1、電力設備狀態檢修技術研究綜述許婧，王晶，高峰，束洪春（昆明理工大學電力工程學院）摘要_關鍵詞：電力設備；狀態檢修；綜述1引言目前電力系統中電力設備大多采用的計劃檢修體制存在著嚴重缺陷，如臨時性維修頻繁、維修不足或維修過剩、盲目維修等，這使世界各國每年在設備維修方面耗資巨大。怎樣合理安排電力設備的檢修，節省檢修費用、降低檢修成本，同時保證系統有較高的可靠性，對系統運行人員來說是一個重要課題。隨著傳感技術、微電子、計算機軟硬件和數字信號處理技術、人工神經網絡、專家系統、模糊集理論等綜合智能系統在狀態監測及故障診斷中應用，使基于設備狀態監測和先進診斷技術的狀態檢修研究得到發展，成為電力系統中的一個重

2、要研究領域。在電力系統中推行狀態檢修的直接效益有：節省大量維修費用；提高電廠可用系數；延長設備使用壽命；增加發電能力；確保發供電可靠性；降低檢修成本、減少檢修風險。本文主要介紹檢修體制的演變、狀態檢修的發展概況及狀態檢修面臨的問題。2檢修體制的演變維修觀念的演變經過2個階段：事后維修故障維修（18世紀第一次產業革命）和預防性維修（19世紀第二次產業革命）。事后檢修（BM，break maintenance），也稱故障檢修（CM，corrective maintenance），是最早的檢修方式。這種檢修方式以設備出現功能性故障為判據，在設備發生故障且無法繼續運轉時才進行維修。顯然，這種應急維修需

3、付出很大的代價和維修費用，不但嚴重威脅著設備或人身安全，而且維修不足。到第二次產業革命時期，開始推行預防性檢修（PM，prevention maintenance）。預防性檢修經過多年的發展，根據檢修的技術條件、目標的不同而出現以下7種檢修方式。（1）定期檢修（TBM，time based maintenance），期。定期檢修制度直到二戰后，才被各國陸續地從軍事工業移植到民用工業。中國電力工業的定期檢修制度是20世紀50年代從蘇聯引入的。直到80年代，TBM仍是主流的維修制度。定期檢修在保證重大機械設備正常工作中確實起到了直接防止或延遲故障的作用，但這種不根據設備的實際狀況，單純按規定的時間

4、間隔對設備進行相當程度解體的維修方法，不可避免地會產生“過剩維修”，不但造成設備有效利用時間的損失和人力、物力、財力的浪費，甚至會引發維修故障。據統計，1996年我國的100 MW、125 MW、200 MW火電機組非計劃停運與出力降低的責任原因，分別有36、31和41是由于這種過剩檢修造成的1。（2）以可靠性為中心的檢修（RCM，reliabilitycentered maintenance）。RCM是一種以用最低的費用來實現機械設備固有可靠性水平為目標的檢修方式。該檢修方式能比較合理地安排大修間隔，有效預防嚴重故障的發生。RCM的研究始于20世紀60年代后期，電力工業則是從1983年開始研

5、究，并于1984年由美國電力研究院（EPRI）將其用于核電廠的檢修。到1997年，在美國排名前1000家的大公司中，已有68的公司采用RCM的檢修方法。（3）狀態檢修（CBM，condition based maintenance）或預知性維修（PDM，predictive diagnosticmaintenance）。這種維修方式以機械設備當前的實際工作狀況為依據，通過高科技狀態監測手段，識別故障的早期征兆，對故障部位、故障嚴重程度及發展趨勢作出判斷，從而確定各機件的最佳維修時機。狀態檢修始于1970年，由美國杜邦公司IDQuinn首先倡議2。狀態檢修是當前耗費最低、技術最先進的維修制度，它

6、為設備安全、穩定、長周期、全性能、優質運行提供了可靠的技術和管理保障。但由于狀態檢修需要監測的內容多，投資大，并存在一定的風險，要能熟練地運用于設備維修還需要長時間的經驗積累。（4）故障查找（FF，fault find）。這種維修方式主要針對緊急備用設備，在固定的時間后啟動這些設備，發現問題及時解決，以提高備用設備的可用率。 （5）使用至損壞再修（RTF，run to fault）。采用該方式進行修理的設備不控制送修，通常用于對安全無直接危害的3類故障：偶然故障；無規律性故障；故障損失小于維修費用的耗損故障。 （6）以壽命評估為基礎的檢修。文獻3認為狀態檢修應根據分析監控診斷資料先估計設備壽命

