概述
所謂壽命，是指從出生經過發育、成長、成熟、老化以至死亡前機體生存的時間，通常以年齡作為衡量壽命長短的尺度。由於人與人之間的壽命有一定的差別，所以，在比較某個時期，某個地區或某個社會的人類壽命時，通常採用平均壽命。平均壽命常用來反映一個國家或一個社會的醫學發展水平，它也可以表明社會的經濟、文化的發達狀況。壽命為計算年齡的一種，為一個生物誕生到死亡的所有時間，一般將其單位定為“歲”。壽命的原意不同於年齡，但由於語言上的錯誤導致有時候年齡可以代替壽命一詞。
壽命一詞時也時常被用來指機械、設備或零件從開始使用到故障無法使用的時間長短。
壽命診斷技術通常指機械、設備零件等的診斷技術。
火力發電設備壽命診斷技術
為實現壽命預測而採用的實驗、監測和判斷技術。火力發電廠壽命診斷的對象主要是高溫構件,檢驗內容是一些與壽命損耗有關且往往是材料內部組織性能變化的物理量,諸如蠕變變形、蠕變空洞、組織變化、硬度、電阻等,通過分析來判斷壽命損耗程度,最後預測其剩余壽命。利用壽命診斷技術來預測剩餘壽命,一般速度比較快,而且大多數不用取樣,對運行中的火電廠比較適用。目前在火電廠已套用的壽命診斷方法有分析法,非破壞的物理量檢測方法等。計算機專家系統用於壽命診斷也已得到很大發展。
分析法通過公式或數學模型分析計算得出構件的壽命損耗率從而診斷出剩餘壽命值,如用於蒸汽管道的蠕變壽命損耗率φc的分析判斷,公式
壽命診斷技術非破壞的物理量檢測法主要檢測構件的碳化物直徑和間距、蠕變變形量、硬度和電阻率等,具體列於附表。表中√號表示該項物理量可用以診斷的壽命損耗機制。
高壓斷路器觸頭電壽命診斷的基本原理和方法
1 引言
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現代社會的發展對電力系統的要求越來越高，因而在電力系統中擔負著控制、保護雙重功能的高壓斷路器的可靠性顯得至關重要。為了確保高壓斷路器的運行可靠性，減少浪費，提高設備的可用率，目前電力設備的檢修正在由定期檢修向狀態檢修方向發展。
斷路器觸頭電磨損是影響斷路器電壽命的重要因素，是狀態檢測的一個重要內容。在無法確定斷路器實際切斷電流大小及電磨損的情況下，對斷路器盲目解體，不但會造成巨大的人力、財力浪費和不必要的停電，而且會使原本完好的斷路器因檢修而出現故障。目前，隨著計算機技術的發展和電壽命理論的不斷完善，對斷路器觸頭的電磨損情況進行線上監測已成為可能，進而實現對觸頭電壽命的診斷，為實施斷路器狀態檢修邁出關鍵的一步。
2 電壽命診斷的基本原理和方法來源:輸配電設備網
我國斷路器檢修工藝（無論油斷路器還是SF6斷路器）對滅弧室解體檢修的規定都是以年限或某種等級的開斷電流次數等作為依據的。也就是說，檢修周期或臨修次數與累計開斷電流的大小有關。但是，若單純以累計開斷電流作為判斷觸頭健康狀態的依據是不準確的。因為對於同一台斷路器，雖然累積開斷電流相同，但若單次開斷的電流相差懸殊，則觸頭的磨損程度會相差很大。檢修工藝中雖然定性規定了若開斷電流大，則臨修次數少，但畢竟很籠統。因為對於一個斷路器來說，其開斷電流是隨機的，不可能只開斷一個或某幾個等級的電流，累計電流和檢修工藝中的定性規定都不能有效地反映觸頭的燒損情況，但在當時條件下得到了認可。
針對這一問題，本文採用觸頭累積磨損量作為判斷其電壽命的依據。利用類似文［2］中所述的不同開斷電流下的等效磨損曲線，將每次電流開斷所對應的相對電磨損及時累計；每台斷路器的允許電磨損總量由其額定短路開斷電流及允許開斷滿容量次數標定。
例如，對於國產SF6斷路器，利用試驗所得斷路器的N-Ib曲線(如圖1所示)求出任意電流下的等效磨損次數與相對磨損量的換算關係，列於表1。其餘各任意開斷電流下的相對磨損量可根據表1進行線性插值獲得（小於3%的額定電流，其磨損量按3%額定電流的磨損量計算）。表1中，N為額定開斷電流下的允許開斷次數，括弧內數的意義是：對應Ib/In百分比下的觸頭可開斷次數。
