智能化儀器儀表在電氣設(shè)備狀態(tài)檢修中的應(yīng)用
1 文章引言
傳統(tǒng)的電廠設(shè)備檢修，都是按照《SD370-87電廠設(shè)備檢修規(guī)程》規(guī)定進行的。規(guī)程規(guī)定主機、主設(shè)備和輔助設(shè)備檢修周期各為多少年，并由發(fā)電部門統(tǒng)一制訂檢修滾動計劃，將機組的檢修性質(zhì)定義為大修、中修、小修和擴大性檢修等，各設(shè)備的檢修被安排進不同的檢修時段。在這種情況下，即使有些機組檢修計劃安排的非常周密，也是針對某些特殊項目，其他常規(guī)項目仍然是按照滾動計劃檢修。不管設(shè)備該不該修，一到檢修周期所有設(shè)備統(tǒng)統(tǒng)檢修一遍。這樣做的直接后果是：
①設(shè)備到期就修，造成人力、物力、財力的浪費；
②給檢修計劃的安排造成困難；
③造成部分設(shè)備檢修質(zhì)量失控；
④個別不需要檢修的設(shè)備由于經(jīng)常檢修造成損壞。
設(shè)備狀態(tài)檢修是指根據(jù)先進的狀態(tài)檢測和診斷技術(shù)提供的設(shè)備狀態(tài)信息，來判斷設(shè)備的異常和預(yù)知設(shè)備的故障，并在故障發(fā)生前進行檢修的方式。即通過應(yīng)用現(xiàn)代檢修管理技術(shù)，用先進的設(shè)備狀態(tài)檢測手段和分析診斷技術(shù)，實時了解設(shè)備的健康狀況和運行工況，及時給出設(shè)備的壽命評估，然后根據(jù)設(shè)備的健康狀態(tài)，合理安排檢修項目和檢修時機，最大化地降低檢修成本乃至發(fā)電成本，提高設(shè)備的可用性。
狀態(tài)檢修技術(shù)包含以可靠性為中心的檢修技術(shù)和預(yù)測檢修技術(shù)。這項技術(shù)最初應(yīng)用于航空、航天系統(tǒng)，后應(yīng)用于核電站，現(xiàn)已成功地應(yīng)用于發(fā)電廠設(shè)備的檢修。電力系統(tǒng)的可靠性在很大程度上取決于電力設(shè)施的可靠性，隨著電網(wǎng)容量的增大和用戶對供電可靠性要求的提高，檢修管理的重要性日益顯現(xiàn)。檢修費用占電力成本的比例也不斷提高，檢修費用同燃料費用一樣占有重要比例。如何采取合理的檢修策略和制訂正確的檢修計劃，保證在不降低可靠性的前提下節(jié)省檢修費用，便成為電力部門面臨的重要課題。過去常用的計劃檢修和以它為基礎(chǔ)根據(jù)經(jīng)驗決定延長或縮短檢修周期的做法已不能滿足需要，必須采用新技術(shù)。
2 設(shè)備狀態(tài)檢修
以可靠性為中心的檢修和預(yù)測性檢修是互相緊密聯(lián)系而又不同的兩個技術(shù)領(lǐng)域。前者是在評估元件可能故障對整個系統(tǒng)可靠性影響的基礎(chǔ)上決定檢修計劃的一種策略，后者是根據(jù)對潛伏故障進行在線或離線測量的結(jié)果和其他信息來安排檢修的技術(shù)。其關(guān)鍵是依靠先進的故障診斷技術(shù)對潛伏故障進行分類和嚴重性分析,以決定設(shè)備（部件）是否需要立即退出運行和制訂應(yīng)對措施。因此，電力設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)涉及復(fù)雜的可靠性評價、傳感技術(shù)、信息采集處理技術(shù)、干擾抑制技術(shù)、模式識別技術(shù)、故障嚴重性分析、壽命估計等領(lǐng)域。
實施狀態(tài)檢修的前提是：
①健全的設(shè)備管理體制；
②完善的檢修質(zhì)量管理體系；
③靈活的設(shè)備運行方式；
④齊全的設(shè)備管理臺帳；
⑤高素質(zhì)的檢修隊伍、運行隊伍和設(shè)備管理人員；
