CN107907556A - 一种电气设备外壳的寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电气设备外壳的寿命评估方法，该方法为采用X射线荧光光谱法检测电气设备中外壳的金属部件的金属元素；根据电气设备外壳的健康水平指数确定电气设备外壳的老化常数；修正电气设备外壳预期运行年限；计算电气设备老化健康水平指数；根据电气设备缺陷及元素含量对电气设备老化健康水平指数进行修正；根据电气设备外壳的老化常数和修正后的电气设备老化健康水平指数计算电气设备剩余使用寿命EOL；采用X射线荧光光谱法来检测电气设备中外壳等金属部件的金属元素含量分析迅速，节省时间，并且可以多种元素同时分析，为快速检测提供了保障。

Description

一种电气设备外壳的寿命评估方法

技术领域

本发明属于电气设备寿命评估技术领域，具体涉及一种电气设备外壳的寿命评估方法。

背景技术

在电力系统中，入网物资质量的优劣直接决定电网是否安全稳定，物资管理工作是电网建设的重要步骤，随着中国经济的高速发展和电网建设水平的不断提高，国家电网公司的经营管理也进入新的发展阶段，与电网公司相关的企业内部结构和外部环境也发生了根本性变化。电力物资采购过程中，受供应商本身技术条件和工艺水平限制，或供应商采购的配套元器件或材料的缺陷，以及供应商为减少成本故意造成产品质量下降等因素的影响，供应商的产品质量参差不齐。为防止不合格产品蒙混过关，流入电网，造成质量风险，必须加强对入网物资进行质量监督和有效管理，按照制定的规章制度进行检测和验收。

传统的电网物资质量管理，主要以到货验收、现场交接试验等方式为主，具有良好的效果，但其涉及的物资范围有限，开展的检测项目少，检测周期长。为加强对入网物资质量的监督，研究物资抽检现场的柔性服务，对缩短电气设备机械调试周期，提高检测效率，实现设备普检，为电气设备性能评估、合理使用和安全工作提供基本信息和科学依据，达到了解和掌握设备状态，对弥补现有电气设备诊断方法的不足具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种电气设备外壳的寿命评估方法。

一种电气设备外壳的寿命评估方法，包括以下步骤：

步骤1：采用X射线荧光光谱法检测电气设备中外壳的金属部件的金属元素：

步骤2：根据电气设备外壳处于寿命终结状态的健康水平指数HI_e和电气设备外壳初始健康水平指数HI₀，确定电气设备外壳的老化常数B；

所述电气设备外壳的老化常数B的计算公式如下所示：

其中，T_exp为电气设备外壳设计运行年限的预期运行年限；

步骤3：根据电气设备运行中的负荷和环境对电气设备外壳设计运行年限的预期运行年限进行修正，得到修正后的电气设备外壳预期运行年限T_1exp；

步骤3.1：根据电气设备变压器运行中所承载的平均负荷与变压器额定容量之比确定电气设备变压器负荷率β；

步骤3.2：根据电气设备变压器负荷率β对电气设备进行划分，得到电气设备外壳负荷系数F_L；

步骤3.3：根据电气设备周围环境恶劣等级，对电气设备环境继续划分，得到电气设备环境系数F_E；

步骤3.4：根据电气设备外壳负荷系数F_L和电气设备环境系数F_E对电气设备外壳设计运行年限的预期运行年限进行修正，得到修正后的电气设备外壳预期运行年限T_1exp；

