配电设备状态检修模型与策略研讨.doc

分 类 号 TM7 密级 公开 收藏编号 学号 090121014 学校代码 10386 编号 应用研究 专业代写专业代写 论文网站作品论文网站作品 需求者不付钱 写手上传需求者不付钱 写手上传 配电设备状态检修模型与策略研究 工程领域 电气工程及其自动化 研究方向 电气工程 研 究 生 姓名 陈抒展 指 导 教 师 职称 杨耿杰教授 所在学院 电气学院 答辩委员会主席签名 二 一三 年 十 月 一一 遵守学术行为规范承诺遵守学术行为规范承诺 本人已熟知并愿意自觉遵守 福州大学研究生和导师学术行为规范暂行规 定 的所有内容 承诺所提交的毕业和学位论文是终稿 不存在学术不端行为 且论文的纸质版与电子版内容完全一致 二二 独创性声明独创性声明 本人声明所提交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得福州大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担 三三 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解福州大学有关保留使用学位论文的规定 即 学校有权保留 送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部或部分 内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的论文在解密后应 遵守此规定 本学位论文属于 必须在以下相应方框内打本学位论文属于 必须在以下相应方框内打 否则一律按 否则一律按 非保密论非保密论 文文 处理 处理 1 保密论文 本学位论文属于保密 在 年解密后适用本授权 书 2 非保密论文 本学位论文不属于保密范围 适用本授权书 研究生本人签名 签字日期 20 年 月 日 研究生导师签名 签字日期 20 年 月 日 配电设备状态检修模型与策略研究配电设备状态检修模型与策略研究 中文摘要 在我国 电力系统设备一直以定期检修 预防性检修作为主要的检修模式 这种模式暴露出的问题是 设备缺陷较多 检修不足 运行状况较好的设备 又可能存在检修过剩的问题 状态检修 是以安全 可靠性 环境 成本为基 础 通过设备状态评价 检修决策 达到设备运行安全可靠 检修成本合理的 一种检修策略 1 这种检修策略以动态的 个性化的方式 以设备运行状态为 依据 根据设备运行状态的不同 制定有针对性的检修方式 能够更好的确保 设备和配电网的可靠运行 很大程度上反映了生产技术和管理水平的先进程度 本文回顾了国内外电气设备状态维修研究和应用的现状 分析了现有研究 存在的一些误区及缺陷 将实施状态维修的关键技术概括为状态监测技术 状 态预测技术及状态评估技术并阐述了它们的意义 理清了状态维修与在线监测 及故障诊断的关系 本文重点研究了配电设备状态检修模型的建立过程 从建模方法 决策目 标到检修策略逐步进行推导 从数据采样 数据分析到状态评价等各方面探讨 了配电网状态检修的可行性及其优势所在 最后选取典型设备作为示例 用文 中所述的方法进行状态评估和策略制定 与国网公司的 配电网状态检修评价 导则 中的方法进行对比 对照单元状态评价和检修策略 分析两种方法在设 备状态评估中的准确性 对目前正在实行的配电网设备评价方法进行修正 对 配电网状态检修工作的开展 具有一定的现实意义 关键词 配电 状态检修 模型 状态评价 检修策略 Research On Distribution equipment condition based maintenance model and Strategies Abstract For a long time the power system for preventive maintenance scheduled maintenance based institutions This system exposes the question is more equipment defects inadequate maintenance and repair of equipment in good condition surplus Condition based maintenance is based on safety reliability environmental cost based through the device status evaluation maintenance decision to achieve safe and reliable equipment operation maintenance costs a reasonable maintenance strategy The operational status of equipment maintenance strategy based on different operating conditions of equipment to develop personalized maintenance program better equipment and distribution