全壽命分析在變電站設備改造中的應用

蘇哲 陳東明

摘要：近年來，隨著我國投運的變電站越來越多，其設備的檢修維護成為影響人民正常生活用電的關鍵因素，變電站設備良好的運行狀態(tài)是社會安穩(wěn)生活、安全生產(chǎn)的基石。針對變電站的老舊設備，更換和修理一直是一個存在爭議的話題，新設備成本高故障率低，老設備維修成本低但故障率高，為此，本文將全壽命分析引入變電站設備改造方案比選，為變電站老舊設備的改造方案提供依據(jù)。

關鍵詞：變電站;老舊設備;故障率;全壽命分析

1 引言

目前，老舊設備改造是運行已達10年甚至20年以上的變電站普遍面臨的問題，整體更換老舊設備投資成本高，停電時間長，局部維修亦存在運行可靠性低、潛在故障頻發(fā)風險。為此，權衡兩種改造方案往往成為困擾運檢人員的頭疼問題。

本文提出將全壽命分析方法應用于變電站老舊設備改造方案比選當中，綜合考慮初始投資、運維費用、檢修費用、停電損失等方面因素，推選出最適合的改造方式，為運行時間較長變電站的老舊設備改造提供新思路。

2 全壽命分析

目前全壽命分析廣泛應用于各行各業(yè)，文獻[1]利用全壽命分析建立了電池壽命模型;文獻[2]借助于全壽命周期成本解決了聯(lián)合供暖的容量配置問題;文獻[3-4]將全壽命周期理念應用于工程造價管理和成本控制，給同行提供了一種有效的成本控制措施。全壽命分析在電力行業(yè)也有一定涉及，電氣設備的全壽命分析即在設備使用周期年限內(nèi)，考慮包含初始采購金額、運維檢修金額、停電損失、社會影響、報廢處置金額等方面綜合比較，分析出該電氣設備最佳的改造方案。文獻[5]提出了一種基于全壽命成本分析的隔離開關消缺策略，即改造相關設備的接線形式以提高運行可靠性;文獻[6]利用全壽命周期成本分析對35kV殷鎮(zhèn)變電站10kV開關柜進行了消缺分析;文獻[7]提出了一種基于全壽命周期的海上風電敏感性分析。

本文針對老舊電氣設備，提出一種基于全壽命分析的改造比選策略，適用于各種類型的電氣設備。

3 比選策略概述

首先，本文所指的老舊設備均為運行10年以上，且近年來小型故障較為頻繁，但亦可帶電工作的設備，以下幾種設備應即刻采取整體更換而不考慮大修處理：存在家族性缺陷或生產(chǎn)廠家已經(jīng)倒閉的設備;年久失修無法通過大修恢復設備使用性能的設備;設備生產(chǎn)工藝老舊，以不能滿足新規(guī)程運行要求的設備。

針對不在上述故障描述范圍內(nèi)的老舊設備，可提出更換和修理兩種改造方案，并根據(jù)以下三個方面進行對比分析。第一是安全性能比較（比較改造后的設備對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行是否存在隱患）、第二是效能比較（比較改造后的設備效能及改造過程的停電損失）、第三是全壽命成本比較（比較改造后在一整個新的壽命周期內(nèi)設備的全部投資）。綜合三個方面得出評價最高的改造方案。

3.1 案例一：220kV香河變無功改造

現(xiàn)狀：220kV香河變1號主變10kV側現(xiàn)配備6Mvar并聯(lián)電容器3組，無感性無功補償裝置，目前3號電容器運行13年，根據(jù)后天監(jiān)視數(shù)據(jù)，投切延遲約3分鐘，頻繁導致站內(nèi)功率因數(shù)不達標。此外香河變低谷負荷時段存在5.36Mvar的感性無功缺額，為此提出兩種改造方案。方案一：修理3號電容器并新增1組6Mvar并聯(lián)電抗器及其出線間隔;方案二：拆除3號電容器并新增1組SVG裝置，該裝置利用原有3號電容器出線間隔。

安全性能比較：方案一中電容器修理后可滿足運行要求，新增的電抗器亦可滿足感性無功補償要求，但無論是電容器還是電抗器都是機械投切，固有延遲在30ms以上，方案二中SVG裝置可實現(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)中無功的缺額平滑調節(jié)，不會沖擊電網(wǎng)，且投切延遲在5ms以內(nèi)。因此方案二較方案一在安全性能方面更具優(yōu)勢。

