基于電氣設備壽命評估技術在資產管理中應用

盛健 彭曼 銀星茜 張俊強

摘 要：現有的電氣設備資產管理大部分還屬于粗獷性，直接以電氣設備的設計壽命進行折算，但實際各個電氣設備隨著運行工況的不同，其壽命會提前或延后終止，因此有必要結合電氣設備運行工況，基于其老化機理計算出設備的實際剩余壽命，改變其資產管理模式，讓電氣設備資產更為合理，更為準確。

關鍵詞：電氣設備；剩余壽命；老化機理；資產管理

中圖分類號：TM621.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）21-0214-02

電氣設備資產管理直接體現了設備的利用價值，現有的電氣設備資產管理主要按設備的設計壽命直接折算，這樣缺陷較為明顯。如果設備由于使用惡劣，則會導致設備壽命提前終止，這樣的話在壽命終止年會出現較大的設備折損貶值現象；如果設備使用較為良好，則設備使用壽命會有一定延長，這樣如果提前把設備折舊完，在資產管理中會出現零值設備現象。如果基于電氣設備老化機理，計算出電氣設備的剩余壽命，依次進行設備資產管理則會避免這種不合理現象出現。

1 基于機理的電氣設備剩余壽命計算方法

現有的電氣設備壽命計算主要基于“木桶”理論，其壽命由薄弱且不可修復元件壽命決定，因此針對現有電氣設備可以主要分為絕緣老化類設備和電壽命老化類設備。不問主要對變壓器的絕緣老化、開關的電壽命老化進行壽命計算。

1.1 絕緣老化類電氣設備剩余壽命計算

絕緣老化類電氣設備剩余壽命主要基于最熱點的高分子材料分解，喪失基本的機械性能、電氣性能，最終體現為壽命終止。

1.1.1 油浸式變壓器剩余收集計算

油變的熱點溫度可基于《GB/T 1094.7-2008電力變壓器》進行計算。圖1為熱分布圖是假設的，該圖做了如下假設：

（1）論冷卻方式如何，油箱內的油溫從底部到頂部均是按線性增加；

（2）作為初始的近似，在繞組任何位置處繞組導線的溫升，從下到上呈線性增加，此直線與油的溫升平行。兩平行線之間的差值為常數gr；

（3）熱點溫升比（2）中所述的繞組頂部導線的溫升高，這是因為必須就雜散損耗的增加、各局部油流的差別和導線上可能附加的紙層等給出一些裕度。考慮到這些非線性的因素，令熱點溫度與郵箱內頂層油溫之差等于H×gr，熱點系數H與變壓器容量大小、短路阻抗和繞組結構有關，大約在1.1～1.5之間。

由油浸式變壓器熱點分布圖可知，需要測量環境溫度、油頂部溫度，然后疊加Hgr即為熱點溫度，其最終計算公式如下：

（1）

式中，K為負載率，即變壓器實際電流與額定電流的比值；為繞組指數；為環境溫度；為熱點溫度。

由于現有的油浸式變壓器基本采用熱改性絕緣紙，因此基于Arrhenius反應原理，油浸式變壓器絕緣壽命損失為：

（2）

式中，為第i時刻熱點溫度，為變壓器設計壽命。

1.1.2 干式變壓器剩余壽命計算

干式變壓器絕緣采用環氧樹脂，其相對油浸式變壓器絕緣紙的耐熱、絕緣性能更為優良，但由于結構和絕緣材料發生了變化，其熱點的計算也隨著需要調整。

因為變壓器實際運行中負荷是不斷變化的，因此暫態負荷的熱點溫度計算方式如下：

（3）

式中，為某負載率開始時的起始熱點溫升（K）；為負載變化t時間后的熱點溫升（K）；為負載率不發生變化情況下的最終熱點溫升（K）；為給定的負載下繞組的時間常數（min）；為環境溫度（℃）。

上述公式中，和可以通過穩定負荷條件下的熱點溫升公式進行計算。干式變壓器一般分為自然冷卻和強迫風冷兩種，其中對于自然冷卻方式：

（4）

對于強迫風冷方式：

（5）

式中，I為負載率（負載電流與額定電流的比值）；M為經驗常數，等于0.8；TK為導體的溫度常數，鋁為225，銅為235；X為強迫風冷經驗常數，等于1（在沒有試驗數據情況下的建議值）；為額定條件下的熱點溫度（參考負載導則的推薦值）；為額定負荷下繞組熱點溫升（K），參考銘牌的溫升限值。

當溫升變化時，根據經驗常數m，時間常數也發生變化。如果m=1，則時間常數，如果m≠1，則任何負載和任何起始溫度的加熱或冷卻循環的時間常數可通過下面公式計算：

（6）

同樣采用Arrhenius反應原理得出干式變壓器的剩余壽命為：

（7）

剩余壽命公式中常用參數值如表1所示。

1.2 電壽命老化類電氣設備剩余壽命計算

開關類熱點溫度一般低于110℃，同時其內部采用SF6和環氧數值作為絕緣，由于SF6、環氧樹脂老化分解溫度遠大于110℃，因此基本不用考慮絕緣材料的老化。

由于開關類的斷路器需要開斷短路電流，短路電流過大時，開斷過程中的電弧對開關觸頭燒蝕嚴重，當觸頭燒蝕量達到一定程度時，該臺斷路器喪失開斷能力，及其使用壽命終止。

SF6斷路器基本以0.5Isn一次開斷的電磨損為評價基數，各開斷電流的電磨損與一次0.5Isn開斷電磨損相同的等效開斷次數Ns為：

當時

（8）

當時

（9）

式中，Isn為斷路器額定短路開斷電流數值（有效值）；Is為本次開斷電流數值（有效值）。

實際計算過程：首先基于公式9計算出一次額定滿容量電流開斷相當于0.5Isn開斷次數為3.24，對應每個Is計算出的Ns乘以3.24為實際能開斷次數。依據公式8、公式9計算出各容量對應開斷次數關系如表2所示。

2 電氣設備壽命評估技術在資產管理中應用

以上對常用的重要性較高的油浸式變壓器、干式變壓器、電纜、開斷的壽命進行評估與計算，主要依據負荷電流、環境溫度、開斷電流即可求解出各重要設備的剩余壽命。

電氣設備資產管理者可實時采集該部分數據，實時修正電氣設備的資產折舊計算方式，同時每年年初可根據前幾年老化趨勢，進行當年折舊費用計算依據，在每年年底根據當年老化時間修正資產折舊費用。因此依據設備老化來進行設備資產折舊管理，相對以前按設計壽命進行的資產折舊管理更為合理和準確。

3 結語

通過本文的對電氣設備的老化計算，可以更為合理的掌握設備利用程度和剩余工作年限，當設備工作負荷較重時，應在設備提前報廢前準備好設備更新；當設備工作負荷較輕時，可以適當延長設備使用年限，等效于設備的增值，因此基于設備老化的資產管理也更為準確、更為合理。

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