network ensures reliable operation largely reflecting the level of production technology and management sophistication This paper reviews the state of repair of electrical equipment at home and abroad and application status analysis of the existing research a number of errors and defects state of repair will be implemented in the key technologies summarized as condition monitoring technology state prediction technology and state assessment technologies and elaborated their significance sort out the repairs with the online status monitoring and fault diagnosis relationship This paper focuses on the distribution model of condition based maintenance process from modeling decision to overhaul policy objectives gradually deduced from the data sampling data analysis evaluation and other aspects to the state distribution network for state discussed the feasibility and overhaul advantage the last selected device as a typical example using the method described in the text condition assessment and strategic planning and the National Grid Corporation of the state of repair with mesh Evaluation guidelines in the method comparison the control unit status evaluation and Maintenance Strategy analysis of two methods in the accuracy of the device status assessment of the current distribution network equipment being implemented evaluation methods to correct for distribution Networks overhaul work has a certain practical significance Keywords distribution condition based maintenance model condition assessment maintenance strategy 目录目录 第一章第一章 引言引言 1 1 1 选题背景及其意义 1 1 2 国内外配电网状态检修的现状 2 1 3 配电网设备检修体制的演变 2 1 3 1 故障检修 3 1 3 2 计划检修 3 1 3 3 状态检修 3 1 4 本论文研究的主要内容 4 第二章第二章 现状及存在问题分析现状及存在问题分析 6 2 1 福州市配电网状态检修现状分析 6 2 2 目前配电网检修工作中存在的问题 8 2 2 1 检修方式保守 8 2 2 2 设备状况分析不明确 8 2 2 3 检修成果反馈不到位 8 第三章第三章 配电网设备状态检修方式及策略配电网设备状态检修方式及策略 10 3 1 配电设备检修基本概念 10 3 1 1 可靠性 10 3 1 1 1 设备运行的质量指标 10 3 1 1 2 可靠性的概念 10 3 1 1 3 设备寿命 失效及其分布函数 11 3 1 2 可靠性指标 12 3 1 2 1 失效率函数 12 th 3 1 2 2 可靠度函数 14 tR 3 1 2 3 平均寿命 15 3 1 2 4 设备的维修性 16 3 2 配电网及其设备 17 3 2 1 配电网的基本概念和特点 17 3 2 2 配电网主要设备 18 3 2 2 1 变压器 19 3 2 2 2 断路器 19 3 2 2 3 避雷器 19 3 2 2 4 配电线路 20 3 2 2 5 其他设备 20 3 3 配电网设备状态检修过程 20 3 3 1 设备状态信息的获取 21 3 3 1 1 油浸式变压器油中溶解气体的监测 21 3 3 1 2 局部放电测试 21 3 3 1 3 在线测温 22 3 3 1 4 变压器绕组变形监测 