电力电缆线路状态检修的研究.doc

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1、会议手册 王 伟. 电力电缆线路状态检修的研究 293电力电缆线路状态检修的研究 王 伟 国网电力科学研究院 摘 要本文通过对状态检修基本原理定义列举以及经常模糊的概念出发分析和整理了状态检修思路同时从目前已知的各种在线检测方法原理和测量中问题入手从而概括性的解释电力电缆线路开展状态检修的方法和注意事项进而指出状态检修系统需要考虑的问题和今后发展状态检修的有效步骤。 关键字电缆线路状态检修 1 前言 目前电力电缆在我国一些经济发达地区如广州、深圳城市10kV配网电缆化率己高达95以上。电缆线路采用的仍然是计划检修体制和预防性检修之间的检修方式。这种检修虽然有它积极的一面但是也存在着严重缺陷如两

2、个检修之间的电缆线路运行状态就无法得到有效的控制会造成一旦遇到故障必须临时改变计划使得临时性维修频繁其次不能预知电缆线路存在的问题造成维修不足最后对于重要位置电缆线路由于害怕突然的事故从而加大维修计划造成电缆线路维修过剩、盲目维修等这使每年在电缆线路维修方面耗资巨大。目前由于各地供电系统电缆检修人员有限且技术力量有限。怎样合理安排电缆的检修节省检修费用、降低检修成本同时保证系统有较高的可靠性对运维部门来说是一个亟待解决的问题。随着传感技术、微电子、计算机软硬件和数字信号处理技术、人工神经网络、专家系统、模糊理论等综合智能系统在状态监测及故障诊断中应用使基于设备状态监测和先进诊断技术的状态检修研

3、究得到发展成为目前电缆管理、运行、检修中的一个重要研究领域。在电缆线路中推行状态检修的直接效益有节省大量不必要的维修费用降低由于反复检修过程中的人为损伤延长电缆线路使用寿命3减少维护的停电时间4由于掌握了线路运行状态使得电缆线路的供电可靠性提高。 2 状态、状态变化、状态参数、各种检修的定义 2.1 状态 从所论及的对象而言“状态”指设备达到其应有的性能和功能的能力或水平。能达到的为正常状态不能或不完全能达到的为不正常或局部不正常状态。 2.2 状态的变化 对状态检修而言“状态的变化”是指相对于某种标准状态或正常状态的差异。这种变化或差异往往都是经过一个较长时间的渐变过程产生的也可能是由检修质

4、量不良所引起。它不同于因某种偶然的或异常的因素变化引起的故障 状态 。 2.3 状态参数 状态参数是能表示电缆线路的全部、部分或其某项功能、性能或参数的状态的数据、图表和曲线的总称。监测系统测得的数据可以是状态参数但一般不是状态参数的全部也不一定是状态参数的主要部分。 2.4 状态检修 所谓状态检修就是根据电缆功能和性能即状态的劣化程度实施对电缆的检修。对电缆线路状态进行在线监测和定期巡检同时结合需事先确定的一个标准当电缆状态的变化达到或超过这个标准时就确定对该电缆线路进行检修这种检修方式解决了多年来在预防性检修中存在检修过剩或检修不足的问题可以节约大量的检修费用和资源并提高设备的可靠性。 2

5、.5 故障检修 在故障已出现后为把设备恢复到能完成要求功能的状态而进行的检修简言之故障发生后才进行检修。 2.6 预防性检修 在预定的停电时间、按照规定要求进行的检修这种检修旨在降低故障可能性或功能的劣化。即在故障发生之前、功能明显劣化之前进行检修以预防故障的发生。 2.7 定期计划检修 或叫做基于时间的检修它的理论依据是设备能通过定期检修周期性地恢复至接近新设备的状态。检修工作的内容与周期都是预先设定的到时间就修目的是防止或延迟故障的发生。这种检2010电力电缆状态检修技术交流会会议手册 294 修主要用于变压器等的大型设备例如变压器油的定期更换。 2.8 主动检修 根据设备已经出现的异常参

