CN109063240B - 基于早期失效期判别的特高压gis母线使用寿命评估方法 - Google Patents

基于早期失效期判别的特高压gis母线使用寿命评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于早期失效期判别的特高压GIS母线使用寿命评估方法，其步骤如下：步骤一：特高压GIS母线运行情况分析；步骤二：特高压GIS母线早期失效期判别；步骤三：特高压GIS母线使用寿命评估；通过以上步骤，针对特高压GIS母线提出了一种基于规定可靠性水平的早期失效期判别方法，和特高压GIS母线使用寿命评估方法；该方法简便实用，有效解决了特高压GIS母线的使用寿命评估问题。

Description

基于早期失效期判别的特高压GIS母线使用寿命评估方法
技术领域
本发明一种基于早期失效期判别的特高压气体绝缘金属封闭开关(即Gas-Insulated metal-enclosed Switchgear，简称GIS)母线使用寿命评估方法，涉及一种基于规定可靠性水平的特高压GIS母线早期失效期判别方法和使用寿命评估方法，可以有效解决特高压GIS母线的使用寿命评估问题，属于可靠性评估等相关技术领域。
背景技术
气体绝缘金属封闭开关(即Gas-Insulated metal-enclosed Switchgear，简称GIS)母线，是一种采用金属导电杆输电并将其封闭于接地的金属外壳中，采用压力气体绝缘的一种输电线路。GIS母线具有传输容量大、损耗小、不受环境影响、运行安全性高、节省占地等显著优点，因此在输电方式受限，尤其是高电压、大电流情况下，采用GIS母线可以大幅简化变电站布置，获得相对较高的经济性。特高压GIS母线可靠性及使用寿命评估方法研究是针对特高压GIS母线制定最经济维修策略的必备条件，另外由于特高压GIS运行数据比较丰富，其评估结果也可为相似的新研特高压GIL线路可靠性评估提供支撑。本发明针对该类型特高压GIS母线开展使用寿命评估。
浴盆曲线(Bathtub curve)是指产品从投入到报废为止的整个寿命周期内，失效率随时间变化的曲线，呈两头高，中间低，具有明显的阶段性，由于形似浴盆而得名，其特点如附图1所示。由于产品失效机理的不同，产品的浴盆曲线大致可分为早期失效期、偶然失效期和耗损失效期三个阶段。一般认为，浴盆曲线是产品使用过程中的普适规律，其中早期失效主要是设计与制造中的缺陷导致的，可以通过加强质量管理及采用老化筛选等办法来减少甚至消灭。产品在低于规定的失效率水平时会进入偶然失效期，在偶然失效期的故障数据可用于评估产品的使用寿命。
对于特高压GIS母线，由于其制造、安装工艺复杂度较高，现阶段的质量管理工作很难完全避免设计与制造缺陷的产生，而母线的技术难度又限制了对其进行老化筛选以提前暴露早期失效。因此，特高压GIS在实际运行中发生的故障多是在安装部署后的运行初期，即早期失效期发生的，符合浴盆曲线的特点。传统的可用系数等特高压GIS母线运行指标一般基于发生的全部故障进行评估，针对偶然失效期故障数据的使用寿命评估还很难给出。
为此，本发明提出一种基于早期失效期判别的特高压GIS母线使用寿命评估方法。
发明内容
(1)本发明的目的：本发明针对特高压GIS母线，提出一种基于早期失效期判别的特高压GIS母线使用寿命评估方法，首先基于规定可靠性水平判别其早期失效期，进而根据偶然失效期的故障数据开展使用寿命评估，可以有效解决特高压GIS母线的使用寿命评估。
(2)技术方案：
本发明给出了一种基于早期失效期判别的特高压GIS母线使用寿命评估方法，具体的实施步骤如下：
步骤一：特高压GIS母线运行情况分析
以特高压GIS母线为研究对象，根据组成结构及要完成的任务建立任务可靠性模型RS(t)＝f[R0(t)]；其中，RS(t)为特高压GIS母线在t时刻的可靠度，R0(t)为特高压GIS标准单元在t时刻的可靠度，f(·)为特高压GIS母线可靠性和标准单元可靠性之间的定量关系；例如串联系统的任务可靠性模型为RS(t)＝[R0(t)]j，其中j为标准单元个数，这时f(·)为[]j；
收集特高压GIS站点的运行情况，包括站点投运时间、标准单元数以及故障数据等；分别用τi和λi表示第i个站点的投运时间和标准单元数，其中i＝1,2,…,n，n为总站点数量；收集各个特高压GIS站点的故障数据，用tj表示第j个站点的故障发生时间，其中j＝1,2,…,k，k≤n为发生故障的站点数量；
步骤二：特高压GIS母线早期失效期判别
在统计收集特高压GIS站点运行情况和故障数据的基础上，根据产品失效率浴盆曲线和使用寿命的特点进行早期失效期的判别，其主要计算过程包括特高压GIS标准单元可靠性要求分配、特高压GIS标准单元失效率频数估计和早期失效期判别三部分：
1)特高压GIS标准单元可靠性要求分配
根据项目使用方提出的要求，明确特高压GIS母线的规定使用寿命要求，用