22 3 3 1 5 其他相关信息量收集 22 3 3 2 状态检修模型的建立 22 3 3 2 1 失效率模型 22 th 3 3 2 2 决策目标 23 3 3 2 3 维修决策 23 3 3 2 4 状态检修决策过程 24 第四章第四章 基于比例风险模型的配电网设备状态检修基于比例风险模型的配电网设备状态检修 25 4 1 比例失效模型 25 4 1 1 比例失效模型的参数分析 25 4 1 1 1 失效函数 25 4 1 1 2 比例失效模型的一般形式 26 4 1 1 3 回归系数对风险度的影响 26 4 1 1 4 参数型与半参数型比例失效模型 26 4 1 2 比例失效模型的建立 27 4 1 2 1 伴随变量的确定 27 4 1 2 2 寿命试验中存在的截尾问题 27 4 1 2 3 伴随变量的筛选 27 4 1 2 4 建立威布尔比例失效模型 27 4 2 比例失效模型的极大似然估计 28 4 2 1 参数型模型 28 4 2 1 1 伴随变量的具体函数形式已知 28 4 2 1 2 伴随变量的具体函数形式未知 29 4 2 2 半参数型模型 30 4 2 2 1 构造偏似然函数 31 4 2 2 2 各参数的一阶导数求解 32 第五章比例失效模型在配电网设备状态检修中的应用第五章比例失效模型在配电网设备状态检修中的应用 33 5 1 比例失效模型在配电网变压器状态检修中的应用 33 5 1 1 变压器不同状态下油中气体的含量 33 5 1 2 变压器内部故障类型与油中气体含量关系 34 5 1 2 1 过热性故障 34 5 1 2 2 电气性故障 34 5 1 2 3 变压器受潮 35 5 1 3 维修决策过程 35 5 1 3 1 比例失效模型的建立 36 5 1 3 2 确定故障率阈值 37 5 2 比例失效模型在配电网开关柜状态检修中的应用 40 5 2 1 局部放电的种类特点 41 5 2 1 1 电晕放电 41 5 2 1 2 沿面放电 41 5 2 1 3 内部放电 42 5 2 1 4 悬浮电位放电 42 5 2 2 开关柜局部放电检测方法 42 5 2 2 1 地电波检测 42 5 2 2 2 超声波检测 42 5 2 2 3 超高频检测法 42 5 2 2 4 综合检测技术 43 5 2 3 维修决策过程 43 5 2 3 1 比例失效模型的建立 44 5 2 3 2 确定故障率阈值 45 5 2 3 3 维修决策模型 46 第六章第六章 结论与展望结论与展望 48 6 1 本文主要研究内容 48 6 2 对未来的展望 48 6 3 今后需要开展的工作 48 致致 谢谢 49 个人简历个人简历 51 参考文献参考文献 52 第一章 引言 1 1 选题背景及其意义 近年来 随着经济的发展和社会的进步 人民群众对电力资源的需求越来 越多 要求越来越高 因此 提高电网设备的安全运行程度 提高电力系统供 电可靠性成为电力企业的重要任务之一 在电网中 配电网作为直接与电力用 户联系的部分 直接关系到广大人民群众的用电情况 同时 随着电力企业的 发展 配电网的安全 稳定运行也直接关系到企业的经济效益及企业形象 由于配电网结构复杂 运行过程中存在许多不确定性因素 因此 配电网 也是电力系统中最易发生故障的一个环节 配电网设备种类繁多 数量庞大 停电检修直接涉及用户 直接损失售电量和供电时户数 并且在检修过程中 需要电力企业的多个部门参与 需耗费大量的人力 物力和财力 随着配电网 规模 设备数量的急剧增加 定期检修工作量剧增 检修成本大幅增加 检修 人员不足 检修费用较高等问题日益突出 因此 制定合理的检修计划 一方 面能够有效提高检修效率 减少停电时间 另一方面 能够延长设备使用寿命 提高供电可靠性 增加系统的运行效益 长期以来 我国的电力系统主要采用以时间为标准的定期检修 Time Based Maintenance TBM 作为电气设备的检修策略 虽然定期检修一般可以 在维修时发现设备缺陷 能够在一定程度上保证设备安全经济运行 但是 定 期维修存在的问题也日益显著地暴露出来 如频繁的临时性检修 维修不足或 维修过剩 工作量大但效率不高 盲目维修等缺陷 造成了维修费用的浪费以 及设备运行可靠性 经济性的下降 因此 从定期检修到状态检修 Condition Based Maintenance 的转变是电网设备检修策略的发展方向 同 时 随着运行可靠性研究的日益发展 对可靠性为中心的检修方法 Reliability Centered Maintenance RCM 的研究也日益受到人们的关注 2 如何合理安排电力设备检修 节省检修费用 降低检修成本 确保电力系统的 可靠性 对电网运行检修人员来说是一个重要课题 从 20 世纪 80 年代起 RCM 已在世界范围内得到推广 在美国电力行业 目前已有 70 的电厂 电网 设备应用 RCM 检修策略 3 利用 RCM 可以对机组检修工作进行更合理的分配 使设备的运行状态保持在较好的水平 及时发现故障隐患 增加设备正常运行 年限 节约成本 提高可靠性 状态检修策略的主要意义在于 以环境 可靠性 安全 成本等条件为评 价基础 通过对设备进行状态评价 风险评估 检修决策 提高设备运行的可 靠性和安全性 节约检修成本 状态检修通过先进的状态监测技术 以量化的 