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輸變電工程的使用壽命

 對于電吹風、電磁爐、空調等常用電器的使用壽命,人們大多有所了解。而輸變電工程里的那些“大家伙”,如變電器、鐵塔,它們的使用壽命有多長呢?制約電網設備壽命的因素有哪些?是否電壓等級越高,電網設備越耐用呢?隨著國家電網公司關于輸變電工程使用壽命關鍵技術研究項目取得實質性成果,媒體進行了深入采訪。

  ■ 我國輸變電工程主要一次設備使用壽命可達40年以上,主要二次設備使用壽命可達20年以上

  ■ 評估輸變電工程壽命極為復雜,需要綜合考慮設備的物理壽命、技術壽命和經濟壽命

  ■ 高溫、低溫、潮濕、腐蝕、多沙、多鹽霧、多電磁干擾等運行環境,對輸變電工程設備壽命影響較大

  輸變電工程使用壽命是指在正常設計、正常施工、正常使用和維護下能達到的年限,這是輸變電工程可靠性的主要體現,也是工程質量水平、經濟性和可用性的重要指標。

  近年來,隨著經濟社會快速發展,電網規模不斷擴大,電網設備數量不斷增加。目前由于設備設計缺陷、制造成本制約、運維手段落后等因素的影響,電網設備存在著使用壽命短和相關聯設備使用壽命匹配性不高等問題,制約了輸變電工程質量和電網經營效益的提高。

  2012年2月22日,國家電網公司在北京組織召開的輸變電工程使用壽命關鍵技術研究項目啟動會上提出,到“十二五”末,110千伏及以上工程要全部達到優質工程,主要輸變電建(構)筑物使用壽命達到60年以上,主要一次設備使用壽命達到40年以上,主要二次設備使用壽命達到20年以上。深入研究制約電網設備使用壽命的關鍵因素,取得重要部件設計、生產等關鍵技術突破,全面提升設備的使用壽命,是實現這一目標的重要保證。

  變壓器類設備有物理壽命、技術壽命和經濟壽命三種壽命

  一項輸變電工程是個極為龐大的家庭,“成員”眾多,包括電氣一次設備(線圈類設備、開關類設備)、電氣二次設備、變電工程建(構)筑物(主控樓、變電構架、基礎)以及輸電線路工程部件(鐵塔、導地線、金具、絕緣子)等工程設備、工程材料。要對其壽命進行評估,必須單獨核算,這是一項十分復雜的工作。

  這個大家庭中“塊頭”最大的當然是變壓器。變壓器類設備的壽命評估并不簡單,由物理壽命、技術壽命和經濟壽命這3種壽命綜合決定。物理壽命即從投運開始到不再具有基本功能所經歷的時間,技術壽命即從投運到由于技術進步和更新換代導致壽命終結所經歷的時間,經濟壽命即從投運到由于繼續運行經濟性不合算而導致的壽命終結所經歷的時間。

  變壓器類設備物理壽命主要包括絕緣系統(油紙絕緣)壽命和機械壽命。對于絕緣系統壽命,目前國內外主要通過窺斑見豹的方法,即針對反應絕緣系統壽命的一個特征參量來進行評估。

  河北保定供電公司油化班員工告訴記者,糠醛是變壓器類設備中絕緣紙劣化分解的一種特殊產物,常溫時為液體并溶于油中,通過糠醛含量來判斷設備的壽命是一種較為可靠的評估方法。變壓器類設備真空濾油后,糠醛會被部分濾除,造成油中糠醛含量與產生量不同,因此,采用這種方法需要結合運行檢修歷史綜合判斷,這也是電網檢修人員的重要任務之一。此外,絕緣紙的聚合度是變壓器機械性能的直接體現,可以作為油紙絕緣老化程度判別的依據,這種方法能估算出運行中變壓器類設備的剩余壽命。

  評估變壓器機械壽命的方法主要有短路阻抗法、繞組頻率法、繞組電容量等。記者走訪多個變電站時了解到,繞組頻率是判斷繞組變形的重要方法,這種方法需要比較豐富的經驗,而通過繞組電容量判斷繞組變形缺乏定量的方法,同樣需要豐富的經驗,“有十幾年變電運行經驗的老師傅才能估算個大概”。

