失效分析技術在智能變電站設備中的應用

李艷 張厲男 陳彪

摘 要：隨著智能電網在我國迅速發展和普及，與之相應的智能變電站也被得到廣泛應用。與傳統變電站相比，智能變電站顯著加快了一二次融合，并且，引入的智能終端設備在智能變電站的一二次融合中逐漸發揮越來越重要的作用。同時，智能終端也是連接二次設備及一次設備的主要橋梁。智能終端設備應用了目前電力系統的新型技術，其內置的電子元器件的可靠性決定了智能終端的可靠性，并影響到智能變電站的穩定運行。為進一步提升智能變電站設備的運行可靠性，通過失效分析技術進行研究，具有重要的價值和深遠的意義。

關鍵詞：智能變電站；失效分析；應用

智能變電站采用先進、可靠、集成、低碳、環保的智能設備，以全站信息數字化、通信平臺網絡化等為基本要求，自動完成了信息采集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能，并具有電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動等高級應用功能，實現與相鄰變電站、電網調度互動。與傳統變電站不同，它是以設備智能化、信息標準化、控制遠程化為特征的新型變電站模式。

1 基于故障樹分析的失效模型

故障樹分析法是由美國著名的貝爾實驗室Walson教授第一次提出，它是一種對各種系統的可靠性進行準確分析的方法。事實證明，利用故障樹分析法能夠判斷潛在的系統故障或實施對故障的診斷，還可用來預測發生系統故障的概率。采用故障樹分析技術對系統施行可靠性分析及預測，在許多領域都得到廣泛的運用。

1.1 可靠性理論的幾個基本概念

可靠性理論是進行故障樹分析的基礎，其中幾個關鍵的技術指標，如可靠度和失效率等介紹如下：（1）可靠度：產品在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的概率稱為該產品的可靠度。（2）失效率：單位時間內失效的元器件數與元器件總數之比稱為失效率，它也是時間的函數。（3）平均壽命：對于不可修復產品，平均壽命指的是平均工作時間，對于可修復產品，平均壽命指的是相鄰故障間的平均工作時間。

當智能變電站可靠度越高，其工作的穩定性就越好；當智能變電站的失效率越高，其內部的故障部件越多；當智能變電站平均壽命越高，其工作時間越長，故障間隔也越長。

1.2 故障樹分析法

在對智能變電系統可靠性進行評估的研究中，每個環節及二次系統都需要原理不同的系統分析方法和技術。每種可靠性方法都有自己的優缺點，根據所面對的具體系統問題、數據的要求和評估的難易程度來選擇采用的方法。

故障樹可以定性了解整個事件的動態變化過程，系統地表示出種種故障與系統成功、失敗的關系，也可定量計算各階段的概率，最終了解事故發展過程中各種狀態發生的概率。故障樹分析可應用于某些或全部原件處于順序邏輯、切換備用狀態的系統，用于識別由某一初始事件引起的系統各種可能的輸出。

在智能變電站二次系統對一次系統的可靠性影響分析中，運用故障樹分析可以把事故發生的過程表述得清楚而有條理，全面地展示功能成功或失敗與動作的對應關系，最終確定了典型功能事件的概率。失效分析技術是一種系統化的可靠性分析方法。失效指產品喪失規定的供能，失效模式是指失效或故障的形式。

故障樹分析法的基本步驟：（1）全面分析對象或系統，分別考慮其中每個的工作狀態，確定初始事件，一般指系統故障、設備失效、人為失誤等。（2）針對每個工作狀態，分別繪制系統功能框圖和可靠性框圖，初始事件在左，各種事件先后寫在頂端橫欄，成功分支向上，失敗分支向下。（3）分析每個硬件或部件的功能，找出產品、過程中的故障模式，闡明事故結果，通過故障樹可得由初始事件導出的各種事件結果。（4）列出故障起因及結果，進行定量分析，根據每一時間的發生概率，計算各種途徑的事故發生概率，最后求得事故發生概率，各發展途徑的概率等于自初始事件開始的各事件發生概率的乘積，最終事故發生概率等于導致事故的個發展途徑的概率和。（5）填寫失效模式影響分析表。失效分析技術主要從系統功能關系方面考慮問題，不僅在設計階段全面細致的發現故障隱患，在設備運行階段，該方法也能對缺乏可靠性數據的設備或系統進行有效分析，提高故障分析的精準度。

