淺析供配電設備的“老化、診斷、延年、更新”技術

蘇繼紅，劉 珧

（寶山鋼鐵股份有限公司設備部，上海 201900）

一、問題的提出

在設備的日常管理活動中，設備發生了故障對設備進行改造，其原因往往歸咎于設備“老化”。而“老化、診斷、延年、更新”是一項評判設備是否老化的技術課題。隨著設備管理水平的不斷深化，有必要對壽命周期較長的設備展開老化、診斷、延年、更新的研究。供配電系統所處地位重要，壽命周期較長，更具研究價值。

二、關于供配電設備的老化和壽命

1.供配電設備老化的原因

(1)熱老化

由于組成電氣設備的物質發熱引起的物理或化學變化，造成電氣設備性能下降，如橡膠龜裂，介質拉弧等。

(2)電氣老化

由于電場集中引起的電氣設備性能下降，可用材料帶電的v—t曲線表示。

(3)機械老化

由于機械應力、磨損等引起機械性能下降。

(4)環境老化

由于污損、腐蝕、溫度、濕度、潤滑等使用環境不良引起的性能劣化。

由此可見，電氣設備的老化程度與運行時間、運行方式、設計制造水平、維護管理水平等因素密切相關，因而掌握電氣設備的老化機理和判斷它的老化程度是一項非常復雜的技術。

2.對設備老化和壽命的一般認識

老化和壽命是兩個不同的概念，老化是相對的，老化了還能繼續使用，但功能或安全性下降了。壽命是絕對的，壽命到了就不能用了。老化與壽命之間可以用生產所需求的“功能健全性”(包括性能、精度、可靠性)關聯起來，如某設備即使較深度老化了，但生產對設備的“功能健全性”要求不高，則壽命較長，反之則短。

一臺設備在同一壽命周期內由于老化造成功能喪失不可恢復，表明該設備壽命已經終了。決定電氣設備壽命的要因有兩種，一是由構成電氣設備的物質材料及其性能所決定的，稱其為物理要因，它可以通過維護管理、改造更新等技術活動來改善其老化程度，進而獲得壽命的延長。也可通過改造更新獲得第二個壽命周期，顯然，這個物理要因是基本可控的；另一種要因是由包容這些電氣設備的社會環境所決定的，如設備的維護管理、制造廠服務中止、備件供應中止、修理體系中止等，稱為社會要因。社會要因中的很多因素取決于外部企業或團體，國外先進企業大多都很重視這個因素，都從設備階段開始就充分考慮這一社會因素的穩定性和連續性，事實上，如果因素不友好，要通過企業自身的努力來彌補將十分困難。

設備的物理老化是一種自然規律，但只要老化的程度還不至于造成“功能健全性”障礙，或者說這種物理老化是在既定的控制范圍內，就不能說老化故障的發生是合理的。

造成設備“功能健全性”喪失的原因很多，一般說來，設備壽命周期內的前期主要是設計、制造、安裝問題，中期主要是運行、維護、管理問題，后期才會有設備老化問題。根據當前的社會環境和普遍的設備制造水平，新置的供配電設備在15年之內應不存在老化的問題。

三、供配電設備的狀態和老化診斷技術

1.供配電設備的功能試驗、診斷技術現狀

單體電氣設備常規的試驗、診斷分兩個層次，一是簡易診斷，二是精密診斷。精密診斷的對象、技術、儀器如表1所示，這些手段在公司得到了廣泛應用。由于常規的試驗、診斷方法對應的診斷技術標準比較嚴格、實用，手段也比較齊全，加上多年來積累了豐富的經驗，所以，這些診斷技術的準確率較高，達95%左右。

表1 供配電設備常規試驗診斷項目列表

但是，這些試驗和診斷技術的應用是有其局限性的，大多只能判別單體設備的當前狀態良好與否以及其能否正常運行到下一試驗周期，并不適合于更宏觀、綜合地判斷該設備的老化程度及其老化發展趨勢。

2.基于機理研究精確推導單體電氣設備老化程度的診斷技術

理論上，從熱效應、電效應、機械應力效應、環境效應展開機理研究，同時對這些機理變化過程用數學、邏輯的方法進行處理，應該能更迅速有效、直接地揭示電氣設備的老化程度并預測未來。但因為上述各因素之間的關系復雜，很難建立精確的數學模型，所以這種基于設備老化診斷機理技術研究進展緩慢。