不同滅弧介質的斷路器有不同的等效電磨損曲線。本系統能對少油、SF6、真空三類斷路器實施觸頭電壽命診斷。顯然，本系統的標定方法建立在累積效應和統計平均的基礎上。由於燃弧時間及其它隨機因素的影響，對每一次任意開斷來說，上述所算得的電磨損可能是不準確的。但大量的試驗及運行經驗證明，當開斷次數達一定值後其平均燃弧時間是趨近的［4，5］，即隨機因素對燃弧時間分散性的影響從累計的角度考慮是可以被忽略不計的。因而對斷路器使用壽命期間的成百上千次開斷而言，只需考慮每次所開斷的電流量。
需要指出的是，本系統按滅弧介質將電磨損曲線分類顯然是粗略的。因為即使是同一個廠家生產的同介質的斷路器，其電壓等級和生產時期不同，滅弧過程的磨損規律也會有某些差異。即使這樣，較只考慮累計電流的方法已進了一步。更細緻、更精確的分類與診斷判據還有待於今後運行過程中不斷積累。
3 系統設計及其功能
3.1 系統設計
系統硬體結構如圖2所示。整個系統由套裝於一次互感器二次側的微型電流感測器、電纜、智慧型型專用信號採集處理卡（自帶CPU）、工控機、顯示器等組成。信號的採集和處理由多塊以MCS-96系列80196單片機為智慧型核心的插板來完成。為確保其與主機（IPC486工控機）信息交換的可靠性，提高系統的數據交換速度和精度，採用了占用時間少、通信量大的雙口RAM，實現主機與下位機的數據共享，並安排了RS232串列通訊接口作為故障情況下的自動取用數據，以確保信息交換的可靠性。每塊採集板可處理16路模擬信號。根據電站斷路器台數的多少，採集板可在1至8塊之間靈活考慮，8塊採集板相當於能處理110kV及以上斷路器40餘台，10kV斷路器50餘台，少數特別大的變電站可採取加強措施增加插板。整個系統採用微機實現全電站斷路器各台相觸頭電壽命的監測、診斷和報表列印等功能。只要不斷電關機，微機可以短時退出監控程式進行別的工作而不影響隨時可能發生的開斷記錄，此時的記錄工作由下位機完成。主機一旦回到自動監控狀態，立即向下位機讀取開斷參數並予以計算處理。當有開斷髮生和觸頭電壽命達到期限值時，系統自動向電站值班人員發出相應的報警信號。
斷路器在開斷特大短路電流時，由於互感器飽和會引起二次電流波形畸變，因此存在著如何在這種情況下記錄電流真實值的問題。由互感器深度飽和狀態下的電流示波圖可以看出，儘管二次電流在一個周期的大部分時間內因鐵芯飽和而降為零值，但在過零附近仍能保持與初級電流相同的變化趨勢，即有確定的初次級上升率變化快慢的對應關係。基於這一事實，記錄裝置將記錄電流分兩段處理，即負荷電流按實際波形通過一定的算法求得，而短路電流則按電流上升時的最大變化率來確定。在本系統中，先根據實驗測量出一次互感器次級電流與CPU所讀取的值之間的對應關係並建成表，使實際被測電流與CPU所讀的值之間有一一對應的關係，然後在全量程範圍內利用查表和分段線性插值相結合的辦法計算被測值。這樣可以排除從感測器到CPU的各中間環節的誤差，保證有足夠的準確度。有關電流的測取方法詳見文［6］。
3.2 系統的功能
（1）記錄存儲 本系統能隨時根據用戶設定的該台斷路器電流互感器的變比，累計記錄全電站各斷路器、各相短路開斷電流及較大的負荷開斷電流，並根據該斷路器的種類、屬性將每次電流開斷所造成的觸頭燒損量按統計平均值予以累計。各台、相的累計開斷電流及次數、累積觸頭磨損量所占額定壽命磨損量的比例均記錄並存儲在系統的資料庫中。
（2）參數管理 用戶可以方便地根據一次互感器的變比、開關種類及斷路器的運行歷史，由鍵盤設定電流互感器變比值、累計開斷電流及累計開斷次數的報警限值或所允許的觸頭磨損總量。如用戶已更新了斷路器或檢修後要從零開始重新記錄，也可方便地實現。
（3）數據遠傳 系統可通過modem經電話線做遠程通訊。
（4）直觀、實用、易掌握的人機界面及列印、報警功能 在正常監測運行時，微機螢幕動態顯示各斷路器的累計開斷電流值及尚可允許的燒損量所占額定燒損總量的百分比，並可根據螢幕所提示的功能鍵說明隨時轉入其他的調看、查詢和列印等操作，而不會影響隨時可能發生的開斷記錄。一旦某台相的累計記錄值達到報警值時，計算機發出報警信號並在螢幕上顯示所報警的台相及參數。