7、，再確定檢修項目、頻度與檢修內容。（7）主動維修（PM，proactive maintenance）4。從經濟、壽命等多種因素考慮，重點在機械故障的識別和消除、故障原因的分析，通過延長發電廠機器壽命來獲得最大的效益。3狀態檢修技術發展概況狀態檢修隨著故障診斷技術的發展而逐漸進入實用化，并由于其巨大的效益而在工業界引起廣泛重視，理論研究和生產實踐都在進一步深入。國外在狀態檢修技術研究與實踐應用方面都已取得了較成功的經驗。美國、德國、日本、法國都有應用這項技術的報道。與狀態檢修密切相關、能直接提高狀態檢修工作質量的理論與技術主要包括4個方面的內容，即設備壽命管理與預測技術、設備可靠性分析技術、設備

8、狀態監測與故障診斷技術和信息管理與決策技術。31設備壽命管理與預測技術大多數工業化國家的電力基礎設施在20世紀60與70年代間得到極大擴充，因此，多數電力主設備的在役時間在2530年左右，且進入老化階段的設備所占份額愈來愈大。這種情況迫使各電力公司考慮如何延長機組壽命并保證效益。狀態檢修中壽命預測與評估技術的應用，有利于科學合理地安排檢修和提高設備的可用率。但電力公司可能獲得的效益大部分來自于電廠主設備，因此，各國都把壽命預測和評估研究的重點放在對鍋爐、汽機、發電機、變壓器及高壓開關等重要設備上。（1）鍋爐方面日本是近10年來對火電廠鍋爐部件剩余壽命研究最多的國家。他們采用了3種有代表性的壽命

9、診斷技術：應力解析法、破壞試驗法、非破壞損傷計測法5。其中，應力解析法能評價任意部位的材料，但若運行歷史或材料數據不準確，將會導致計算誤差，且沒有考慮材料老化這一因素。破壞試驗法比其它方法計測損傷的精度高，但對不能取樣的部位不適用；為此，日本研究出微小試樣法、復型金相法、巴克好森噪聲法、超聲波噪聲分析法等非破壞性損傷計測法。這些方法可以在部件材料損傷進展的同時，非破壞性地檢驗材料的金屬組織物理性能的變化。美國電力研究院（EPRI）監測診斷中心（MD）也研究出用于鍋爐診斷系統的壽命管理分析軟件。（2）汽輪機發電機方面對汽輪機發電機進行狀態檢修時必須重點考慮汽輪機軸瓦、葉片，發電機定子、轉子、軸系

10、等部件。目前，美國電力研究院（EPRI）監測診斷中心（MD）已研制出用于汽輪機診斷系統的葉片壽命動態分析系統（BLADE）和用于發電機診斷系統的轉子裂紋評價系統（SAFER），可以計算、推測葉片何處可能出現裂紋，以及產生裂紋后的壽命；并幫助工程技術人員評估汽機、發電機轉子的剩余壽命及隨運行時間的故障發生概率。華中理工大學也提出了汽輪機轉子的在線壽命管理系統框架7，并研制了200 MW汽輪發電機壽命管理及故障診斷專家系統6。對于轉子壽命評估的方法，國內已有較為成熟的理論1，6。對于汽輪發電機的定子，俄羅斯的科研工作者在總結了俄羅斯11個不同電廠經驗的基礎上，制訂了延長汽輪發電機定子使用壽命的主要

11、原則和依據6。羅馬尼亞則成功研制了一套用于75 MVA汽輪發電機監視診斷、數據記錄及在線預測系統，其中在線預測部分，主要完成對定子繞組絕緣剩余壽命和軸系剩余壽命的評估7。在軸系方面，我國的壽命預測與評估技術有一定成果。上海交大電力系采用自己開發的MANDISP程序8，對電氣擾動下電力系統的暫態過程進行仿真并得出軸系的動態扭轉力矩，成功地評價了電網擾動對300MW汽輪發電機組軸系疲勞壽命的影響9。同樣，華北電力大學也對國產運行近30年的50MW汽輪機發電機進行了扭振特性及其疲勞壽命研究，采用了集中參數的機組軸系扭振分析模型，以現場事故情況為依據，模擬計算了幾種典型事故大軸聯軸結處軸頸和螺栓的應力

