DQZHAN技術(shù)訊：輸變電工程的使用壽命

《國家電網(wǎng)報》近日就輸變電工程使用壽命發(fā)表記者調(diào)查報告。

調(diào)查：對于電吹風(fēng)、電磁爐、空調(diào)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(wǎng)設(shè)備壽命的因素有哪些?是否電壓等級越高，電網(wǎng)設(shè)備越耐用呢?隨著國家電網(wǎng)公司關(guān)于輸變電工程使用壽命關(guān)鍵技術(shù)研究項目取得實質(zhì)性成果，記者進行了深入采訪。

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

■ 評估輸變電工程壽命極為復(fù)雜，需要綜合考慮設(shè)備的物理壽命、技術(shù)壽命和經(jīng)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(huán)境，對輸變電工程設(shè)備壽命影響較大

輸變電工程使用壽命是指在正常設(shè)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(xiàn)，也是工程質(zhì)量水平、經(jīng)濟性和可用性的重要指標(biāo)。

近年來，隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，電網(wǎng)設(shè)備數(shù)量不斷增加。目前由于設(shè)備設(shè)計缺陷、制造成本制約、運維手段落后等因素的影響，電網(wǎng)設(shè)備存在著使用壽命短和相關(guān)聯(lián)設(shè)備使用壽命匹配性不高等問題，制約了輸變電工程質(zhì)量和電網(wǎng)經(jīng)營效益的提高。

2012年2月22日，國家電網(wǎng)公司在北京組織召開的輸變電工程使用壽命關(guān)鍵技術(shù)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上等工程，主要輸變電建(構(gòu))筑物使用壽命達到60年以上，主要一次設(shè)備使用壽命達到40年以上，主要二次設(shè)備使用壽命達到20年以上。深入研究制約電網(wǎng)設(shè)備使用壽命的關(guān)鍵因素，取得重要部件設(shè)計、生產(chǎn)等關(guān)鍵技術(shù)突破，**提升設(shè)備的使用壽命，是實現(xiàn)這一目標(biāo)的重要保證。

變壓器類設(shè)備有物理壽命、技術(shù)壽命和經(jīng)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(shè)備(線圈類設(shè)備、開關(guān)類設(shè)備)、電氣二次設(shè)備、變電工程建(構(gòu))筑物(主控樓、變電構(gòu)架、基礎(chǔ))以及輸電線路工程部件(鐵塔、導(dǎo)地線、金具、絕緣子)等工程設(shè)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(fù)雜的工作。

這個大家庭中“塊頭”*大的當(dāng)然是變壓器。變壓器類設(shè)備的壽命評估并不簡單，由物理壽命、技術(shù)壽命和經(jīng)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(jīng)歷的時間，技術(shù)壽命即從投運到由于技術(shù)進步和更新?lián)Q代導(dǎo)致壽命終結(jié)所經(jīng)歷的時間，經(jīng)濟壽命即從投運到由于繼續(xù)運行經(jīng)濟性不合算而導(dǎo)致的壽命終結(jié)所經(jīng)歷的時間。

變壓器類設(shè)備物理壽命主要包括絕緣系統(tǒng)(油紙絕緣)壽命和機械壽命。對于絕緣系統(tǒng)壽命，目前國內(nèi)外主要通過窺斑見豹的方法，即針對反應(yīng)絕緣系統(tǒng)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(shè)備中絕緣紙劣化分解的一種特殊產(chǎn)物，常溫時為液體并溶于油中，通過糠醛含量來判斷設(shè)備的壽命是一種較為可靠的評估方法。變壓器類設(shè)備真空濾油后，糠醛會被部分濾除，造成油中糠醛含量與產(chǎn)生量不同，因此，采用這種方法需要結(jié)合運行檢修歷史綜合判斷，這也是電網(wǎng)檢修人員的重要任務(wù)之一。此外，絕緣紙的聚合度是變壓器機械性能的直接體現(xiàn)，可以作為油紙絕緣老化程度判別的依據(jù)，這種方法能估算出運行中變壓器類設(shè)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(jīng)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(jīng)驗，“有十幾年變電運行經(jīng)驗的老師傅才能估算個大概”。