6、数寻找异常的根本原因修改设计或对设备进行改造消除故障发生的可能性这是一种非常主动的、积极的检修方式。 状态检修和主动检修都要对一些参数进行监测区别在于主动检修监测的是参数的异常这些异常出现时设备尚未发生实质性故障但若这些异常不得到及时纠正则会引发实质性故障即会发生材料的劣化或设备性能的下降。而状态检修中所监测的是实质性故障的征兆这时设备已处于初始故障阶段。 2.9 以可靠性为中心的检修1 通过一套特殊的程序来为设备和零件确定有效的、经济的预防检修任务并规定检修或监测间隔的一种系统方法。所谓的“特殊的程序”是一套工作方法或是分析方法先选择要进行分析的系统明确系统的边界、功能进行故障模式和后果分析

7、逻辑树分析最后选择合适的检修方式。 主动检修属于状态检修的范畴而以可靠性为中心的检修是状态检修的发展和完善。 3 确定电缆线路状态检修的基本方式 3.1 人工方式 由工程师根据监测系统提供的数据确定是否进行检修以及检修内容和检修工艺。这是状态检修的初级阶段也将是目前主要的方式。 3.2 自动方式 由状态诊断专家系统分析、确定是否检修。检修内容和检修工艺是“状态检修”的高级阶段是高科技、高技术在状态检修中应用的最高境界。 3.3 实现状态检修的基本条件 实现状态检修最基本的条件是:对引起状态变化原因、机理和影响因素的正确认识和判断对自动方式还要有完善及完整的状态诊断专家系统。 4 电缆运行全寿命

8、理论4 4.1 故障和缺陷的发展规律 一般情况下新安装电缆线路的故障或缺陷由于安装质量方面的问题、电缆和附件本身存在的薄弱环节、设计和工艺等方面的缺陷等在开始投运的一段时间内暴露的问题比较多随着消缺后运行时间的增长而近于平缓运行一定时间后随着电缆绝缘老化逐步暴露的缺陷开始增加呈现出一条趋近于浴盆曲线的图形参见图1a。经常性的定期检修使常规的运行浴盆曲线规律发生了变化每检修一次出现一次新的磨合期使检修后的故障率可能有所增高或出现不稳定现象。参见图1b。图1a 常规运行时间变化的设备故障率曲线 图1b 多次定期检修可能形成的设备故障率曲线。 图1 电缆运行全寿命及故障率的关系 4.2 电缆寿命的规

9、律P-F曲线 大多故障一般不会在瞬间发生并且在寿命下降到潜在故障P点以后才逐步发展成能够探测到的故障参见图2电缆全寿命时间与运行状态之间的 图2 功能退化的P-F曲线 会议手册 王 伟. 电力电缆线路状态检修的研究 295关系。之后将会加速老化的进程直到达到寿命终止F点而发生事故。这种从潜在故障发展到寿命终止之间的时间间隔被称为P-F间隔。 如果想在寿命终止前检测到故障必须在P-F之间的时间间隔内完成。由于各种故障形式、各种故障特点对应于P-F间隔的时间是不确定值可能是几个小时也可能是几个月或几年不等因此定期检修一般情况下不可能都满足P-F间隔的时间要求从而导致故障的时常发生。而有效的在线监测

10、就可能捕捉到P-F间隔的整个发展过程并在到达寿命F点之前的合理时机采取措施进行检修处理。 4.3 检修与故障的特定联系 传统观点认为电缆运行和发生的故障是有直接关系的这意味着电缆可以可靠地工作一个周期然后逐步发生故障或缺陷。因此可以从故障的历史数据中确定可靠工作的周期并在即将出现故障之前采取检修预防措施。然而电缆线路有其特殊的一面电缆特别是运行中的电缆和附件以及各个部件一旦安装到位每一次的检修都会在检修部位留下不稳定的痕迹例如检修后接地电缆连接发生变化特别是接触电阻增大将会对整个电缆线路的安全运行造成隐患检修时移动电缆或附件对绝缘稳定性造成问题等。这些变化在历史数据中是不能得到确定的从而电缆线

11、路当前的可靠性也就无法确定同时电缆线路中各个环节很复杂因此其故障模式也发生了很大的变化。这使我们看到电缆运行可靠性与运行时间之间不总存在某种固定的关系也使得定期检修越频繁发生缺陷越少的观点是错误的。实践证明除与运行时间有关的故障模式占主导地位以外定期检修可能增加或新增发生故障或缺陷的机率降低运行的可靠性特别是在我们现有技术力量和人员素质下发生这种可能性是很大的。 5 状态检修技术的必备条件 状态检修的必要条件主要包括3个方面的内容即设备寿命管理与预测技术、设备可靠性分析技术、信息管理与决策技。 5.1 寿命管理与预测技术4 电缆线路运行时间达到2530年左右或运行中频发事故时这种情况迫使我们开