⑥具備狀態(tài)檢修的設(shè)備記錄和檢測手段；⑦先進的測試、分析設(shè)備。
電廠的大部分設(shè)備要求實行狀態(tài)檢修，常用的檢測技術(shù)有振動檢測、油液分析、紅外線熱成像、超聲波檢漏、電機狀態(tài)檢測等。這里僅就電氣設(shè)備作說明。
狀態(tài)檢修涉及的電氣設(shè)備，主要是針對需要經(jīng)過時效考驗并隨著負載變化而出現(xiàn)的工況和壽命發(fā)生變化的電氣一次設(shè)備，包括發(fā)電機、斷路器、高低壓電動機、大型變壓器、中小型變壓器、高壓開關(guān)、隔離閘刀、CT（電流互感器）、CVT（電容式電壓互感器）、PT（電壓互感器）、避雷器、母線及連接、中壓開關(guān)、配電變壓器、高壓套管、電力電纜、變頻器、整流組件、絕緣子、電力電容器等。這里介紹一些新技術(shù)，不包括具體的設(shè)備選型，僅供設(shè)備訂購或管理時參考。
3 新技術(shù)的應(yīng)用
（1）紅外線點溫計：可手持操作，方便靈活，直觀迅速，幾乎適用于所有電氣設(shè)備的表面測溫和故障發(fā)熱檢測。
（2）紅外線熱像儀：既可以在線檢測電氣設(shè)備正常的運行狀況，也可以在檢修中進行熱像分析。它適用于發(fā)電機、斷路器、高低壓電動機、大型變壓器、中小型變壓器、高壓開關(guān)、隔離閘刀、CT、CVT、PT、避雷器、母線及連接、中壓開關(guān)、配電變壓器、高壓套管、電力電纜、變頻器、整流組件、絕緣子、電力電容器等設(shè)備的檢測[3]。在停機檢修中還可以輔助進行發(fā)電機定子鐵損試驗和發(fā)電機轉(zhuǎn)子護環(huán)的拆裝工作等[4]。
（3）超聲波流量探測儀：適用于在線測量發(fā)電機定子進（出）水總管的流量、停機檢修中發(fā)電機定子線棒的流量、高壓電動機的冷卻水流量和斷路器附屬系統(tǒng)的冷卻水流量以及大型變壓器循環(huán)油系統(tǒng)的流量等。
（4）振動分析系統(tǒng)：適用于大型發(fā)電機和電動機的振動檢測和分析，包括定子繞組端部振型分析、轉(zhuǎn)子軸系振動分析、轉(zhuǎn)子軸振動監(jiān)視器。通過觀察軸承振動的軌跡、平均值的幅值和性質(zhì)來判斷其振動的問題等。
（5）發(fā)電機在線綜合分析專家系統(tǒng)：可以綜合發(fā)電機的各種工況參數(shù)，例如對溫度、電壓、電流、振動、勵磁、絕緣、壽命等進行分析，并對照專家系統(tǒng)給出結(jié)論和處理意見。
（6）發(fā)電機在線檢測裝置：包括發(fā)電機工況監(jiān)測儀、發(fā)電機槽局部放電監(jiān)測儀、無線電頻率監(jiān)測儀、電刷工況監(jiān)測儀、轉(zhuǎn)子繞組匝間短路監(jiān)測儀、氫氣露點監(jiān)測儀、氫氣漏入水中監(jiān)測儀、氫氣漏出發(fā)電機外監(jiān)測儀等[5]。
（7）故障錄波器：適用于電氣設(shè)備故障情況下的參數(shù)記錄，也可以用于特定時段電氣設(shè)備的狀態(tài)分析。
（8）發(fā)電機定子繞組在線振動分析系統(tǒng)：用于實時記錄、分析定子繞組的振動情況。該技術(shù)要求在定子繞組端部加裝振動傳感器。目前ALSTOM公司已在沙角C發(fā)電廠670MW機組和大亞灣核電站900MW機組上安裝使用[6]。
