高壓變電站狀態(tài)評(píng)估健康指標(biāo)的確定

吳 鵬

（中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

高壓變電站是輸配電網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分。這用于控制電流以及根據(jù)負(fù)載的需要進(jìn)行升高或降低電壓。高壓變電站中通常有多種設(shè)備協(xié)同工作，如斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器等。投資相對(duì)較高。在過(guò)去的十年中，雖然新建高壓變電站是滿足日益增長(zhǎng)的電力需求的關(guān)鍵，但由于電力需求增長(zhǎng)緩慢等諸多問(wèn)題，其建設(shè)速度有所放緩[1]。因此，保持現(xiàn)有電力基礎(chǔ)設(shè)施處于良好狀態(tài)或及時(shí)適當(dāng)更換老化設(shè)備是現(xiàn)在首要關(guān)注的問(wèn)題。變電站運(yùn)行的健康狀況直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行[2-3]。變電站聚集了許多設(shè)備，包括一次以及二次設(shè)備，每一個(gè)設(shè)備都包含多項(xiàng)性能指標(biāo)，如何了解各個(gè)設(shè)備的健康狀況，對(duì)于電力系統(tǒng)運(yùn)行管理部門(mén)及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題、迅速安排設(shè)備檢修維護(hù)、盡快恢復(fù)失效功能等工作至關(guān)重要[3-4]。此外，變電站或其任何設(shè)備的故障可能導(dǎo)致大面積停電以及操作和維護(hù)人員的安全。因此，迫切需要從預(yù)防性或基于時(shí)間的維護(hù)過(guò)渡到基于狀態(tài)的維護(hù)。

文中介紹了高壓變電站及其設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估。設(shè)備狀況通過(guò)目視檢查和電氣測(cè)試進(jìn)行評(píng)估并采用加權(quán)評(píng)分法。在整個(gè)健康指數(shù)計(jì)算過(guò)程中，采用層次分析法（AHP）計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重。每個(gè)測(cè)試的條件分?jǐn)?shù)及其相關(guān)的權(quán)重被用來(lái)計(jì)算加權(quán)平均數(shù)。然后，通過(guò)目測(cè)、設(shè)備維修完整性和設(shè)備故障率調(diào)整得到的加權(quán)平均分。將所有設(shè)備調(diào)整后的平均得分納入變電站間隔層健康指數(shù)，并根據(jù)變電站間隔層的年齡和運(yùn)營(yíng)壓力進(jìn)行調(diào)整。最后可確定變電站健康指標(biāo)。如圖1所示。所開(kāi)發(fā)的程序在MS Excel程序中實(shí)現(xiàn)，用于技術(shù)數(shù)據(jù)的收集和設(shè)備及變電站性能的評(píng)價(jià)。

圖1 工作過(guò)程圖

1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和評(píng)估狀況

1.1 變電站主要設(shè)備

在評(píng)估變電站狀態(tài)之前，需要對(duì)主要設(shè)備進(jìn)行分類(lèi)。主要設(shè)備由斷路器（CB）、斷開(kāi)開(kāi)關(guān)（DS）組成。電流互感器（CT）、電壓互感器（VT）、避雷器（SA）。

1.2 技術(shù)數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)

了解變電站主要設(shè)備后，收集技術(shù)數(shù)據(jù)，建立正式數(shù)據(jù)庫(kù)。上述設(shè)備的技術(shù)數(shù)據(jù)包括序列號(hào)、設(shè)備編號(hào)、生產(chǎn)廠家、型號(hào)/類(lèi)型、生產(chǎn)年份及其技術(shù)等級(jí)[5]。然后開(kāi)發(fā)檢測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中收集數(shù)據(jù)，具體如表1所示。例如，對(duì)斷路器進(jìn)行了目測(cè)、主接觸時(shí)間、主接觸電阻、絕緣電阻、SF6氣密性和氣體質(zhì)量等測(cè)試。最后，將所有設(shè)備的故障記錄收集到第三個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，獲取表2所列的故障模式、故障后果和所采取的糾正措施。

表1 每臺(tái)設(shè)備的測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 故障記錄的數(shù)據(jù)列表

2 方法論

該節(jié)用幾臺(tái)設(shè)備進(jìn)行七種不同的測(cè)試，包括目視檢查、主接觸電阻測(cè)試、絕緣電阻測(cè)試、絕緣功率因數(shù)測(cè)試、SF6氣密性和氣體質(zhì)量、油介電強(qiáng)度測(cè)試和匝比試驗(yàn)。每個(gè)測(cè)試和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)說(shuō)明如下。