所述修正后的电气设备外壳预期运行年限T_1exp的计算公式如下所示：

步骤4：根据修正后的电气设备外壳预期运行年限T_1exp计算电气设备老化健康水平指数HI₁；

所述电气设备老化健康水平指数HI₁的计算公式如下所示：

步骤5：根据电气设备缺陷及元素含量对电气设备老化健康水平指数HI₁进行修正得到修正后的电气设备老化健康水平指数HI_c；

步骤5.1：根据电气设备变压器缺陷划分缺陷等级和缺陷基数，根据划分的缺陷等级出现的次数与其对应的基数的乘积的总和作为缺陷修正系数F₁；

步骤5.2：根据电气设备变压器外壳的金属部件的特征元素含量占设备主元素含量的百分比确定元素修正系数F₂；

步骤5.3：根据缺陷修正系数F₁和元素修正系数F₂对电气设备老化健康水平指数HI₁进行修正得到修正后的电气设备老化健康水平指数HI_c；

所述的修正后的电气设备老化健康水平指数HI_c的计算公式如下所示：

HI_c＝HI₁×F₁×F₂；

步骤6：根据电气设备外壳的老化常数B和修正后的电气设备老化健康水平指数HI_c计算电气设备剩余使用寿命EOL；

所述剩余使用寿命EOL的计算公式如下所示：

EOL＝ln(HI_l/HI_c)/B；

其中，HI_l为电气设备外壳寿命终结极限状态的健康水平指数。

所述健康水平指数的取值范围为0-10，电气设备外壳处于寿命终结状态的健康水平指数HI_e为6.5，所述电气设备外壳初始健康水平指数HI₀为0.5，所述电气设备外壳寿命终结极限状态的健康水平指数HI_l为7。

本发明的有益效果：

本发明提出一种电气设备外壳的寿命评估方法，本发明方法采用X射线荧光光谱法，与传统方法相比，采用X射线荧光光谱法来检测电气设备中外壳等金属部件的金属元素含量分析迅速，节省时间，并且可以多种元素同时分析，为快速检测提供了保障。此外，对样品前处理简单，X射线荧光光谱法采用直接测量，简单快捷，不需要消化处理，不产生有毒有害的气体，节省人力物力。X射线荧光光谱法是非破坏性分析，在测定的过程中不会引起被测样品化学状态的改变，试验结果的精密度比较高。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中电气设备外壳的寿命评估方法的流程图；

图2为本发明具体实施方式中X射线荧光光谱法原理图；

图3为本发明具体实施方式中X射线荧光光谱法的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

一种电气设备外壳的寿命评估方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：采用X射线荧光光谱法检测电气设备中外壳的金属部件的金属元素。

具体实施方式中，采用X射线荧光光谱法，与传统方法相比，采用X射线荧光光谱法来检测电气设备中外壳等金属部件的金属元素含量分析迅速，节省时间，并且可以多种元素同时分析，为快速检测提供了保障。此外，对样品前处理简单，X射线荧光光谱法采用直接测量，简单快捷，不需要消化处理，不产生有毒有害的气体，节省人力物力。X射线荧光光谱法是非破坏性分析，在测定的过程中不会引起被测样品化学状态的改变，试验结果的精密度比较高。目前在许多国家，X射线荧光光谱法已经作为一种常规的分析方法广泛地应用于采矿、冶金、环保、石油等领域。在钢铁工业中，主要有矿山的矿石分析，选矿厂的流程在线分析，金属材料的分类和鉴定，炉前取样分析，镀层厚度和组成分析等应用。国外的学者利用X射线荧光在传送带上对铁矿石组分在线分析，提高了矿石组分管理的可靠性。采用X射线荧光光谱法的系统原理图如图2所示，采用X射线荧光光谱法的原理图如图3所示。

具体实施方式中，将X射线荧光光谱法应用到电力设备物资检测的研究上，利用X射线荧光光谱检测技术评估电气保护设备的寿命。为了防止电气设备故障的发生，对电气设备进行检修维护和更新就显得十分必要，但是检修维护和更换时机如果不合适，轻则影响到计划停电和设备的利用率，重则影响电网的安全运行，都进而影响供电可靠性和电力企业的经济效益。确定一个设备维护或更新的最优时间，大范围降低故障率和事故率，从经济角度提升产业的生产效益，就必须对电气设备的状态和寿命做系统性的评估。因此对设备剩余寿命评估的目的就是避免过早地更换未达到剩余寿命限值、仍旧可以安全运行生产的电力设备以节约成本，同时也防止由于未及时维修或更新己经达到剩余寿命极限的电力设备而产生不必要的损失或发生严重事故。

