电力设备的寿命评估

电力设备的寿命评估郝江涛，刘念，幸晋渝，薄丽雅，陈卓(四川大学电气信息学院，四川成都610065)摘要：综述了电力设备寿命评估的各种方法、理论，介绍了国内外对电力设备寿命评估技术的研究动态，同时还对变压器、发电机和电动机的寿命评估方案进行了阐述。关键词：Abstract:Differentmethodsandtheoriesforlifeevaluationofpowerequipmenthavebeensummarized,andtheresearchdevelopmentsoflifeevaluationtechniqueforpowerequipmentsathomeandabroadhavebeenintroducedaswell.Atthesametime,thelifeevaluationschemesfortransformer,generatorandelectricmotorhavebeensetforth.Keywords:powerequipment;lifeevaluation;method;theory电力设备的寿命评估是一项复杂的系统工程。变压器、发电机、电动机等大型电力设备经数万小时的运行，实际上就是长期的热处理或者高强度的负荷试验，材料老化、绝缘受损等问题是高温运行的必然结果，尤其是那些超期服役的电力设备，除少量报废外，大部分仍在使用，老化问题日益突出，延长寿命使用依据不足，风险性很大。为了有效延长电力设备的使用寿命，让投资和回报有一个最佳平衡，必须进行寿命评估［1］。如何科学地评估其剩余寿命，保证超期服役的电力设备安全运行是一个亟待解决的问题。1国内外电力设备寿命评估技术的研究动态1.1日本对电力设备部件残余寿命评估的办法是按照1987年日本自然资源与能源署与日本国际贸易与工业部联合颁布的国家导则进行的，第一阶段的研究内容包括3部分：（1）用制造锅炉与汽轮机的典型材料进行破坏性与非破坏性试验，同时进行解析分析作寿命评估，比较这3种方法并提出其各自的使用范围；（2）在实际运行部件上作非破坏性试验或取样作破坏性试验并进行解析分析，进一步验证3种方法的适用范围；（3）对3种方法综合评价，总结出各种改进办法。第二阶段的研究工作包括超临界机组设备部件的寿命评估以及疲劳-蠕变损伤的非线性数学模型。1.2美国电力设备寿命评估技术简介美国电力研究院采用多数国家使用的“三级评估法”并制定出较完整的“综合寿命管理程序”作为美国电力企业寿命管理工作的通用导则。在三级评估工作中，“一级评估”是在企业上层机构中进行的，尽量使用现有资料进行企业规模的全面综合分析，包括发电规划、电网规划、用电规划与老厂寿命评估更新改造做经济分析对比。“二级评估”以设备的无损检测为主要手段配合一般常规技术检查。“三级评估”一般需要破坏性试验、各种取样、机理研究，甚至需要安装一些监测系统来最终确定损伤根源并提出解决办法。中国的寿命管理工作目前还是处于初级阶段，它仅限于某些技术专业内的活动，而且只2电力设备寿命评估的方法及理论2.1寿命评估方法简介电力设备寿命评估方法分为三类：（1）解析法：根据各种运行情况下的材质老化数据和本机组使用时间、温度、应力大小及其分布状况、起停次数等工况，利用各种曲线、公式综合判断，然后可以预测部件的剩余寿命。该方法可以评价设备的任意部位，但机组运行时间长的话，机组的材料性能将发生变化，影响评价精度。同时这种方法是间接评估设备寿命的，有很多局限性。（2）破坏性检测法：从有代表性的部位取得试样后，进行相应的性能实验并进行组织断口状况分析、化学成分分析及碳化物分析，而后进行综合判断，进而预测部件材料的剩余寿命。这种方法在实际机组上取样有两种形式，一种是从评价的机组上直接取样；另一种是从电厂更换下来的、经过长期运行后的部件取样，其数据准确性高。第一种方法受结构限制，相应部位的取样会有各种困难；第二种方法需要有机组运行情况的详细记录。