评价方法和可靠的设备寿命预测手段确定设备的运行状态 通过分析故障发生 的部位 故障的严重程度和发展趋势 确定对设备进行维修的时间点 维修的 范围和程度 对配电网实施状态检修 必须建立以可靠性为中心的检修策略 对配电网 电力设备的状态进行评估 根据掌握的在线监测数据 设备巡视记录和检修历 史试验数据 建立设备的可靠性模型 继而建立整个系统的可靠性模型 对可 靠性指标 如失效率等参数进行综合分析 经过优化算法 得出系统的最优检 修方案 1 2 国内外配电网状态检修的现状 目前 国内对配电网设备检修问题的研究 基本上是以基于时间的定期检 修模式为主 也有许多针对设备状态检修进行研究的文献 国外对电力系统状态检修的研究已经有二十多年的历史 美国电力研究协 会下属的监测诊断中心作为该协会的核心技术部门 长期以来一直从事发电厂 变电站各类电力设备的在线数据监测和故障诊断的科研工作 上世纪80年代后 期到90年代 该中心在Edistone发电厂进行了一项状态检修技术的研究 旨在 通过收集设备运行中的各类电气量 物理量和化学量 与设计参数和相关运行 标准进行比对 进而确定设备状态和检修策略 根据此原理 他们开发了一套 软件并投入了实际应用 事实表明 这些研究应用取得了明显的效果 汽轮机 大修由 4 5 年延长到 6 8 年 检修时间由原来的 8 周减少到 4 周 延长 设备寿命 10 15 提高运行能力 10 30 4 5 在这项研究中 大量采用了包括红外测温 超声波探伤 局部放电测试 油气分析 声波和振动监测在内的多种先进的状态检修技术手段 检测的范围 全面覆盖变压器 气体绝缘组合式开关柜 断路器及各类冷却装置 操作机构 等主要设备和重要部件 给出了设备运行状态提升程度及检修成本降低的量化 数据 充分验证了状态检修策略的优势所在 日本能源部于1987年发布了 发电设备剩余寿命诊断方法 的标准 产业 部也于1988年推出名为 设备诊断技术实机试验 的项目 旨在通过这项试验 延长运行年限较长的火电发电设备的寿命 节约设备成本 提高运行可靠性 6 1 3 配电网设备检修体制的演变 二战结束后 电力检修技术取得了了长足的进步 尤其是近二十年以来 随着配电网设备种类和数量的增多 结构日益精密复杂 以及全社会对用电质 量的要求不断提高 检修技术也随之获得了飞速的发展 1 3 1 故障检修 18世纪第一次产业革命时期 此时的设备的设计简单 设计余量较大 检 修难度小 故障也易排除 因此 这个时期的主要检修方式为故障检修 Corrective Maintenance CM 也称为事后检修 Break Maintenance BM 顾名思义 若设备在运行过程中出现故障导致停用 才进行停电检修 这种检修方式是建立在设备故障的基础上 在设备及电网已经蒙受了一定损失 的情况下才进行应急检修 成本极大 也存在较大的设备及人身安全风险 并 且由于维修不足 会导致设备的有效寿命缩短 运行工况差 因此电能供应质 量很低 这也无形中增加了运行成本 1 3 2 计划检修 这是目前仍在使用的较为传统的检修方式 计划检修 Schedule Maintenance SM 也称为定期检修 Time Based Maintenance TBM 根 据设备的种类和型号 确定检修工作的项目和内容 并按照固定的周期进行检 修 由于其相较于故障检修的优越性 二次世界大战之前 这种检修方式主要 被应用于军工领域 直到上世纪50年代中期 我国才从前苏联引进了这种检修 制度 计划检修策略是根据设备的普遍运行情况或运行经验进行制定的 在一定 程度上能够排除已出现的故障隐患 提升设备工况 但其缺点也显而易见 这 种维修方式不管设备的实际状况如何 只要 到期 就 必修 这种一刀切 的做法不考虑设备客观上存在着状态差异 由此产生了维修过剩 浪费资源和 影响设备运行可靠性等一系列问题 7 8 检修不足会导致设备故障停用 提高运行成本 检修过剩和盲目检修导致 无效劳动 提高了人工成本和物料成本 有时可能会引发检修故障 据统计 1996年我国的100MW 125MW 200MW火电机组非计划停运与出力降低的责任原因 分别有36 31 和41 是由于这种过剩检修造成的 9 1 3 3 状态检修 关于状态维修 美国工业界的定义是 状态维修是试图代替固定维修时间 周期 根据设备状态确定的一种维修方式 10 11 国内的定义是 利用状态监 测和诊断技术获取的设备状态和故障信息 判断设备异常 预测故障发展趋势 在故障发生前 根据设备状态决定对其维修 12 状态检修来源于以可靠性为中心的维修 Reliability Centered Maintenance RCM RCM的核心目标是 以最低成本使设备保持在预定的运行 水平 使设备的运行参数保持在目标值以上 RCM的核心思想来源于上世纪60年 代末期的美国航空业 这种检修方式的优势在于 其以设备的可靠性评价结果 及保证正常运行为依据 而非根据主观经验或普遍情况进行判断 更具客观性 能够制定出较合理的检修策略 在避免发生严重故障的同时减少无效检修 控 制检修成本 美国民用航空企业通过采用这种检修方式 极大的提高了飞机的 可用率和可靠性 我国的电力工业从1983年开始引进RCM策略 在1984年由美国电力研究院 EPRI 正式将其用于核电厂的检修 截止1997年 在美国排名前1000的企业 