12、始考虑如何延长寿命并保证效益问题。电缆线路从投运到寿命终止的全过程的各项技术数据和状态都应该列纳入管理台账中作为今后的参考其次通过数据反映出的问题应该建立专家库比较分析对电缆线路今后的发展状态进行预测状态检修中寿命预测与评估技术是通过管理采集的数据群和在线监测系统获得的数据经过专家系统和经验分析对电缆线路的今后应用可能出现的问题做出提前的预测有利于科学合理地安排检修和提高设备的可用率。目前电缆线路是城市中输出电能的主要通道且由于电缆的技术和相关知识不够普遍对于它的各项技术特性还不甚了解而用户要求提高供电可靠性呼声却越来越高因此我们应该开始把寿命预测和评估研究的重点放在电缆线路上。 5.2 可靠

13、性评估技术3 传统可靠性评估均是基于威布尔得出的浴盆曲线法。但此法只适用于常规性故障例如制造缺陷、材料缺陷、安装敷设缺陷等且精确度不高应将可靠性预测理论和强度及寿命理论结合起来综合考虑影响电缆线路部件故障的各种因素特别是电缆运行后不良运行环境、不良运行状态、不良检修等对线路可靠性影响极大另外还应运用统计方法分析从反映运行可靠性的指标体系出发对运行可靠性进行分析提出综合可靠性水平的评估方法。 5.3 信息管理与决策技术。 状态检修作为一种先进的检修体制是与多方面的管理工作分不开的电缆线路的信息管理和寿命管理类似但是它的信息数据更加具体更加详尽具体说就是从电缆的制造原材料、工艺、出厂一直到电缆运行

14、的全过程记录进行归档。另外世界各国从不同的管理目标出发形成了不同的决策管理系统图3为状态检修的一个简化决策流程。一种是建立在长期检修计划的基础上从寿命周期费用着手使用劣化模型的数学形式来估计电缆将来状态的一种检修管理系统。旨在考虑预算及其状态的情况下通过检修费用的优选降低总费用。一种是在考虑市场情况及技术条件的前提下包括状态检修在内的多种策略均衡的检修管理系统的基础下引入诊断专家系统使可靠性和安全性达到可接受的水平。一种是将工人或供货商的管理层所有功能融为一体以减少中间环节的管理模式。 6 状态信息的构成 状态检修的基础在于状态监测和分析而状态分析的基础是状态信息。状态信息包括预防性试验、不良

15、运行环境记录、缺陷记录、检修记录、家族质量记录、在线监测等几个方面。过去在我们日常的设备管理中这些状态信息彼此隔离或无记录这不利于全面的状态分析。首先过去预防性试验以预防性试验规程为主没有考虑其它方法数2010电力电缆状态检修技术交流会会议手册 296 据。但现在我们应考虑使用近年来发展的新的试验技术获得的数据如变频试验0.1Hz试验振荡波试验红外和紫检测局部放电试验环流和接地电流检测等都可以获得电缆各个方面运行数据。再者不良运行环境因线路不同而异如过负荷过负荷程度和持续时间、侵入波幅值和陡度、环流电流大小和发热量、多电缆共沟隧道运行对载流量的影响、负荷电流的幅值、持续时间等等。缺陷记录指从出

16、厂试验、交接试验和运行过程中发现的各种异常和缺陷包括非绝缘性缺陷如外力环境变化接地电流异常等。检修记录主要反映检修历史如何种原因检修、何种性质的检修、检修中发现的问题与检修前评估的一致性、检修的效果等。家族质量记录主要基于这样一个概念同一电缆线路、和有不同制造商的电缆线路往往有不同的质量弱点家族质量记录应对其它线路有警示作用。可以用已有在线监测的信息作为状态信息的主要部分进行综合分析。 7 状态分析方法67 状态分析有时不可能准确诊断电缆存在何种缺陷状态分析的目的是基于电缆的状态信息对状态做出一个初步的评价它是状态检修的一个依据。对于不良状态的缺陷原因、性质需针对每个线路进行深入分析。我们可以

