失效分析技術(shù)在智能變電站設(shè)備中的應(yīng)用

李艷 張厲男 陳彪

摘 要：隨著智能電網(wǎng)在我國迅速發(fā)展和普及，與之相應(yīng)的智能變電站也被得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)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(shè)備在智能變電站的一二次融合中逐漸發(fā)揮越來越重要的作用。同時，智能終端也是連接二次設(shè)備及一次設(shè)備的主要橋梁。智能終端設(shè)備應(yīng)用了目前電力系統(tǒng)的新型技術(shù)，其內(nèi)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(wěn)定運行。為進一步提升智能變電站設(shè)備的運行可靠性，通過失效分析技術(shù)進行研究，具有重要的價值和深遠(yuǎn)的意義。

關(guān)鍵詞：智能變電站；失效分析；應(yīng)用

智能變電站采用先進、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)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(jiān)測等基本功能，并具有電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級應(yīng)用功能，實現(xiàn)與相鄰變電站、電網(wǎng)調(diào)度互動。與傳統(tǒng)變電站不同，它是以設(shè)備智能化、信息標(biāo)準(zhǔn)化、控制遠(yuǎn)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(tǒng)的可靠性進行準(zhǔn)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(tǒng)故障或?qū)嵤收系脑\斷，還可用來預(yù)測發(fā)生系統(tǒng)故障的概率。采用故障樹分析技術(shù)對系統(tǒng)施行可靠性分析及預(yù)測，在許多領(lǐng)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(chǔ)，其中幾個關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，如可靠度和失效率等介紹如下：（1）可靠度：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率稱為該產(chǎn)品的可靠度。（2）失效率：單位時間內(nèi)失效的元器件數(shù)與元器件總數(shù)之比稱為失效率，它也是時間的函數(shù)。（3）平均壽命：對于不可修復(fù)產(chǎn)品，平均壽命指的是平均工作時間，對于可修復(fù)產(chǎn)品，平均壽命指的是相鄰故障間的平均工作時間。

當(dāng)智能變電站可靠度越高，其工作的穩(wěn)定性就越好；當(dāng)智能變電站的失效率越高，其內(nèi)部的故障部件越多；當(dāng)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(tǒng)可靠性進行評估的研究中，每個環(huán)節(jié)及二次系統(tǒng)都需要原理不同的系統(tǒng)分析方法和技術(shù)。每種可靠性方法都有自己的優(yōu)缺點，根據(jù)所面對的具體系統(tǒng)問題、數(shù)據(jù)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(tài)變化過程，系統(tǒng)地表示出種種故障與系統(tǒng)成功、失敗的關(guān)系，也可定量計算各階段的概率，最終了解事故發(fā)展過程中各種狀態(tài)發(fā)生的概率。故障樹分析可應(yīng)用于某些或全部原件處于順序邏輯、切換備用狀態(tài)的系統(tǒng)，用于識別由某一初始事件引起的系統(tǒng)各種可能的輸出。

在智能變電站二次系統(tǒng)對一次系統(tǒng)的可靠性影響分析中，運用故障樹分析可以把事故發(fā)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(yīng)關(guān)系，最終確定了典型功能事件的概率。失效分析技術(shù)是一種系統(tǒng)化的可靠性分析方法。失效指產(chǎn)品喪失規(guī)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(tǒng)，分別考慮其中每個的工作狀態(tài)，確定初始事件，一般指系統(tǒng)故障、設(shè)備失效、人為失誤等。（2）針對每個工作狀態(tài)，分別繪制系統(tǒng)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(chǎn)品、過程中的故障模式，闡明事故結(jié)果，通過故障樹可得由初始事件導(dǎo)出的各種事件結(jié)果。（4）列出故障起因及結(jié)果，進行定量分析，根據(jù)每一時間的發(fā)生概率，計算各種途徑的事故發(fā)生概率，最后求得事故發(fā)生概率，各發(fā)展途徑的概率等于自初始事件開始的各事件發(fā)生概率的乘積，最終事故發(fā)生概率等于導(dǎo)致事故的個發(fā)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(shù)主要從系統(tǒng)功能關(guān)系方面考慮問題，不僅在設(shè)計階段全面細(xì)致的發(fā)現(xiàn)故障隱患，在設(shè)備運行階段，該方法也能對缺乏可靠性數(shù)據(jù)的設(shè)備或系統(tǒng)進行有效分析，提高故障分析的精準(zhǔn)度。

