馬宏明 盧 勇 董華英

（1.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217；2.云南省電力試驗(yàn)研究院，昆明 650217；3.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003）

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的開關(guān)設(shè)備，高壓斷路器性能的好壞、工作的可靠程度是決定電力系統(tǒng)安全供電的重要因素。在電力系統(tǒng)中，高壓斷路器數(shù)量最多，按照傳統(tǒng)的計(jì)劃?rùn)z修模式對(duì)斷路器進(jìn)行檢修，存在檢修量大、費(fèi)用高、容易出現(xiàn)檢修過?；蛘邫z修不足等缺點(diǎn)，所以對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估具有十分重要的意義[1-3]。

20世紀(jì) 90年代，國(guó)外已開始對(duì)斷路器實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)[4]。高壓斷路器狀態(tài)評(píng)價(jià)的方法從不同的考慮角度側(cè)重點(diǎn)也不同。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外的實(shí)際應(yīng)用情況，可以分為 4種方法[5]：統(tǒng)計(jì)分析方法、技術(shù)分析方法、綜合打分策略和模糊打分策略。其中應(yīng)用比較成熟的是統(tǒng)計(jì)分析法和技術(shù)分析法，這兩種主要側(cè)重于定性的評(píng)價(jià)。但為了給斷路器的全壽命周期成本管理提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)量化狀態(tài)評(píng)價(jià)非常必要，需要由定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)槎吭u(píng)價(jià)。綜合打分策略法目前已形成試行的國(guó)家電網(wǎng)公司[6]和南方電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)[7]，初步應(yīng)用在設(shè)備的定期評(píng)價(jià)中，主要為運(yùn)行和檢修決策提供幫助。在實(shí)際應(yīng)用中，該方法評(píng)估結(jié)果誤差較大，而模糊打分策略采用數(shù)學(xué)工具，結(jié)合斷路器外部可能遭受的應(yīng)力，綜合考慮斷路器應(yīng)采取的對(duì)策，是一種先進(jìn)的量化評(píng)價(jià)方法，但由于目前還缺乏成熟的數(shù)學(xué)模型以及專家的權(quán)重難以確定，尚停留在探索驗(yàn)證階段。綜上所述，斷路器狀態(tài)評(píng)價(jià)雖然取得了一定的成果，但尚缺乏有效的數(shù)學(xué)手段和技術(shù)手段，故綜合打分策略和模糊打分策略相結(jié)合的組合分析法是目前相對(duì)可行而有效的評(píng)價(jià)方法。

故障樹分析（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）已廣泛應(yīng)用于高壓斷路器的狀態(tài)評(píng)價(jià)中，它能夠描繪出斷路器整體故障和零部件故障的邏輯因果關(guān)系，可用于對(duì)比不同的設(shè)計(jì)方案、強(qiáng)化薄弱環(huán)節(jié)、制定合理的管理和維修方案、進(jìn)行故障診斷等。但是，故障樹分析給出的是斷路器中影響可靠性的一些共性因素，對(duì)于實(shí)際運(yùn)行的斷路器系統(tǒng)，又有一些特殊的不確定因素影響其可靠性。因此，既考慮這些共性因素，又結(jié)合不確定因素，有必要建立一套比較完善和實(shí)用的分析與評(píng)估體系。作為處理不確定信息手段之一的模糊理論可以彌補(bǔ)故障樹分析和評(píng)估中的不足[8]。

1 組合分析過程

本文探討了將故障樹分析和模糊綜合評(píng)判分析相結(jié)合，建立組合分析法對(duì)高壓斷路器進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)。以云南電網(wǎng)公司工程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立高壓斷路器的故障樹。以模糊綜合評(píng)價(jià)法為基本框架，與故障樹有機(jī)結(jié)合，建立高壓斷路器的狀態(tài)評(píng)估模型，即采用高壓斷路器的故障樹，確定高壓斷路器故障影響因素的基本關(guān)系，對(duì)某些難以定量分析的故障因素，采用模糊數(shù)學(xué)理論將其對(duì)斷路器的影響程度定量化，得到斷路器故障量化值，以及各因素對(duì)斷路器故障的影響程度[9]。高壓斷路器狀態(tài)評(píng)價(jià)計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 高壓斷路器狀態(tài)評(píng)價(jià)計(jì)算流程