（9）發(fā)電機不抽轉(zhuǎn)子故障診斷技術(shù)：其主要結(jié)構(gòu)是一個可以沿著發(fā)電機氣隙爬動的機械裝置（小車），小車上有光學(xué)探頭和振動裝置（振動頻率為20HZ）。不抽轉(zhuǎn)子就可以對發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子進行故障診斷。還可以進行以下幾個方面的分析：運行特性分析（輔助設(shè)備、勵磁系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)分析，汽輪機發(fā)電機組軸系的軸電壓、軸電流分析，轉(zhuǎn)子繞組絕緣分析）；內(nèi)部檢查（整個發(fā)電機本體及輔助設(shè)備的檢查，轉(zhuǎn)子繞組的絕緣檢查，勵磁裝置、繼電保護裝置、同期裝置的檢查）；水冷機組的流量分析（定子繞組水流量分析，定子冷卻水系統(tǒng)工況鑒定）；定子腔體試驗（定子槽鍥狀況測定，定子鐵芯層間絕緣質(zhì)量試驗，發(fā)電機軸承絕緣檢查）；繞組絕緣試驗（直流泄漏試驗，交流耐壓試驗，局部放電試驗）；保護、控制和同期試驗（發(fā)電機保護試驗，勵磁裝置試驗，同期裝置試驗，發(fā)電機輔助裝置、控制設(shè)備檢查）；振動分析（發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子、汽輪機缸體、發(fā)電機基礎(chǔ)振動分析等）。該技術(shù)已在石洞口第二發(fā)電廠使用。
（10）在線熱態(tài)絕緣監(jiān)測系統(tǒng)：可以在線測量發(fā)電機、電動機和變壓器的熱態(tài)主絕緣和軸承絕緣狀況等。
（11）運行小時計數(shù)器：安裝在開關(guān)上的運行小時計數(shù)器，它用來顯示轉(zhuǎn)動設(shè)備的實際運行小時數(shù)。根據(jù)運行小時數(shù)來安排開關(guān)、電機和轉(zhuǎn)動設(shè)備的檢修。
（12）電能質(zhì)量管理器：它安裝在開關(guān)或設(shè)備附近，可直接在開關(guān)或就地控制盤上顯示設(shè)備的電能質(zhì)量，包括電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率、用電量及原始參數(shù)，并可實現(xiàn)對設(shè)備的操作和事故追憶打印輸出。還可利用通訊接口實現(xiàn)遠方數(shù)據(jù)的傳輸和將參數(shù)進入DCS畫面。這一裝置適用于高、中、低壓開關(guān)控制系統(tǒng)。
（13）新型電機和節(jié)能電機：它可使運行成本大大降低，設(shè)備可靠性大大提高。例如采用Y2系列等新型電機，可使設(shè)備效率大大提高；采用高防護等級電機，可提高設(shè)備的適用環(huán)境能力和可靠性；又如在粉塵大的地方，應(yīng)推廣使用封閉式電機，該電機風(fēng)路分內(nèi)、外兩個部分，互相隔絕，通過冷卻器交換熱量。
（14）紅外線--色譜綜合分析法：利用紅外線檢測發(fā)現(xiàn)充油電氣設(shè)備可能的故障部位，配合色譜分析進行定性判斷。它適用于油浸式電力變壓器、高壓油斷路器、CT、CVT、高壓套管、電力電容器的故障檢測。
（15）Hydran 201R氣體監(jiān)視器：可以在線檢測變壓器油中氣體的含量，能及時有效地發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)的早期故障。該技術(shù)是對離線色譜分析的重要補充。它適用于油浸式電力變壓器的在線檢測。該監(jiān)視器已在珠海發(fā)電廠和河南新鄉(xiāng)供電局投運[8]。
（16）油樣在線分析儀：適用于油浸式電力變壓器、高壓油斷路器、CT、CVT、高壓套管、電力電容器的故障在線檢測[9]。
（17）在線SF6密度測試儀：適用于SF6斷路器的氣體密度監(jiān)測。
（18）在線SF6微水測試儀：適用于SF6斷路器的氣體中微水含量監(jiān)測。
（19）避雷器在線泄漏電流指示儀：適用于避雷器的在線泄漏電流指示和監(jiān)測。
信息整理：m.lyansai.com