（5）本系統的主機除了用於觸頭電壽命診斷外，必要時還可兼作報表列印、文字處理、計算編程等用途，從而充分利用了計算機的功能。
4 運行結果及結論
本系統目前已成功地投運於兩樞紐變電站，運行穩定可靠，達到了設計要求。在本系統中，對一次互感器二次側電流為0.5A以下時所對應的負載電流的開斷不予累計。例如，若一次互感器變比為600/5，則本系統對60A以下的開斷電流所造成的燒損忽略不計。這是因為本系統判斷電路被開斷的首要依據是電流突然為零值，其次是開關位置狀態量，而由於背景雜波及導線對地電容電流等的存在，使電流為零時不能以絕對零值表示。為確保記錄的可靠及從幾十安到幾十千安以上的電流都能達到所要求的準確度，故本裝置將一次互感器二次側電流為0.5A以下的值作零值處理。實際上這樣處理對於觸頭電壽命的診斷是完全允許的。模擬試驗表明，對sw6少油斷路器進行182次152A左右的連續開斷，累計電流達30.12kA，電壽命只降低了4.9%，對SF6斷路器和真空斷路器，這么小的開斷電流，其觸頭電磨損更是微乎其微。在預置電壽命值時（從0～100%視斷路器運行歷史而定）事先考慮到可能的小負載開斷次數，這一缺陷也就不存在了。因此，從總的造價、收益和實用性來說，本系統對實施高壓斷路器觸頭電壽命的監測和診斷是成功的，為斷路器的狀態檢修提供了有效的手段。
JFE開發吊車用鋼絲繩壽命診斷新技術
1．過去，JFE對鋼絲壽命的判定是用外觀目視以確認有無斷裂的一般方法，故須在有較多殘餘壽命時就將之更換，以確保吊運安全；且因使用環境限制而難以發現單股鋼絲的裂紋，甚至有斷裂危險。為用定量判定方法代替定性判定，JFE成功開發了統計處理使用後拆卸鋼絲樣品試驗數據的方法。然而，因此法也難以判定使用中鋼絲的壽命，故進一步開發不取下鋼絲而判定其剩餘壽命的技術，可使鋼絲使用達到極限壽命。另外，還查明了因鋼絲扭絞方法不同而使扭絞性狀對鋼絲壽命產生大的影響，從而確立了定量評價扭絞的方法。以下概要介紹這些技術開發和使用結果。
2．鋼絲使用後的機械性能變化
在吊車上使用的鋼絲因繩輪而彎曲，從而產生了金屬疲勞，降低了斷裂載荷（即強度）和延伸率（即塑性）等機械性能。通常在各試驗項目所有的特性都顯示了遞減的狀況，但研究者以和壽命相關性最顯著的扭縊試驗次數作為壽命評價指標，以確立壽命判定技術。
分別從鋼絲的使用壽命指數與延伸率（相對指數）以及與強度（相對指數）的關係可知：在接近斷裂壽命時，強度指數只有10％左右的下降，而延伸率卻有高達20％左右的顯著下降。此現象正如鋼繩的彈性係數增加而延伸率下降的情況。研究者著眼於此點，研究了在實機使用中的鋼絲壽命評價方法。
3．鋼絲的固有振動
3．1固有振動數計算式
直棒斷面的縱向振動頻率可表示為F＝λ／（2π·L）·（E／ρ）1／2。式中F為固有頻率，λ為係數，L為長度，E為縱向彈性係數，ρ為密度。在該式中，若改變縱向彈性係數E，固有振動數F變會變化。由於表觀彈性係數會隨鋼絲劣化而變化，故可推論在鋼絲的縱向振動中，包含固有振動數的振動現象將如何變化。
3．2實機鋼絲的振動波形比較
實測了冷軋廠正在運行的頂棚天車提升用的更換前已劣化鋼絲和更換後的新鋼絲的振動。鋼絲的縱向振動是用天車實際吊運(提升或下放)載荷而施加緊急制動時所產生的振動。比較兩種鋼絲振動波形的不同之處在於：劣化鋼絲的振動頻率為3．42Hz，在6．0s內振動了20個周期；而新鋼絲的振動頻率為3．21Hz，在6．2s內振動了20個周期。由此可知，劣化鋼絲的固有振動數較高，且從其波形變化可知，此鋼絲振動波的衰減較慢。這就說明劣化鋼絲的表觀彈性係數變大了，此結果與從前式求出的固有振動數增加的理論是一致的。據此可以認為，固有振動和壽命之間存在相關關係，故採用了實機吊車的固有振動和壽命判定數據，評價了此相關關係。
3．3固有振動與壽命的關係
