電力設(shè)備的壽命評(píng)估

1、電力設(shè)備的壽命評(píng)估郝江濤，劉念，幸晉渝，薄麗雅，陳卓(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都610065)摘要：綜述了電力設(shè)備壽命評(píng)估的各種方法、理論，介紹了國(guó)內(nèi)外對(duì)電力設(shè)備壽命評(píng)估技術(shù)的研究動(dòng)態(tài)，同時(shí)還對(duì)變壓器、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的壽命評(píng)估方案進(jìn)行了闡述。關(guān)鍵詞：電力設(shè)備；壽命評(píng)估；方法；理論 Abstract: Different methods and theories for life evaluation of power equipment have been summarized, and the research developments of life evaluation techni

2、que for power equipments at home and abroad have been introduced as well. At the sa me time, the life evaluation schemes for transformer, generator and electric mot or have been set forth.Key words: power equipment; life evaluation; method; theory電力設(shè)備的壽命評(píng)估是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。變壓器、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等大型電力設(shè)備經(jīng)數(shù) 萬(wàn)小時(shí)的運(yùn)行，實(shí)際上就是

3、長(zhǎng)期的熱處理或者高強(qiáng)度的負(fù)荷試驗(yàn)，材料老化、絕緣受損等問(wèn)題是高溫運(yùn)行的必然結(jié)果，尤其是那些超期服役的電力設(shè)備，除少量報(bào)廢外，大部分仍在使用，老化問(wèn)題日益突出，延長(zhǎng)壽命使用依據(jù)不足，風(fēng)險(xiǎn)性很大。為了有效延長(zhǎng)電力設(shè)備的使用壽命，讓投資和回報(bào)有一個(gè)最佳平衡，必須進(jìn)行壽命評(píng)估1。如何科學(xué)地評(píng)估 其剩余壽命，保證超期服役的電力設(shè)備安全運(yùn)行是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。1國(guó)內(nèi)外電力設(shè)備壽命評(píng)估技術(shù)的研究動(dòng)態(tài) 1.1日本電力設(shè)備壽命評(píng)估技術(shù)簡(jiǎn)介日本對(duì)電力設(shè)備部件殘余壽命評(píng)估的辦法是按照1987年日本自然資源與能源署與日本國(guó)際貿(mào) 易與工業(yè)部聯(lián)合頒布的國(guó)家導(dǎo)則進(jìn)行的，第一階段的研究?jī)?nèi)容包括3部分：（1）用制造鍋爐 與汽

4、輪機(jī)的典型材料進(jìn)行破壞性與非破壞性試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行解析分析作壽命評(píng)估，比較這3 種方法并提出其各自的使用范圍；（2）在實(shí)際運(yùn)行部件上作非破壞性試驗(yàn)或取樣作破壞性 試驗(yàn)并進(jìn)行解析分析，進(jìn)一步驗(yàn)證3種方法的適用范圍；（3）對(duì)3種方法綜合評(píng)價(jià)，總結(jié)出 各種改進(jìn)辦法。第二階段的研究工作包括超臨界機(jī)組設(shè)備部件的壽命評(píng)估以及疲勞-蠕變損 傷的非線性數(shù)學(xué)模型。1.2美國(guó)電力設(shè)備壽命評(píng)估技術(shù)簡(jiǎn)介美國(guó)電力研究院采用多數(shù)國(guó)家使用的“三級(jí)評(píng)估法”并制定出較完整的“綜合壽命管理程序 ”作為美國(guó)電力企業(yè)壽命管理工作的通用導(dǎo)則。在三級(jí)評(píng)估工作中，“一級(jí)評(píng)估”是在企業(yè) 上層機(jī)構(gòu)中進(jìn)行的，盡量使用現(xiàn)有資料進(jìn)行企業(yè)規(guī)模的全面綜合

5、分析，包括發(fā)電規(guī)劃、電網(wǎng) 規(guī)劃、用電規(guī)劃與老廠壽命評(píng)估更新改造做經(jīng)濟(jì)分析對(duì)比。“二級(jí)評(píng)估”以設(shè)備的無(wú)損檢測(cè) 為主要手段配合一般常規(guī)技術(shù)檢查。“三級(jí)評(píng)估”一般需要破壞性試驗(yàn)、各種取樣、機(jī)理研 究，甚至需要安裝一些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)最終確定損傷根源并提出解決辦法。中國(guó)的壽命管理工作目前還是處于初級(jí)階段，它僅限于某些技術(shù)專業(yè)內(nèi)的活動(dòng)，而且只作為個(gè)別設(shè)備、部件必要時(shí)的安全評(píng)估手段。 2電力設(shè)備壽命評(píng)估的方法及理論2.1壽命評(píng)估方法簡(jiǎn)介電力設(shè)備壽命評(píng)估方法分為三類：（1）解析法：根據(jù)各種運(yùn)行情況下的材質(zhì)老化數(shù)據(jù)和本機(jī)組使用時(shí)間、溫度、應(yīng)力大小及其分布狀況、起停次數(shù)等工況，利用各種曲線、公式綜合判斷，然后可以預(yù)測(cè)