17、采用不列出具体缺陷而是对状态进行评分的方法分值从0到100这里0分表示极端状态下需要立检修的严重缺陷状态如电缆附件内已经出现严重局部放电声等100则表示所有状态信息均符合标准值且没有经历不良运行环境又没有家族质量缺陷纪录其他状态介于0-100分之间。 为了使各类电缆线路有一个相近的标准状态与评分应进行必要的规范表1 是状态与评分一个划分范围。状态评分立足于电缆线路状态信息状态信息分以下三个方面状态试验数据如在线监测、预防性试验、交接试验等、不良运行环境记录和家族质量缺陷记录。 7.1 综合试验评分值 对电缆线路已经完成的若干个试验进行评分并按项目的重要性进行加权处理参见式1可以得到一个综合试验

18、分值 iimimilililiWNWr111 1 式1中N1iW1i分别表示试验项目评分及权重。试验项目评分打破了要么合格要么不合格的评价体制例如高压电缆绝缘外护套规程仅给出了0.5M/km值小于0.5M/km视为不合格。容易理解0.55M/km和5M/km虽然都算合格但反映出电缆护层的状态并不相同。此外运行了十年的电缆逐年缓慢达到0.55M/km 和运行了一年就达到0.55M/km反映出电缆护套的状态是不相同的。要区别这些不同引入百分制是一种可行的方法。推荐的试验项目评分值如表1所示。 表1 电缆线路状态及评分标准 评分030 3155 5675 768586100检修状态立即安排检修 尽快

19、3个月内检修计划检修周期内加倍检修 计划性检修 状态检修 运行状态超过注意值或劣化趋势非常明显已基本判定电缆线路有问题 超过注意值但劣化趋势一般不足以判定电缆线路有问题 接近注意值且预报下一次维护时将超过注意值 远未达到注意值没有明显的劣化趋势 接近出厂值或交接试验值或连续数次试验稳定 缺陷描述对电缆线缆安全运行有严重现实威胁应马上处理 对电缆线缆安全运行有严重现实威胁应尽快安排处理 对电缆线缆安全运行有潜在威胁需安排处理 基本不影响电缆线路的安全运行 没有或基本不影响电缆线路的安全运行 在项目评分的具体操作中要考虑以下几个方面的因素1 初始值。除目前预防性试验规程中给出的试验值仍然适用外还应

20、增加出厂值和定期计划检修所取得的值2 绝缘的劣化评价。理论上讲反映运行状态的试验值总是在劣化中的但不同的是个体劣化速率可能不同。对于那些明显偏离同类的状态量值应确定为超常劣化3 状态量预警值。即根据历史数值按一定的规则预报下一次检修前状态量达到的数值。预警值可以是线性外推、或依据以往数据确定外推方法或依时间序列分析。在制订预警方法时要考虑可预警的条件和置信度。上述三点作为项目评分的依据。具体分值的准确性是一个发展过程不可能一蹴而就我们应根据对电缆线路的认识和技术的发展进行修会议手册 王 伟. 电力电缆线路状态检修的研究 297正。 至于权重W1i的确定应依试验项目对反应状态的准确度和重要性来确

21、定权重的确定过程也是一个不断总结、提高和发展的过程。 7.2 家族质量缺陷因子k1 家族质量缺陷记录是影响设备维护策略的重要方面。但缺陷的性质、家族的亲疏关系等不同影响的程度也不同这一影响可以表达为 22112221100mjmjjjjWNWk 2 式2中W2jN2j分别表示家族质量缺陷记录评分及权重m2表示家族缺陷总台次数若设备无缺陷缺陷评分为100。参见表1和表2。 表2 家族质量缺陷权重W2j 家族的亲疏关系 同制造厂同型号电缆回路数同制造厂同型电缆 同制造厂同电压等级 权重 3n 2n 1.5n n为重复性缺陷条数 上表中n指相同的缺陷重复出现的次数。 7.3 不良运行环境影响因子k2

