CN103714493B - Sf6断路器剩余寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SF₆断路器剩余寿命评估方法，属于断路器技术领域。本方法通过分析影响断路器寿命评估的因素，确立用于断路器剩余寿命评估的信息量，按照项目所建模型将状态量分为基本参数、运行参数、缺陷管理参数三大类，并用层次分析法确定各状态量的权重分配，建立基于健康指数公式的断路器三层并列寿命评估模型，用所建立的模型对断路器的健康水平指数、剩余寿命、故障概率进行分析和计算。本发明提供了一种在非完全寿命试验下对高压断路器寿命的判别方法,该方法对寿命周期较长的产品尤为适用。为节约电力系统运行成本并提高电力系统运行的安全提供了可能。

Description

SF6断路器剩余寿命评估方法

技术领域

本发明属于断路器技术领域，涉及一种SF₆断路器剩余寿命评估方法。

背景技术

断路器是整个电力系统中极为重要的设备，其安全运行至关重要，由于断路器设计、制造、材料质量和运行等诸多方面的原因，设备的故障时有发生，严重影响了电网的安全稳定运行。有关统计表明变电站的维护费用很大一部分花在了断路器的修理和例行维护上。对于断路器哪些部件，运行多长时间需要更换，仍是一个有争议的问题，事实上在目前比较保守的计划检修中，时常发生许多部件在运行许多年后更新时性能依旧良好的情况，另一方面，存在由于没有及时发现，某一部件出现缺陷而导致电网事故的情况也时有发生。因此，能够了解断路器的状态，减少过早或不必要的停电实验和检修，做到应修则修，就可显著提高电力系统的可靠性和经济性。

近几年来对于断路器剩余寿命的研究比较少，原因在于影响断路器寿命的随机因素很多,比如，不同产品的灭弧室内部结构存在相异,因而对同样大小的开断电流表现出不同的电磨损，即使是同一产品在不同试验站也有不同的试验结果。根据目前国内外对SF₆断路器寿命评估方面的研究工作，虽有SF₆断路器寿命评估一定的相关研究成果，但绝大多数属于单一功能或者只能评估电寿命，缺乏系统的、综合的SF₆断路器剩余寿命评估方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种SF₆断路器剩余寿命评估方法，通过分析影响断路器寿命评估的因素，确立用于断路器剩余寿命评估的信息量，按照项目所建模型将状态量分为基本参数、运行参数、缺陷管理参数三大类，并用层次分析法确定各状态量的权重分配，建立基于健康指数公式的断路器三层并列寿命评估模型，用所建立的模型对断路器的健康水平指数、剩余寿命、故障概率进行分析和计算。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种SF₆断路器剩余寿命评估方法，将断路器状态评估模型分为三级，通过一级寿命评估结果HI₁、二级寿命评估结果HI₂、三级寿命评估结果HI₃得到断路器最终健康指数HI，并通过公式：

评估最终得出健康指数HI、剩余寿命L和可能故 障率POF，其中：HI₀为设备的初始健康水平指数，HI为设备的最终健康水平指数，B为老化系数，T₁为与全新设备HI₀对应的年份，T₂为与所要计算的HI对应的年份。

进一步，一级寿命评估结果HI₁通过下式进行确定：

其中，T₂–T₁为基于断路器设计运行年限的预期运行年限T’，HI₀为设备的初始健康水平指数，取0.95；所述预期运行年限T’根据设备的厂家和型号规格设定的预期使用寿命T_exp、负荷系数f_L和环境系数f_E采用以下公式进行确定：T’=T_exp(f_L*f_E)；所述老化系数B采用以下公式进行确定：其中HI为退役时的最终健康指数，取0.35，

$B=\frac{\ln (1-\mathrm{HI})-\ln (1-{\mathrm{HI}}_0)}{T_2-T_1}.$

进一步，二级寿命评估结果HI₂根据以下因素进行确定：断路器本身的基础情况、运行试验情况、家族缺陷评估情况、不良工况；采用以下公式确定HI₂的值：HI₂=G/100，其中：

G＝(w₁b+w₂T)×E×F，

E为不良工况评分，F为家族缺陷评分，T为运行试验评分，b为断路器本身的基础情况评分，w₁、w₂分别为基础情况与运行试验两个评分指标量的权重。

进一步，三级寿命评估结果HI₃是对前两级评估结果的修正，根据由断路器主体及部件反映出来的实际运行状况信息、断路器曾经发生的故障及维修情况，对断路器健康情况进行修正；部件状态、缺陷情况用三个系数R_i、R_A、R_B表示，R_i为各部件可靠性得分，选用由断路器主体及部件反映出来的实际运行状况信息以威布尔分布为基础，统计四类部件失效模式各自的概率密度函数和累计概率密度函数；R_A是故障及维修系数，是由变压器前期的故障、缺陷情况，结合工区的维修、更换配件情况得到的；部件状态修正系数R_B由断路器本体、操作机构、并联电容器、合闸电阻4个部分的外观状况得到；所述各部件可靠性得分根据缺陷管理中的部件失效次数与运行时间的统计情况，基于威布尔分布拟合出形状参数的值，并得出失效累积概率密度函数F(x)，则可靠性得分为：R(x)=1-F(x)；缺陷修正系数根据断路器过去的缺陷管理情况，统计一般缺陷、严重缺陷、危急缺陷各自的次数，利用公式R_A＝Σ(P_i×F_i)得到，其中：R_A为设备的风险得分，P_i为设备不同性质的缺陷概率：各自发生的次数/总缺陷次数，F_i为相应缺陷的损失程度，一般缺陷取1，严重缺陷为3，危急缺陷取5；得到三级寿命评估结果HI₃，HI₃=R_i*R_A*R_B，i=1，2，3，4。