2 智能變電站設(shè)備的失效分析

基本智能設(shè)備是為了實現(xiàn)數(shù)字化測量，網(wǎng)絡(luò)控制，設(shè)備狀態(tài)可視化，功能綜合和高壓設(shè)備信息交換。關(guān)鍵技術(shù)為先進傳感器技術(shù)、實時監(jiān)視技術(shù)和智能元件的應(yīng)用。通過安裝在設(shè)備內(nèi)外部的傳感器，變壓器、開關(guān)設(shè)備、避雷針等重要設(shè)備實現(xiàn)了在線監(jiān)測和可視化。包括智能終端，融合設(shè)備，在線監(jiān)測IED等智能電氣設(shè)備的靈活配置構(gòu)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(shè)備。

2.1 智能變壓器

智能變壓器可以實現(xiàn)失效數(shù)值分析自診斷功能，當(dāng)變壓器出現(xiàn)故障時，智能變壓器通過監(jiān)測變壓器的狀態(tài)參數(shù)，分析局部放電、油的側(cè)譜分析等信息，實時監(jiān)測變壓器的絕緣狀態(tài)和分析絕緣失效。智能變壓器內(nèi)部集成的元件具有測量，控制，監(jiān)測，非電保護等功能，對完成失效分析提供完整的數(shù)據(jù)信息。

2.2 智能氣體絕緣開關(guān)設(shè)備

智能氣體絕緣開關(guān)設(shè)備不同于傳統(tǒng)非智能開關(guān)，它安裝了狀態(tài)參數(shù)傳感器和智能元件，因此，智能氣體絕緣開關(guān)設(shè)備不僅能實現(xiàn)變電站的監(jiān)測和控制，還能收集和處理設(shè)備狀態(tài)信息。當(dāng)智能氣體絕緣開關(guān)設(shè)備失效時，在智能操控區(qū)域，同時具有一鍵控制功能，安裝的智能元件可以準(zhǔn)確把監(jiān)視信息傳輸?shù)骄C合信息平臺，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的可視化并能夠?qū)κЫY(jié)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(nèi)部問題，而且在高壓設(shè)備上通過節(jié)省鐵芯、銅和其他金屬材料使其具有更高的經(jīng)濟效益。總結(jié)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(fā)生在換電操作前期。

此外，智能基礎(chǔ)設(shè)備的發(fā)展伴隨著包括保護、監(jiān)視、控制、測量和傳感器技術(shù)的發(fā)展。各項技術(shù)的融合問題導(dǎo)致了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性下降。由于傳感器的使用壽命比基本設(shè)備的短，因此如果應(yīng)用更好傳感器，設(shè)備的穩(wěn)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(fā)生的故障模式、原因及后果進行分析。通過結(jié)合兩種故障分析方法，進行深入分析，可以得到如下結(jié)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(wěn)定運行期、耗損期。在穩(wěn)定運行期間，其失效率為一常數(shù)，保持不變。同一電站設(shè)備失誤率與單位長度鏈路的失誤率直接相關(guān)，如果假定單環(huán)網(wǎng)絡(luò)間進行信息交換按最短路徑，就不難得到備用通道。

4 結(jié)束語

相比傳統(tǒng)變電站，智能變電站利用傳感器通過先進的數(shù)字分析方法實現(xiàn)了對變電站的智能化管理。管理技術(shù)和電器設(shè)備的發(fā)展與更新實現(xiàn)了一二次設(shè)備的融合。包含智能元件的變壓器和開關(guān)整合了現(xiàn)場監(jiān)測、保護、測量、控制等功能。IEC85610（DYL/T680）標(biāo)準(zhǔn)為智能變電站系統(tǒng)規(guī)范了完整的信息模型以及界面標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過對原始變電站的智能改造，添加輔助功能設(shè)施，機器自學(xué)、模式識別、圖像視頻等過程逐步得以一一實現(xiàn)。這些具體措施的有效發(fā)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(wěn)定性和安全性。

為了實現(xiàn)變電站的通信、網(wǎng)絡(luò)通信平臺和標(biāo)準(zhǔn)信息分享功能，先進可靠的低碳環(huán)保智能設(shè)備被應(yīng)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(jiān)視和其他基本功能，并支持如次序控制、系統(tǒng)智能操作、設(shè)備狀態(tài)可視化、變電站區(qū)域控制等一系列先進功能。智能變電站通過收集各個區(qū)域的運行信息來實現(xiàn)智能控制和變電站的自我保護。不同電壓等級的電網(wǎng)和備得通過智能電網(wǎng)得以保護并穩(wěn)定運行。

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