配电网设备状态检修及运维技术研究

2023-08-21国网江苏省电力有限公司镇江供电分公司

电力设备管理 2023年13期

国网江苏省电力有限公司镇江供电分公司周凯

1 引言

配电网的建设和管理是电力工业发展的一项重点工作，从建设和维护的发展趋势来看，正在逐渐朝着大容量和高性能的方向发展，配网的结构日益复杂，维护的困难也日益增加，在配电网的管理和维护中，必须积极推广和使用在线检修技术。在线状态维修是指将配网中的设备及结构作为监控核心，实现对配网运行状况的实时感知及故障判定，实现对配网系统的异常参数反演及分析，对促进电力行业的发展具有重要意义。

2 配电网在线状态检修技术原理

在线状况维修技术是当前配网运行和维修中普遍采用的一种技术，对配网运行和维修起着举足轻重的作用。在线状态检修技术的工作重点在于对设备的状态进行实时监测，对故障进行识别与诊断，探明设备的运行状况，确定维修检修的重点对象、检修项目、检修时间，并对检修方案的调整进行指导。在线状态维修技术是一门多技术融合的现代维修技术，实现了对设备带负荷运行状态下的运行参数的实时获取，可以对设备运.行故障进行预判断与分析，还可以对故障位置和故障原因进行排查，能够对设备的使用情况进行科学的预测。

配网常规的常规维修方式不仅会影响配网的供电质量，还会导致配网出现重大停电。在线状态维修技术以设备的状况为依据，对维修计划进行科学的安排，提高维修的合理性。

3 配电网状态检修主要设备

3.1 变压器

变压器是一种固定的电力装置，作用是将一个特定的电压水平转换为一个具有同样的频率的其他电压水平，并且传输能量。电力变压器的种类很多，但其主要的构造形式都是铁心和绕组。铁心的功能就是组成磁路，线圈的功能就是组成电路。由铁心和线圈构成的主体，主体置于含变压器油的容器中，这种容器被称作油浸式变压器。配电网中的变压器以油浸变压器为主。在此基础上，提出了一种新型的变压器油。油罐的形状与变压器的容量及发热量密切相关，当变压器的容量较大时，其发热量较大。当变压器的容量超过1000kVA 时，必须使用空气冷却器，即强制油循环。

3.2 断路器

主要功能包括在正常工作状态下，用于开关线路中负载电流；当发生故障时，可以切断回路中的短路电流，切断回路，可以使回路中的短路电流达到重合闸的要求。在配电网中，断路器作为一种重要的开关电器，其运行、保护和控制的功能最为重要。

断路器有多种形式，结构包括通断元件、绝缘支承元件、中间传输机构、底座和操纵机构等5大基本部件。通断部件是系统的关键部件，具有控制和保护作用。其他部件均为与开关部件相配合，以实现相应工作。通断部件由接触器、导电部件、灭弧装置等组成。触点的分离和闭合是由操作机构经传输部件驱动。通断部件通常设置在一个隔离支撑上，以保证高压接触器与地面的隔离，隔离支撑支撑设置在底座上。断路器如图1所示。

图1 断路器

3.3 避雷器

避雷器主要用于释放电压能量，限制电压幅度的一种保护性设备。在使用时，将避雷器设置在靠近被保护装置的位置，与被保护装置并联，一般状态下不导电。在施加于避雷器上的电压达到工作电压时，避雷器导通，使大电流流过，释放过压能量，使电压保持在一定范围，对装置起到隔离作用。

3.4 配电线路

根据构造特点，可以将电力线划分为架空线和电缆线两种类型。架空线路由导线、避雷线、杆塔、绝缘子以及金属装置等组成。电缆线路由导线、绝缘以及保护层等组成。架空输电线路的引线及避雷线均置于大气中，既要承受自重、风荷载以及冰雪荷载等机械力，又要承受大气中有害气体的腐蚀和气温变化等因素的影响，工作环境恶劣。电缆的成本高于高架成本，随着电压的增加，成本也会随之增加[1]。

4 配电网设备状态检修过程

状态维修指的是通过对设备和诊断技术进行监控，对设备的状态信息进行收集，再以设备状态的发展趋势为依据，对设备是否存在异常或预知故障进行了系统的分析，对异常或故障进行了科学的预判，科学合理地安排维修计划和维修内容。

4.1 变压器油中溶解气体监测

绝缘油在加热或放电过程中，会产生氢气、一氧化碳以及二氧化碳等各种小分子碳氢化合物。充油电器发生内部故障时，其气体的种类、浓度及产气率均不同，不同的故障类型对应的特征气体也不一样。通过对充油电器进行监测，对潜在故障进行判定，是保证设备安全可靠运转的必要措施。目前用于石油中可溶性气体检测的主要设备包括固定型色谱仪、简易型色谱仪和固定型油溶性气体分析仪。这种检测方法多采用脱机检测，对变压器油样进行采样，送入仪表进行分析。这是一种传统的变压器预防性测试的方式，也是保证变压器安全工作的一种常用的方法。从整个分析过程来看，技术缺点较多，如测试周期很长，测试误差较大。在石油天然气在线监控技术日趋成熟的今天，通过安装石油天然气在线监控设备，实时监控能够反映出变压器内部油品、固态绝缘失效的主要指标——H2、CO2等，可以弥补现有检测手段的缺陷。变压器油气体在线监测分析原理框图如图2所示。