效能比較：方案一中電容器大修計劃時間為3-5天，并聯(lián)電抗器的安裝可在不停電的條件下完成，但新增的電抗器出線間隔需與前期10kV開關柜拼接，相應母線所接出線柜需陪停，計劃停電時間1-2天;方案二中SVG裝置安裝，可在不停電的條件下完成，SVG出線柜利用前期3號電容器出線柜，需更換連接電纜，更換時僅斷開原3號電容器出線柜內(nèi)斷路器即可，無需相應母線出線柜陪停。因此方案二在效能方面優(yōu)于方案一。

全壽命成本比較：無功補償裝置按20年生命周期考慮，方案一中，電容器的大修費用約6萬元，新增的電抗器費用約80萬元，新增的電抗器出線柜費用約8萬元，連接電纜約5萬元，電容器/電抗器日常大修按4年/次，檢修費用約4萬元/臺，臨修按2年/次，檢修費用約1萬元/臺，因此方案一在20年生命周期內(nèi)合計成本約159萬元。方案二中，新增SVG成套裝置費用約125萬元，連接電纜約5萬元，SVG日常大修按5年/次，檢修費用約3萬元/臺，臨修按4年/次，檢修費用約1萬元/臺，因此方案二在20年生命周期內(nèi)合計成本約147萬元。綜上，雖然方案二在一次性采購成本上費用高于方案一，但考慮20年生命周期內(nèi)的全部費用，方案二較方案一節(jié)約投資12萬元。

根據(jù)以上全壽命分析得出，方案二在安全性能、效能及壽命成本3個方面較方案一更具優(yōu)勢，推薦采用方案二。

3.2 案例二：220kV雙湖變1號主變改造

現(xiàn)狀：雙湖變1號主變已帶電運行22年，目前主要存在套管滲漏油、風扇堵轉、及繞組工藝老舊（繞組未采用自粘型換位導線，為單根扁銅線），中壓側抗短路能力不足的缺陷，為此提出兩種改造方案。方案一：返廠修理1號主變，更換主變線圈，更換滲漏油套管，將風冷改造為自冷;方案二：拆除1號主變，并采購1臺新的自冷主變壓器。

安全性能比較：方案一將1號主變返廠修理，更換主變繞組，更換主變絕緣油、密封件，對所有夾件進行緊固等，修理后有效提高設備抗短路性能，提升設備運行可靠性。方案二更換為1臺新變壓器，新主變在設計參數(shù)及制造水平上提高顯著，可有效解決220kV雙湖變1號主變存在的安全隱患，有利于提高主變長期運行的可靠性和安全性。因此方案一與方案二在安全性能方面等同，并無較大差別。

效能比較：方案一改造后，設備供電可靠性增加，故障停電風險降低，設備等效利用率達到98%以上。減少設備檢修運行維護次數(shù)，降低了檢修運行維護成本。電網(wǎng)安全進一步加強，總體等同于方案二。需要說明的是，結合該站實際運行情況，1號主變返廠修理期間，站內(nèi)負荷可由2號、3號主變暫代，因此不會發(fā)生因大修時間較長所帶來的供電損失的情況。若有類似工程，而站內(nèi)正常運行的變壓器無法帶全站負荷，則需另行考慮負荷轉移方案。

全壽命成本比較：主變壓器按30年生命周期考慮，方案一中，主變大修費用費用約220萬元，主變返廠運輸費用約20萬元，修理后的主變將恢復性能指標，日常大修按5年/次，檢修費用約4萬元/臺，臨修按3年/次，費用約2萬元/臺，因此方案一在30年生命周期內(nèi)合計成本約284萬元。方案二中，新購的主變壓器約560萬元/臺，老主變報廢可折舊約80萬元/臺，新主變?nèi)粘４笮薨?年/次，檢修費用約4萬元/臺，臨修按3年/次，費用約2萬元/臺，因此方案二在20年生命周期內(nèi)合計成本約524萬元。綜上，方案一在壽命周期內(nèi)成本較方案二節(jié)約約140萬元。

根據(jù)以上全壽命分析得出，方案一在安全性能及效能方面與方案二相同，壽命周期成本較低，因此方案一更具優(yōu)勢，推薦采用方案一。

4 結語

結合以上案例，可見本文所提的全壽命分析可應用于變電站內(nèi)各種不同類型的老舊設備改造當中，需要注意的是，不同變電站實際情況不同，如站址面積、設備布局、負荷重要性等多方因素，根據(jù)不同變電站的實際情況，結合運維人員的經(jīng)驗，應用全壽命分析總結歸納出更加合適的設備改造方案，為變電站的安全穩(wěn)定運行、人民生產(chǎn)生活供電提供技術保障。

參考文獻

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