1.1 故障樹模型

故障樹頂事件選擇為斷路器故障。對(duì)于高壓斷路器而言，故障主要包括：本體故障和機(jī)構(gòu)故障，其中本體故障包括導(dǎo)電回路故障、絕緣故障；機(jī)構(gòu)故障包括拒動(dòng)、誤動(dòng)、儲(chǔ)能故障。每個(gè)故障下面還可以再分，直至不能再分或不必再分為止。故障樹的建立是故障樹分析法的關(guān)鍵，故障樹建立的完善程度將直接影響到故障原因分析查找的準(zhǔn)確性。故障樹定性分析的目的在于尋找導(dǎo)致頂事件發(fā)生的原因事件或者原因事件的組合，也就是求出故障樹的全部最小割集。全部最小割集可以用下行法求出，由于故障樹中各底事件均為或的關(guān)系，所以一個(gè)底事件就是一個(gè)最小割集[10]。故障樹定量分析是根據(jù)基本事件發(fā)生的概率求出頂事件發(fā)生的概率。通過該分析可以確定影響高壓斷路器的主要共性因素。高壓斷路器故障樹模型如圖2所示，故障樹中對(duì)應(yīng)的事件列表見表1。

圖2 高壓斷路器故障樹模型

表1 故障樹中對(duì)應(yīng)的事件列表

1.2 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

模糊綜合評(píng)價(jià)是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)量化綜合評(píng)價(jià)事物的數(shù)學(xué)工具，其主要步驟如下[11]：

1）建立因素集U。對(duì)高壓斷路器而言，因素取為故障樹分析中關(guān)鍵重要程度較大的基本事件，如：開斷斷路電流值及次數(shù)超出廠家規(guī)定值、機(jī)構(gòu)卡澀、機(jī)械磨損、電機(jī)損壞、油氣泄漏等?？杀硎緸?/p>

式中，U為因素集；ui表示因數(shù)集中第i個(gè)因素；n為因素個(gè)數(shù)。

2）建立等級(jí)集。高壓斷路器的綜合評(píng)價(jià)狀態(tài)分為4個(gè)等級(jí)：

即：V={正常 ，注意，異常，嚴(yán)重}

計(jì)算時(shí)等級(jí)集取為[7]

正常、注意狀態(tài)可以正常運(yùn)行，注意狀態(tài)應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)視，異常狀態(tài)應(yīng)適時(shí)安排檢修，嚴(yán)重狀態(tài)應(yīng)盡快安排檢修。

3）確定權(quán)重集。因素權(quán)重系數(shù)是反映各因素間的內(nèi)在關(guān)系，體現(xiàn)了各因素在因素集中的重要程度。因素權(quán)重集記為

式中，A為U上的模糊子集。

利用層次分析法確定權(quán)重集。首先，建立層次結(jié)構(gòu)模型，確定目標(biāo)和評(píng)價(jià)因素集。其次，構(gòu)造判斷矩陣，判斷矩陣表示針對(duì)上一層次某因素而言，本層次與之有關(guān)的各因素之間的相對(duì)重要性。通過元素的兩兩比較，采用“9標(biāo)度法”進(jìn)行標(biāo)度，判斷矩陣標(biāo)度表如表2所示。

表2 判斷矩陣標(biāo)度表

然后是計(jì)算重要性排序，它是根據(jù) A—U判斷矩陣，求出最大特征根所對(duì)應(yīng)的特征向量。所求特征向量即為各評(píng)判因素重要性排序，即權(quán)重分配。最后，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，可通過一致性公式求得

式中，CR為判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率；CI為判斷矩陣的一般一致性指標(biāo)，其中

式中，RI為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，對(duì)于平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的取值見表3。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI標(biāo)準(zhǔn)值

當(dāng) CR＜0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，說明權(quán)數(shù)分配是合理的，否則需要調(diào)整判斷矩陣，直到取得滿意的一致性為止。