6、部件的剩余壽命。該方法可以評(píng)價(jià)設(shè)備的任意部位，但機(jī)組運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的話，機(jī)組的材料性能將發(fā)生變化，影響評(píng)價(jià)精度。同時(shí)這種方法是間接評(píng)估設(shè)備壽命的，有很多局限性。（2）破壞性檢測(cè)法：從有代表性的部位取得試樣后，進(jìn)行相應(yīng)的性能實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行組織斷口狀況分析、化學(xué)成分分析及碳化物分析，而后進(jìn)行綜合判斷，進(jìn)而預(yù)測(cè)部件材料的剩余壽命。這種方法在實(shí)際機(jī)組上取樣有兩種形式，一種是從評(píng)價(jià)的機(jī)組上直接取樣；另一種是從電廠更換下來(lái)的、經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后的部件取樣，其數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高。第一種方法受結(jié)構(gòu)限制，相應(yīng)部位的取樣會(huì)有各種困難；第二種方法需要有機(jī)組運(yùn)行情況的詳細(xì)記錄。（3）非破壞性檢測(cè)法：不破壞機(jī)組部件，通過(guò)外部測(cè)量、試驗(yàn)就

7、可以定量掌握材質(zhì)狀況，因此也稱無(wú)損檢測(cè)法。該方法不需要切割小型樣品，僅在實(shí)物表面上測(cè)定，比較方便。但該方法也有其局限性，因?yàn)椴牧系墓逃刑匦云钶^大，即使相同的部件，運(yùn)行條件不同，則材料的老化程度也各不相同。實(shí)際上，在對(duì)機(jī)組部件進(jìn)行壽命評(píng)估時(shí)，為使結(jié)果更加可靠，往往將以上的3種方法綜合運(yùn) 用。2.2壽命評(píng)估技術(shù)新理論如今已出現(xiàn)了各種新的理論應(yīng)用于電力設(shè)備的壽命評(píng)估，其中有以下幾種：（1）神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)理論，該理論具有高度非線性、并行處理、自學(xué)習(xí)等優(yōu)點(diǎn)。在對(duì)轉(zhuǎn)子剩余壽命的評(píng)估中，首先確定自適應(yīng)BP人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)評(píng)估模型結(jié)構(gòu)，然后對(duì)選擇的樣本進(jìn)行訓(xùn)練，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)數(shù)使輸出與目標(biāo)值逼近，對(duì)于已經(jīng)訓(xùn)練好的

8、網(wǎng)絡(luò)，只要輸出預(yù)測(cè)樣本，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練就可以得到剩余壽命的運(yùn)算。（2）可靠性技術(shù)，實(shí)際上就是運(yùn)用概率斷裂力學(xué)，考慮工程中的諸多隨機(jī)因素，可給人們提供部件在當(dāng)前缺陷狀態(tài)下的可靠度，提供整個(gè)部件在繼續(xù)運(yùn)行過(guò)程中可靠度的變化趨勢(shì)，給壽命管理提供更為客觀科學(xué)、有預(yù)見(jiàn)性的指導(dǎo)。（3）突變理論，它可以用于突變事件的建模和預(yù)測(cè)，對(duì)材料裂紋的演化模型作出預(yù)測(cè)。 3變壓器、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)的壽命評(píng)估3.1變壓器的壽命評(píng)估目前關(guān)于變壓器的壽命難于精確計(jì)算，這是因?yàn)橛绊憠勖蛩氐亩嗑S性和大量隨運(yùn)行時(shí)間而 隨機(jī)變化的不確定情況造成的。通常有兩種方法用于粗略估計(jì)變壓器的壽命，第一種是統(tǒng)計(jì) 法，它對(duì)運(yùn)行中的變壓器進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然