本发明依据莫塞莱定律，结合X射线荧光的产生原理，从理论分析的角度对金属化合物的荧光作用进行机理研究，分析不同种类金属在不同X射线量下的荧光强弱，建立在X射线下不同金属化合物荧光强弱数据库。主要包括外壳中金属材质的成分及C、Si、Mn、P、S等元素的含量。通过理论基础建立一个X射线荧光光谱测量实验系统，该系统利用不同元素在X射线下具有不同荧光作用的性质来检测电气设备元素成分组成。通过检测可以得到，电气保护设备的元素成分的变化程度，甚至可能发生某些元素的突现与消失。总结出元素成分随运行年限等因素影响的变化规律，进而对电气设备外壳的寿命进行评估。

步骤2：根据电气设备外壳处于寿命终结状态的健康水平指数HI_e和电气设备外壳初始健康水平指数HI₀，确定电气设备外壳的老化常数B。

所述电气设备外壳的老化常数B的计算公式如式(1)所示：

其中，T_exp＝T₂-T₁为电气设备外壳设计运行年限的预期运行年限，T₁为电气设备全新时对应的年份，T₂为预计能使用的年份。

本实施方式中，健康水平指数的取值范围为0-10，其值越低表示的设备状态越好。健康水平指数处于0-3之间设备状态良好，设备外壳的健康水平指数在一段时间内不会有太大的变化。健康水平指数处在3-6.5之间表明设备外壳已经出现比较明显的老化现象，且老化过程开始明显上升，老化率也开始逐步上升；电气设备外壳处于寿命终结状态的健康水平指数HI_e为6.5，所述电气设备外壳初始健康水平指数HI₀为0.5，所述电气设备外壳寿命终结极限状态的健康水平指数HI_l为7。

因此公式(1)可以改为公式(2)所示：

步骤3：根据电气设备运行中的负荷和环境对电气设备外壳设计运行年限的预期运行年限进行修正，得到修正后的电气设备外壳预期运行年限T_1exp。

本实施方式中，电气设备在进行型号、产品设计时，就已经基本确定了其使用寿命。但不同的生产厂家、不同的生产技术及工艺都可能对所生产的设备的质量和寿命造成一定的影响，此外，即使是在同一时间、同一工厂生产的不同批次的产品都可能存在质量上的差异，因此，在考虑设备的设计寿命时，先通过用户对设备质量的掌握情况，根据设备的厂家和型号规格设定的电气设备外壳设计运行年限的预期运行年限T_exp，再根据电气设备运行中的负荷和环境对电气设备外壳设计运行年限的预期运行年限进行修正，得到修正后的电气设备外壳预期运行年限T_1exp。

步骤3.1：根据电气设备变压器运行中所承载的平均负荷与变压器额定容量之比确定电气设备变压器负荷率β。

本实施方式中，电气设备变压器负荷率β的计算公式如式(3)所示：

其中，S_ave为电气设备变压器运行中所承载的平均负荷，S_e为变压器额定容量。

步骤3.2：根据电气设备变压器负荷率β对电气设备进行划分，得到电气设备外壳负荷系数F_L。

本实施方式中，电气设备外壳负荷系数F_L是指在设备正常运行、没有外来因素影响的情况下，电气设备外壳的负荷对其健康状况的影响起决定作用。外壳的负荷直接关系设备的效率和损耗，一般来说电力企业对设备的负荷情况管理比较严格，用设备负荷率按％表示，一般来说40-60％最佳。根据电气设备变压器负荷率β对电气设备进行划分得到的电气设备外壳负荷系数F_L表如表1所示。