4）確定綜合評(píng)判矩陣R

R為U與V的模糊關(guān)系矩陣（模糊隸屬矩陣），定義為

為使結(jié)果歸一化，令rij滿足

式中，rij為影響因素ui在評(píng)價(jià)等級(jí)vj上的隸屬度，即rij是表征ui屬于vj程度的數(shù)量指標(biāo)。

5）進(jìn)行模糊綜合評(píng)判運(yùn)算

根據(jù)高壓斷路器診斷的特點(diǎn)，本文采用了相乘限加型（加權(quán)平均型）M（·,⊕）的評(píng)判模型來進(jìn)行故障診斷分析，其診斷結(jié)果與實(shí)際情況吻合得較好[12]。

式中，“?”是模糊算子

這種運(yùn)算是界限和運(yùn)算，即考慮了主要因素的影響，又考慮了非主要因素的影響，適合于系統(tǒng)綜合指標(biāo)的評(píng)價(jià)。在斷路器狀態(tài)評(píng)價(jià)中，運(yùn)用該算子模型不僅考慮了所有因素對(duì)高壓斷路器的影響，還保留了單個(gè)因素的全部信息。

6）綜合評(píng)價(jià)結(jié)果C

根據(jù)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，確定高壓斷路器評(píng)價(jià)等級(jí)。

2 應(yīng)用實(shí)例

云南電網(wǎng)公司某SF6斷路器主要技術(shù)參數(shù)見表4。

通過斷路器故障樹模型，選取開斷路電流值及次數(shù)超出廠家規(guī)定值、制作工藝及家族性缺陷、SF6微水不合格、二次元件損壞、回路接觸不良、機(jī)構(gòu)卡澀、機(jī)械磨損、滲漏油氣閉鎖、電機(jī)損壞、油氣泄漏這10個(gè)基本事件作為模糊綜合評(píng)判的基本因素，即

表4 LTB245E1斷路器主要技術(shù)參數(shù)

利用層次分析法確定權(quán)重集?？紤]到斷路器狀態(tài)評(píng)價(jià)尚處于研究的起步階段，獲得大量的明確評(píng)價(jià)結(jié)論的樣本存在很大困難，還需借助專家經(jīng)驗(yàn)，邀請(qǐng)專家按層次分析法給出兩兩因素判斷表[13]，因素判斷表見表5。

表5 因素判斷表

利用Matlab程序計(jì)算該矩陣函數(shù)的最大特征值及相應(yīng)的特征向量：

查詢表3可得，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI標(biāo)準(zhǔn)值為1.4616。

CR=CI/RI=0.0053/1.4616=0.0036＜0.1，說明判斷矩陣具有比較滿意的一致性，權(quán)數(shù)分配合理。

求出權(quán)重分配為A={0.2565，0.0599，0.0996，0.0332，0.0566，0.0996，0.0338，0.0996，0.1029，0.1583}

對(duì)實(shí)際運(yùn)行的斷路器，根據(jù)專家和現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的模糊統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出的評(píng)價(jià)矩陣R(n=10)：

模糊綜合判斷結(jié)果B為

模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果C為

因?yàn)?0.6＜C＜0.9，所以該高壓斷路器的狀態(tài)為“注意”，即該高壓斷路器可以正常運(yùn)行，但是應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)視。

實(shí)際運(yùn)行中該高壓斷路器除了BLK222彈簧操作機(jī)構(gòu)存在家族性缺陷外，一直運(yùn)行可靠，工作狀態(tài)良好，工作穩(wěn)定，即高壓斷路器正常運(yùn)行，平常要注意巡視。所以實(shí)際運(yùn)行情況同高壓斷路器評(píng)判模型所得結(jié)果基本吻合。

3 結(jié)論

本文提出的故障樹和模糊綜合評(píng)判相結(jié)合的高壓斷路器狀態(tài)評(píng)價(jià)組合分析方法，與單一采用故障樹分析或者模糊綜合評(píng)判方法比較而言，本方法更具有針對(duì)性和綜合性。它可以快速地由實(shí)際出現(xiàn)的故障征兆建立評(píng)價(jià)因素集，使評(píng)價(jià)更貼近實(shí)際情況；評(píng)價(jià)中既考慮了主要因素的影響，又考慮了非主要因素的影響，對(duì)于實(shí)際評(píng)價(jià)更全面、合理。該組合分析評(píng)價(jià)結(jié)果還可以作為高壓斷路器日常運(yùn)行維護(hù)和檢修的參考依據(jù)。

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