日本在“老化、診斷、延年、更新”方面的研究處于世界領先地位，20多年前就成立了專門的研究委員會從事這項工作的研究，但至今未見有可以廣泛、直接應用于企業的研究成果。在最新出版的有關文獻中，對19種電氣設備的老化診斷和壽命預測成果進行了介紹，除油浸式變壓器外(聚合度、糠醛等方法比較有效)，大多數也只是指導性的定性分析。

另一方面，由于所具有的專門用于基于電氣設備機理老化診斷方面的手段(或器具)比較少，經驗也不豐富，即便是有手段、有人力也不會不惜成本廣泛推行這項工作。因此，目前企業想通過自身獲取電氣設備的老化特征現象，從機理上分析電氣設備老化本質，進而進行老化程度判斷的方法很難操作和短期見成效。

3.基于常規試驗、診斷手段和經驗，推導單體電氣設備老化程度的評判方法

(1)基本思路

電氣設備的老化會先有特征現象(如溫度高)后有表觀現象(如高溫引起碳化黑斑)，通過對大量的、容易獲取的電氣設備老化表觀現象進行統計和數據挖掘，以經驗(特別是傾向性管理)結合上述的常規試驗、診斷手段可對電氣設備進行綜合性的老化評估。

通過各種常規診斷手段收集電氣設備老化的表觀現象，并經驗性地以點數形式對各項老化現象加以量化，根據這些點數之和可綜合評判電氣設備的老化程度。統計、分析要素包括社會要因中的運行年限、環境條件、維護水平、備品配件，物理要因中的異常現象、劣化現象、診斷試驗等。

為了操作方便，評判方法分兩個層次，一是一次診斷，主要由點檢人員用簡單儀器結合自身經驗來完成，其中社會要因和物理要因的比例約各占50%；二是二次診斷，主要由專業技術人員實施，其中社會要因和物理要因的比例分別占15%和85%。85%的物理要因中，可分為劣化現象和試驗兩個方面。盡管劣化現象占有絕對的比重，但在實際工作中仍會更關心后者，因為它一般出現在劣化現象之前。

(2)試驗數據處理

試驗數據一般都遵循正態分布或對數正態分布，可以用以下方法處理。

①把這項試驗根據它的有效性定一個比較合適的分數，根據已有的國家標準或經驗確定正態分布的方差范圍(一般取3σ，即xc=x+3σ,xc為參考標準，x為平均值)，并依此分為若干個等級。

另外，也可以用無量綱峭度(Σni=1(xi-x)4/(n-1))/σ4的方法對試驗數據進行處理，它基本消除了其他因素對本質數據的影響，但存在離散性較大的不足。

(3)綜合統計

根據以上原則結合工作經驗對電氣單體設備制定統計內容和權重，如表2所示。

表2 電容器老化診斷評價表

(4)評判參考標準

評判參考標準如表3所示。

對某廠的高壓單體設備按上述方法進行了分析，分析結果得到技術管理人員的廣泛認同。

4.基于可靠性評估和單體設備老化程度的系統老化程度評判方法

表3 評判參考標準

在日常設備管理活動中更關心的是系統設備。系統設備的老化程度與組成它的單體設備老化程度和各單體設備之間組合后的可靠程度密切相關，大體上可用兩者之和來表示。系統設計的可靠性高，則構成它的單體設備即使老化一點也能允許，反之則不然。

(1)供配電系統的可靠性評估

按可靠性理論及其方法來評價電氣系統的可靠度是一項非常艱巨的工作，無論用蒙可馬利還是馬爾柯夫分析法，都需要大量的概率和統計數據，作為企業來說很難操作。可用實用的經驗方法來替代。

供配電系統的可靠性取決于它的可靠性設計及其他的“功能健全性”技術指標，前者可用進線方式、回路數、母線方式的冗余備用性和可維護性來評價，后者可用運行實績來評價，如負荷側故障、系統性故障、天災等。評判的參考方法如表4所示，評判結果可用量值S3來表示。

表4 供配電系統可靠性評估表

(2)供配電系統的老化程度評判方法

供配電系統的老化程度與供配電系統的可靠度及組成系統的單體設備老化程度有關。供配電系統主要由刀閘、斷路器、變壓器、電流電壓變換器、配電盤及其他有關設備6類單體設備構成，這些單體設備均可按前面的方法分別得出它們的老化程度(S2)平均值，然后把這6個平均值的算術和再加表4中的系統可靠度S3，就能大致把握整個電氣系統的老化程度S。即：