Figure BDA0001700816860000034
表示；进一步，基于特高压GIS母线的任务可靠性模型，通过反解特高压GIS母线任务可靠性模型/>
Figure BDA0001700816860000031
得到特高压GIS标准单元的规定使用寿命要求/>
Figure BDA0001700816860000035
或规定失效率要求/>
Figure BDA0001700816860000032
2)特高压GIS标准单元失效率频数估计
失效率是指工作到t时刻尚未发生失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的频率，其频率估计公式为：
Figure BDA0001700816860000033
其中，N为产品总数，n(t)为时刻t的产品累积失效数，Δt为一段较小的时间区间，Δn为时间段(t,t+Δt)内的产品失效数；
3)早期失效期判别
计算特高压GIS标准单元在不同时间的失效率频数估计，绘制其随时间的变化曲线，根据浴盆曲线的定义和特点，将失效率频数估计曲线与特高压GIS标准单元的规定可靠性要求进行对比，以首次低于规定可靠性要求的时间点作为早期失效期的结束时刻；
步骤三：特高压GIS母线使用寿命评估
在判别特高压GIS母线早期失效期结束时刻的基础上，基于特高压GIS站点偶然失效期的故障数据，根据以下两种情况评估特高压GIS标准单元的使用寿命：
1)零故障情况
若所有特高压GIS站点在运行过程中均未发生失效，则以置信水平0.5下的最优置信下限估计代替点估计，即
Figure BDA0001700816860000041
/>
Figure BDA0001700816860000042
Figure BDA0001700816860000043
其中
Figure BDA0001700816860000044
为产品失效率的点估计，T为所有产品的总试验时间，MTTF为使用寿命点估计，/>
Figure BDA0001700816860000045
为t0时刻的可靠度；
2)定时截尾情况
若特高压GIS站点在运行过程中发生的故障次数为r，所有产品的总试验时间为T，则特高压GIS标准单元的可靠性评估为
Figure BDA0001700816860000046
Figure BDA0001700816860000047
Figure BDA0001700816860000048
其中
Figure BDA0001700816860000049
为产品失效率的点估计，MTTF为使用寿命点估计，/>
Figure BDA00017008168600000410
为t0时刻的可靠度；
在得到特高压GIS标准单元的使用寿命评估结果后，结合特高压GIS母线任务可靠性模型，评估得到特高压GIS母线的使用寿命；
通过以上步骤，针对特高压GIS母线提出了一种基于规定可靠性水平的早期失效期判别方法，和特高压GIS母线使用寿命评估方法；该方法简便实用，有效解决了特高压GIS母线的使用寿命评估问题。
其中，在步骤一中所述的“特高压GIS母线”，是指运行电压为1100kV的GIS母线；
其中，在步骤一中所述的“根据组成结构及要完成的任务建立任务可靠性模型RS(t)＝f[R0(t)]”，其具体作法如下：
①确定特高压GIS母线的任务定义和故障判据；
②根据特高压GIS母线的组成结构，绘制特高压GIS母线任务可靠性框图；
③由特高压GIS母线各层次的任务定义，建立其任务可靠性数学模型。
其中，在步骤一中所述的“特高压GIS站点”，是指特高压GIS工程中，建立在不同地点的特高压GIS母线站点。
其中，在步骤二中所述的“产品失效率浴盆曲线”，是指产品从投入到报废为止的整个寿命周期内，失效率随时间变化的曲线，呈两头高，中间低，具有明显的阶段性，由于形似浴盆而得名；
其中，在步骤二中所述的“特高压GIS标准单元”，是指在特高压GIS站点中，构成GIS母线的最小组成单元。
(3)本发明的优点：
本发明一种基于早期失效期判别的特高压GIS母线使用寿命评估方法，其优点如下：
①本发明提出一种基于早期失效期判别的特高压GIS母线使用寿命评估方法，针对特高压GIS母线失效率呈“浴盆曲线”特点，基于规定可靠性水平判别其早期失效期，进而根据偶然失效期的故障数据开展使用寿命评估；
②本发明提出的方法简便实用，容易实现，方便工程技术人员掌握使用。
附图说明
图1是本发明产品失效率浴盆曲线示意图。
图2是本发明所述方法流程图。
图3是本发明的实例，特高压GIS标准单元失效率频数估计变化曲线图。
具体实施方式
以某工程特高压GIS母线使用寿命评估为例，对本发明做进一步详细说明。
本发明一种基于早期失效期判别的特高压GIS母线使用寿命评估方法，其流程图如附图2所示，其具体的实施步骤如下：
步骤一：特高压GIS母线运行情况分析