2.1 目視檢查

目視檢測(cè)是利用人的感官和簡(jiǎn)單的工具對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)的一種常用方法。主要檢查包括功能測(cè)試、清洗、潤(rùn)滑驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、終端檢查和所有緊固檢查[6]。這些標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 目視檢查標(biāo)準(zhǔn)

2.2 主接觸電阻測(cè)試

主接觸電阻通常是由生銹、松動(dòng)或連接不良引起的，產(chǎn)生熱量和功率損失。為了減少阻力，需要適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑和清潔。主接觸電阻試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4 主接觸電阻試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 絕緣電阻測(cè)試

絕緣電阻是指絕緣體承受外加電壓的能力。絕緣電阻越低，說(shuō)明絕緣性能越不好，絕緣電阻測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。

表5 絕緣電阻測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

2.4 絕緣功率因數(shù)或瓦特?fù)p耗

通常，功率因數(shù)是反映電介質(zhì)在電氣設(shè)備中保持其絕緣性能效率的數(shù)字。當(dāng)絕緣材料清潔、干燥且無(wú)空隙時(shí)，它可以很好發(fā)揮絕緣作用。當(dāng)絕緣被污染到一定程度時(shí)，電阻電流增加，從而導(dǎo)致功率損耗和絕緣功率因數(shù)增加。絕緣損耗測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表6。

表6 絕緣損耗測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

2.5 SF6氣密性和氣體質(zhì)量

斷路器開(kāi)斷采用SF6氣體作為絕緣和滅弧劑。為了保持SF6處于良好狀態(tài)，氣體壓力、SF6百分比和露點(diǎn)必須符合表7中的標(biāo)準(zhǔn)[7]。

表7 SF6氣密性和氣體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

2.6 油介電強(qiáng)度測(cè)試

油是電流互感器和電壓互感器的絕緣材料。被污染或油況不佳會(huì)導(dǎo)致?lián)舸╇妷航档汀Ｓ徒殡姀?qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表8。

表8 油介電強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

2.7 匝數(shù)比測(cè)試

匝數(shù)比的測(cè)量可以反映繞組絕緣匝數(shù)的情況。匝數(shù)比試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表9。

表9 匝數(shù)比測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

3 健康指數(shù)計(jì)算

從前面提到的測(cè)試中，分?jǐn)?shù)將來(lái)自每個(gè)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重是通過(guò)層次分析法（AHP）得到的。利用各判據(jù)的權(quán)重和評(píng)分計(jì)算加權(quán)平均數(shù)（Saverage），再通過(guò)添加設(shè)備模型目視檢查結(jié)果、維修完成度和故障率的調(diào)整因子，計(jì)算調(diào)整平均分（ASi）。然后，利用ASi計(jì)算變電站間隔層健康指數(shù)（%HIbay），最后加上設(shè)備年齡和工作時(shí)操作的調(diào)整因子，得到變電站間隔層的平均數(shù)（%HIbay，average）和最差健康指數(shù)[8]（%HIbay，worst）。

式中N為設(shè)備試驗(yàn)方法數(shù)，WTi為每個(gè)測(cè)試方法權(quán)重ASi為主要設(shè)備調(diào)整后平均得分、WEi為變電站間隔層設(shè)備的權(quán)重，SMAX和SMIN分別為測(cè)試的最大評(píng)分值和最小評(píng)分值[9]。

健康指數(shù)將分為3個(gè)級(jí)別：紅色、黃色和綠色，分別表示差、較差和好。%HIbay的范圍[10]見(jiàn)表10。

表10 變電站健康指數(shù)的顏色編碼

4 結(jié)果與討論

該節(jié)以3個(gè)變電站的健康指數(shù)計(jì)算為例。每個(gè)變電站由5個(gè)相同的間隔組成。第一個(gè)變電站是新的，第二個(gè)變電站中度老化，最后一個(gè)變電站老化嚴(yán)重且狀況不佳。健康指數(shù)計(jì)算解釋如下。

步驟1：計(jì)算各主要設(shè)備的健康指數(shù)

舉例說(shuō)明了第一個(gè)變電站間隔主要設(shè)備的計(jì)算。它從斷路器開(kāi)始，然后是其他設(shè)備。通過(guò)使用公式Waverage等于1.00。