中 已有68 的公司采用了RCM的检修策略 状态检修 Condition Based Maintenance CBM 或预知性维修 Predictive Diagnostic Maintenance PDM 是在上世纪70年代由美国杜 邦公司的奎姆 I D Quimn 提出的 CBM是以设备目前的实际运行情况作为判 断依据 通过各类状态监测手段 识别故障的早期征兆 对故障部位 故障严 重程度及发展趋势做出判断 从而确定设备各部件的最佳维修时机 13 在目前 的生产技术条件下 状态检修相较于其他检修策略 其制定的依据科学合理 实施可行性高且成本 低 是最为先进可靠的检修方式 状态检修能够发现潜在隐患 准确的判断故 障位置 严重程度及预后 从而进行有针对性的 适当及时的检修维护 最大 程度的保证设备稳定运行 延长设备寿命 提升可靠性 但由于在线监测设备 的价格较高昂 新技术的应用对于员工素质也提出了挑战 因此状态检修方式 依赖于较高的技术和设备水平 这将是这种检修方式发展过程中的重要瓶颈 综上所述 可以得到的结论是 配电设备状态检修策略的演变总是以生产 力的发展为前提的 随着技术水平和管理水平的不断提高 检修策略也随之发 生了根本性的变化 从而更好的为电力工业服务 1 4 本论文研究的主要内容 本论文主要研究以下问题 1 收集整理我市鼓楼中心区内配电网馈线以及所属设备单元的试验数据和状 态评价 对其进行系统分析 并作为本文的研究对象 2 论述设备状态评价指标 介绍配电网设备状态检修模型基本理论 包括可 靠性理论 可靠性指标 建立设备状态评价指标体系 3 建立并研究综合评价模型 利用实证分析的方法评判该模型的优缺点 评 估综合评价的结果是否准确 比较定期检修和状态检修这两种常用检修策 略对配电设备所产生的不同影响 4 分析研究设备状态评价的各个环节以及现阶段设备状态评价中存在的问题 分析整理其可取之处和不足点 对电气设备状态维修策略的研究方向作了 展望 第二章 现状及存在问题分析 2 1 福州市配电网状态检修现状分析 福州位于我国东南沿海 是福建省会 全省的政治 经济 科教 文化中 心 2009 年 5 月 国务院确定了福建省作为海峡西岸经济区的主体地位 福州 作为海西经济区的中心城市 要在全省 挑大梁 树形象 走前头 建设 科 学发展的先行区 和 两岸人民交流合作的先行区 根据国家电网公司深入推 进配电网状态检修的年度重点工作计划要求 2012 年 4 月 福州电业局全面启 动配电网状态检修工作 福州市鼓楼区现有 10kV 出线的变电站 10 座 10kV 馈线 240 条 10kV 线路 总长 800km 其中架空线路 130 6 km 电缆线路 669 4km 缆化率 83 6 线路 N 1 率 91 配电站所 1322 座 开关柜主要以 KYN GGX2 GG1A 为主 环网柜 主要以 RM6 SM6 ABB 为主 福州电业局配电网状态检修试点馈线从鼓楼区的 智能配电网示范区内选择 示范区位于鼓楼中心区 具体范围为北二环路以南 西二环路以东 晋安河以西 东大路 东街及杨桥路以北 供电面积 12 16km2 共有 10kV 站所 252 座 环网柜 289 座 10kV 配变 1225 台 电缆线 路 201km 电缆化率 90 4 三遥 二遥 自动化终端 563 套 配电网状态检修试点为其中 13 条馈线 按评价规则 共含 10kV 架空线路 8 条 1 25km 10kV 电缆 63 条 24 21km 站所 21 座 环网柜 20 座 均已实 现自动化覆盖 图 2 1 鼓楼区的智能配电网示范区 2009 年福州电业局组建配电检修中心这一专业的配电设备检修单位 配备 工频耐压试验仪等 41 台仪器装备 共有 30 余名检修试验人员 积累了一定的 实践经验 2012 年上半年 共完成 60 座站所 26 条次电缆预试 结合消缺 73 项 为设备状态评价提供了第一手试验数据 自配电网状态检修工作开展以来 配电检修中心购置了各类新型设备 应 用红外线测温 红外线热成像技术 累计测温 10kV 线路 73 条 配变 355 台 站所 212 座 发现并消除各类缺陷 36 项 同时开展开关柜局放检测 试点区域 41 座站所开关柜首轮检测工作全面完成 形成检测报告 41 份 对经贸大厦配 电站局放超标设备缩短周期进行复测跟踪 进一步安排进行预防性试验及检修 在线监测方面 于 27 个试点站所安装电缆终端头在线测温终端 基于配电 GPMS 系统建设监测平台 实现配电站所部分设备在线温度预警 开关设备运行 状态查询统计 站房视频实时数据接入显示等功能 实现配电站所的 四遥 功能 针对部分低洼站所辅助进行进水报警 预防故障发生 记录设备运行及 工况信息 2 2 目前配电网检修工作中存在的问题 本次配电网状态检修试点工作开始之初 福州市的配电网设备仍以定期检 修作为主要的检修方式 主网的状态检修经验虽可供借鉴 但与主网相比 配 电网设备复杂多样 运行条件差 状态量变化频繁 这些问题都成为了配电网 状态检修工作中的难点 现阶段配电网检修工作中 随着设备数量的增加 设 备的缺陷发生率呈减少趋势 这得益于设备制造工艺水平的提高 检修手段的 进步和先进测试方法的引入和推广应用 但定期检修不可避免的存在一些弊端 一是部分设备的检修周期安排不合理 