备状态的基础上，避免由不 必要的维修或延误维修造成寿命期内总维修成本的增加，是优化检修、也即实现成本 有效的重要途径。 5 - 华中科技大学硕士学位论文 在优化检修上国外许多国家进行了有益的探索，如美国电力研究院( e p r i ) 、a b b 输配电公司、法国电力公司、英国国家电网公司、荷兰k e m a 输配电公司、德国e v s a g 电力公司。电力公司在使用r c m 来优化他们的预防性试验程序时，可以使预期维护 和检修成本明显降低。尝试实行r c m 的一个电力公司一年节省了1 3 维护和检修费 用，最终r c m 方法预期可降低维修费用约2 0 ，费用回收期约2 3 年1 4 8 j 。 1 4 2 优化检修的含义 为实现成本减少的目的，国外许多公司已启动减少计划性维修的项目，这种方法 在竞争性的活动使变电站部件的容量受限，并且在许多部件接近于它们的设计寿命的 情况下，带来可靠性降低的风险，招致设备的故障和事故可能会更频繁，被动性维修 出现上升趋势，这样不恰当地延长维修周期所带来的收益，很有可能被突发故障或者 事故造成的损失所削弱甚至抵消。所以优化检修并不是单纯延长设备的检修周期，正 确的出发点应当是针对不同的设备采用不同的检修策略。 优化的确切含义可以理解为：充分研究各类设备的特点及在电网中的重要性，并 考虑经济成本因素，对离线试验数据和在线检测数据综合分析确定设备的运行状况， 并在状态诊断技术的支持下，对不同类型的设备采取不同的检修策略；对于采用状态 检修的设备，使检修任务与检修间隔建立在反映设备运行状况的基础上，避免过度维 修和维修不足，从而提高设备的可靠性、节约设备的检修成本。 1 4 3 优化检修需要的技术条件 优化检修是维修体制的一种变革，涉及面很广。真正要达到成本有效的目标，需 要包括历史经验积累、不同类型设备的老化规律与寿命终了特征研究、专家知识库、 信息采集、跟踪与分析、可靠性分析以及成本效益分析等进行通盘考虑，并在此 基础上形成整体解决方案。 ( 1 ) 设备状态的含义 设备的状况是指设备当前的可用性程度。其中设备的缺陷情况是状态检修工作首 要关注的，除此以外，在设备状态检测诊断系统中，设备状态还包含了设备历史运行 经历、已运行年份、运行负荷、环境、操作情况等因素。其重点研究的是运行设备的 完好性和可用性。 ( 2 ) 优化检修所需的技术条件 1 长期准确的特征数据积累。准确确定设备的状态要综合分析大量的数据，如设 华中科技大学硕士学位论文 备的离线( 试验、校验、检修、巡视记录等) 和各种在线试验数据。 2 各类设备的故障模式和老化机理的研究。 3 与优化检修相配套的管理制度的确定。 4 采用比较成熟的在线检测技术。 ( 3 ) 状态诊断系统的开发意义 状态诊断是优化检修的技术基础，是整个系统关键之一，开发状态诊断系统具有 以下现实意义： 1 提高对试验数据的管理、分析水平，为积累现场运行经验提供技术支持： 2 提高设备运行状态诊断过程的计算机辅助水平，实现诊断经验的共享； 3 引入“基于以可靠性为中心的维修”的基本指导思想，综合考虑检修的经济性 和有效性，合理优化检修策略，实现检修的优化。 1 5 本文的主要内容及章节安排 本文的意义：电气设备检修及状态诊断是电力行业可靠性运行的重要组成部分。 设备的可靠运行不仅离不开良好的设备检修质量和合理运行操作，也离不开设备状态 的检测，只有发现萌芽状态的设备缺陷，才能把事故消灭在萌芽状态。而运用一定的 管理方法和手段对维护和运行进行管理和监控，成为电力行业可靠生产的重要任务。 开发设备检修状态诊断系统可以提高试验数据管理、分析水平以及设备状态诊断的计 算机辅助水平。 本文的章节安排为： 第一章主要介绍了国内设备检修的现状以及世界上设备检修思想的发展过程，最 后，详细介绍了优化检修的思想。 第二章主要介绍了设备检修与状态诊断的理论与技术。探讨了设备状态维修的理 论依据以及绝缘老化的机理。最后，以大型变压器为例，介绍了设备检修的几种主要 预防性试验，并介绍了变压器的状态诊断方法。 第三章根据上述二章的内容，描述了变电站设备检修及状态诊断管理系统的设计 及其功能模块的设计。 第四章主要介绍了变电站设备检修及状态诊断管理系统的数据库的设计。 第五章对全文进行总结，并提出了将来的工作方向。 - 7 华中科技大学硕士学位论文 2 设备检修与状态诊断的理论与技术 2 1 电气设备状态维修的理论依据 在长期实践中，理论工作者依据数理统计方法，研究出许多与生产实际相吻合的 数学模型。下面选取“浴盆曲线”即故障率曲线，对设备故障规律进行简要说明。 2 1 1 原理 设一台设备由许多零部件构成，在收集大量有关设备连续运行时间与检修时间数 据后，通过数理统计方法，拟合出下面的典型故障率曲线( 见图2 1 ) 。 图2 l 设备故障率曲线 图2 1 中 ( t ) 是指设备在【0 ，t 】时间内不发生故障的条件下，下一个单位时 间发生故障的概率，即设备在t 时刻的故障率。 i 、i i 、i i i 是指时间段，其中i 指早期故障期：i i 指偶然故障期：i h 指损耗故障 期【1 4 】f 3 l 】【3 邢舶。 2 1 2 特征 由图2 l 可以看出，在设备投运初期，设备发生故障的概率很高。随着设备 工作时间的增加，故障率逐渐下降，并趋于一个常数。这种状态维持一个长时间后， 设备的故障率随着工作时间的增加而增加，即设备进入疲劳时间段。对应各期应采用 不同的维修方法。 2 1 2 1 早期故障期 曲线呈下降趋势，故障率 ( t ) 随着时间t 的增加而降低。造成设备在初期故障率 8 华中科技大学顽士学位论文 = i l = = 1 i _ = _ _ _ l i _ _ i - i _ - _ - _ l _ _ _ l i = = = = ；_ i i j 自目i _ = ；_ _ _ 自；j l = ；i e 自_ = _ = = 较高的原因，主要是由于设计上的疏忽、生产工艺质量不佳、某些零部件质量差，以 及安装不当等。经过技术改进、缺陷排除后，故障率便逐渐下降，设备质量进入稳定 期。这一时期的设备维修宜采用定期维修、故障检查维修，更换质量差的零部件，或 做技术革新改进，提高设备健康水平。 2 12 2 偶然故障期 此时的曲线近似为一条直线，故障率 ( t ) 随着时间t 的增加变化不大，近似一个 常数。故障原因主要是一些随机的偶然因素引起的。在这一时期，由于设备的质量相 对比较稳定，若采用定期维修制，频繁检修更换设备零部件，不仅浪费部分部件的使 用寿命，造成不必要的经济损失，而且会使设备长期处于故障率较高的早期故障期。 “状态维修”思想便是针对这一时期的故障消除提出的。通过对设备状态进行监视， 预测其可靠性程度，排除那些造成故障的偶然因素，从而提高设备的使用寿命。 2 1 2 3 损耗故障期 这时期的曲线呈增长趋势，故障率 ( t ) 随着时间t 的增加而增加，故障的原因， 大多是由于许多零部件已经磨损或老化，使设备故障逐渐增多。此期间的故障可称为 损耗性故障，发生的多少与设备工作时间有关，因此，宜采用预防维修方法，更换部 分已老化及损坏部件，降低设备故障率的发生。 对运行年限达到2 0 年的室外隔离开关，由于瓷质老化，支柱瓷瓶易发生断裂、 破裂敌障。如能及时更换这些设备，就能避免一些事故的发生。如1 9 9 9 年1 2 月湖南 省2 2 0 k v 毛家溏变电站全站停电事故，便是隔离开关支柱瓷瓶断裂引起的。 另外，对于运行年限达到设计使用年限的主要设备，不能为了节省资金，而任其 长时间满负荷运行。否则必将引发恶性事故，大大降低电力系统供电可靠率。 2 2 电气设备绝缘老化与状态维修 2 2 1 绝缘材料的老化 2 2 1 1 热老化 高压电气设备运行中产生的热量会导致绝缘的温度升高。1 9 3 0 年m m o n t s i n g e r 首次提出了绝缘寿命与温度之间的经验关系即1 0 规则，认为温度每升高1 0 则绝 缘寿命约减半。但实际上，不同绝缘的老化速度是不同的，因此1 0 规则不能简单地 应用于所有的绝缘系统。1 9 4 8 年d a k i n 提出了新的观点，认为热老化实为有聚合链 分裂等作用的氧化效应，本质为一种化学反应过程，因此应当遵循化学反应速率方程： _ - _ _ _ - _ l 。_ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ 一。- 一l 一， 华中科技大学硕士学位论文 = ；= | 目_ _ 自目_ | _ _ _ _ _ _ i p , , i 目# 目_ _ j 自_ l 目；= j e _ j = t ；_ _ ；_ - _ t _ e 目_ _ = 目_ e = ；t j 4 ；= = 篁 工n l = l n a + b t( 2 1 ) 其中，a 、b 分别是由特定老化反应所决定的常数，l 为绝缘寿命，t 为绝对温 度。