2 智能變電站設備的失效分析

基本智能設備是為了實現數字化測量，網絡控制，設備狀態可視化，功能綜合和高壓設備信息交換。關鍵技術為先進傳感器技術、實時監視技術和智能元件的應用。通過安裝在設備內外部的傳感器，變壓器、開關設備、避雷針等重要設備實現了在線監測和可視化。包括智能終端，融合設備，在線監測IED等智能電氣設備的靈活配置構成了智能元件。將來這些基本智能元件將會合成為一個單一設備。

2.1 智能變壓器

智能變壓器可以實現失效數值分析自診斷功能，當變壓器出現故障時，智能變壓器通過監測變壓器的狀態參數，分析局部放電、油的側譜分析等信息，實時監測變壓器的絕緣狀態和分析絕緣失效。智能變壓器內部集成的元件具有測量，控制，監測，非電保護等功能，對完成失效分析提供完整的數據信息。

2.2 智能氣體絕緣開關設備

智能氣體絕緣開關設備不同于傳統非智能開關，它安裝了狀態參數傳感器和智能元件，因此，智能氣體絕緣開關設備不僅能實現變電站的監測和控制，還能收集和處理設備狀態信息。當智能氣體絕緣開關設備失效時，在智能操控區域，同時具有一鍵控制功能，安裝的智能元件可以準確把監視信息傳輸到綜合信息平臺，實現設備狀態的可視化并能夠對失效結果進行分析。

2.3 電器變壓器

相比電磁變壓器，先進的電器變壓器可以防止諸如鐵磁共振，絕緣油爆炸，SF6泄露等內部問題，而且在高壓設備上通過節省鐵芯、銅和其他金屬材料使其具有更高的經濟效益。總結電器變壓器失效機理，因為避免了鐵磁共振等隱患問題，電器變壓器其失效多發生在換電操作前期。

此外，智能基礎設備的發展伴隨著包括保護、監視、控制、測量和傳感器技術的發展。各項技術的融合問題導致了設備的可靠性和穩定性下降。由于傳感器的使用壽命比基本設備的短，因此如果應用更好傳感器，設備的穩定性和取樣的精確性都會增強。

3 失效模式與后果分析

失效分析主要有兩種基本方法：功能法以及硬件法。功能法是每個硬件按照完成的功能輸出分類，這種方法適用于硬件尚不明確的情況。硬件法是按照功能對每種故障模式進行分析，用表格列出各個部件，對發生的故障模式、原因及后果進行分析。通過結合兩種故障分析方法，進行深入分析，可以得到如下結論：

電子元件的失效率曲線是一條“浴盆曲線”，大致可以將其分為三段：初始運行期、穩定運行期、耗損期。在穩定運行期間，其失效率為一常數，保持不變。同一電站設備失誤率與單位長度鏈路的失誤率直接相關，如果假定單環網絡間進行信息交換按最短路徑，就不難得到備用通道。

4 結束語

相比傳統變電站，智能變電站利用傳感器通過先進的數字分析方法實現了對變電站的智能化管理。管理技術和電器設備的發展與更新實現了一二次設備的融合。包含智能元件的變壓器和開關整合了現場監測、保護、測量、控制等功能。IEC85610（DYL/T680）標準為智能變電站系統規范了完整的信息模型以及界面標準。經過對原始變電站的智能改造，添加輔助功能設施，機器自學、模式識別、圖像視頻等過程逐步得以一一實現。這些具體措施的有效發揮作用，大幅提高了變電站的智能化水平，也顯著增強了變電站工作的穩定性和安全性。

為了實現變電站的通信、網絡通信平臺和標準信息分享功能，先進可靠的低碳環保智能設備被應用到智能變電站，使其具有自動獲取信息收集、測量、控制、保護、監視和其他基本功能，并支持如次序控制、系統智能操作、設備狀態可視化、變電站區域控制等一系列先進功能。智能變電站通過收集各個區域的運行信息來實現智能控制和變電站的自我保護。不同電壓等級的電網和備得通過智能電網得以保護并穩定運行。

參考文獻

[1]劉勝.智能變電站中電子式互感器的研究應用[D].浙江大學，2011.

[2]刁守斌.智能變電站的規劃與建設[D].山東大學，2012.

[3]王云茂，張純欣.智能變電站二次系統實驗技術探討[J].電力與電工，2010.

[4]韓曉濤.故障樹分析法在變電通信系統可靠性分析中的應用[J].電網技術，2004.