9、后評(píng)估壽命，這種方法成本低，但對(duì)新開(kāi)發(fā)的變壓器 很難在出廠前獲得壽命數(shù)據(jù)；第二種是整機(jī)加速壽命試驗(yàn)法，該法用變壓器試品或模擬試品 進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)來(lái)評(píng)估壽命，這種方法成本高，難以描述元器件損壞的內(nèi)在機(jī)理。針對(duì)這 兩種方法存在的缺陷，文獻(xiàn)3提出一種新的方法來(lái)評(píng)估變壓器的壽命，該方法是 基于變壓 器絕緣紙聚合度的測(cè)定，從而依據(jù)絕緣紙聚合度計(jì)算出變壓器壽命，該方法可以為制造廠在出廠前向用戶提供變壓器的預(yù)期壽命，還可以估計(jì)運(yùn)行中的變壓器殘余壽命。人們通常認(rèn)為變壓器的壽命，即油紙絕緣的壽命是由絕緣紙（板）纖維素的熱老化決定的。這里有兩種方法可以判斷絕緣壽命4，一是測(cè)定老化絕緣紙的抗拉強(qiáng)度，并將其強(qiáng)度損失

10、50% 作為材料的壽命終點(diǎn)。二是測(cè)定紙纖維素分子聚合度（DP）值。當(dāng)聚合度下降到DP=200時(shí)，認(rèn)為材料壽命達(dá)到終點(diǎn)。國(guó)外有人對(duì)變壓器提出“絕緣年齡”的概念。“絕緣年齡”的評(píng)估依靠的是對(duì)絕緣狀態(tài)參量數(shù)據(jù)分析處理的結(jié)果，而可靠性評(píng)估是一種使用測(cè)量絕緣老化數(shù)據(jù)估計(jì)剩余壽命的概率統(tǒng)計(jì)應(yīng)用技術(shù)。隨絕緣年齡的增加，可靠性降低。文獻(xiàn)5提出了用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)判斷變壓器絕緣老化程度和評(píng)估剩余壽命。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)是模擬人腦信息處理的 功能，能映射高度非線性的輸入、輸出關(guān)系。傳統(tǒng)的行業(yè)導(dǎo)則將變壓器的壽命僅歸因于絕緣 紙的熱老化，針對(duì)這一說(shuō)法，文獻(xiàn)6提出了一種評(píng)估變壓器壽命最有效的方法。 對(duì)變壓器的老化機(jī)理進(jìn)行了

11、數(shù)學(xué)分析。老化函數(shù)F(p)=Kt，式中t是時(shí)間；K是化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)，對(duì)于基本的化學(xué)反應(yīng)，K=K0e-BT,T是絕對(duì)溫度。當(dāng)材料特性劣變到設(shè)定的極限值時(shí)，則該材料的壽命已盡。該材料的壽命為：L=F(P(EOL)K=AeBT（AD公式）類似的經(jīng)驗(yàn)公式為：L=eP；該式中：P是常數(shù)，是攝氏溫度。上述公式是在一定實(shí)驗(yàn)條件下以材料某一特性的假定壽命標(biāo)準(zhǔn)表示該材料的壽命期限。評(píng)估變壓器可靠性的最佳途徑是嚴(yán)密監(jiān)測(cè)變壓器油中的氣體分解，分解氣體分析是檢測(cè)變壓 器中的問(wèn)題的最有效途徑。人們?cè)谘芯坑偷暮瑹N量、紙樣的DP值與變壓器壽命的內(nèi)在聯(lián)系，以期找出絕緣材料的固有壽命及其殘余壽命的最有效辦法。3.2發(fā)電機(jī)的壽

12、命評(píng)估目前確定電機(jī)絕緣系統(tǒng)剩余壽命有兩種方法，一是監(jiān)視導(dǎo)致劣化的應(yīng)力，該方法不是定量 地確定剩余壽命，由此確定的剩余壽命是很保守的，有些縮短絕緣壽命的應(yīng)力不是很容易監(jiān) 測(cè)。二是通過(guò)監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)，觀察各種征兆，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷剩余壽命。但是該方法要求 有豐富的經(jīng)驗(yàn)和多次停機(jī)檢修，針對(duì)這一問(wèn)題，文獻(xiàn)7提出用馬爾可夫模型就可 以用離散 型變量法和連續(xù)型變量法較快的計(jì)算出電機(jī)的剩余壽命。高壓成型線圈及低壓嵌套線圈的絕 緣結(jié)構(gòu)耐熱等級(jí)評(píng)定符合老化壽命公式：lgL=A+B×1T （式中L為絕緣壽命，T為絕對(duì)溫度，A、B為待定常數(shù)），這里絕緣材料的老化速率B可以用文獻(xiàn)8 所用的逸氣分析-氣相色譜技術(shù)