（3）非破坏性检测法：不破坏机组部件，通过外部测量、试验就可以定量掌握材质状况，因此也称无损检测法。该方法不需要切割小型样品，仅在实物表面上测定，比较方便。但该方法也有其局限性，因为材料的固有特性偏差较大，即使相同的部件，运行条件不同，则材料的老化程度也各不相同。实际上，在对机组部件进行寿命评估时，为使结果更加可靠，往往将以上的3种方法综合运用。2.2寿命评估技术新理论如今已出现了各种新的理论应用于电力设备的寿命评估，其中有以下几种：（1）神经元网络理论，该理论具有高度非线性、并行处理、自学习等优点。在对转子剩余寿命的评估中，首先确定自适应BP人工神经元网络评估模型结构，然后对选择的样本进行训练，调节网络连接权数使输出与目标值逼近，对于已经训练好的网络，只要输出预测样本，通过网络训练就可以得到剩余寿命的运算。（2）可靠性技术，实际上就是运用概率断裂力学，考虑工程中的诸多随机因素，可给人们提供部件在当前缺陷状态下的可靠度，提供整个部件在继续运行过程中可靠度的变化趋势，给寿命管理提供更为客观科学、有预见性的指导。（3）突变理论，它可以用于突变事件的建模和预3变压器、发电机、电动机的寿命评估3.1变压器的寿命评估目前关于变压器的寿命难于精确计算，这是因为影响寿命因素的多维性和大量随运行时间而随机变化的不确定情况造成的。通常有两种方法用于粗略估计变压器的寿命，第一种是统计法，它对运行中的变压器进行统计，然后评估寿命，这种方法成本低，但对新开发的变压器很难在出厂前获得寿命数据；第二种是整机加速寿命试验法，该法用变压器试品或模拟试品进行加速寿命试验来评估寿命，这种方法成本高，难以描述元器件损坏的内在机理。针对这两种方法存在的缺陷，文献［3］提出一种新的方法来评估变压器的寿命，该方法是基于变压器绝缘纸聚合度的测定，从而依据绝缘纸聚合度计算出变压器寿命，该方法可以为制造厂在出厂前向用户提供变压器的预期寿命，还可以估计运行中的变压器残余寿命。人们通常认为变压器的寿命，即油纸绝缘的寿命是由绝缘纸（板）纤维素的热老化决定的。这里有两种方法可以判断绝缘寿命［4］，一是测定老化绝缘纸的抗拉强度，并将其强度损失50%作为材料的寿命终点。二是测定纸纤维素分子聚合度（DP）值。当聚合度下降到DP=200时，认为材料寿命达到终点。国外有人对变压器提出“绝缘年龄”的概念。“绝缘年龄”的评估依靠的是对绝缘状态参量数据分析处理的结果，而可靠性评估是一种使用测量绝缘老化数据估计剩余寿命的概率统计应用技术。随绝缘年龄的增加，可靠性降低。文献［5］提出了用人工神经网络来判断变压器绝缘老化程度和评估剩余寿命。人工神经网络实质是模拟人脑信息处理的功能，能映射高度非线性的输入、输出关系。传统的行业导则将变压器的寿命仅归因于绝缘纸的热老化，针对这一说法，文献［6］提出了一种评估变压器寿命最有效的方法。对变压器的老化机理进行了数学分析。老化函数F(p)=Kt，式中t是时间；K是化学反应速率常数，对于基本的化学反应，K=K0e-B／T,T是绝对温度。当材料特性劣变到设定的极限值时，则该材料的寿命已尽。该材料的寿命为：L=F(P(E－O－L)／K=AeB／T（AD公式）类似的经验公式为：L=e－Pθ；该式中：P是常数，θ是摄氏温度。上述公式是在一定实验条件下以材料某一特性的假定寿命标准表示该材料的寿命期限。评估变压器可靠性的最佳途径是严密监测变压器油中的气体分解，分解气体分析是检测变压器中的问题的最有效途径。人们在研究油的含烃量、纸样的DP值与变压器寿命的内在联系，以期找出绝缘材料的固有寿命及其残余寿命的最有效办法。3.2发电机的寿命评估目前确定电机绝缘系统剩余寿命有两种方法，一是监视导致劣化的应力，该方法不是定量地确定剩余寿命，由此确定的剩余寿命是很保守的，有些缩短绝缘寿命的应力不是很容易监测。二是通过监测和试验，观察各种征兆，然后根据经验判断剩余寿命。