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供电系统设施管理技术、方法及应用之二十三:积累应力引起的劣化

已有 1898 次阅读 2018-5-4 19:43 |个人分类:电力科技|系统分类:科研笔记| 配电系统, 配电网, 输配电系统管理

       有些形式的损坏只有当设备运行时才会发生,并且,损坏的程度与运行时间和运行水平相关,而与非工作时间无关。这种损坏主要包括以下3个过程:

     (1)电磁场应力。电缆或设备运行时将产生电磁场应力,这种应力可降低绝缘强度,在有些情况下,加速设备材料腐蚀。本质上,只要给设备施加电压,就会产生电磁应力,这个应力最终将击穿绝缘层,并加速某些化学反应过程(特别是当设备没有采取良好的接地或阴极保护措施时)。这种应力只取决于外加电压,与设备的电流大小无关。

每个电力设备,如变压器、电缆和碟形绝缘子等,都按能够耐受一定的标称电压设计,这意味着该设备在这一电压下能够安全、可靠地运行很长时间(数十年)。但是,电压产生的电磁应力将导致各种形式的绝缘击穿,如绝缘树枝化或绝缘层内吸入不洁物质形成闪络通路等。最终,绝缘层在将历经一个世纪(柱形绝缘子)或数十年(地下电缆)后损坏。

大多数情况下,电磁应力造成的损坏速率对电压非常敏感,只要将电压稍稍升高一点,就会使应力大大增加。这样,当在标称电压范围的高限运行设备时,或在误动作、开关浪涌和雷击时,较高的电压将加速绝缘损坏,而且,有些情况下,这种损坏加剧是非常大;相反,将旧设备(老电缆)的运行电压降至允许范围的低限时,往往可以大大降低应力以及损坏速率和故障率。当然,如果电压太高、超过容许范围,将导致设备立即发生故障。

(2)磨损。设备内的零部件在动作时会相互摩擦,如分接开关、电容器开关、断路器和负荷开关等,天长日久,这些动作会逐渐磨损零件接合面,使零件间的配合公差加大。最常见的是光滑的支承面被磨损,这种磨损会导致运动件粘结、或不能动作、或动作缓慢。

此外,从技术上说,并不相互动作的零部件也会受到“磨损”的损坏,最常见的例子是架空导线及其相关的接头、线端装置和支架等。从某种意义上说,架空导线也是运动的,它会随风摇摆、或在温度和负荷的作用下,伸长、缩短、弧垂加大、减小等。这样,几十年后,这种运动就会逐渐导致导线与线夹之间结合松弛、接头或线端装置松弛,甚至导致导线本身开裂,最终,某处断开,整条线路就不能运行。

这种渐进的磨损损坏会因风力振动的作用大大加剧。风吹到导线上会引起导线共振,就像弹拨竖琴的琴弦使它发出嗡嗡声一样,这种共振作用加剧了接头、支架和电缆夹的松弛,并且,在极端情况下,仅几个月的时间就可使导线束疲劳断裂。通常,导线上加装各种形式的减振器来阻止导线振动,但这些减振器只是在估计会有强烈共振的情况下安装,而大多数架空导线经历的只是轻微振动。但即使这样,数十年的轻微共振也会降低导线及其附属配件的机械强度。

(3)热应力。高温会加速材料损坏的许多物理和化学反应过程,从这一点上说,热量可以认为是电力设备最大的敌人。很多电力设备,如变压器、调压器和电机等的热量是由设备电损耗产生的,随之形成的高温会造成绝缘、衬垫和密封等材料以及变压器油的劣化,甚至有些情况下,会导致金属导线和机械零配件的损坏,同样,热量也会影响到所有电气设备,劣化各种材料和零部件的功能,例如,使绝缘构件失去绝缘强度,或者使金属零件在非常高的温度下膨胀,造成运动不畅和磨损,并且降温后使金属零件的强度降低,脆性增强,变得易碎。

基本上,零部件和材料的损坏速率与温度成函数关系,通常,随温度成指数上升,直到最高允许温度,超过这一温度时,材料将立即损坏。比如,某台设备在80 oC时可运行几十年,在90 oC可运行几年,在100 oC时可运行一周,在110 oC只能运行几小时。

此外,当温度达到某个程度时,会引起某些电力设备内部零部件的物理变化,并导致误动作。例如,(高负荷电损耗引起的)电力变压器绕组的极度发热使铁心局部过热,从而使绝缘油汽化或沸腾,产生的气体以气泡的形式存在于绝缘油中,破坏了它的绝缘能力,因为这些气泡形成了闪络路径,可导致灾难性事故。

对于机械设备,如断路器、负荷分接开关和电机等,高温可引起机械零件膨胀,导致动作不畅(配合公差减小)、误动作和磨损率加大。对于架空导线,在它经历高温(通常是高负荷电损耗产生的热量使导线温度升高到比周围环境温度高100 oC)并冷却后,会使金属导线硬化,脆性增强,弹性和力学强度降低,加之风力引起的共振以及日常温度变化引起的自然热胀冷缩,很快,这些导线会发生细微的裂纹,并最终导致导线断裂。

高温引起的损坏是积累性的,也就是说,一段时间的高温造成的损坏并不会在温度回落后消失,一台设备的零部件会逐渐劣化,就相当于高温产生的积累应力。由于热量(造成高温的原因)总是与负荷相关(负荷电流产生损耗,散发热量),因此,电力工程师总是将损坏速率与负荷联系起来,即负荷越高,损失越快。“寿命损耗”一词指的是设备在一定负荷(温度和热量)下使用期限缩短。

    如果设备长期保持高温(很多电力设备都是这样的),那么,前面讲到的随时间劣化的损坏过程就会加剧,因此,“随时间劣化”与“积累应力”两种老化形式并不是完全相互独立的。



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