该方程的提出，为高温加速老化试验及试验结果的外推提供了理论依据，弥补了 m o n t s i n g e r1 0 c 规则难以区分不同条件下老化差异的缺点。 2 2 1 2 电_ 老化 绝缘在电场应力作用下的老化行为，尚无定量化描述的理论公式。通常采用经验 公式 l = k e “( 2 2 ) 来表示绝缘在外施电场下的老化规律，其中e 为外加电场，k 为试验确定的常数，与 具体的绝缘系统或材料有关，n 为电压耐受系数，须在一定的电压和温度下试验确定。 不少研究者认为，当外旌电压低于绝缘的局部放电起始放电电压时，材料就不会 发生由电场所引起的老化。通过建立热电应力联合作用下的绝缘概率寿命模型， 发现在温度确定的条件下，绝缘材料的寿命曲线趋向个电场阈值e t ，这一临界电 场值可通过对击穿时间与外旌电场大小的w e i b u l | 统计分析得出。这种存在电场临界 值的观点与经验和直觉比较一致。通常认为电气击穿强度是评价绝缘老化的一个最根 本的属性，当外施电场远低于材料的击穿强度时，相当于材料具有非常高的耐电强度， 此时绝缘材料将在非常长的时间内耐受该电场而不出现击穿。 对于上述观点，也有持不同意见的。a r m i n b r u n i n g 通过对气穴中空气从亚电晕 f s u b c o r o n a ) 到强烈电晕( i n t e n s e c o r o n a ) 过渡过程中非线性电导率的理论计算和实铡数 据表明，低电压下的微小亚电晕电流将引起气穴中气体和气穴表面温度的升高。随电 压的提高，亚电晕放电形式向强烈电晕放电形式转化，放电源的温度将不断上升。以 上现象说明绝缘介质在外施电场作用下的老化是一个连续的过程，不存在任何明显影 响老化进程的电场阈值。通过测量气穴表面的温升有可能利用a r r h e n i u s 方程在气体 空腔这样的微小区域水平上评价绝缘的老化。该观点如被更多的实验证实，将因其物 理过程清晰，测量方法明确，可能具有更大的说服力。 2 2 1 3 多应力联合老化 经验表明，绝缘老化的程度和老化的速率依材料的物理、化学特性，外施应力的 类型和持续时间，生产过程中采用的工艺而定，故需对绝缘材料在上述应力的多种组 合作用下的老化行为及各种应力的协同作用进行广泛深入的研究以求其老化规律。 电热联合应力老化是目前研究中采用最多的种应力组合方式。建立老化寿 命模型主要的手段是将电老化反幂形式经验公式 1 0 华中科技大学硕士学位论文 l i i 皇喜昌栩_ l _ 薯_ 昌皇i l _ _ _ l _ 昔- - i _ _ _ l 皇军；高暑目l 墨重j 墨i 昌阜目皇置皇穹= 篁鲁鲁j i 昌宣昌曹皇皇_ _ 鲁皇皇= 穹 l = k e ”( 2 3 ) 和热应力老化的a r r h e n i u s 方程 l = 爿e x p t 8 7 ( 2 4 ) 统一起来，而得到绝缘寿命外施电场温度之间的关系。 l c t ，d = k ( t ) e 一1 ”e x p 8 7 ( 2 5 ) 为r a m u 得出的电热联合应力下的寿命方程，k 和电压耐受系数n 成为温度的函 数。 对于运行在湿度较大的环境中的设备，湿度对绝缘材料尤其是潮气敏感材料( 如聚 酯等) 老化过程的影响不可忽视。d i x o n 对封闭电气设备中这类材料的研究得出了该情 形下绝缘寿命与温度、湿度的函数关系。在定的范围内对不同的温度和湿度进行换 算可得出在改变了的温度及湿度下绝缘的累积等效寿命。 有学者认为，从本质上来看，影响绝缘老化的最主要因素如电、热、机械应力、 潮气及辐射等，都以化学反应的形式作用于绝缘材料，因此，在化学反应速率方程的 基础上，应当能够找到一种统一的形式来表示多应力下绝缘的老化规律。 绝缘在正常工作应力下的寿命，绝大多数是将加速老化试验结果向正常应力下外 推得到的。加速试验外推的真实性和等效性受到持统计学观点的研究者的怀疑，而 d a k i n 则认为，在可靠的理论基础上进行的外推，总比缺乏数据不能获得任何信息好。 但有的试验如高频加速老化试验与工频下有很大不同，无法向工频外推，这是要妥善 解决的问题。 2 2 2 绝缘击穿机理的探讨 气体放电领域中汤逊放电理论和流注放电理论比较成熟，在实践上也有很好的应 用。