表1电气设备外壳负荷系数F_L表

变压器负荷率(％)	负荷系数
		0—40	1
40—60	1.05
		60—70	1.1
70—80	1.25
		80—150	1.6

步骤3.3：根据电气设备周围环境恶劣等级，对电气设备环境继续划分，得到电气设备环境系数F_E。

本实施方式中，电气设备环境系数F_E是指的不同的地区，不同环境污染程度、年平均气温、湿度、当地的污秽等级，对设备的安全运行、使用寿命都有较大影响。对环境温度的要求是：最高气温40℃，最高日平均气温30℃，最高年平均气温20℃，最低气温-25℃。高相对湿度易繁殖霉菌，影响金属的耐腐蚀性能。污秽较严重的地区，比如附近有水泥厂，空气中灰尘含量对外部绝缘套管有很大影响。

根据电气设备周围环境恶劣等级，对电气设备环境继续划分，得到电气设备环境系数F_E如表2所示。

表2电气设备环境系数F_E表

环境恶劣等级	环境系数
		0	1
1	1
		2	1.05
3	1.15
		4	1.3

步骤3.4：根据电气设备外壳负荷系数F_L和电气设备环境系数F_E对电气设备外壳设计运行年限的预期运行年限进行修正，得到修正后的电气设备外壳预期运行年限T_1exp。

本实施方式中，修正后的电气设备外壳预期运行年限T_1exp的计算公式如式(4)所示：

步骤4：根据修正后的电气设备外壳预期运行年限T_1exp计算电气设备老化健康水平指数HI₁。

本实施方式中，电气设备老化健康水平指数HI₁的计算公式如式(5)所示：

步骤5：根据电气设备缺陷及元素含量对电气设备老化健康水平指数HI₁进行修正得到修正后的电气设备老化健康水平指数HI_c。

步骤5.1：根据电气设备变压器缺陷划分缺陷等级和缺陷基数，根据划分的缺陷等级出现的次数与其对应的基数的乘积的总和作为缺陷修正系数F₁。

本实施方式中，缺陷修正系数F₁是根据设备过去5年中发生的各类故障缺陷等级次数乘以对应的缺陷等级，累加得到变压器的缺陷等级。

缺陷修正系数F₁＝一般缺陷次数×一般缺陷基数+严重缺陷次数×严重缺陷基数+紧急缺陷次数×紧急缺陷基数。

本实施方式中，根据电气设备变压器缺陷划分缺陷等级和缺陷基数如表3所示，根据划分的缺陷等级出现的次数与其对应的基数的乘积的总和作为缺陷修正系数F₁如表4所示；

表3缺陷等级和缺陷基数表

缺陷分级	缺陷基数
		一般缺陷	1
严重缺陷	3
		紧急缺陷	5

表4缺陷修正系数F₁

缺陷等级	缺陷系数(F1)
		0	1
1	1.1
		3-6	1.2
7-11	1.3
		12-22	1.4

步骤5.2：根据电气设备变压器外壳的金属部件的特征元素含量占设备主元素含量的百分比确定元素修正系数F₂。

本实施方式中，元素修正系数F₂是根据设备过去5年中元素发生的变化所得到的，以特征元素含量变化的百分数确定；特征元素百分数＝特征元素含量/设备主元素含量。

在沿海地区，一般选用Cl元素作为特征元素，设备主元素一般以含量最多的金属元素为基准(Fe、Al等)。

设备外壳的元素修正系数F₂表如表5所示。

表5元素修正系数F₂表

特征元素百分数(％)	元素修正系数(F2)
		0—3	1
3—10	1.1
		10—20	1.2
>20	1.3

步骤5.3：根据缺陷修正系数F₁和元素修正系数F₂对电气设备老化健康水平指数HI₁进行修正得到修正后的电气设备老化健康水平指数HI_c。

所述的修正后的电气设备老化健康水平指数HI_c的计算公式如式(6)所示：

HI_c＝HI₁×F₁×F₂ (6)

