电气设备绝缘的状态检修技术.docx

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电气设备绝缘的状态检修技术

电气设备绝缘的状态检修技术

陈伟根

重庆大学高电压与电工新技术教育部重点实验室

1电气设备绝缘维护技术的发展[1]

电气设备绝缘的检修技术的发展大致可以分为三个阶段：

事故检修→定期检修→状态检修。

事故检修是50年代以前主要采取的方式，就是在设备发生了故障或事故以后才进行检修。

这是基于那时没有形成象现在这样庞大的系统网络，因此设备发生故障时的影响面小，同时大部分设备都比较简单，设备的设计裕量大而且修复容易，设备停运对企业的经营活动影响不大，人们的依赖性也没有现在这样强烈，所以当时只进行简单的日常维护和检修，没有开展系统的检修。

60~70年代，由于设备的生产效率越来越高，突发故障所造成的损失也越来越大，因此如何避免和减少损失就成为十分突出的问题，于是逐步形成定期预防检修体系。

在前苏联，主要发展了定期计划检修，这类检修方式为在东欧各国和我国推广应用并延续到现在。

定期检修是一种基于时间的检修，其理论依据是：

设备能通过定期检修，周期性地恢复到接近新设备的状态。

因此，检修工作的内容与周期都是预先通过计划安排设定的，不管设备的状态如何，到时间就要修，目的是为了防止或延迟故障的发生，以期望达到最大限度地保证设备运行的可靠性。

但这种定期检修的管理制度往往是以牺牲企业的自身经济利益为代价的，在设备尚未发生缺陷且可正常运行的情况下就进行停运检修甚至更换设备，从而造成了不必要的人、财、物的浪费。

当时，日本形成的是以预防性检修发展起来的全员生产检修，是一种以最高的设备综合效率为目标、以降低设备检修费用为目的，确立全系统的全员参与的预防性检修体系。

其主要内容是取消运行与检修的界限，按时间折算设备的总费用及对寿命周期程度而进行研究和改进的一种方式，美国发展起来的预防性检修系统的主要特点是根据设备故障的不同模式采用不同的检修对策，因此，针对性较强，指导设备检修比较经济合理。

状态检修是通过对设备状态进行监测，然后按设备的健康状态来安排检修的一种策略。

这种检修方式起源于60年代美国航空工业飞行器的设备检修工作中，1978年开始广泛应用于美国海军舰艇的设备检修，80年代又在核是工业中推广应用，并很快发展到电力工业的电力设备检修中，因此状态检修是按设备的实际运行情况来决定检修时间与部位，针对性较强，经济合理。

据有关统计，实施状态检修后，设备故障率可降低75%，综合检修费用可减少30%~50%，国内外一些电力企业应用电力设备状态检修的实践都能证明，这种设备检修管理策略具有明显的社会效益和经济效益。

状态检修得益于设备监测技术得到广泛应用，人们对故障模式及其影响进行较深入的分析；企业对设备的可靠性、对检修的成本效益比的高要求，它是在设备发生实质性故障之前及时进行检修的新方式。

2状态检修及其它主要检修方式的定义[2]

（1）状态检修（预知性检修）即CBM（ConditionBasedMaintenance）,PDM（PredictiveMaintenance）

对设备状态进行监测，按设备的健康状态来安排检修的检修方式，这种检修方式解决了多年来在预防性检修中存在检修过剩或检修不足的问题，可以节约大量的检修费用和资源，并提高设备运行的可靠性。

（2）故障检修（事后检修），即RTF（RunTillFailure）,CM（CorrectiveMaintenance）

在故障已出现后，为把设备恢复到能完成要求功能的状态而进行的检修，简言之，故障发生后才进行检修。

（3）预防性检修，即PM（PreventiveMaintenance）

在预定的停机时间、或按照规定时行的，旨在降低故障可能性或功能劣化的检修。

即在故障发生之前、功能明显劣化之前进行检修，以预防故障的发生。

（4）定期计划检修，即TBM（TimeBasedMaintenance）

或叫做基于时间的检修，它的理论依据是：

设备能通过定期检修，周期性地恢复至接近新设备的状态。

检修工作的内容与周期都是预先设定的，到时间就修，目的是防止或延迟故障的发生。

我国目前的检修模式基本上就是这样，它这是预防性检修的一种。

（5）主动检修，即PAM（ProactiveMaintenance）

寻找故障的根本原因，修改设计或对设备进行改造，消除故障再次发生的可能，这是一种非常主动的、积极的方式。

对于设备的频发性故障，要改变设计进行改造，这并非什么新见解。

但作为一种检修方式，却是提出不久。

状态检修和主动检修都要对一些参数进行监测，区别在于：

主动检修监测的是参数的异常，这些异常出现时，设备尚未发生实质性故障，但若这些异常不得到及时纠正，则会引发实质性故障，即会发生材料的劣化或设备性能的下降。

而状态检修中所监测的是实质性故障的征兆，这时设备已处于初始故障阶段。

（6）以可靠性为中心的检修，即RCM（ReliabilityCenteredMaintenance）

通过一套特殊的程序来为设备和零件确定有效的、经济的预防检修任务，并规定检修或监测间隔的一种系统方法。

所谓的“特殊的程序”是一套工作方法或是分析方法；先选择要进行分析的系统，明确系统的边界、功能，进行故障模式和后果分析，逻辑树分析，最后选择合适的检修方式。

主动检修（PAM）属于状态检修的范畴，RCM是状态检修的发展和完善。

3实施状态检修的必要性[1]