检修过剩问题突出 二是部分检修完成 后 临时性缺陷增多 表明部分设备存在过度检修问题 三是随着福州市电网 规模的迅速扩大 电网设备数量大量增加 定期检修工作量也随之剧增 检修 人员配置不足的问题日益突出 这些问题的主要表现有以下几个方面 2 2 1 检修方式保守 管理人员依照既定规程编制检修计划和项目 不能很好的与设备老化规律 及运行寿命相配合 原有的检修规程有时不适合新设备 每次停电检修都按照 规程进行例行检修 某些不必要的项目上存在盲目检查 过度检修的问题时有 发生 停电检修时 设备状态往往并不存在问题 而在设备的缺陷处理中 检 修人员仅根据运行人员登记的缺陷进行消缺或进行故障后检修 而非根据设备 的实际状态进行判断 造成设备状态的不确定性 从而导致检修不足和过度检 修的情况 2 2 2 设备状况分析不明确 随着在线监测技术的广泛应用 自动化终端 遥信遥测技术在配电网运行 中发挥了越来越大的作用 在检修和运行过程中 大量设备状态信息由于检修 模式的和信息管理的弊端 一些数据没有及时分析 保存 或没有发挥应有的 作用 导致部分数据的缺失 从而导致设备发生故障 缺陷时 不能在第一时 间进行动态的状态评价 2 2 3 检修成果反馈不到位 检修人员对检修工作的成效或不足没有直观的了解 进行检修工作时存在 盲目性 检修工作完成后对设备状态缺少及时的评估和分析 使得检修人员无 从得知检修后设备的运行情况是否改善 影响了工作积极性 也使运行维护人 员对检修工作缺乏足够的重视 鉴于以上几点 福州市本次配电网状态检修试点选择了配电网基础网架较 好的鼓楼区作为试点区域 此区域配电网设备基础资料齐全 运行维护规范 自动化水平高 采集状态量数据准确 评价结果可信度较高 作为配电网状态 检修示范区具有可推广性和借鉴意义 第三章 配电网设备状态检修方式及策略 3 1 配电设备检修基本概念 3 1 1 可靠性 3 1 1 1 设备运行的质量指标 配网设备在运行中 是否安全稳定 最重要的指标无疑是可靠性 可靠性 指标是由两个重要部分组成的 性能指标与运行条件 性能指标指的是设备完 成预定任务 达到预定要求的能力 可靠性指标指的是设备使自身保持在性能 指标以上运行的能力 性能指标主要以设备本身的参数 功能为评判标准 不 考虑运行环境 运行时间等客观因素 而可靠性指标很大程度上与外界条件相 关 是设备在特定环境中运行了一定时间后对性能指标的考量 可靠性高 通 俗的说就相当于经久耐用 可靠性的概念最早来自于军工领域 上世纪 50 年代后期 由美国国防部起 草的一份题为 军用电子产品的可靠性 的报告首次提出了 可靠性 的概念 并对可靠性的评价标准 评判方法以及判断指标给出了详尽的说明 是可靠性 指标发展历史上的一个重要里程碑 3 1 1 2 可靠性的概念 根据国家标准 GB 6583 中的描述 可靠性指的是 产品在规定的条件下 规定的时间内 完成规定功能的能力 产品在设计 应用过程中 不断经受自 身及外界气候环境及机械环境的影响 而仍需要能够正常工作 这就需要用试 验设备对其进行验证 这个验证基本分为研发试验 试产试验 量产抽检三个 部分 可靠性包含了耐久性 可维修性 设计可靠性三大要素 耐久性 产品使用无故障性或使用寿命长就是耐久性 例如 当空间探测 卫星发射后 人们希望它能无故障的长时间工作 否则 它的存在就没有太多 的意义了 但从某一个角度来说 任何产品不可能 100 的不发生故障 可维修性 当产品发生故障后 能够很快很容易的通过维护或维修排除故 障 就是可维修性 像自行车 电脑等都是容易维修的 而且维修成本也不高 很快的能够排除故障 这些都是事后维护或者维修 而像飞机 汽车都是价格 很高而且非常注重安全可靠性的要求 这一般通过日常的维护和保养 来大大 延长它的使用寿命 这是预防维修 产品的可维修性与产品的结构有很大的关 系 即与设计可靠性有关 设计可靠性 这是决定产品质量的关键 由于人 机系统的复杂性 以及人 在操作中可能存在的差错和操作使用环境的这种因素影响 发生错误的可能性 依然存在 所以设计的时候必须充分考虑产品的易使用性和易操作性 这就是 设计可靠性 一般来说 产品的越容易操作 发生人为失误或其他问题造成的 故障和安全问题的可能性就越小 从另一个角度来说 如果发生了故障或者安 全性问题 采取必要的措施和预防措施就非常重要 例如汽车发生了碰撞后 有气囊保护 可靠性定义中有三个重要的约束要素 规定条件 规定时间 和 规 定功能 规定条件 包括使用时的环境条件和工作条件 例如同一型号的汽车在 高速公路和在崎岖的山路上行驶 其可靠性的表现就不大一样 要谈论产品的 可靠性必须指明规定的条件是什么 规定时间 是指产品规定了的任务时间 随着产品任务时间的增加 产 品出现故障的概率将增加 而产品的可靠性将是下降的 因此 谈论产品的可 靠性离不开规定的任务时间 例如 一辆汽车在在刚刚开出厂子 和用了 5 年 后相比 它出故障的概率显然大了很多 规定功能 是指产品规定了的必须具备的功能及其技术指标 所要求产 品功能的多少和其技术指标的高低 直接影响到产品可靠性指标的高低 例如 电风扇的主要功能有转叶 摇头 定时 那么规定的功能是三者都要 还是仅 需要转叶能转能够吹风 所得出的可靠性指标是大不一样的 产品实际使用的可靠性叫做工作可靠性 工作可靠性又可分为固有可靠性 