电网企业开展设备状态检修的思路、方法及问题分析
来源：电力技术网
陈伟根 钱国超 (重庆大学)
摘 要 电网企业为了降低运行成本、提高设备的利用率和改善电力质量和用户服务，迫切需要由原来的计划检修向状态检修发展，电气设备实行状态检修技术势在必行。目前我国在设备管理与预测、设备可靠性技术以及设备状态监测及故障诊断技术等方面已经取得了一些可实际应用的成果，但还存在不少问题，论文从电网企业开展设备状态检修技术的思路、方法及问题作一些探讨。
关键词 状态检修 思路 方法 问题
0 前言
电力系统是一个由众多发、送、输、配、用电设备连接而成的大系统，这些设备的可靠性及运行状况直接决定整个系统的稳定和安全,也决定着供电质量和供电可靠性。检修是保证电力设备健康运行的必要手段，它关系着设备的利用率、事故率、使用寿命、人力物力财力的消耗，以及电力企业的整体效益等诸多问题。所以，做好电气设备的检修工作，及早发现事故隐患并及时予以排除，使其始终以良好的状态投入运行，具有十分重要的意义。
随着电力工业的科技进步，电气系统中电力设备的检修体制和技术不断发展。但随着电力系统向高电压、大容量、互联网发展，以及用电部门要求的提高，对电力系统的安全可靠性指标的要求也越来越高。沿用多年的计划检修体制暴露了严重缺陷，如临时性维修频繁、维修不足或维修过剩、盲目维修等，这使得国家每年在设备维修方面耗资巨大。在电力系统中推行状态检修是电气设备检修制度发展的必然选择。其直接效益有：节省大量维修费用，延长设备使用寿命，提高供电可靠性，减少检修风险。美国电力研究院诊断检修中心的统计表明，实施状态检修提高设备利用率在5%以上，节约检修费用25%~30%。
“状态检修”是针对传统的对电气设备进行定期的“计划检修”存在的各种弊端，提出的一种全新的检修概念。“计划检修”是按照预防性试验规程所规定的试验周期，到期必修，而不顾电气设备绝缘的实际状况，具有很大的盲目性和强制性，因而造成设备的“过度检修”，浪费了大量的人力、物力。同时，这种过度检修还有可能引人新的绝缘隐患，或者由于检修的不慎所造成，或者由于频繁的拆装所造成。而“状态检修”则是基于设备的实际工况，根据其在运行电压下各种绝缘特性参数的变化，通过分析比较来确定电气设备是否需要检修，以及需要检修的项日和内容，具有极强的针对性和实时性。因此，可以简单地把状态检修概括为“当修即修，不做无为检修”。正因如此，近年来“状态检修”已引起电力部门及国内外研究者的普遍关注。随着传感技术、微电子、计算机软硬件和数字信号处理技术、人工神经网络、专家系统、模糊集理论等综合智能系统在状态监测及故障诊断中应用，使基于设备状态监测和先进诊断技术的状态检修技术得到发展，成为电力系统中的一个重要研究领域。
1 状态检修技术及其理论内涵
状态检修CBM(condition based maintenance)，又称预知性检修PDM(predictive diagnostic maintenance)。根据Steed.J.C的定义，它是利用设备在需要维修之前，存在一个使用寿命这一特点而展开的一种预测方法。这种方法充分利用这个设备或者设备的某些重要部件的寿命特征，通过数据采集和数据分析来预测设备状态发展的趋势。这种检修方式是以设备当前的实际状况为依据，通过高科技监测手段，对设备进行纵向(历史和现状)、横向(同类设备的运行状况)的比较分析，来识别故障的早期征兆，并对故障部位、故障严重程度及发展趋势作出判断，以确定其最佳检修时机。状态检修方式以设备当前的工作状况及其在系统的重要性为依据，而非传统的以设备使用时间为依据，由于科学地提高了设备的可用率和明确了检修目标，在不降低可靠性的基础上，总体上降低了检修费用，提高了企业的效益。美国电力研究院(EPRI)和工业设备维护公司(CSI)的统计数据表明：在电力系统实施状态检修可以提高设备可用率2%-10%，延长设备寿命10%-15%。
状态检修技术是随着故障诊断技术的不断发展而逐渐进入实用化，并由于其巨大的经济效益而在工业界引起广泛重视，理论研究和生产实践都在进一步深入。国外在状态检修技术研究与实践应用方面都已取得了较成功的经验。美国、德国、日本、法国都有应用这项技术的报道。与状态检修密切相关、能直接提高状态检修工作质量的理论与技术主要包括4个方面的内容，即设备寿命管理与预测技术、设备可靠性分析技术、设备状态监测与故障诊断技术和信息管理与决策技术。