图2 变压器油气体在线监测分析原理框图

变压器油气体在线监测分析过程是：利用油气分离装置将变压器油中的气体分离出来，并储存在存储装置中，通过气体分解装置将各种气体进行分离，再通过气敏传感器将气体信号转化成电信号，将交流电号转化为直流电号，再将其送入智能单元，对其进行数据运算和分析，最后得到变压器的绝缘状态，以供相关人员参考，或者用作诊断系统的输入信号，如果绝缘状态危害到了安全运行，则可发出报警信号[2]。

石油中溶解性气体的在线检测是一种极具前景的新型检测技术，其研究正朝着更深更高的方向发展。

4.2 变压器绕组变形监测

在配电网络中，变压器作用较为突出，但变压器的绕组容易出现故障。目前，我国电网中的变压器在设计上未能满足国家标准的耐受短路性能，造成了电网的短路容量增加，造成了变压器在遭受短路冲击后的绕组产生了机械变形，而这种变形又因累积效应而进一步扩大，最终造成了变压器的不正常跳闸。现有的各种测试手段都是离线测试，但对其进行准确、实时的测量，可以确保对有缺陷的部件进行及时更换，提高设备使用寿命[3]。

5 检修运维建模

5.1 失效率模型h（t）

在获取了充分的设备状态监控信息和能够反映设备当前状况的信息（如失效史，使用寿命）后，要考虑如何将信息与设备的健康度（即可靠性）联系起来，即可靠性建模问题，目前，国际上已有部分相关研究，常见的研究方式为利用卡尔曼滤波、马尔可夫过程等建模方法。本文选择了故障率作为可靠度，通过故障率的计算实例对维修模式进行了阐述。

比例故障模型能够有效利用装备的状态、使用寿命等数据，对装备的失效率进行预报，按照最小成本、最大可用性等指标进行预防维护决策。该模型能够综合考虑系统的状态信息与系统的使用寿命，能够更科学、更准确地反映系统的运行状况[4]。

5.2 决策目标

维护策略的选择与维护策略的选择密切相关，维护策略的选择与维护策略的选择密切相关，维护策略的选择与维护策略的选择密切相关；最少的期望维护成本：最少的期望停工时间等。决策的目的有如下。

可用性目标：可用性（或可靠性）是一种可能性的可用性测量.可用度的定义是，在任何一个随机时刻，按照规定的条件，以设备在一段时间中正常工作时间所占的百分比，来代表其可用性。即：

式中，MTTF 为运行时间（也就是在发生问题之前的平均使用时间），MTTR 为维护的平均时间。

费用目标包括维修需要消耗材料、备件、人工工时以及由于错工成本及故障所带来的损失，并且如果不能及时进行维修，就会发生故障，从而导致更大的损失。针对维护的基本特征，对维护成本进行了相应分析分析：

一是直接维护成本，主要分为预防性维护成本和失效修理成本。二是为防止修理或失效而必须停止生产所造成的成本[5]。在实际的检修过程中，由于零部件处于不同的工况，其检修成本也有差异，工况愈差，检修成本愈高。利用比例故障模型、统计方法以及专家经验，可以得到维护成本与元件状态之间的关系。在维护过程中，如果若干零件同时进行维护，维护总成本将低于各维护工作单独实施所产生的成本之和。在进行维护成本核算时，应予以考虑。风险目标主要是将失效的发生概率控制在某一特定的区域，提高组件和系统的可靠性，通常把风险目标当作一种约束。

决策目标是决定失效率（失效率）门限的依据，本文将决策目标的表达式与各个已知量相结合，得到相应于各个决策目标的预防性维护的最优时间区间T，基于T，可以从现有的监控数据和故障历史数据中，找到一套与之最近的故障时间和伴随变量数据，得到失效率门限h＊。

5.3 维修决策

以h（t）和h＊为基础，维修原则是，如果设备的故障率h（t）超过了这一阈值h＊，就应该立即进行维修。通过考虑h（t）和h＊的不同关系，可以在仿真平台中画出维修决策曲线，来引导维修的进行，从而给出维修决策。维护决策包含维护时间、维护措施（维护工作）以及维护等级三个方面。工作方式主要包括彻底修理、不彻底修理、最小修理、检查、零件替换以及报废。彻底修理是将设备还原到最初的状态，可修理的范围通常指经过一次大修，可将设备还原；不完整维修是指将设备的功能部分恢复；最小维修通常指在设备发生故障之后，为使设备快速投入使用而进行的修理，这样的修理并不会使设备的功能得到改善，仅是将其恢复到故障之前的状态。