步骤6：根据电气设备外壳的老化常数B和修正后的电气设备老化健康水平指数HI_c计算电气设备剩余使用寿命EOL；

所述剩余使用寿命EOL的计算公式如式(7)所示：

EOL＝ln(HI_l/HI_c)/B (7)

其中，HI_l为电气设备外壳寿命终结极限状态的健康水平指数。

Claims (2)

1.一种电气设备外壳的寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采用X射线荧光光谱法检测电气设备中外壳的金属部件的金属元素；

步骤2：根据电气设备外壳处于寿命终结状态的健康水平指数HI_e和电气设备外壳初始健康水平指数HI₀，确定电气设备外壳的老化常数B；

所述电气设备外壳的老化常数B的计算公式如下所示：

<mrow> <mi>B</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>ln</mi> <mi> </mi> <msub> <mi>HI</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>/</mo> <mi>ln</mi> <mi> </mi> <msub> <mi>HI</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>exp</mi> </msub> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

其中，T_exp为电气设备外壳设计运行年限的预期运行年限；

步骤3：根据电气设备运行中的负荷和环境对电气设备外壳设计运行年限的预期运行年限进行修正，得到修正后的电气设备外壳预期运行年限T_1exp；

步骤3.1：根据电气设备变压器运行中所承载的平均负荷与变压器额定容量之比确定电气设备变压器负荷率β；

步骤3.2：根据电气设备变压器负荷率β对电气设备进行划分，得到电气设备外壳负荷系数F_L；

步骤3.3：根据电气设备周围环境恶劣等级，对电气设备环境继续划分，得到电气设备环境系数F_E；

步骤3.4：根据电气设备外壳负荷系数F_L和电气设备环境系数F_E对电气设备外壳设计运行年限的预期运行年限进行修正，得到修正后的电气设备外壳预期运行年限T_1exp；

所述修正后的电气设备外壳预期运行年限T_1exp的计算公式如下所示：

<mrow> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mi>exp</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mi>exp</mi> </msub> <mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>L</mi> </msub> <mo>*</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>E</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

步骤4：根据修正后的电气设备外壳预期运行年限T_1exp计算电气设备老化健康水平指数HI₁；

所述电气设备老化健康水平指数HI₁的计算公式如下所示：

<mrow> <msub> <mi>HI</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>HI</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>*</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mi>B</mi> <mo>*</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mi>exp</mi> </mrow> </msub> </mrow> </msup> <mo>;</mo> </mrow>

步骤5：根据电气设备缺陷及元素含量对电气设备老化健康水平指数HI₁进行修正得到修正后的电气设备老化健康水平指数HI_c；

步骤5.1：根据电气设备变压器缺陷划分缺陷等级和缺陷基数，根据划分的缺陷等级出现的次数与其对应的基数的乘积的总和作为缺陷修正系数F₁；

步骤5.2：根据电气设备变压器外壳的金属部件的特征元素含量占设备主元素含量的百分比确定元素修正系数F₂；

步骤5.3：根据缺陷修正系数F₁和元素修正系数F₂对电气设备老化健康水平指数HI₁进行修正得到修正后的电气设备老化健康水平指数HI_c；

所述的修正后的电气设备老化健康水平指数HI_c的计算公式如下所示：

HI_c＝HI₁×F₁×F₂；

步骤6：根据电气设备外壳的老化常数B和修正后的电气设备老化健康水平指数HI_c计算电气设备剩余使用寿命EOL；

所述剩余使用寿命EOL的计算公式如下所示：

EOL＝ln(HI_l/HI_c)/B；

其中，HI_l为电气设备外壳寿命终结极限状态的健康水平指数。

2.根据权利要求1所述的电气设备外壳的寿命评估方法，其特征在于，所述健康水平指数的取值范围为0-10，电气设备外壳处于寿命终结状态的健康水平指数HI_c为6.5，所述电气设备外壳初始健康水平指数HI₀为0.5，所述电气设备外壳寿命终结极限状态的健康水平指数HI_l为7。