12、應變歷程及疲勞壽命損耗，對該機組的剩余壽命能夠較恰當地進行評估11。（3）變壓器方面變壓器剩余壽命的評估是當今監測與診斷工作的重要內容之一。現有的大多數估計變壓器壽命方法，僅簡單考慮負荷、溫度、絕緣材料的現狀，由于變壓器遭受到的短路次數、過電壓次數、設計弱點、修理和現場運輸等因素都會影響變壓器發揮功能的能力。要正確估算變壓器的壽命，必須獲得有關運行狀況和歷史信息，需要對變壓器技術情況有更深入的了解。研究及實驗表明，變壓器很少由于技術性或使用壽命的原因退出運行，而主要受經濟壽命的限制。因此，ABB公司和歐洲一些重要電業部門為避免對剩余壽命進行定量評估，開發了一種變壓器排列等級方法，為變壓器的壽命

13、評估作了大量工作12。（4）開關方面高壓斷路器在電力系統中擔負著控制和保護的雙重任務，由于它關系著系統的安全運行以及檢修工作量的大小，其電壽命始終為用戶所關心。目前，國內已經提出根據觸頭和噴口在開斷時的質量損耗及根據具有線性上升弧壓降特性的電弧能量計算電壽命的2種方法14。但由于開關動作分散性很大，開關開斷電流的大小與電磨損量是非線性關系的，因而在壽命累計時需進行加權處理。32電力設備的可靠性技術可靠性技術是一門在40年代開始于美國的專業技術，其后蘇聯提出了可靠性與維修性理論和統計方法。所謂可靠性，一般認為是：機械設備和元件等在規定的條件下和預定的時間內，完成規定功能的能力15。系統的可靠性數

14、學模型在很多文獻中均有介紹，一般把可修系統歸為馬爾科夫模型和非馬爾科夫模型。設備可靠性通常用可靠度函數R（t）來定量描述。定義F（t）為不可靠度函數，它是產品在時傳統的電力設備可靠性評估基于威布爾得出的浴盆曲線（bathtub curve）法。由于可靠性特征曲線形似浴盆而得名，如圖1所示，但此法只適用于對有支配性耗損故障的設備進行維修，且精確度不高。為此，華北電力大學將可靠性預測理論和強度及壽命理論結合起來，綜合考慮影響鍋爐部件故障的各種因素，對預測鍋爐部件的可靠性做了有益的嘗試16。另外，它還運用多元統計方法中因子分析和聚類分析，從反映火電大機組運行可靠性的指標體系出發，對我國火電100MW

15、及以上機組的運行可靠性進行了分析，提出了企業綜合可靠性水平的評估方法17。用它可以簡單分析我國不同地區火電大機組運行的可靠性水平。 33設備狀態監測與故障診斷技術設備狀態監測是故障在線診斷和離線分析的基礎。從國內情況看，汽輪機等大型旋轉機械的狀態監測技術已經達到相當高的水平，我國科技工作者已開發出了一系列狀態監測系統，并成功地應用于生產實踐。另外，發電機狀態監測的技術手段也已很成熟，只是在實際應用時，如何準確判斷電機狀態，還需進一步工作經驗積累。從國外來看，美國電力研究院（EPRI）下屬的監測診斷中心（MD）利用40多項先進的測量技術和分析軟件，對美國50家最大的電力公司的電廠、電網中80的設

16、備進行了在線監測和故障分析，了解設備的運行狀況和健康水平，并據此制定設備維護和檢修計劃。加拿大魁北克水電公司也開發了一種在線狀態監視系統，使機組維修和專業技術人員不停機就能了解水電機組的狀態。關于開關的狀態檢修及故障診斷，由于其故障機理較為清楚，故障診斷原理與方法比較成熟，國內已研究出檢測裝置和檢測方法。對于絕緣及電氣參數的劣化與開關故障，機械參數與物理參數的診斷都已有較為成熟的理論15。從70年代初至今，故障診斷技術的研究已經由單一地偏重故障機理與診斷方法的研究發展到故障診斷專家系統的研制開發。迄今為止，國內外現有的專家系統尚不能對機組振動故障進行自動診斷，還依賴于有經驗的專家進行判斷，其主