新變電站各主要設(shè)備的平均權(quán)重見(jiàn)表11。

由于第一個(gè)變電站是新的，并且狀態(tài)良好，所有測(cè)試方法的條件分?jǐn)?shù)都等于1。設(shè)備型號(hào)的目視檢查結(jié)果、維修完備程度、故障率均可忽略不計(jì)，所有主要設(shè)備的等于1.00。在第二個(gè)變電站中，斷路器所有測(cè)試數(shù)據(jù)的條件分?jǐn)?shù)也等于1。目視檢查發(fā)現(xiàn)一些有缺陷的部件，由于臨界負(fù)載和設(shè)備型號(hào)故障率低，延長(zhǎng)了維修周期。目視檢查、維修完整性、故障率的調(diào)整因子分別為0.5、0.03和0.06。那么斷路器的等于1.536。因此，第二個(gè)變電站其他主要設(shè)備的分別為1.56、1.47、1.32和1.76。對(duì)于第三個(gè)變電所，其斷路器在主接觸電阻測(cè)試中失效導(dǎo)致測(cè)試失敗了。因此斷路器的自動(dòng)等于3。那么就沒(méi)有必要再增加調(diào)整因素了。第三個(gè)變電站其他主要設(shè)備的值分別為2.10、2.23、2.17、2.50。

步驟2：計(jì)算各主要設(shè)備的后，可使用公式2計(jì)算。分別等于主要設(shè)備的40%、20%、15%、15%和10%。最大和最小條件分值分別為3和1。則等于0%、25.02%和76.50%，分別為第一、第二、第三樣位。變電站間隔層健康指數(shù)計(jì)算如表12所示。

表12 變電站間隔層健康指數(shù)計(jì)算

步驟3：變電站間隔層評(píng)估的調(diào)整因素包括年齡和操作壓力。對(duì)于第一個(gè)變電站，有5個(gè)新間隔，但他們服務(wù)的設(shè)備額定幾乎滿負(fù)荷。由于該變電站是新建的，且在全運(yùn)行應(yīng)力下運(yùn)行，故對(duì)老化和運(yùn)行應(yīng)力的調(diào)整系數(shù)分別為0%和20%。這些設(shè)備間隔層的%HIbay，final最終等于80%。第二個(gè)變電站，有5個(gè)中等老化的變電站間隔層。它們?cè)谡Ｘ?fù)荷下工作。年齡和操作應(yīng)力的調(diào)節(jié)因子分別為5%和5%，則這些設(shè)備間隔層的%H Ibay，final為64.98%。第三個(gè)變電站，該變電站由5個(gè)老化的變電站間隔層組成。這個(gè)變電站服務(wù)于輕負(fù)荷。年齡和操作應(yīng)力分別為10%和0%。那么這些設(shè)備間隔層的%H Ibay，final等于13.50%。

步驟4：計(jì)算出變電站各個(gè)變電站間隔層的%H Ibay，final后，計(jì)算平均變電站間隔層健康指數(shù)（%H Iaverage，bay）和最差變電站間隔層健康指數(shù)（%H Iworst，bay）。對(duì)于三個(gè)示例變電站，%HIaverage，bay分別 等 于80%、64.98%和13.50%，因?yàn)槠?個(gè)變電站間隔層健康指數(shù)相似。因?yàn)樽顗牡淖冸娬鹃g隔層健康指數(shù)可以表明迫切需要修復(fù)有缺陷的設(shè)備或更新老化和高壓力作業(yè)的設(shè)備。然后，從變電站間隔層健康指數(shù)的最小值或%HIworst，bay中選擇%H Isubstation。該變電站健康指數(shù)分別顯示了變電站的整體狀況為良好、中等和較差。

用上述方法計(jì)算出十五個(gè)變電站的健康指數(shù)，如表13所示。

表13 15個(gè)變電站的健康指數(shù)

結(jié)果顯示，良好、中等、較差變電站分別有1座、10座、4座。對(duì)于狀態(tài)良好的變電站，應(yīng)保證其正常運(yùn)行并進(jìn)行例行維護(hù)。對(duì)于中等狀態(tài)，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S護(hù)計(jì)劃。對(duì)于情況較差的，需要緊急修理或更換。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)由斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器五大設(shè)備組成的高壓變電站及其設(shè)備，考慮目視檢查和電氣試驗(yàn)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估。采用加權(quán)評(píng)分法計(jì)算主要裝備的加權(quán)平均數(shù)。然后，通過(guò)目測(cè)、設(shè)備維修完整性和故障率調(diào)整加權(quán)平均數(shù)。將變電站各設(shè)備調(diào)整后的平均得分綜合作為變電站健康指數(shù)，再根據(jù)變電站間隔層的年齡和運(yùn)行應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整。最后，成功地確定了變電站的健康指標(biāo)。將所開(kāi)發(fā)的程序應(yīng)用于MS Excel軟件中，對(duì)15個(gè)變電站的健康指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定。這個(gè)開(kāi)發(fā)的工具及其信息對(duì)有效的維修和翻新計(jì)劃是很大的幫助。