傳統(tǒng)的電廠設(shè)備檢修，都是按照《SD370-87電廠設(shè)備檢修規(guī)程》規(guī)定進行的。規(guī)程規(guī)定主機、主設(shè)備和輔助設(shè)備檢修周期各為多少年，并由發(fā)電部門統(tǒng)一制訂檢修滾動計劃，將機組的檢修性質(zhì)定義為大修、中修、小修和擴大性檢修等，各設(shè)備的檢修被安排進不同的檢修時段。在這種情況下，即使有些機組檢修計劃安排的非常周密，也是針對某些特殊項目，其他常規(guī)項目仍然是按照滾動計劃檢修。不管設(shè)備該不該修，一到檢修周期所有設(shè)備統(tǒng)統(tǒng)檢修一遍。這樣做的直接后果是：
①設(shè)備到期就修，造成人力、物力、財力的浪費；
②給檢修計劃的安排造成困難；
③造成部分設(shè)備檢修質(zhì)量失控；
④個別不需要檢修的設(shè)備由于經(jīng)常檢修造成損壞。
設(shè)備狀態(tài)檢修是指根據(jù)先進的狀態(tài)檢測和診斷技術(shù)提供的設(shè)備狀態(tài)信息，來判斷設(shè)備的異常和預(yù)知設(shè)備的故障，并在故障發(fā)生前進行檢修的方式。即通過應(yīng)用現(xiàn)代檢修管理技術(shù)，用先進的設(shè)備狀態(tài)檢測手段和分析診斷技術(shù)，實時了解設(shè)備的健康狀況和運行工況，及時給出設(shè)備的壽命評估，然后根據(jù)設(shè)備的健康狀態(tài)，合理安排檢修項目和檢修時機，最大化地降低檢修成本乃至發(fā)電成本，提高設(shè)備的可用性。
狀態(tài)檢修技術(shù)包含以可靠性為中心的檢修技術(shù)和預(yù)測檢修技術(shù)。這項技術(shù)最初應(yīng)用于航空、航天系統(tǒng)，后應(yīng)用于核電站，現(xiàn)已成功地應(yīng)用于發(fā)電廠設(shè)備的檢修。電力系統(tǒng)的可靠性在很大程度上取決于電力設(shè)施的可靠性，隨著電網(wǎng)容量的增大和用戶對供電可靠性要求的提高，檢修管理的重要性日益顯現(xiàn)。檢修費用占電力成本的比例也不斷提高，檢修費用同燃料費用一樣占有重要比例。如何采取合理的檢修策略和制訂正確的檢修計劃，保證在不降低可靠性的前提下節(jié)省檢修費用，便成為電力部門面臨的重要課題。過去常用的計劃檢修和以它為基礎(chǔ)根據(jù)經(jīng)驗決定延長或縮短檢修周期的做法已不能滿足需要，必須采用新技術(shù)。
2 設(shè)備狀態(tài)檢修
以可靠性為中心的檢修和預(yù)測性檢修是互相緊密聯(lián)系而又不同的兩個技術(shù)領(lǐng)域。前者是在評估元件可能故障對整個系統(tǒng)可靠性影響的基礎(chǔ)上決定檢修計劃的一種策略，后者是根據(jù)對潛伏故障進行在線或離線測量的結(jié)果和其他信息來安排檢修的技術(shù)。其關(guān)鍵是依靠先進的故障診斷技術(shù)對潛伏故障進行分類和嚴重性分析,以決定設(shè)備（部件）是否需要立即退出運行和制訂應(yīng)對措施。因此，電力設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)涉及復(fù)雜的可靠性評價、傳感技術(shù)、信息采集處理技術(shù)、干擾抑制技術(shù)、模式識別技術(shù)、故障嚴重性分析、壽命估計等領(lǐng)域。
實施狀態(tài)檢修的前提是：
①健全的設(shè)備管理體制；
②完善的檢修質(zhì)量管理體系；
③靈活的設(shè)備運行方式；
④齊全的設(shè)備管理臺帳；
⑤高素質(zhì)的檢修隊伍、運行隊伍和設(shè)備管理人員；
⑥具備狀態(tài)檢修的設(shè)備記錄和檢測手段；⑦先進的測試、分析設(shè)備。