其評判參考標準見表5。

表5 評判參考標準表

對某廠的高壓設備系統按上述方法進行了分析，分析結果也得到了技術管理人員的廣泛認同。

需要指出的是，上述這兩種方法是相對的，如果全公司乃至全行業都來使用這種方法，將更為有效。

四、老化診斷后的延年更新技術

1.控制設備異常老化的一般對策

基于常規試驗、診斷手段和經驗，推導單體電氣設備老化程度的評判方法對單體設備的老化程度進行了綜合評估，需進一步細化而采取有針對性的對策。但構成單體設備的部件很多，所以要考慮投入和回報的最佳比例。

比較實用的老化管理思路是，先將設備按其地位(包括生產、安全、環保等因素)的重要程度劃分維修管理方式(DBM、TBM、CBM)，把不重要的設備從中剔除(供配電系統很少有這樣的設備)，然后根據系統或設備的構成分層次盡量細分，如變壓器可細分為鐵心、線圈、油箱、油等，線圈又可再分為導體、導體絕緣材料、線圈絕緣材料，然后羅列上述被細分的各部件，按下述3個層次分類，并按所定義TSR方法實施老化管理。

層次T：基于點檢健全性確認層次。在功能喪失前有明顯的征兆，通過人的感知、簡單測試能較準確把握其狀態的，或者是通過定期點檢能確認當前狀態良好且又能預計到下次點檢之前不會出問題的部件可納入該層次。

層次S：基于更換標準的層次。除層次T外，很多部件是很難通過日常點檢把握設備的老化程度的，從技術上來說，應該對它們進行進一步的老化診斷，然而老化診斷也是有成本的。從實用的角度出發，把某些價格便宜、更換方便而診斷成本較高的部件歸為S層次，對屬S層次的部件不進行老化診斷，而是采取建立更換標準（如運行年限、動作次數、啟動次數等），超過標準就更換的策略。在S層次，除了為完善標準做必要的試驗、診斷外，不再做其他額外的診斷工作。

層次R：基于老化診斷的層次。除S、T層次外的則歸結到R層次，R層次的主要手段如三、1和三、2所述。當然，這兩種方法不可能包含所處R層次中的所有設備，這正是技術人員要研究的課題。

2.電氣設備的診斷周期

當單體設備的S1超過標準后，就要進行二次診斷。在二次診斷中，要使用較多的儀器儀表，還必須停止生產，實施的成本比較高。在二次診斷實施更新改造時，設備的診斷周期可按以下原則確定：

式中：C——綜合成本；

C1——每次的診斷成本；

C2——每次的停機損失；

T——時間；

MDT——停機時間函數。

當C最小時，對應的T就是最佳診斷周期。MDT是故障確切密度時間函數，可用∫T0(T-t)f(t)d t來表示，在設備的平均壽命內，可認為設備的運行基本是穩定的，所發故障是偶發性的，f(t)可用e-λt(λ為故障率)來表示，可得出MDT＝T-(1-e-λt)/T。

對C微分求最小值，可得出最佳的T為T＝(2C1/λC2)1/2。值得注意的是，如果考慮到診斷技術的有效性，在上述最佳診斷周期T中，還應乘以有效性系數(P/1＋β)1/2

式中：P——檢出率；

β——漏檢率。

3.電氣設備的延年和更新措施

基于常規試驗、診斷手段和經驗推導單體電氣設備老化程度的評判方法或基于可靠性評估和單體設備老化程度的系統老化程度評判方法，可基本把握電氣設備的老化程度，按控制設備異常老化的一般對策可基本控制電氣設備的異常老化，顯然，其老化對策不可能按四、1的方法無限期進行下去，到時總要更新。

更新與否與該設備的老化程度、更新推薦期(一般由制造廠提供)和平均壽命有關。老化程度、更新推薦期、平均壽命的關系如圖1所示。

圖1 老化程度、更新推薦期、平均壽命的關系示意圖

在A區，應立即更新改造；在B區，可綜合考慮相關因素(如成本、停機時間等)采取延年措施或更新改造措施；在C區，更換或修復失效部件；在D區，加強點檢，實施二次診斷；在E區，常規維護管理即可。

采取延年措施的指導思想主要是參照圖1中的縱軸方向，通過改善設備的運行條件或采取部件更換和修復的方法來降低(或延緩)設備的老化程度，不同設備的具體做法不同；而更新改造的指導思想是使設備獲得第二次生命，它同時參照圖1中的縱、橫軸兩個方向。供配電設備系統的更新改造是一個比較大的舉措，應與公司的中長期規劃、投資費用及其安全性、可靠性、功能和性能、可維護性、節能環保性等當今技術進步因素結合起來綜合考慮。

五、結論

供配電設備的“老化、診斷、延年、更新”中的重點是老化診斷，如何建立一套實用的標準是要很多技術作支撐并且是高于一般的技術研究。