變壓器類設(shè)備的技術(shù)壽命則完全取決于技術(shù)的更新?lián)Q代速度，如同手機一樣，當(dāng)功能*優(yōu)的新款面世，舊型號就會被逐漸淘汰。同時，如果設(shè)備故障率持續(xù)升高，或它的備品備件已經(jīng)停產(chǎn)，更換困難，每年的維護費用已經(jīng)大大超出了購置一臺新設(shè)備的費用，那么舊設(shè)備就應(yīng)該“下崗”，結(jié)束使命。

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

而評估電氣二次設(shè)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(shè)備進行樣品的加速老化試驗，得到設(shè)備設(shè)計壽命所需的應(yīng)力參數(shù)、樣品數(shù)量、老化時間和允許失效個數(shù)等參數(shù)，從而可以較為**地測算出設(shè)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(huán)境，各種內(nèi)外因素決定了每個人壽命長短不同。輸變電工程大多要經(jīng)過許多人跡罕至的地方，所面臨的運行環(huán)境更加復(fù)雜惡劣，制約因素也更多，因此，處在不同環(huán)境下的同一型號設(shè)備，其壽命也有較大差異。

據(jù)國網(wǎng)運檢部負責(zé)人介紹，根據(jù)多年設(shè)備運維數(shù)據(jù)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(shè)計水平、生產(chǎn)制造、加工工藝、運行環(huán)境、**工況、運維策略等。而在眾多運行環(huán)境中，高溫、低溫、潮濕、腐蝕、多沙、多鹽霧、多電磁干擾對電網(wǎng)設(shè)備壽命影響較大。

唐山供電公司運檢部專工告訴記者，在一般大氣環(huán)境下，熱浸鍍鋅鐵塔可使用20年，而在污染嚴(yán)重的工業(yè)大氣環(huán)境下，如京津唐地區(qū)，熱浸鍍鋅鐵塔使用5年就已經(jīng)銹跡斑斑，使用壽命大大縮短。

以開關(guān)設(shè)備為例，要在自然環(huán)境中“壽終正寢”，可謂困難重重。許繼集團有限公司研發(fā)部門負責(zé)人介紹，開關(guān)設(shè)備壽命*重要的指標(biāo)之一就是密封性，其性能的優(yōu)劣直接決定了設(shè)備的開斷能力。目前，國內(nèi)外都使用大量的橡膠密封圈(墊、環(huán))等來完成開關(guān)設(shè)備的動、靜密封，而橡膠制品作為有機化合物，在高溫、化學(xué)、腐蝕環(huán)境下極易老化，變硬、變形、收縮等都會破壞開關(guān)設(shè)備密封，不同程度的漏氣就會造成設(shè)備缺陷。此外，重污穢會導(dǎo)致開關(guān)設(shè)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，*終會形成貫穿型放電通道，發(fā)生沿面擊穿故障，導(dǎo)致設(shè)備壽命終結(jié)。

當(dāng)然，兵來將擋，水來土掩。設(shè)備的制造可以采用同樣的標(biāo)準(zhǔn)，但針對不同運行環(huán)境，可以對個別性能指標(biāo)進行差異化設(shè)計。在實際運行中，設(shè)備生產(chǎn)廠家和電網(wǎng)運維人員進行了諸多針對性的設(shè)計改進與設(shè)備改造，以盡量延長設(shè)備壽命。

±800千伏天山換流站四周被沙漠戈壁包圍，當(dāng)?shù)仫L(fēng)沙極大，每年有三分之一的時間刮7級以上大風(fēng)，*大風(fēng)力可達12級，經(jīng)常飛沙走石，拔樹毀屋。沙塵是電氣設(shè)備的大敵，會導(dǎo)致絕緣性能直接喪失。換流站在選型時，所采用的主變壓器和線路可控高抗等電氣設(shè)備均具有較高的密封性和抗風(fēng)性。而對于換流站的核心設(shè)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(nèi)有兩道門隔離外界，設(shè)計了多個拐彎風(fēng)道用來沉積沙塵，房間中還安置了三層過濾網(wǎng)，針對不同顆粒度的沙塵進行過濾，**地解決了沙塵這個“心腹大患”。