電廠的大部分設(shè)備要求實行狀態(tài)檢修，常用的檢測技術(shù)有振動檢測、油液分析、紅外線熱成像、超聲波檢漏、電機狀態(tài)檢測等。這里僅就電氣設(shè)備作說明。
狀態(tài)檢修涉及的電氣設(shè)備，主要是針對需要經(jīng)過時效考驗并隨著負載變化而出現(xiàn)的工況和壽命發(fā)生變化的電氣一次設(shè)備，包括發(fā)電機、斷路器、高低壓電動機、大型變壓器、中小型變壓器、高壓開關(guān)、隔離閘刀、CT（電流互感器）、CVT（電容式電壓互感器）、PT（電壓互感器）、避雷器、母線及連接、中壓開關(guān)、配電變壓器、高壓套管、電力電纜、變頻器、整流組件、絕緣子、電力電容器等。這里介紹一些新技術(shù)，不包括具體的設(shè)備選型，僅供設(shè)備訂購或管理時參考。
3 新技術(shù)的應(yīng)用
（1）紅外線點溫計：可手持操作，方便靈活，直觀迅速，幾乎適用于所有電氣設(shè)備的表面測溫和故障發(fā)熱檢測。
（2）紅外線熱像儀：既可以在線檢測電氣設(shè)備正常的運行狀況，也可以在檢修中進行熱像分析。它適用于發(fā)電機、斷路器、高低壓電動機、大型變壓器、中小型變壓器、高壓開關(guān)、隔離閘刀、CT、CVT、PT、避雷器、母線及連接、中壓開關(guān)、配電變壓器、高壓套管、電力電纜、變頻器、整流組件、絕緣子、電力電容器等設(shè)備的檢測[3]。在停機檢修中還可以輔助進行發(fā)電機定子鐵損試驗和發(fā)電機轉(zhuǎn)子護環(huán)的拆裝工作等[4]。
（3）超聲波流量探測儀：適用于在線測量發(fā)電機定子進（出）水總管的流量、停機檢修中發(fā)電機定子線棒的流量、高壓電動機的冷卻水流量和斷路器附屬系統(tǒng)的冷卻水流量以及大型變壓器循環(huán)油系統(tǒng)的流量等。
（4）振動分析系統(tǒng)：適用于大型發(fā)電機和電動機的振動檢測和分析，包括定子繞組端部振型分析、轉(zhuǎn)子軸系振動分析、轉(zhuǎn)子軸振動監(jiān)視器。通過觀察軸承振動的軌跡、平均值的幅值和性質(zhì)來判斷其振動的問題等。
（5）發(fā)電機在線綜合分析專家系統(tǒng)：可以綜合發(fā)電機的各種工況參數(shù)，例如對溫度、電壓、電流、振動、勵磁、絕緣、壽命等進行分析，并對照專家系統(tǒng)給出結(jié)論和處理意見。
（6）發(fā)電機在線檢測裝置：包括發(fā)電機工況監(jiān)測儀、發(fā)電機槽局部放電監(jiān)測儀、無線電頻率監(jiān)測儀、電刷工況監(jiān)測儀、轉(zhuǎn)子繞組匝間短路監(jiān)測儀、氫氣露點監(jiān)測儀、氫氣漏入水中監(jiān)測儀、氫氣漏出發(fā)電機外監(jiān)測儀等[5]。
（7）故障錄波器：適用于電氣設(shè)備故障情況下的參數(shù)記錄，也可以用于特定時段電氣設(shè)備的狀態(tài)分析。
（8）發(fā)電機定子繞組在線振動分析系統(tǒng)：用于實時記錄、分析定子繞組的振動情況。該技術(shù)要求在定子繞組端部加裝振動傳感器。目前ALSTOM公司已在沙角C發(fā)電廠670MW機組和大亞灣核電站900MW機組上安裝使用[6]。