特高压GIS母线的功能是保证特高压交流电的可靠传输，某工程特高压GIS母线由两个回路组成，两回路中有任意一条回路能正常工作即可，属于并联关系；每个回路由三相组成，每一相由5.76公里的72米标准单元串联而成，每条回路中的三相需要同时正常工作才能满足输电任务，属于串联关系。由此，建立特高压GIS母线的任务可靠性模型如下：
Figure BDA0001700816860000061
Figure BDA0001700816860000062
其中，RS(t)为特高压GIS母线在t时刻的可靠度，R0(t)为特高压GIS标准单元在t时刻的可靠度，MTTFS为特高压GIS母线的使用寿命，M＝5760/72＝80为特高压GIS母线每一相中的标准单元个数。
截止2017年9月，共收集汇总29个特高压GIS站点的运行情况如表1所示，运行期间的故障数据如表2所示。
表1特高压GIS站点实际运行情况
Figure BDA0001700816860000063
/>
Figure BDA0001700816860000071
表2特高压GIS站点故障情况
Figure BDA0001700816860000072
步骤二：特高压GIS母线早期失效期判别
1)特高压GIS标准单元可靠性要求分配
根据项目使用方提出的要求，该特高压GIS母线工程的规定可靠性要求为使用寿命不低于40年。因此计算得到母线年故障率要求为0.025。整个GIS母线由两回路并联组成，每一回路由三相串联组成，每一相由5.8公里的72米标准段串联而成，则由特高压GIS母线任务可靠性模型分配得到，每个GIL标准单元的年故障率要求为0.00001552，月故障率要求为0.0001293。
2)特高压GIS标准单元失效率频数估计
根据2.3.3节的产品故障率频率估计公式，由表1可知N＝3242，取Δt＝1个月，则母线在t＝5.5,6.5,7.5,8.5月时的故障率频数估计分别为：
Figure BDA0001700816860000081
/>
Figure BDA0001700816860000082
Figure BDA0001700816860000083
Figure BDA0001700816860000084
3)早期失效期判别
绘制GIS母线的故障率频数估计随时间的变化曲线，如附图3所示。根据附图1的浴盆曲线特点可知，在低于规定的故障率水平要求时，系统才正式进入偶然失效期，其在偶然失效期的故障数据可用来估计得到系统的使用寿命。由上述1)、3)可知，特高压GIS母线在7.5个月时进入偶然失效期，即可认为母线早期失效期是7.5个月。
步骤三：特高压GIS母线使用寿命评估
在判别特高压GIS母线早期失效期时长为7.5个月的基础上，结合各个站点的标准单元数量计算其等效试验时间，从而利用零故障情况下的指数分布可靠性评估方法，得到特高压GIS母线的使用寿命评估结果。
(1)截止2017年9月，计算各个站点的偶然失效期累积运行时长(月)，结果如表3所示；
(2)由各个站点的偶然失效期累积运行时长及标准单元个数，计算得到各个站点等效试验时间，结果如表3所示；
Ti＝ti×ni
其中，Ti为第i个站点的等效试验时间(月)，ti为第i个站点的偶然失效期累积运行时长(月)，ni为第i个站点的标准单元个数。
表3特高压GIS站点等效试验时间
Figure BDA0001700816860000085
/>
Figure BDA0001700816860000091
(3)计算特高压GIS标准单元的等效总试验时间：
Figure BDA0001700816860000092
其中，T为母线标准段的等效总试验时间(月)，n＝29为站点/母线个数。
(4)由零故障情况下的指数分布可靠性评估方法，得到GIS标准单元的故障率为：
Figure BDA0001700816860000093
(5)对于特高压GIS母线任务可靠性而言，整个母线由两回路并联组成，每一回路由三相串联组成，每一相由5.76公里的72米标准段串联而成，则特高压GIS母线使用故障率及使用寿命为：
Figure BDA0001700816860000101
/>
Figure BDA0001700816860000102
本实例首先基于规定可靠性水平判别其早期失效期，进而根据偶然失效期的故障数据开展使用寿命评估，有效解决了特高压GIS母线的使用寿命评估问题，计算过程简便，方便工程技术人员掌握使用，评估结果为特高压GIS母线的使用寿命是40.33年，可有效支撑特高压GIS母线的设计改进及维修策略优化工作。

Claims (6)

1.一种基于早期失效期判别的特高压GIS母线使用寿命评估方法，其特征在于：其实施步骤如下：
步骤一：特高压GIS母线运行情况分析
以特高压GIS母线为研究对象，根据组成结构及要完成的任务建立任务可靠性模型RS(t)＝f[R0(t)]；收集特高压GIS站点的运行情况，包括站点投运时间、标准单元数以及故障数据；其中，RS(t)为特高压GIS母线在t时刻的可靠度，R0(t)为特高压GIS标准单元在t时刻的可靠度，f(·)为特高压GIS母线可靠性和标准单元可靠性之间的定量关系；