  變壓器類設備的技術壽命則完全取決于技術的更新換代速度,如同手機一樣,當功能最優的新款面世,舊型號就會被逐漸淘汰。同時,如果設備故障率持續升高,或它的備品備件已經停產,更換困難,每年的維護費用已經大大超出了購置一臺新設備的費用,那么舊設備就應該“下崗”,結束使命。

  目前國內外對變壓器類設備的經濟壽命的研究相對較少。中國電力科學研究院提出了一種變壓器經濟壽命評估方法,以年均凈收益最大為優化目標,通過比較檢修和更換兩種情況下的年均最大凈收益,做出是適用檢修還是適用更換的決策,通過優化后的綜合經濟效益指標,可對變壓器的經濟壽命進行定量評估,極大提升了輸變電工程的經濟效益。

  而評估電氣二次設備及其他工程部件的使用壽命,加速老化試驗是一種常用的辦法,即對新出廠設備進行樣品的加速老化試驗,得到設備設計壽命所需的應力參數、樣品數量、老化時間和允許失效個數等參數,從而可以較為精確地測算出設備的使用壽命。

  輸變電工程的使用壽命受材料選擇、基本元器件壽命特性等多種因素影響

  人的一生面對著多種多樣的環境,各種內外因素決定了每個人壽命長短不同。輸變電工程大多要經過許多人跡罕至的地方,所面臨的運行環境更加復雜惡劣,制約因素也更多,因此,處在不同環境下的同一型號設備,其壽命也有較大差異。

  據國網運檢部負責人介紹,根據多年設備運維數據匯總分析,影響輸變電工程使用壽命的主要因素有材料選擇、基本元器件壽命特性、設計水平、生產制造、加工工藝、運行環境、不良工況、運維策略等。而在眾多運行環境中,高溫、低溫、潮濕、腐蝕、多沙、多鹽霧、多電磁干擾對電網設備壽命影響較大。

  唐山供電公司運檢部專工表示,在一般大氣環境下,熱浸鍍鋅鐵塔可使用20年,而在污染嚴重的工業大氣環境下,如京津唐地區,熱浸鍍鋅鐵塔使用5年就已經銹跡斑斑,使用壽命大大縮短。

  以開關設備為例,要在自然環境中“壽終正寢”,可謂困難重重。許繼集團有限公司研發部門負責人介紹,開關設備壽命最重要的指標之一就是密封性,其性能的優劣直接決定了設備的開斷能力。目前,國內外都使用大量的橡膠密封圈(墊、環)等來完成開關設備的動、靜密封,而橡膠制品作為有機化合物,在高溫、化學、腐蝕環境下極易老化,變硬、變形、收縮等都會破壞開關設備密封,不同程度的漏氣就會造成設備缺陷。此外,重污穢會導致開關設備中的瓷、玻璃及硅橡膠絕緣子表面電阻率增大,電弧活動頻繁,加速表面材料老化,最終會形成貫穿型放電通道,發生沿面擊穿故障,導致設備壽命終結。

  當然,兵來將擋,水來土掩。設備的制造可以采用同樣的標準,但針對不同運行環境,可以對個別性能指標進行差異化設計。在實際運行中,設備生產廠家和電網運維人員進行了諸多針對性的設計改進與設備改造,以盡量延長設備壽命。

  ±800千伏天山換流站四周被沙漠戈壁包圍,當地風沙極大,每年有三分之一的時間刮7級以上大風,最大風力可達12級,經常飛沙走石,拔樹毀屋。沙塵是電氣設備的大敵,會導致絕緣性能直接喪失?;渙髡駒諮⌒褪?,所采用的主變壓器和線路可控高抗等電氣設備均具有較高的密封性和抗風性。而對于換流站的核心設備——換流閥,換流站施工單位在換流閥廳前特地多修建了一個房間陳沙,房間內有兩道門隔離外界,設計了多個拐彎風道用來沉積沙塵,房間中還安置了三層過濾網,針對不同顆粒度的沙塵進行過濾,完美地解決了沙塵這個“心腹大患”。

  針對地震多發地區,公司聯合相關機構、院校啟動了一批電力設施抗震相關科研課題,開發了電氣設備減隔震技術研究及減隔震裝置,通過地震臺試驗驗證了其減震效率在30%至70%之間。這一項目的研究成果已經分別在四川下孟、甘肅臨江等新建變電站工程得到成功應用。其中,四川下孟變電站投運3年多來已經經受了30余次4級以上的地震考驗而未見任何損壞,電網設備壽命得到了極大保證。