（9）發(fā)電機不抽轉(zhuǎn)子故障診斷技術(shù)：其主要結(jié)構(gòu)是一個可以沿著發(fā)電機氣隙爬動的機械裝置（小車），小車上有光學(xué)探頭和振動裝置（振動頻率為20HZ）。不抽轉(zhuǎn)子就可以對發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子進行故障診斷。還可以進行以下幾個方面的分析：運行特性分析（輔助設(shè)備、勵磁系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)分析，汽輪機發(fā)電機組軸系的軸電壓、軸電流分析，轉(zhuǎn)子繞組絕緣分析）；內(nèi)部檢查（整個發(fā)電機本體及輔助設(shè)備的檢查，轉(zhuǎn)子繞組的絕緣檢查，勵磁裝置、繼電保護裝置、同期裝置的檢查）；水冷機組的流量分析（定子繞組水流量分析，定子冷卻水系統(tǒng)工況鑒定）；定子腔體試驗（定子槽鍥狀況測定，定子鐵芯層間絕緣質(zhì)量試驗，發(fā)電機軸承絕緣檢查）；繞組絕緣試驗（直流泄漏試驗，交流耐壓試驗，局部放電試驗）；保護、控制和同期試驗（發(fā)電機保護試驗，勵磁裝置試驗，同期裝置試驗，發(fā)電機輔助裝置、控制設(shè)備檢查）；振動分析（發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子、汽輪機缸體、發(fā)電機基礎(chǔ)振動分析等）。該技術(shù)已在石洞口第二發(fā)電廠使用。
（10）在線熱態(tài)絕緣監(jiān)測系統(tǒng)：可以在線測量發(fā)電機、電動機和變壓器的熱態(tài)主絕緣和軸承絕緣狀況等。
（11）運行小時計數(shù)器：安裝在開關(guān)上的運行小時計數(shù)器，它用來顯示轉(zhuǎn)動設(shè)備的實際運行小時數(shù)。根據(jù)運行小時數(shù)來安排開關(guān)、電機和轉(zhuǎn)動設(shè)備的檢修。
（12）電能質(zhì)量管理器：它安裝在開關(guān)或設(shè)備附近，可直接在開關(guān)或就地控制盤上顯示設(shè)備的電能質(zhì)量，包括電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率、用電量及原始參數(shù)，并可實現(xiàn)對設(shè)備的操作和事故追憶打印輸出。還可利用通訊接口實現(xiàn)遠方數(shù)據(jù)的傳輸和將參數(shù)進入DCS畫面。這一裝置適用于高、中、低壓開關(guān)控制系統(tǒng)。
（13）新型電機和節(jié)能電機：它可使運行成本大大降低，設(shè)備可靠性大大提高。例如采用Y2系列等新型電機，可使設(shè)備效率大大提高；采用高防護等級電機，可提高設(shè)備的適用環(huán)境能力和可靠性；又如在粉塵大的地方，應(yīng)推廣使用封閉式電機，該電機風(fēng)路分內(nèi)、外兩個部分，互相隔絕，通過冷卻器交換熱量。
（14）紅外線--色譜綜合分析法：利用紅外線檢測發(fā)現(xiàn)充油電氣設(shè)備可能的故障部位，配合色譜分析進行定性判斷。它適用于油浸式電力變壓器、高壓油斷路器、CT、CVT、高壓套管、電力電容器的故障檢測。
（15）Hydran 201R氣體監(jiān)視器：可以在線檢測變壓器油中氣體的含量，能及時有效地發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)的早期故障。該技術(shù)是對離線色譜分析的重要補充。它適用于油浸式電力變壓器的在線檢測。該監(jiān)視器已在珠海發(fā)電廠和河南新鄉(xiāng)供電局投運[8]。
（16）油樣在線分析儀：適用于油浸式電力變壓器、高壓油斷路器、CT、CVT、高壓套管、電力電容器的故障在線檢測[9]。
（17）在線SF6密度測試儀：適用于SF6斷路器的氣體密度監(jiān)測。
（18）在線SF6微水測試儀：適用于SF6斷路器的氣體中微水含量監(jiān)測。
（19）避雷器在線泄漏電流指示儀：適用于避雷器的在線泄漏電流指示和監(jiān)測。
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