失效分析技术在智能变电站设备中的应用

李艳 张厉男 陈彪

摘 要：随着智能电网在我国迅速发展和普及，与之相应的智能变电站也被得到广泛应用。与传统变电站相比，智能变电站显著加快了一二次融合，并且，引入的智能终端设备在智能变电站的一二次融合中逐渐发挥越来越重要的作用。同时，智能终端也是连接二次设备及一次设备的主要桥梁。智能终端设备应用了目前电力系统的新型技术，其内置的电子元器件的可靠性决定了智能终端的可靠性，并影响到智能变电站的稳定运行。为进一步提升智能变电站设备的运行可靠性，通过失效分析技术进行研究，具有重要的价值和深远的意义。

关键词：智能变电站；失效分析；应用

智能变电站采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化等为基本要求，自动完成了信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并具有电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级应用功能，实现与相邻变电站、电网调度互动。与传统变电站不同，它是以设备智能化、信息标准化、控制远程化为特征的新型变电站模式。

1 基于故障树分析的失效模型

故障树分析法是由美国著名的贝尔实验室Walson教授第一次提出，它是一种对各种系统的可靠性进行准确分析的方法。事实证明，利用故障树分析法能够判断潜在的系统故障或实施对故障的诊断，还可用来预测发生系统故障的概率。采用故障树分析技术对系统施行可靠性分析及预测，在许多领域都得到广泛的运用。

1.1 可靠性理论的几个基本概念

可靠性理论是进行故障树分析的基础，其中几个关键的技术指标，如可靠度和失效率等介绍如下：（1）可靠度：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率称为该产品的可靠度。（2）失效率：单位时间内失效的元器件数与元器件总数之比称为失效率，它也是时间的函数。（3）平均寿命：对于不可修复产品，平均寿命指的是平均工作时间，对于可修复产品，平均寿命指的是相邻故障间的平均工作时间。

当智能变电站可靠度越高，其工作的稳定性就越好；当智能变电站的失效率越高，其内部的故障部件越多；当智能变电站平均寿命越高，其工作时间越长，故障间隔也越长。

1.2 故障树分析法

在对智能变电系统可靠性进行评估的研究中，每个环节及二次系统都需要原理不同的系统分析方法和技术。每种可靠性方法都有自己的优缺点，根据所面对的具体系统问题、数据的要求和评估的难易程度来选择采用的方法。

故障树可以定性了解整个事件的动态变化过程，系统地表示出种种故障与系统成功、失败的关系，也可定量计算各阶段的概率，最终了解事故发展过程中各种状态发生的概率。故障树分析可应用于某些或全部原件处于顺序逻辑、切换备用状态的系统，用于识别由某一初始事件引起的系统各种可能的输出。

在智能变电站二次系统对一次系统的可靠性影响分析中，运用故障树分析可以把事故发生的过程表述得清楚而有条理，全面地展示功能成功或失败与动作的对应关系，最终确定了典型功能事件的概率。失效分析技术是一种系统化的可靠性分析方法。失效指产品丧失规定的供能，失效模式是指失效或故障的形式。

故障树分析法的基本步骤：（1）全面分析对象或系统，分别考虑其中每个的工作状态，确定初始事件，一般指系统故障、设备失效、人为失误等。（2）针对每个工作状态，分别绘制系统功能框图和可靠性框图，初始事件在左，各种事件先后写在顶端横栏，成功分支向上，失败分支向下。（3）分析每个硬件或部件的功能，找出产品、过程中的故障模式，阐明事故结果，通过故障树可得由初始事件导出的各种事件结果。（4）列出故障起因及结果，进行定量分析，根据每一时间的发生概率，计算各种途径的事故发生概率，最后求得事故发生概率，各发展途径的概率等于自初始事件开始的各事件发生概率的乘积，最终事故发生概率等于导致事故的个发展途径的概率和。（5）填写失效模式影响分析表。失效分析技术主要从系统功能关系方面考虑问题，不仅在设计阶段全面细致的发现故障隐患，在设备运行阶段，该方法也能对缺乏可靠性数据的设备或系统进行有效分析，提高故障分析的精准度。