但是该方法要求有丰富的经验和多次停机检修，针对这一问题，文献［7］提出用马尔可夫模型就可以用离散型变量法和连续型变量法较快的计算出电机的剩余寿命。高压成型线圈及低压嵌套线圈的绝缘结构耐热等级评定符合老化寿命公式：lgL=A+B×1／T（式中L为绝缘寿命，T为绝对温度，A、B为待定常数），这里绝缘材料的老化速率B可以用文献［8］所用的逸气分析-气相色谱技术(EGA-GC)求得，由此就可以求出大电机的绝缘寿命。对于大电机定子绕组绝缘剩余寿命的估计，文献［9］提出的方法基础是定期对介电测量结果（介电损耗因素和电容）进行数学处理。在不同温度下得到的介电测量结果要变换到参数温度上来。可能的击穿电压在原理上等于一个电压值，在这个电压下介电性能与电压的变化函数符合通常的界限点。这种现象可以根据二次多项式函数通过最小二乘法来分析模拟。最后维持寿命的时间用决定于测量次数的某些置信度来确定。此外，文献［10］还根据最大局部放电量来推断发电机定子线圈绝缘耐压水平和剩余寿命，然后再用吸湿度tg0／R1C0来加以修正，其中为静电容量，从文中结果看出，修正后的绝缘寿命误差比修正前小，说明用此方法提高了发电机寿命预测精度。3.3电动机寿命评估简介［11］［12］［13］电动机绝缘结构寿命是服从正态分布LN(μ，σ2)，其平均寿命θ为：其中μ为对数均值，σ为对数标准差。用该正态分布公式评估电动机的寿命很难实施，因此文献［11］中对F级绝缘的电动机在加大应力的作用下进行加速试验，结果很好地评估出了电动机的平均寿命。提高电动机的绝缘电阻最低要求值对于延长电动机绕组绝缘寿命具有一定的意义。为了对一台新购置的F级绝缘隔爆型电动机的绝缘寿命进行评估，文献［13］用KRS法进行了评估，其中：根据KRS与电动机绝缘剩余寿命下限T的关系式：就可以评估出4结论变压器、电动机、发电机都是电力系统很重要、也很昂贵的电力设备，由于都是长期处于高强度负荷的运行中，受外界各种因素影响，材料绝缘老化等将使其寿命难以精确估计，因此，采用各种新技术，新理论对其寿命进行准确的评估就显得十分重要。此外，电力设备的寿命也不只是一项纯技术工作，而是一件在经济分析指导下具有企业规模的有序和整体的活动，是一种企业行为。它不但要引起中国技术人员的重视，而且更应该引起中国企业领导参考文献［1］范永哲，倪晓蕊，范旭日.超期服役机组寿命评估技术及研究进展［J］.河北电力技术，2003，22（4）.［2］刘开敏.国外电力设备寿命管理技术动态［J］.中国电力，1997，30（5）.［3］郭永基.中小容量电力变压器寿命评估的新方法［J］.电力系统自动化，2001，25（21）.［4］刘玉仙.油纸绝缘变压器中水分的聚积及其对热老化寿命的影响［J］.变压器，2004，41（2）.［5］杨启平，薛五德，蓝之达.变压器绝缘老化的诊断与寿命评估［J］.变压器，2004，41（2）.［6］J.Aubin,R.Baehr等.变压器寿命评估［J］.电力建设，1996（5）.［7］G.J.Anders等.用概率模型评估电机绝缘剩余寿命［J］.国外大电机，1992（5）.［8］袁晓红，陆更伟，张东林.P300MW核电主泵电机主绝缘快速老化评定方法的研究［J］.大电机技术，1998（4）.［9］（罗马尼亚）ZLATANOVICIDan等.定子绕组绝缘剩余寿命时间的评定方法。国外大电机［J］.1998（2）.［10］金神雅树（日）.水轮发电机绝缘剩余寿命的推断［J］.国外大电机，1998（4）.［11］王玲玲，王静等.电动机平均寿命的零失效验收方案［J］.应用概率统计，1995，11（4）.［12］王道明.大型交流电动机绝缘电阻最低要求值与绝缘击穿故障或绝缘寿命的关系［J］.大电机技术，1995（4）.［13］赵景明，黄东珠，李莉.三相异步电动机绝缘可靠性寿命预测［J］.防爆电机，1996（4）.四川电力技术