分別調查了鋼絲的壽命指數與固有振動數比率f／f0和振動的振幅衰減到1／3的時間比率t／t0之間的關係。結果表明：在前一種關係中，較之新鋼絲，劣化鋼絲的固有振動數雖然變高了，但卻與壽命不相關；而在後一種關係中，卻發現壽命指數與時間比率(t／t0)明顯相關，即在壽命末期，t／t0增加了20％。因此，最大振幅衰減到1／3的時間就可成為判定鋼絲使用壽命的指標。然而由於誤差範圍較大，會阻礙高精度的壽命判定，故進一步仔細分析了鋼絲的振動波形。從實測的振動波形中發現，在提升、下放載荷的動作中，剛緊急制動後的波形受衝擊而過度振動，較一般的衰減錐度更突出，若以此最大波形作為標準求解1／3衰減時間，結果就會極短，從而獲得與自然衰減不同的結果。因此應將從最大振幅發生到向自然衰減過渡的衝擊波除外，而從以後的波形計算其衰減時間。
3．4鋼絲固有振動計量器的套用
在上述研究的基礎上開發的固有振動計量器的誤差小、精度高，即使不具有振動計量專門知識的人也能使用：在下降滑輪或吊運的載荷上，用磁鐵吸住振動感測器，只在地面上即可通過按鈕使振動計量完全自動進行。結果，利用最大振幅衰減到1／3的時間的FFT（快速傅立葉變換）解析，就能求出鋼絲的固有振動數，從而提供能立刻進行其壽命判定的數據。在數據的解析中，去除了前述的衝擊波，並編入了演算邏輯中。這些研究和改進提高了鋼絲固有振動和壽命的相關性，且作為實機判定鋼絲壽命的方法得到套用。
4．鋼絲品質檢查方法的開發
4．1鋼絲的扭絞
鋼絲繩是將多股鋼絲通過捻繩機的運行滾筒將之合股而成為山形的花紋。由於此時運行滾筒間距的調整，在捻股成繩的鋼絲上產生了扭絞和反扭絞的鏇轉：扭絞鋼絲是向勒緊的方向鏇轉，而反扭絞鋼絲則向折回的方向鏇轉。在頂棚吊車上，為了防止鋼絲的彎曲和繩股脫落等散亂，以穩定確保其長的使用壽命，必須對鋼絲進行扭絞而成為鋼絲繩。
4．2花紋走樣與壽命的關係
研究和實際使用均表明，鋼絲繩的山形花紋走樣（也稱對花不準）與其使用壽命相關。從發生了彎曲、在被取出鋼絲整個長度（420m）範圍的繩間距和繩直徑的測定值可知，較之製造時都發生了大的變化：繩間距初始值為290mm，用後取下的最大值為310mm，最小值為275mm；繩直徑初始值為36．2mm，用後取下的最大值為36．8mm、最小值為35．5mm。
從造成花紋走樣鋼絲繩間距的變化率（間距變化值／製造時的間距）與鋼絲壽命的關係可知：當繩間距變化率增大時，鋼絲壽命就會下降。例如當繩間距變化率從1．0％增大至8．0％以上時，鋼絲壽命比率就會從大約1．1降至0．8以下。
4．3鋼絲扭絞檢查法
一般的扭絞檢查法受多種因素影響，難以準確定量判斷扭絞情況。因此，為了準確計量鋼絲的扭絞傾向，決定在扭股解體後，根據其伸縮性的改變，查明解體前後繩間距和直徑的變化。具體檢查順序為：首先從距鋼絲末端2m處測定繩間距和繩直徑；將繩股解體後使之還原到原狀態，再次進行上述測定，從而確認解體前後測定值的變化。從2根製造批次不同鋼絲的檢查結果，大致可確認扭絞鋼絲的扭絞情況(含繩間距和直徑的變化)。在製造時和製品檢查中使用此檢查法，可以定量判定鋼絲扭絞狀況。
4．4扭絞檢查結果和鋼絲使用壽命
若以直角坐標圖的縱坐標表示將鋼絲末端解體後再度編織狀態的繩間距與直徑測定值和末端解體前的相應測定值之比率，橫坐標的壽命比率是將同一吊車過去實際壽命作為1．0而算出的。從坐標圖上的鋼絲扭絞檢查結果與其壽命之間的關係可知，使用壽命比率隨繩間距或繩直徑比率減小而變化。例如當繩間距比率從0．998降至0．994或繩直徑比率從1．000降至0．997時，鋼絲使用壽命比率即可從0．8延長至1．1。
以上述數據為基礎，對於重要吊車用鋼絲（繩），JFE在制品的檢查中確保品質合格的基準值，從而確保鋼絲（繩）具有穩定的壽命。
5．結語
以前，因不敢冒鋼絲繩可能斷裂的風險而完全用完其壽命，故不能安全地延長其更換周期。
JFE除了對鋼絲繩取樣評價其使用壽命之外，還利用鋼絲繩在實機吊車運行中的固有振動以及使用後繩間距與繩直徑的變化來判定其使用壽命，不但提高了壽命判定精度，且可安全延長其更換周期。