液体中的击穿早在本世纪初即有研究，但其理论成就不及气体和固体。对纯净液 体电介质分别施加冲击电压和缓变电压研究后认为，液体介质的击穿过程主要应包含 如下四个阶段：金属电极场致发射或介质中的强场电离导致带电粒子和空间电荷区形 成的阶段；带电粒子的摩擦运动造成温度升高，低密度区形成并向对面电极扩散的电 热阶段；在低密度区形成气体放电通道，液体分子键被打破，各种自由基和离子形成 的气体放电阶段；放电熄灭，温度降低，自由基及离子重新组合的物理化学阶段。 其中电极上发生的过程作为第一阶段十分重要，t j l e w i s l 9 8 4 年在i e e e 上提出，介 质中早期形成的击穿通道尺寸在分子水平常与金属表面有关，因此应重点在分子水平 上考虑电极上可能的电化学过程。这与上述观点是一致的。对于非自恢复的绝缘 l l 华中科技大学硕士学位论文 介质，电树枝的形成和生长受到很大的重视，因为电树枝的发展通常被认为是绝缘将 出现短期击穿的征兆。有研究者认为，固体介质中电树枝是在场强集中处发生了局部 击穿并沿电场方向逐渐扩散的结果。电树枝的生长对机械应力和振动敏感。在选择绝 缘材料或进行绝缘系统的设计时，应充分考虑材料抵抗机械裂纹快速传播的能力，尽 量避免机械应力的集中。 基于观察到的“低密度区”并利用电子平均自由程概念对气体、液体和固体的击 穿过程进行研究后提出，这三种状态下介质的击穿过程具有相同之处，即击穿发生时 沿放电路径上介质局部密度的波动规律相同。这有可能为分别研究气体、液体或固体 绝缘之一的学者提供相互探讨和借鉴的机会，有利于直接借助较为成熟的气体放电研 究成果，促进固、液体绝缘研究向前发展。 2 2 3 基于绝缘老化的状态维修 2 2 3 1 状态维修的实现 状态维修的基础在于状态分析，而状态分析的基础是状态信息，需要通过准确、 可靠的非破坏性试验及简易或连续的在线监测技术获取一定的有效信息量，综合运行 工况、缺陷、检修及同类设备质量等信息，准确可信地预测或估计设备绝缘状况并对 绝缘做出修复或更换等决策。只有充分了解绝缘在各种应力及实际设备运行环境作用 下的老化及击穿机理，即找到能够灵敏地反映绝缘的当前状况及其变化趋势的物理或 逻辑参量，才有可能确定所要监测的参数并采取相应的测量方法。其根本目标是获得 绝缘系统状态的相关信息，再从这些信息中抽取出一定的标准或判据对系统进行判 断，以便对系统采取相应的措施。同时，有研究者认为，了解非破坏性试验结果与残 余击穿电压的关系是非常重要的，并且，应利用相关性曲线将所有的非破坏性测试结 果转换成残余击穿电压的形式。虽然通过其他办法，也可能得到一些比较灵敏的、能 够在一定程度上反映绝缘状况的检测量，但这些参量与绝缘老化之间可能并没有直接 的联系，且其寻找的过程也带有很大的盲目性。了解绝缘的老化机制是找到能够直接 反映绝缘老化的检测量的基础。 在线监测首先需要解决的问题是：究竟要对哪些量进行监测? 不同的设备，不同 的绝缘系统，能灵敏地反映设备绝缘状态的检测量显然不同。目前广泛采用油中溶解 气体分析( d g a ) 判断和识别油浸电力变压器故障。传统的d g a 程序比较繁琐。现在 有研究者试图实现在线d g a ，连续跟踪油中气体并及时诊断。一种监测变压器油中 气体并进行相应诊断的设备利用聚合物薄膜实现将特征气体氢气( h ：) ，甲烷( c h 4 ) ， 华中科技大学硕士学位论文 i e _ _ _ _ _ - i l _ _ j _ # _ _ = i l ； = e ；自 = l _ _ 目= = = 乙烷( c 2 h 6 ) ，乙烯( c 2 h 4 ) ，乙炔( c 2 h 2 ) ，丙烷( c a h s ) 。丙稀( c 3 h 6 ) 和一氧化碳( c 0 ) ，二 氧化碳( c 0 2 ) 从油中分离并采用新型催化媒气体传感器检测气体含量，能判断是否存 在异常及故障类型。一般认为，对油纸绝缘变压器，纸的聚合度可说明固体绝缘 的老化程度，油中糠醛的浓度又可以反映纸绝缘的聚合度，而其变化率则可反映纸的 老化速率。一种便携式光电设备检测变压器油中的糠醛浓度的灵敏度达到1 0 ，克服 了现场取纸样困难且损伤绝缘的缺点。对于固体绝缘特别是有机聚合物绝缘，监测其 中电树枝的产生和发展具有现实意义。 超声探测作为一种无损检测技术也已用于聚合物试晶的老化探测，且被认为是绝 缘老化检测的最经济实用的非破坏