1.1 设备寿命管理与预测技术
大多数工业化国家的电力基础设施在20世纪60与70年代间得到极大扩充,因此，多数电力主设备的在役时间在25~30年左右，且进入老化阶段的设备所占份额愈来愈大。这种情况迫使各电力公司考虑如何延长设备寿命并保证效益。状态检修中寿命预测与评估技术的应用，有利于科学合理地安排检修和提高设备的可用率。变压器剩余寿命的评估是当今监测与诊断工作的重要内容之一。现有的大多数估计变压器寿命方法，仅简单考虑负荷、温度、绝缘材料的现状，由于变压器遭受到的短路次数、过电压次数、设计弱点、修理和现场运输等因素都会影响变压器发挥功能的能力。要正确估算变压器的寿命，必须获得有关运行状况和历史信息，需要对变压器技术情况有更深入的了解。研究及实验表明，变压器很少由于技术性或使用寿命的原因退出运行，而主要受经济寿命的限制。因此，ABB公司和欧洲一些重要电业部门为避免对剩余寿命进行定量评估，开发了一种变压器排列等级方法，为变压器的寿命评估作了大量工作。
1.2 电力设备的可靠性技术
图1 典型“浴盆曲线”图
1.3 设备状态监测与故障诊断技术
设备状态监测是故障在线诊断和离线分析的基础。目前发电机状态监测的技术手段相对比变压器等电气设备的状态监测技术成熟，只是在实际应用时，如何准确判断电机状态,还需进一步工作经验积累。美国电力研究院(EPRI)下属的监测诊断中心(M&D)利用40多项先进的测量技术和分析软件，对美国50家最大的电力公司的电厂、电网中80%的设备进行了在线监测和故障分析，了解设备的运行状况和健康水平，并据此制定设备维护和检修计划。我国对运行变压器的状态监测作了大量的工作，有单一信息量和多信息量的，但从应用效果看不甚理想。关于开关的状态检修及故障诊断，由于其故障机理较为清楚，故障诊断原理与方法比较成熟，国内已研究出检测装置和检测方法。故障诊断技术的研究已经由单一地偏重故障机理与诊断方法的研究发展到故障诊断专家系统的研制开发。迄今为止，国内外现有的专家系统尚不能对设备故障故障进行全面的自动诊断，还依赖于有经验的专家进行判断，其主要原因是由于这些专家系统所包含的知识还不足以全面反映故障的征兆与其原因之间的映射关系。
1.4 信息管理与决策技术
近30年来，管理决策作为一门独立学科，有了很大发展。状态检修作为一种先进的检修体制，是与多方面的管理工作分不开的。图2为状态检修的一个简化决策流程。世界各国从不同的管理目标出发，形成了不同的管理系统。芬兰的IVO输电服务公司开发的变电站检修管理系统(SOFIA)是一建立在对一座变电站的长期检修计划的基础上，,从寿命周期费用(lifecyclecost)着手，使用设备的劣化模型的数学形式(状态模型)来估计设备将来状态的一种检修管理系统。SOFIA在考虑预算及其设备状态的情况下，通过检修费用的优选，降低总费用[18]。荷兰B.V. KEMA与荷兰Delft技术大学在考虑市场情况及技术条件的前提下，研制了一种包括状态检修在内的多种策略均衡应用的mainman检修管理系统，其特点在于引入了诊断专家系统，使可靠性和安全性达到可接受的水平。
图2 状态检修简化决策流程
1.5 状态检修的理论内涵
世界各国研究与实践证明，根据设备实际状态进行维修是行之有效的办法。任何设备发生故障前均有一些征兆。例如：轴承故障前的振动信号、异常声响信号，润滑油内金属颗粒信号的异常变化等。设备由正常状态到故障发生，其状态信号有一个发展变化过程。这个潜在过程可用P一F曲线表示，详见图3。故障萌发点代表刚刚出现故障，没有明显征兆;潜在故障点P有明显征兆;F点代表设备丧失功能的故障发生点。由潜在故障点P到功能故障点F通常都会有一段或长或短的时间。通过监测其状态参数，就可以捕捉到故障萌发点或潜在故障点的状态参数变化，从而进行分析，发现故障部位、性质及变化规律。
图3 设备故障过程的状态信号变化
2 电气设备实施状态检修的可行性
当前我国推行电气设备状态检修的可行性在于以下几点：
(1)建国以来，国产电气设备积累了大量的运行经验，其运行和维护技术日臻成熟，这为实施状态检修工作奠定了技术基础。同时，国产设备的质量有了很大提高，为状态检修提供了一定的物质基础。