17、要原因是由于這些專家系統所包含的知識還不足以全面反映振動故障的征兆與其原因之間的映射關系。34信息管理與決策技術近30年來，管理決策作為一門獨立學科，有了很大發展。狀態檢修作為一種先進的檢修體制，是與多方面的管理工作分不開的。圖2為狀態檢修的一個簡化決策流程。世界各國從不同的管理目標出發，形成了不同的管理系統。芬蘭的IVO輸電服務公司開發的變電站檢修管理系統（SOFIA）是一建立在對一座變電站的長期檢修計劃的基礎上，從壽命周期費用（life cycle cost）著手，使用設備的劣化模型的數學形式（狀態模型）來估計設備將來狀態的一種檢修管理系統。SOFIA在考慮預算及其設備狀態的情況下，通過檢

18、修費用的優選，降低總費用18。荷蘭BVKEMA與荷蘭Delft技術大學在考慮市場情況及技術條件的前提下，研制了一種包括狀態檢修在內的多種策略均衡應用的main man檢修管理系統，其特點在于引入了診斷專家系統，使可靠性和安全性達到可接受的水平19。德國提出將工人或供貨商的管理層所有功能融為一體，以減少中間環節的瘦型管理。此管理方法在德國的Weisweiller電廠檢修管理中得到運用，使該廠48的工作任務流程得到優化，效果明顯21。 4結束語專家預言，下個世紀電力工業將有更大的發展，但作為大型電力主設備的鍋爐、汽機發電機組以及變壓器，不會有大的改變，因此，電力設備檢修技術的研究將更具有經濟效益和

19、社會效益，電力設備的維修由過去的計劃檢修向狀態檢修發展勢在必行。目前，國內外狀態檢修技術的開發和應用，圍繞鍋爐、汽輪機、發電機、變壓器等大型電力設備展開，在設備壽命管理與預測、設備可靠性技術、設備狀態監測以及故障診斷技術等方面取得了一些可實際應用的成果。近3年來，云南工業大學就水電機組在線監測及故障診斷與狀態檢修專家系統研制方面做了大量工作，通過在水輪機故障特征矢量空間中對故障個體特征量抽取，提出了以效率為主要特征量，通過監測效率來預測水輪機的剩余壽命的新思路22，23。這一成果已應用于漫灣發電廠5號機組。不難預測，它在系統投運后將得到很好的檢驗。電力設備狀態檢修技術的應用必須以對設備的全面監

20、測為基礎。但目前有關電力設備運行狀態在線監測系統仍然存在監測點少、功能單一、缺乏系統性和綜合性，尤其缺乏監測的層次化和網絡化等問題，妨礙了設備狀態信息的集中和綜合；另外，設備壽命管理與預測也需要解決一些諸如設備壽命計算中復雜邊界條件的提出、材料在不同溫度和應力條件下的壽命損耗特性以及剩余壽命評價等問題。如何建立準確的設備可靠性模型，以期實現設備狀態的在線監測，從而開發出可較好應用于設備故障診斷的專家系統，仍然有許多問題需要解決。參考文獻：1黃樹紅，胡揚，韓守木火電廠設備狀態檢修概論M武漢：華中理工大學能源科學與工程學院，19982李常火喜電力設備診斷技術概論M北京：水利電力出版社，19963陳

21、奕善采用以可靠性為中心的檢修（RCM）編制發電設備檢修計劃的介紹M19964李兵日本火電廠鍋爐部件剩余壽命診斷技術J華北電力技術，1997，（8）5華中理工大學能源科學與工程學院單元機組狀態監測與故障診斷技術講義，19986瑪米康揚，等以狀態監視及診斷為根據的汽輪發電機定子壽命管理JCIGRE會議11202報告，19967ZlatanoviciD，Velicu S，et al陳光譯汽輪發電機的在線診斷、數據記錄及預報技術JCIGRE11204，19968Dechang S，Jiayu HThe simulation of machinenetwork interaction in multimachine power systemsJProceedings of IEEETENCON93，1993，5：2082119孫德昌，汪東升，駱遠志，等電網擾動對外高橋發電廠300MW汽輪發電機組軸系疲勞壽命的影響C全國高等學校電力系統及其自動化專業第十屆學術年會論文集，上海，199410朱萍，付忠廣，曹鐘中，等國產50MW機組扭振特性及其疲勞壽命研究C中國電