  那么,電壓等級的高低對于設備使用壽命有何影響呢?據中國電科院輸變電工程研究所專家介紹,電壓等級越高,對建筑物和輸變電站設備壽命的影響更大,因為高電壓等級的電磁干擾更加嚴重,給電子設備帶來的影響更大,必須采取一定的防干擾手段來消除高強度的電磁干擾。同時,特高壓變電設備容量大、開斷能力強,對部件質量、可靠性要求更高,因此,特高壓設備壽命設計、評估指標要求更加嚴苛。

  我國建(構)筑物和輸電線路的使用壽命一般都能達到設計值

  據了解,目前我國輸變電主設備使用壽命一般達不到設計值20年,而建(構)筑物和輸電線路的技術研究較為成熟,其使用壽命一般都能達到設計值。

  變電工程中的主控制樓、變電構架和設備基礎等建(構)筑物所采用的結構主要是混凝土結構和鋼結構。研究表明,工業和民用建筑物的使用壽命與這些建筑物所采用結構的耐久性和耐腐蝕性密切相關,變電站建(構)筑物的使用壽命也取決于混凝土結構的耐久性或鋼結構的耐腐蝕性。

  對于混凝土的耐久性,我國自“九五”計劃以來,先后設立了一些有關水泥混凝土的重要研究計劃,如國家自然科學基金重大項目“三峽大壩混凝土耐久性及破壞機理研究”、國家“九五”和“十五”重點科技攻關項目“重點工程混凝土安全性的研究”與“新型高性能混凝土及其耐久性的研究”等,取得了諸多突破性成果。

  對于鋼結構的耐腐蝕性,這已經受到世界各國電力行業的高度重視。美國電力科學研究院(EPRI)和加拿大電力技術研究機構把輸電網的腐蝕評估、控制與防護等腐蝕管理問題列為輸電網管理的重要研究課題,我國也對輸變電工程的腐蝕評估和防護等問題開展了研究。預測變電構架的腐蝕壽命最常用的方式是在實驗室中進行加速腐蝕試驗,并利用現場監測的數據進行修正。目前,我國已建立多種模擬在海洋大氣環境、酸雨地區等環境內的加速腐蝕試驗方法,并制定了相應的腐蝕評價及腐蝕防護標準,這些成果所帶來的經濟效益顯而易見,我國主要輸變電建(構)筑物使用壽命可達到60年以上,建設質量也得到極大保證。

  在線路工程中,桿塔基礎作為輸電線路的重要組成部分,其費用約占整個工程的15%~35%,它的壽命直接影響著整個輸電線路系統的穩定性。腐蝕破壞對桿塔和導線的安全可靠性和使用壽命是最大的危險,目前各國都在大力研究新型的防腐技術,如新型的合金鍍層、環保耐蝕涂料等。中國電科院于2008年開展鐵塔腐蝕與防護技術的系列研究,開始研發防腐涂料。公司還研究開發了復合芯導線,其主要受力部分由鍍鋅鋼芯換成了耐蝕的碳纖維復合材料,提高了耐蝕性能,適用于架設腐蝕嚴重地區的輸電線路。

  絕緣子是輸電線路重要部件之一,瓷和玻璃絕緣子應用最為廣泛,已經有100多年的應用歷史,通過多年來制造工藝的進步和試驗方法的改進,瓷絕緣子或玻璃絕緣子的耐老化能力都很好。我國曾先后多次對運行5~30年的玻璃和瓷絕緣子進行機電性能跟蹤對比試驗,結果表明:玻璃絕緣子的使用壽命取決于金屬附件,瓷絕緣子的使用壽命取決于絕緣體,而使用壽命均可以達到50年。

  從國網科技部獲悉,“輸變電工程使用壽命關鍵技術研究”項目目前已通過驗收,該項目通過調研110~750千伏輸變電工程建(構)筑物和設備的使用壽命狀況,確定了反映壽命的特征參數,給出了設備使用壽命的評估方法和標準。隨著研究成果在輸變電工程建設和運行中推廣應用,將有效提高輸變電工程設備的使用壽命,提升電網建設質量和電網運行效率,提高電網設備全壽命周期管理水平。

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