进一步，根据以下公式确定断路器健康指数HI：HI=a*HI₁+b*HI₂+c*HI₃，其中a、b、c是 权重系数；剩余寿命L由以下公式计算得到：其中：B为该评估设备老化系数，HI_end为该设备寿命终结的健康水平指数。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种在非完全寿命试验下对高压断路器寿命的判别方法,该方法对寿命周期较长的产品尤为适用。为节约电力系统运行成本并提高电力系统运行的安全提供了可能。

具体实施方式

本发明所述方法的具体步骤如下：

1）将断路器状态评估模型分为三级，通过一级寿命评估结果HI₁、二级寿命评估结果HI₂、三级寿命评估结果HI₃得到断路器最终健康指数HI，进一步得到剩余寿命L和故障概率P。

2）在评估模型中引入了断路器健康指数计算公式，断路器寿命健康水平状况与老化时间的关系可表示为：

HI₀—设备的初始健康水平指数，HI—设备的最终健康水平指数，B—老化系数，T₁—与全新设备HI₀对应的年份，一般为设备投运年份，T₂—与所要计算的HI对应的年份，可为当前年份，也可为未来年份。

3）一级健康指数的确定：第一级评估模型选用对断路器状态最重要的指标，这些指标直接反映断路器主体的健康状况、投运的时间长短及此期间健康值损失。

4）设备预期寿命T，的确定：根据设备的厂家和型号规格设定一个设计的使用寿命T_exp，再利用负荷系数f_L和环境系数f_E对其进行修正。

T’=T_exp(f_L*f_E)

5）负荷系数f_L的确定：负荷系数表参照表1。

表1

断路器负荷率	负荷系数
		0-40%	1
40%-60%	1.05
		60%-70%	1.1
70%-80%	1.25
		80%-150%	1.6

6）环境系数f_E的确定：环境等级参考表2，环境系数参照表3。

表2：环境恶劣等级确定

表3：断路器环境系数表

环境恶劣等级	环境系数
		1	1
2	1
		3	1.05
4	1.15
		5	1.3

7）老化系数B₀的确定：

$B=\frac{\ln (1-\mathrm{HI})-\ln (1-{\mathrm{HI}}_0)}{T_2-T_1}.$

T₂–T₁为基于断路器设计运行年限的预期运行年限T’。HI为退役时的最终健康指数，取0.35；HI₀为投运时的初始健康指数，取0.95。

8）由下式可得HI1的值。此处T2–T1是设备投运年限。

$1-{\mathrm{HI}}_1=(1-{\mathrm{HI}}_0)\×e^{B(T_2-T_1)}$

9）二级健康指数的确定：二级评估主要是间接的根据试验信息对断路器开展状态评估，包括基础评分、运行试验评分、家族缺陷统计评分、不良工况评分。

10）基础评分B：为基础评分依据《国家电网公司输变电设备状态评价导则汇编》得到。

11）试验评分T：采用了基于区间域的可拓评估方法，建立了多指标综合的设备运行状态综合评估的物元模型。

12）不良工况评分E，依据《国家电网公司输变电设备状态评价导则汇编》得到。对于断路器暂考虑开断短路电流一种不良工况。

13）家族缺陷评分F，依据《国家电网公司输变电设备状态评价导则汇编》得到。

14）高压断路器的状态评估评分G为：

G＝(w₁B+w₂T)×E×F

HI₂=G/100。

15）三级健康指数HI₃的确定：三级评估模型主要是对前两级评估的结果的修正，选用由断路器主体及部件反映出来的实际运行状况信息，断路器曾经发生的故障及维修情况，从而对断路器健康情况进行合理修正。

16）部件状态、缺陷情况用三个系数R_i、R_A、R_B。R_i各个部件可靠性得分选用由断路器主体及部件反映出来的实际运行状况信息以威布尔分布为基础，统计四类部件失效模式各自的概率密度函数和累计概率密度函数；R_A是故障及维修系数，是由变压器前期的故障、缺陷情况，结合工区的维修、更换配件等情况得到的；部件状态修正系数R_B由断路器本体、操作机构、并联电容器、合闸电阻4个部分的外观状况所得。

17）各个部件可靠性得分：根据缺陷管理中的部件失效次数与运行时间的统计情况，基于威布尔分布拟合出形状参数的值，并得出失效累积概率密度函数F(x)，则可靠性得分为R(x)=1-F(x)。