2 智能变电站设备的失效分析

基本智能设备是为了实现数字化测量，网络控制，设备状态可视化，功能综合和高压设备信息交换。关键技术为先进传感器技术、实时监视技术和智能元件的应用。通过安装在设备内外部的传感器，变压器、开关设备、避雷针等重要设备实现了在线监测和可视化。包括智能终端，融合设备，在线监测IED等智能电气设备的灵活配置构成了智能元件。将来这些基本智能元件将会合成为一个单一设备。

2.1 智能变压器

智能变压器可以实现失效数值分析自诊断功能，当变压器出现故障时，智能变压器通过监测变压器的状态参数，分析局部放电、油的侧谱分析等信息，实时监测变压器的绝缘状态和分析绝缘失效。智能变压器内部集成的元件具有测量，控制，监测，非电保护等功能，对完成失效分析提供完整的数据信息。

2.2 智能气体绝缘开关设备

智能气体绝缘开关设备不同于传统非智能开关，它安装了状态参数传感器和智能元件，因此，智能气体绝缘开关设备不仅能实现变电站的监测和控制，还能收集和处理设备状态信息。当智能气体绝缘开关设备失效时，在智能操控区域，同时具有一键控制功能，安装的智能元件可以准确把监视信息传输到综合信息平台，实现设备状态的可视化并能够对失效结果进行分析。

2.3 电器变压器

相比电磁变压器，先进的电器变压器可以防止诸如铁磁共振，绝缘油爆炸，SF6泄露等内部问题，而且在高压设备上通过节省铁芯、铜和其他金属材料使其具有更高的经济效益。总结电器变压器失效机理，因为避免了铁磁共振等隐患问题，电器变压器其失效多发生在换电操作前期。

此外，智能基础设备的发展伴随着包括保护、监视、控制、测量和传感器技术的发展。各项技术的融合问题导致了设备的可靠性和稳定性下降。由于传感器的使用寿命比基本设备的短，因此如果应用更好传感器，设备的稳定性和取样的精确性都会增强。

3 失效模式与后果分析

失效分析主要有两种基本方法：功能法以及硬件法。功能法是每个硬件按照完成的功能输出分类，这种方法适用于硬件尚不明确的情况。硬件法是按照功能對每种故障模式进行分析，用表格列出各个部件，对发生的故障模式、原因及后果进行分析。通过结合两种故障分析方法，进行深入分析，可以得到如下结论：

电子元件的失效率曲线是一条“浴盆曲线”，大致可以将其分为三段：初始运行期、稳定运行期、耗损期。在稳定运行期间，其失效率为一常数，保持不变。同一电站设备失误率与单位长度链路的失误率直接相关，如果假定单环网络间进行信息交换按最短路径，就不难得到备用通道。

4 结束语

相比传统变电站，智能变电站利用传感器通过先进的数字分析方法实现了对变电站的智能化管理。管理技术和电器设备的发展与更新实现了一二次设备的融合。包含智能元件的变压器和开关整合了现场监测、保护、测量、控制等功能。IEC85610（DYL/T680）标准为智能变电站系统规范了完整的信息模型以及界面标准。经过对原始变电站的智能改造，添加辅助功能设施，机器自学、模式识别、图像视频等过程逐步得以一一实现。这些具体措施的有效发挥作用，大幅提高了变电站的智能化水平，也显著增强了变电站工作的稳定性和安全性。

为了实现变电站的通信、网络通信平台和标准信息分享功能，先进可靠的低碳环保智能设备被应用到智能变电站，使其具有自动获取信息收集、测量、控制、保护、监视和其他基本功能，并支持如次序控制、系统智能操作、设备状态可视化、变电站区域控制等一系列先进功能。智能变电站通过收集各个区域的运行信息来实现智能控制和变电站的自我保护。不同电压等级的电网和备得通过智能电网得以保护并稳定运行。

参考文献

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