和使用可靠性 固有可靠性是产品设计制造者必须确立的可靠性 即按照可靠 性规划 从原材料和零部件的选用 经过设计 制造 试验 直到产品出产的 各个阶段所确立的可靠性 使用可靠性是指已生产的产品 经过包装 运输 储存 安装 使用 维修等因素影响的可靠性 3 1 1 3 设备寿命 失效及其分布函数 设备失去原有设计所规定的功能称为失效 failure 或故障 fault 失 效包括完全丧失原定功能 功能降低和严重损伤或隐患的情形 若继续使用会 失去可靠性及安全性 失效是故障的一种 但一般用于描述无法修复的功能丧 失 可修复的功能丧失一般称为故障 若不作特别说明 本文中以上两种情况 不加区分 设备寿命指的是 设备从开始投入使用时 即时 起 一直到因设备0 t 功能完全丧失 失效 而最终退出使用的总的时间长度 设备寿命是一个非负 的连续变量 取值范围为 0 一般用字母来表示 设备的寿命分布即T 为失效分布 其分布函数也称为累积失效分布函数 对求导 tTPtF tF 可得到失效概率密度函数 由于寿命只能是非负实数 由此可知 tFtf T 当时 和 因此只需要在的情况下对失效分布进行讨0 t0 tF0 tf0 t 论 常用的失效分布有指数分布 正态分布 伽玛分布以及威布尔分布 Welbull distribution 等 其中指数分布和威布尔分布应用最为广泛 14 3 1 2 可靠性指标 3 1 2 1 失效率函数 th 1 定义 工作到某一时刻 未失效的产品 在该时刻后 单位时间内发生失效的概率 t 称为该产品在时刻 的失效率函数 简称为失效率 它是时间 的函数 一般记tt 为 或 失效率是可靠性中特有的概念 如果把此处的概率看作频率 th t 来分析 则与实际生产中设备故障的发生情况相一致 假设有台设备在时开始工作 直到时刻 时 有台设备失效 N0 tt tn 还有余下的台设备仍在继续工作 在之后的时间内继续观察这些设 tnN t 备的失效情况 发现在时间内又有台设备失效 ttt n 由此可得 在时刻 尚有台设备继续工作的条件下 设备在时间t tnN 内失效的频率为 ttt 3 1 仍正常工作的设备数在时刻 内失效的设备数在时间 t tt tnN n 则工作到 之后 每单位时间内设备失效的频率为t 3 2 th tnNt n t tnNn 此参数可以作为设备在时刻 的失效率的估计值 当越大 越小t thNt 时 频率越稳定 越接近失效率 th 2 表达式 设设备寿命的概率密度函数为 可靠度函数为 则其失效率函T tf tR 数的数学表达式如下 th 3 3 tR tf th 由 3 3 可见 若知失效分布 即可确定失效率函数 反之亦然 这是因 为可靠度函数满足 tR 3 4 th tR tR 两边对 积分 可得t t dtthtR 0 ln 3 5 t dtthtR 0 exp 由于与也可由得出 因此失效率函数与失效分布或 tF tf tR th tF 失效概率密度函数类似 也能够对设备寿命的统计规律进行全面描述 tfT 3 设备的失效率曲线 从各种设备的使用和试验中得到的大量数据表示 大部分电气设备故障率 随时间变化的曲线为经典的浴盆曲线 大致分为早期故障期 偶然故障期 以 及耗损故障期三个阶段 15 设备的失效率与运行时间 之间的关系曲线如图ht 3 1所示 在时间坐标轴 上划分为三个区域 与上述的三个阶段分别对应 t 图 3 1 失效率的浴盆曲线 1 早期失效 早期失效期 失效率曲线为递减型 设备投入使用的早期 失效率较高但 随时间的增加显著下降 这个时期的失效主要是由设计 制造 贮存 运输等 形成的缺陷 以及调试 安装 起动不当等人为因素所造成的 经过厂家的试 验和筛选之后 早期失效的设备被尽可能的查找出来 以确保其余的设备具有 较低的失效率 使设备的失效率达到出厂要求的时刻称为交付使用点 到达交付使用点后 失效率曲线已开始趋于平缓 设备也可以交付使用 到达交付使用点之前的时 期称为早期失效期 针对早期失效期的失效原因 应该尽量设法避免 争取尽 快的缩短失效率 2 偶然失效 偶然失效期 这一时期的失效率曲线为恒定型 失效率低且近似为常数 此时的失效主要由非预期的过载 误操作 意外的自然灾害以及某些偶然因素 所造成 由于失效原因多属偶然 故这一时期称为偶然失效期或随机失效期 偶然失效期是设备有效工作的时期 所以也称为设备的有效寿命 设备失效率显著提高 需要进行大量维护或更换的时刻称为更新点 为降 低偶然失效期的失效率而延迟更新点的到来 应注意提高产品的质量 精心使 用维护 加大设备的用料和尺寸可以有效提高其抗非预期过载的能力 而使失 效率显著下降 但若过份地加大 将使设备变得更加笨重 反而降低经济性 3 耗损失效 耗损失效期 失效率曲线为递增型 更新点之后 失效率上升呈较快趋势 这是由于设备的老化 疲劳 磨损 蠕变 腐蚀等耗损的原因所引起的 故称 为耗损失效期 针对耗损失效的原因 应该注意检查 监控 预测耗损开始的 时间 提前维修 抑制失效率的上升趋势 以少量延长寿命 当然 修复可能 花费很大成本 而延长寿命不多且存在隐患 则不如报废更为经济 3 1 2 2 可靠度函数 tR 1 定义及估计 可靠度函数的定义为 设备在规定条件下和规定时间内 完成规定功能的 概率 可靠度函数简称为可靠度 记作 可靠性描述的是设备的 能力 tR 或 