22、 不良运行环境会对电缆线路状态造成威胁在考虑维护策略时必须考虑是否有不良运行环境记录。不良运行环境的影响可按式3给出一个综合影响因子k2。 3132miknk 3 式3中n3k表示不良环境记录评分根据不良环境对电缆状态潜在影响的大小性质和程度n3k取值从0到1m3表示不良运行环境发生次数。考虑不良运行环境记录时暂不考虑是否实际对电缆造成损害只要发生这样的情况而且在程度上已有可能对电缆状态造成损害便记录并参与式3的评分。若无法得到不良运行环境记录忽略此项k21。或取统计平均值。 7.4 设备维护策略因子r的确定 r1、k1、k2决定设备的维护策略。由于r1、k1、k2是独立的且均为决定维护策略的

23、重要因素故此总的电缆维护策略因子r可以表达为 eWkkrr211 4 上式中We表示设备岗位权重按岗位的重要性依次分为0.82、0.91、1.0。对于不同电缆线路上列各式可以有不同的形式但为了对电缆线路统一处理r的取值约定在0-100之间并大致符合表1的要求。 8 从在线监测到状态检修 8.1 原则、框图 在线监测不是状态检修从在线监测到状态检修要经过几个关键性和原则性的阶段它们也是实现状态检修需进行的主要工作。附图为表示这些阶段的示意图。 图3 实现状态检修流程示意图 8.2 状态监测的基础 对电缆线路进行在线监测是实现状态检修的基础和基本条件。在线监测系统的性能和功能应满足状态诊断的需要。

24、对不同电缆线路状态的参数可能是不同的需根据具体情况确定。根据不同条件和不同需要确定在线监测系统的性能和功能这是一个基本原则。 8.3 数据分析 由于每种在线监测系统提供的数据仅仅是表示电缆线路状态参数的一部分而且也不一定是状态参数的主要部分因此需对在线监测系统记录的原始信号进行再分析以提供更多的或足够的信息满足状态表示的需要。 如果某在线监测系统已配备了数据分析软件就可进行这种分析了。数据分析的结果归纳起来可以用以下3种方式表达即:数据、图表和曲线。某条电缆线路的某个状态需要用哪些参数来表示需要具体的、逐一的确定。 8.4 状态参数的确定 确定状态参数是进行状态诊断重要的第一步。状态参数的确定

25、需要对电缆线路现有的状态、以及状态的变化可能发生的故障的机理、影响因素等有一个清楚的认识需要对每条电缆及每个配件的特征值或特性具体确定。例如接地线中的电流状态 每相电流和引出接地线中的电流状态参数就不一定相同 即使是相同的参数所包含的意义也不完全一样例如 接地线中的电流除受电缆本身电容电流的影响外 还与护套完好、接地方式和护层2010电力电缆状态检修技术交流会会议手册 298 保护器位置等有关 而电容电流只和电缆结构有关。这表明影响它们的因素是不同的相同因素的作用也有直接和间接之分。这些区别在状态参数上就应当和必需有所反映。 8.5 标准状态和状态的变化 标准状态就是电缆线路能达到其性能和功能

26、的正常工作状态。但正常状态也不是一成不变的。例如每次线路检修后的状态都可以作为新的标准状态。掌握这些状态将有助于判断和确定相同或相近的过程或故障。状态的变化是相对于标准状态而言的标准状态是状态变化的起始点。状态的变化用状态参数的变化来表示通过用与标准状态下的参数的对比来判断。正常情况下 状态的变化是一个渐变过程。因此这种变化除用状态参数的变化表示外 还可以用趋势分析结果来表示。 8.6 状态 变化 诊断和专家系统2 对状态及其变化的诊断是实现状态检修的核心技术。其目的就是确定状态发生变化的原因、机理、影响因素找出缺陷的根源所在为检修指明方向。能完成这项工作的软件就叫状态诊断专家系统。专家系统应具有理论描述的电缆运行状态和由于安装敷设、检修等引起的新状态机理原因并能自动对比分析与标准之间的关系以及缺陷的等级分类从广意来说建立专家系统是一项复杂的工作。反之使用人力来判断上述因素就会带来主观和人为因素所得的结果不能作为检修的指导。 8.7 现有几种在线监测系统及问题5 目前常用的在线监测系统形式多样监测的内容也各不相同但是将它们从测量的内容来分有测量介质损耗绝缘电阻局部放电直流分量等从接线方式来说有叠加特性波形测量从接地线.