18）缺陷修正系数：根据断路器过去的缺陷管理情况，统计一般缺陷、严重缺陷、危急缺陷各自的次数，利用公式R_A＝Σ(P_i×F_i)，其中：R_A为设备的风险得分，P_i为设备不同性质的缺陷概率：各自发生的次数/总缺陷次数，F_i为相应缺陷的损失程度，一般缺陷取1，严重缺陷为3，危急缺陷取5。参照表4得到缺陷修正系数

表4缺陷修正系数

缺陷风险RA	0-1	1-2	2-3	3-4	4-5
						修正系数R1	0.95	0.90	0.85	0.8	0.70

19）部件状态修正系数：参考表6状态评价结果，然后各自的修正系数R_B分别是：正常取1，注意取0.9，异常取0.7，严重取0.6。

表5部件评价结果

20）三级健康指数HI3：4个部件的可靠性得分R₁、R₂、R₃、R₄，三级健康指数HI₃=R_i*R_A*R_B，（i=1，2，3，4，）。

21）健康指数的确定：HI=a*HI₁+b*HI₂+c*HI₃，其中a、b、c是权重系数，专家权重打分后用层次分析法确定最终权重；

剩余寿命L和故障率P，由公式(7)计算得到寿命：

$L=\frac{\ln (1-{\mathrm{HI}}_{\mathrm{end}})-\ln (1-\mathrm{HI})}{B}$

故障发生概率与健康水平指数呈负指数关系，即：POF＝K×e^-c*(1-HI)

K、C为项目相关系数，此处用最小二乘法拟合得出K=0.57，C=1.34；HI为健康水平指数。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种SF₆断路器剩余寿命评估方法，其特征在于：将断路器状态评估模型分为三级，通过一级寿命评估结果HI₁、二级寿命评估结果HI₂、三级寿命评估结果HI₃得到断路器最终健康指数HI，并通过公式：

评估最终得出健康指数HI、剩余寿命L和可能故障率POF，其中：HI₀为设备的初始健康水平指数，HI为设备的最终健康水平指数，B为老化系数，T₁为与全新设备HI₀对应的年份，T₂为与所要计算的HI对应的年份；

一级寿命评估结果HI₁通过下式进行确定：

其中，T₂–T₁为基于断路器设计运行年限的预期运行年限T’，HI₀为设备的初始健康水平指数，取0.95；

所述预期运行年限T’根据设备的厂家和型号规格设定的预期使用寿命T_exp、负荷系数f_L和环境系数f_E采用以下公式进行确定：T’＝T_exp(f_L*f_E)；

所述老化系数B采用以下公式进行确定：其中HI为退役时的最终健康指数，取0.35，

$B=\frac{ln(1-HI)-ln(1-{\mathrm{HI}}_0)}{T_2-T_1};$

二级寿命评估结果HI₂根据以下因素进行确定：断路器本身的基础情况、运行试验情况、家族缺陷评估情况、不良工况；采用以下公式确定HI₂的值：HI₂＝G/100，其中：

G＝(w₁b+w₂T)×E×F，

E为不良工况评分，F为家族缺陷评分，T为运行试验评分，b为断路器本身的基础情况评分，w₁、w₂分别为基础情况与运行试验两个评分指标量的权重；

三级寿命评估结果HI₃是对前两级评估结果的修正，根据由断路器主体及部件反映出来的实际运行状况信息、断路器曾经发生的故障及维修情况，对断路器健康情况进行修正；部件状态、缺陷情况用三个系数R_i、R_A、R_B表示，R_i为各部件可靠性得分，选用由断路器主体及部件反映出来的实际运行状况信息以威布尔分布为基础，统计四类部件失效模式各自的概率密度函数和累计概率密度函数；R_A是故障及维修系数，是由变压器前期的故障、缺陷情况，结合工区的维修、更换配件情况得到的；部件状态修正系数R_B由断路器本体、操作机构、并联电容器、合闸电阻4个部分的外观状况得到；所述各部件可靠性得分根据缺陷管理中的部件失效次数与运行时间的统计情况，基于威布尔分布拟合出形状参数的值，并得出失效累积概率密度函数F(x)，则可靠性得分为：R(x)＝1-F(x)；缺陷修正系数根据断路器过去的缺陷管理情况，统计一般缺陷、严重缺陷、危急缺陷各自的次数，利用公式R_A＝∑(P_i×F_i)得到，其中：R_A为设备的风险得分，P_i为设备不同性质的缺陷概率：各自发生的次数/总缺陷次数，F_i为相应缺陷的损失程度，一般缺陷取1，严重缺陷为3，危急缺陷取5；得到三级寿命评估结果HI₃，HI₃＝R_i*R_A*R_B，i＝1，2，3，4。

2.根据权利要求1所述的一种SF₆断路器剩余寿命评估方法，其特征在于：根据以下公式确定断路器健康指数HI：HI＝a*HI₁+b*HI₂+c*HI₃，其中a、b、c是权重系数；剩余寿命L由以下公式计算得到：其中：HI_end为该设备寿命终结的健康水平指数。