13、(EGA-GC)求得，由此就可以求出大電機(jī)的絕緣壽命。對(duì)于大電機(jī)定子繞組絕緣剩余壽命的估計(jì)，文獻(xiàn)9提出的方法基礎(chǔ)是定期對(duì)介電測(cè)量結(jié)果（介電損耗因素和電容）進(jìn)行數(shù)學(xué)處理。在不同 溫度下得到的介電測(cè)量結(jié)果要變換到參數(shù)溫度上來(lái)?？赡艿膿舸╇妷涸谠砩系扔谝粋€(gè)電壓值，在這個(gè)電壓下介電性能與電壓的變化函數(shù)符合通常的界限點(diǎn)。這種現(xiàn)象可以根據(jù)二次多項(xiàng)式函數(shù)通過(guò)最小二乘法來(lái)分析模擬。最后維持壽命的時(shí)間用決定于測(cè)量次數(shù)的某些置信度來(lái)確定。此外，文獻(xiàn)10還根據(jù)最大局部放電量來(lái)推斷發(fā)電機(jī)定子線圈絕緣耐壓水 平和剩余壽命，然后再用吸濕度tg0R1C0來(lái)加以修正，其中為靜電容量，從文中結(jié)果看出，修正后的絕緣壽命誤差比修

14、正前小，說(shuō)明用此方法提高了發(fā)電機(jī)壽命預(yù)測(cè)精度。3.3電動(dòng)機(jī)壽命評(píng)估簡(jiǎn)介111213電動(dòng)機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)壽命是服從正態(tài)分布LN(，2)，其平均壽命為：其中為對(duì)數(shù)均值，為對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差。用該正態(tài)分布公式評(píng)估電動(dòng)機(jī)的壽命很難實(shí)施，因此文獻(xiàn)11中對(duì)F級(jí)絕緣的電動(dòng)機(jī)在加大應(yīng)力的作用下進(jìn)行加速試驗(yàn)，結(jié)果很好地評(píng)估出了電動(dòng)機(jī)的平均壽命。提高電動(dòng)機(jī)的絕緣電阻最低要求值對(duì)于延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)繞組絕緣壽命具有一定的意義。為了對(duì)一臺(tái)新購(gòu)置的F級(jí)絕緣隔爆型電動(dòng)機(jī)的絕緣壽命進(jìn)行評(píng)估，文獻(xiàn)13用K RS法進(jìn)行了評(píng)估，其中：根據(jù)KRS與電動(dòng)機(jī)絕緣剩余壽命下限T的關(guān)系式：就可以評(píng)估出電動(dòng)機(jī)的絕緣壽命。 4結(jié)論變壓器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)都是電力系統(tǒng)

15、很重要、也很昂貴的電力設(shè)備，由于都是長(zhǎng)期處于高強(qiáng)度負(fù)荷的運(yùn)行中，受外界各種因素影響，材料絕緣老化等將使其壽命難以精確估計(jì)，因此，采用各種新技術(shù)，新理論對(duì)其壽命進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估就顯得十分重要。此外，電力設(shè)備的壽命也不只是一項(xiàng)純技術(shù)工作，而是一件在經(jīng)濟(jì)分析指導(dǎo)下具有企業(yè)規(guī)模的有序和整體的活動(dòng)，是一種企業(yè)行為。它不但要引起中國(guó)技術(shù)人員的重視，而且更應(yīng)該引起中國(guó)企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)的重視。 參考文獻(xiàn) 1范永哲，倪曉蕊，范旭日. 超期服役機(jī)組壽命評(píng)估技術(shù)及研究進(jìn)展J.河北電力技術(shù)，2003，22（4）.2劉開(kāi)敏.國(guó)外電力設(shè)備壽命管理技術(shù)動(dòng)態(tài)J.中國(guó)電力，1997，30（5）. 3郭永基.中小容量電力變壓器壽命評(píng)估的新方法J.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，200 1，25（21）.4劉玉仙.油紙絕緣變壓器中水分的聚積及其對(duì)熱老化壽命的影響J.變壓器，2004，41（2）.5楊啟平，薛五德，藍(lán)之達(dá).變壓器絕緣老化的診斷與壽命評(píng)估J.變壓器，2004，41（2）.6J.Aubin , R.Baehr 等.變壓器壽命評(píng)估J.電力建設(shè)，1996（5）.7G.J.Anders等.用概率模型評(píng)估電機(jī)絕緣剩余壽命J.國(guó)外大電機(jī)，1992（5）.8袁曉紅，陸更偉，張東林.P300MW核電主泵電機(jī)主絕緣快速老化評(píng)定方法的研究J.大電機(jī)技術(shù)，199