步骤二：特高压GIS母线早期失效期判别
在统计收集特高压GIS站点运行情况和故障数据的基础上，根据产品失效率浴盆曲线和使用寿命的特点进行早期失效期的判别，计算过程包括特高压GIS标准单元可靠性要求分配、特高压GIS标准单元失效率频数估计和早期失效期判别三部分：
1)特高压GIS标准单元可靠性要求分配
根据项目使用方提出的要求，明确特高压GIS母线的规定使用寿命要求，用
Figure FDA0004006413750000011
表示；进一步，基于特高压GIS母线的任务可靠性模型，通过反解特高压GIS母线任务可靠性模型
Figure FDA0004006413750000012
得到特高压GIS标准单元的规定使用寿命要求/>
Figure FDA0004006413750000013
及规定失效率要求/>
Figure FDA0004006413750000014
2)特高压GIS标准单元失效率频数估计
失效率是指工作到t时刻尚未发生失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的频率，其频率估计公式为：
Figure FDA0004006413750000015
其中，N为产品总数，n(t)为时刻t的产品累积失效数，Δt为一段较小的时间区间，Δn为时间段(t,t+Δt)内的产品失效数；
3)早期失效期判别
计算特高压GIS标准单元在不同时间的失效率频数估计，绘制其随时间的变化曲线，根据浴盆曲线的定义和特点，将失效率频数估计曲线与特高压GIS标准单元的规定可靠性要求进行对比，以首次低于规定可靠性要求的时间点作为早期失效期的结束时刻；
步骤三：特高压GIS母线使用寿命评估
在判别特高压GIS母线早期失效期结束时刻的基础上，基于特高压GIS站点偶然失效期的故障数据，根据以下两种情况评估特高压GIS标准单元的使用寿命：
1)零故障情况
若所有特高压GIS站点在运行过程中均未发生失效，则以置信水平0.5下的最优置信下限估计代替点估计，即
Figure FDA0004006413750000021
Figure FDA0004006413750000022
Figure FDA0004006413750000023
/>
其中，
Figure FDA0004006413750000024
为产品失效率的点估计，T为所有产品的总试验时间，MTTF为使用寿命点估计，
Figure FDA0004006413750000025
为t0时刻的可靠度；
2)定时截尾情况
若特高压GIS站点在运行过程中发生的故障次数为r，所有产品的总试验时间为T，则特高压GIS标准单元的可靠性评估为
Figure FDA0004006413750000026
Figure FDA0004006413750000027
Figure FDA0004006413750000028
其中，
Figure FDA0004006413750000029
为产品失效率的点估计，MTTF为使用寿命点估计，/>
Figure FDA00040064137500000210
为t0时刻的可靠度；
在得到特高压GIS标准单元的使用寿命评估结果后，结合特高压GIS母线任务可靠性模型，评估得到特高压GIS母线的使用寿命。
2.根据权利要求1所述的基于早期失效期判别的特高压GIS母线使用寿命评估方法，其特征在于：在步骤一中所述的特高压GIS母线，是指运行电压为1100kV的GIS母线。
3.根据权利要求1所述的基于早期失效期判别的特高压GIS母线使用寿命评估方法，其特征在于：在步骤一中所述的特高压GIS站点，是指特高压GIS工程中，建立在不同地点的特高压GIS母线站点。
4.根据权利要求1所述的基于早期失效期判别的特高压GIS母线使用寿命评估方法，其特征在于：在步骤一中所述的根据组成结构及要完成的任务建立任务可靠性模型RS(t)＝f[R0(t)]，其具体作法如下：
①确定特高压GIS母线的任务定义和故障判据；
②根据特高压GIS母线的组成结构，绘制特高压GIS母线任务可靠性框图；
③由特高压GIS母线各层次的任务定义，建立其任务可靠性数学模型。
5.根据权利要求1所述的基于早期失效期判别的特高压GIS母线使用寿命评估方法，其特征在于：在步骤二中所述的产品失效率浴盆曲线，是指产品从投入到报废为止的整个寿命周期内，失效率随时间变化的曲线，呈两头高，中间低，具有明显的阶段性，由于形似浴盆而得名。
6.根据权利要求1所述的基于早期失效期判别的特高压GIS母线使用寿命评估方法，其特征在于：在步骤二中所述的特高压GIS标准单元，是指在特高压GIS站点中，构成GIS母线的最小组成单元。
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