可能性 而可靠度描述的是达到可靠性的 概率 是可靠性的量化指标 设规定的时间为 设备在规定条件下的寿命 即从投入运行到首次失效所t 经过的时间 为 那么在一个设备样本中 总存在一部分设备的 而另TtT 一部分的 由于的这部分设备其寿命超过了规定时间 满足了 设备tT tT 在规定时间 内完成规定功能 这一要求 这部分设备是可靠的 因此若样本足t 够大 其可靠度也就可以表示为的概率 即tT 3 6 tTPtR 例如 2 就说明在规定时间 3000h 内 样本设备中有 98 2 98 0 3000 R 能完成规定功能 约有 0 18 会发生故障 可靠设备的出现频率可以用来估计可靠度函数 若在时刻 有 tR0 t 台设备同时开始投入运行 工作到 时刻时 出现了台失效设备 则其余Nt tn 的台设备仍在运行 则频率 tnN 3 7 N tn N tnN tR 1 可作为时刻的可靠度函数的估计值 T tR 2 函数性质 显然的 可靠度函数是一个在定义域上的减函数 其数值随着 tR 0 运行时间的增长而逐渐递减 其递减速度与时间有关 其性质主要为 1 在处 总有 即在投运的时刻 设备一定能够正常工作 0 t1 0 R 2 时 即随着时间的增长 设备最终必定失效 t0 tR 3 1 tFtR 3 系统可靠度 系统是指由一群有相互关联的个体组成的能够完成特定功能的集合 最常 见的系统有串联系统和并联系统 1 串联系统 设系统是由个独立的功能单元组成的 若组成系统的任一单元n n AAA 21 失效时 系统就丧失规定功能 则该系统为串联系统 目前 大部分的配电设 备系统都属于串联系统 设这个单元的可靠度分别为 由于n 21 tRtRtR n 各个单元之间相互独立 即各个单元之间的工作状态不会受到相互影响 则整 个系统的可靠度可以根据乘法公式求出 3 8 n i iS tRtR 1 2 并联系统 设系统是由个独立的功能单元组成的 若组成系统的所有单元n n AAA 21 都失效时 系统才丧失规定功能 则该系统为并联系统 设这个单元的失效n 分布函数分别为 由于各个单元之间相互独立 即各个单元之 21 tFtFtF n 间的工作状态不会受到相互影响 则此并联系统的失效分布函数为 3 9 n i iS tFtF 1 若用可靠度表示 设这个单元的的可靠度函数分别为 n 21 tRtRtR n 利用失效分布函数与可靠度函数的关系可以得到得到 3 10 n i iS tRtR 1 1 1 3 1 2 3 平均寿命 设备可靠性的另一重要指标是设备的平均寿命 在实际工作中经常采用 若将设备寿命的概率密度函数表示为 则其平均寿命就是其数学期望 tf 3 11 0 dtttfTE 平均寿命对不可修复或不值得修复的设备和可修复的设备有着不同的含义 对于不可修复的设备 其寿命是指设备发生失效前的工作时间或工作次数 因此 平均寿命是指寿命的平均值 即设备在丧失规定功能前的平均工作时间 通常记作平均失效前时间 Mean Time To Failure MTTF 设有台不可修复n 设备 均在相同的规定条件下运行直到失效 测得这台设备的寿命分别为n 则其 MTTF 估计值为 n ttt 21 3 12 n t n i i 1 MTTF 对可修复的设备 寿命是指两次相邻故障间的工作时间 而不是指设备的 报废时间 因此 对这类设备而言 其平均寿命是指平均无故障工作时间 或 称平均故障间隔时间 Mean Time Between Failure MTBF 16 设有台可n 修复设备 任一设备一旦发生故障便立即维修 修复后立即投运行直到下次故 障出现 测得这台设备两次故障间的间隔时间分别为 则其 MTBF 估n n ttt 21 计值为 3 13 n T n t n i i 1 MTBF 这台设备的总工作时间 Tn 由 3 12 和 3 13 可见 不论哪类设备 平均寿命在理论上的意义是 类似的 其数学表达式也是一致的 3 1 2 4 设备的维修性 维修性 Maintenability 的定义为 设备在规定的条件下和规定的维修 时间内 按规定的程序和方法进行维修时 保持或恢复其规定状态的能力 维 修性的的概率度量称为维修度 记作 tG 规定的条件指的是维修过程中的所涉及的所有主客观因素 包括进行维修 工作的场所 环境 所使用的设备 工具 备品 参与维修的人员等 规定的时间指的是最合理的维修时间 时间是用于检验维修性的重要判据 若进行很长时间的维修 即使能够将设备的可靠性提高较多 但设备的有效寿 命实际上却被缩短了 若维修时间无穷大 则维修度趋向于 0 维修也就失去 了意义 规定的程序和方法指的是从维修开始到设备完全修复的过程中 参照的技 术文件其规定的步骤和方法 维修性中的维修包含修复性维修 预防性维修两类 预防性维修是在设备 发生故障之前进行的维修 包括检查调试 监测维护 清扫润滑等 旨在使设 备运行保持在规定状态 防止其过早失效 修复性维修是在故障发生后进行的 维修 旨在通过对故障进行判断和修复 使设备恢复至规定状态 维修时间是指可修复的设备从故障发生开始 直到完全修复 恢复规定T 状态 所需要的时间 在规定时间 内完成维修工作的概率 即的概率 ttT 即为维修度 即 tG 3 14 tTPtG 是维修时间的分布函数 也称为维修分布 维修分布一般呈指数分布或 tGT 对数正态分布