針對地震多發(fā)地區(qū)，公司聯(lián)合相關(guān)機構(gòu)、院校啟動了一批電力設(shè)施抗震相關(guān)科研課題，開發(fā)了電氣設(shè)備減隔震技術(shù)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(jīng)分別在四川下孟、甘肅臨江等新建變電站工程得到成功應(yīng)用。其中，四川下孟變電站投運3年多來已經(jīng)經(jīng)受了30余次4級以上的地震考驗而未見任何損壞，電網(wǎng)設(shè)備壽命得到了極大保證。

那么，電壓等級的高低對于設(shè)備使用壽命有何影響呢?據(jù)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(shè)備壽命的影響更大，因為高電壓等級的電磁干擾更加嚴(yán)重，給電子設(shè)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(shè)備容量大、開斷能力強，對部件質(zhì)量、可靠性要求更高，因此，特高壓設(shè)備壽命設(shè)計、評估指標(biāo)要求更加嚴(yán)苛。

我國建(構(gòu))筑物和輸電線路的使用壽命一般都能達到設(shè)計值

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

變電工程中的主控制樓、變電構(gòu)架和設(shè)備基礎(chǔ)等建(構(gòu))筑物所采用的結(jié)構(gòu)主要是混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)。研究表明，工業(yè)和民用建筑物的使用壽命與這些建筑物所采用結(jié)構(gòu)的耐久性和耐腐蝕性密切相關(guān)，變電站建(構(gòu))筑物的使用壽命也取決于混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性或鋼結(jié)構(gòu)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(shè)立了一些有關(guān)水泥混凝土的重要研究計劃，如國家自然科學(xué)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(guān)項目“重點工程混凝土**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(jié)構(gòu)的耐腐蝕性，這已經(jīng)受到世界各國電力行業(yè)的高度重視。美國電力科學(xué)研究院(EPRI)和加拿大電力技術(shù)研究機構(gòu)把輸電網(wǎng)的腐蝕評估、控制與防護等腐蝕管理問題列為輸電網(wǎng)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(yù)測變電構(gòu)架的腐蝕壽命*常用的方式是在實驗室中進行加速腐蝕試驗，并利用現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行修正。目前，我國已建立多種模擬在海洋大氣環(huán)境、酸雨地區(qū)等環(huán)境內(nèi)的加速腐蝕試驗方法，并制定了相應(yīng)的腐蝕評價及腐蝕防護標(biāo)準(zhǔn)，這些成果所帶來的經(jīng)濟效益顯而易見，我國主要輸變電建(構(gòu))筑物使用壽命可達到60年以上，建設(shè)質(zhì)量也得到極大保證。

在線路工程中，桿塔基礎(chǔ)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(tǒng)的穩(wěn)定性。腐蝕破壞對桿塔和導(dǎo)線的**可靠性和使用壽命是*大的危險，目前各國都在大力研究新型的防腐技術(shù)，如新型的合金鍍層、環(huán)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(shù)的系列研究，開始研發(fā)防腐涂料。公司還研究開發(fā)了復(fù)合芯導(dǎo)線，其主要受力部分由鍍鋅鋼芯換成了耐蝕的碳纖維復(fù)合材料，提高了耐蝕性能，適用于架設(shè)腐蝕嚴(yán)重地區(qū)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(yīng)用*為廣泛，已經(jīng)有100多年的應(yīng)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(jié)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。

記者從國網(wǎng)科技部獲悉，“輸變電工程使用壽命關(guān)鍵技術(shù)研究”項目目前已通過驗收，該項目通過調(diào)研110～750千伏輸變電工程建(構(gòu))筑物和設(shè)備的使用壽命狀況，確定了反映壽命的特征參數(shù)，給出了設(shè)備使用壽命的評估方法和標(biāo)準(zhǔn)。隨著研究成果在輸變電工程建設(shè)和運行中推廣應(yīng)用，將有效提高輸變電工程設(shè)備的使用壽命，提升電網(wǎng)建設(shè)質(zhì)量和電網(wǎng)運行效率，提高電網(wǎng)設(shè)備全壽命周期管理水平。