(2)新型设备投入运行及新技术的应用，监测手段也在不断提高,使设备的安全运行有了好的基础。如红外线成像技术在电力生产中的应用，,大型变压器油色谱分析在线系统的研制成功，变压器绕组变形探测技术的发展，电容型带电设备集中在线监测技术的投入使用等，使正确诊断设备状态有了可能。
(3)随着传感技术、微电子、计算机软、硬件和数字信号处理技术、人工神经网络、专家系统、模糊集理论等综合智能系统在状态监测及故障诊断中应用，使基于设备状态监测和先进诊断技术的状态检修研究得到发展，成为电力系统中的一个重要研究领域。
(4)配电自动化的发展为在整个配电网范围内进行大规模的设备在线状态检修和利用通信、图片信息、地理信息进行综合的检修管理及自动化的实现创造了机会。
(5)数字变电站对设备实施状态检修提出了迫切的要求。
3 电气设备实施状态检修的思路
目前状态检修工作的基本思路是：立足设备健康水平，强化检修质量管理，挖掘现有检测设备和手段的潜力，努力提高检测分析人员和设备点检人员的业务水平，添置有效的检测仪器和信息工具，完善设备检测系统、信息管理系统和检修管理系统，从优化检修做起，确保设备安全、经济、可靠地运行。
实施设备状态检修是要根据不同设备的重要性、可控性和可维修性，科学合理地选择不同的检修方式，从而形成一套集故障检修、定期检修、状态检修和主动检修为一体的、优化性的综合检修方式，以提高设备可靠性降低维修成本。实施设备状态检修不是以状态检修完全取代现有的定期检修方式，而是应该在现行定期检修为主的检修体制基础上，挖掘现有检测设备和手段的潜力，完善各种在线、离线状态监测手段逐步增大实施状态检修设备的比重，完善设备检测系统、信息管理系统和检修管理系统，确保电气设备安全、经济、可靠地运行,最终实现状态检修。
而实际生产中，常把设备的状态分为完好和故障两种，即使是在可靠性管理中也只把在使用设备分为“可用”和“不可用”两种状态，事实上在“可用状态”过程中，还存在着设备由健康完好向故障过渡的过程。把握好这个过程是开展状态检修的关键之所在，而如何界定这一过程，主要依赖于设备检测技术。但是在我国立即建立状态检修体制的条件尚不成熟，作为过渡阶段，目前国际上流行的不定期预防性检修，不失为是一种可选的向状态检修过渡的检修管理方法。这种方法的特点是设备大修的间隔不是固定的，而是根据设备累计运行小时数和启停次数的变化而变动。其依据是设备(变压器)在启动和调峰时的损伤是热疲劳，而连续稳定运行时的损伤主要是氧化、腐蚀等，依此提出大修间隔时间的计算方法。
综上所述，根据我国目前电网企业生产的特点，采取以定期预防性检修为主，辅以改正性检修，在大修间隔上采用不定期预防性检修，是一个从经济性和安全性上可行的检修办法。同时，要不断完善和开发设备状态检测技术，为实现向状态检修过渡创造条件。
4 电气设备实施状态检修的方式及步骤
4.1 状态检修所需的技术支持
实施状态检修是在运行人员和检修人员随时了解设备状态和对存在潜在故障的设备加强监视的情况下进行的，它是建立在在线状态监测和故障诊断广泛实行的基础之上的。目前实现电气设备状态检修需要下列技术支持：
4.1.1 复杂大系统可靠性评价
复杂大系统可靠性评估是 RCM技术中的关键技术，也是可靠性工程的重要组成部分，可靠性评估是根据产品的可靠性结构、寿命模型及试验信息，利用统计方法和手段，对评价产品可靠性的性能指标给出估计的过程。在可靠性评估领域，对复杂大系统的可靠性评估一直是重大难题之一。主要原因之一是由于费用和试验组织等方面的原因，不可能进行大量的系统级可靠性试验，而只能利用单元试验信息，如何充分利用单元和系统的各种信息对系统可靠性进行精确的评估是相当复杂的问题。20世纪 90年代中后期以来，国际上普遍使用“金字塔”模型进行可靠性综合评估，取得了一定效果。这种模型是从底层出发直至系统级，逐级向上折合、综合，最终对大系统的可靠性进行评估。由于这种方法的数据来源单一及综合过程的多级近似而导致了评估结果的可信度不高。因此现在又出现将信息融合技术和证据理论应用在复杂大系统的可靠性评估方面的趋势，为复杂大系统的可靠性评估提供了新的方法
4.1.2 先进的传感技术