随着电力体制的改革和经营机制发生的变化，以及减人增效和供电可靠性的要求进一步提高，定期检修制度已逐步不能完全适应形势发展的要求。

因此，迫切希望能实现对电力设备检修管理由“到期必修、修必修好”的方针向“应修必修、修必修好”的观念转移，并对传统的设备检修制度进行改革。

电力设备的状态检修是当前先进的工业国家普遍推行的一种科学的设备检修管理策略。

目前，国家电力公司已将电力设备状态检修工作作为科教兴电的一项重要的发展战略组织实施。

实施状态检修的必要性主要体现在以下几个方面：

3.1电力体制改革的需要

电力企业由计划经济向市场经济转移，经济效益和社会效益都是其重要的追求目标，而提高供电可靠性和降低生产成本是实现目标最重要的途径和提高经济效益的关键。

由于状态检修是提高供电可靠性和降低设备检修费用的重要措施，而设备检修费用在整个生产成本中占有相当大的比例，因此从提高经济效益的角度来看，定期检修已不能满足形势发展的要求。

3.2定期预防性检修不能及时发现设备内部的绝缘隐患

停电检修合格的设备运行中出现事故的可能性依然存在，且一旦出现事故，直接或间接损失十分巨大，这是目前这一检修体系存在的最大问题。

所以预防性检修体系不能及时发现设备内部的绝缘隐患。

3.3定期预防性检修造成人、财、物的大量浪费

定期检修是不管设备状态如何“到期必修”，有失设备检修的科学性和合理性。

用它来指导检修实践，可能会发生检修不足或检修过剩的情况，从而造成人、财、物的浪费。

如，某些不必要的频繁检修可能会增加误操作、人员伤亡和事故发生的机率。

表1大连地区电网继电保护及自动装置动作情况（1982~1998年）

大连电业局在开展状态检修前，对定期预防性试验认真进行了总结，得到了一些有价值的结论[3]，如：

线路绝缘子，在1983~1991年间该局共测111万片次，发现过414片零值，平均劣化率万分之四；而且从未发现过在同一串中同时有两片零值的。

在这样的情况下是否还需每1~2年进行普测？

（措施：

增加一片绝缘子，6~8年清扫一次）。

1957年以来，该局对变压器油做过简化试验30多万份，共发现酸价不合格的6份、闪点不合格的1份，这些试验的有效性如何？

（措施：

从概率统计出发，取消该两项试验）。

对继电保护及自动装置动作情况的统计见表1[4]，220kV及以上系统的不正确动作率为10kV系统的200多倍，是否还要对不同电压系统的继保装置沿用类似的周期来定检？

（措施：

220kV仍每年调校一次，其余延长到2~3调校一次）。

3.4定期预防性检修影响供电可靠性和售电量

定期检修造成的计划停电很可能影响供电可靠性、影响售电量。

随着形势的发展，全社会对供电可靠性的要求越来越高，大量定期检修所需要安排的停电时间越来越难，随着“电力法”的普及和深入，停电所造成电力用户的损失要实施赔偿制度，这给定期检修制度带来了不可避免的冲击。

3.5定期预防性检修的技术手段不合理

定期预防性试验的试验电压往往远低于运行电压，停电试验时，一般都是用最高10千伏试验电压得出的结论去考核鉴定220千伏甚至500千伏运行电压下的设备状态和可靠性。

因此，对运行电压下才能暴露的某些绝缘缺陷这种试验手段是不合理的。

在线监测是运行电压下对设备状态的监测，能较准确地反映设备的客观状态，因此，有效的在线监测技术是状态检修的重要的技术手段。

3.6从电力设备故障的形成规律分析状态检修的必要性

3.6.1电力设备故障和缺陷的浴盆曲线

一般情况下，电力设备的故障或缺陷在新安装投运期间由于安装质量方面的问题、设备本身存在的薄弱环节、设计和工艺等方面的缺陷等，在开始投运的一段时间内暴露的问题比较多，随着消缺后运行时间的增长而近于平缓，运行一定时间后，随着设备陈旧化，逐步暴露的缺陷开始增加，呈现出一条趋近于浴盆曲线的图形，参见图1。

经常性的定期检修使常规的设备运行浴盆曲线规律发生了变化，每检修一次，出现一次新的磨合期，使检修后的故障率增高。

参见图2。

图1常规运行时间变化的设备故障率曲线图2多次定期检修可能形成的设备故障率曲线

3.6.2电力设备功能退化的规律（P-F曲线）

电力设备大多故障一般不会在瞬间发生，并且在功能退化到潜在故障P点以后才逐步发展成能够探测到的故障（参见图3）。

之后将会加速退化的进程，直到达到功能故障的F点而发生事故。

这种从潜在故障发展到功能故障之间的时间间隔，被称为P-F间隔。

如果想在功能故障前检测到故障，必须在P-F之间的时间间隔内完成。

由于各种设备、各种故障形式、各种故障特点对应于P-F间隔的时间是不定值，可能是几个小时，也可能是几个月或几年不等，因此定期检修一般情况下不可能都满足P-F间隔的时间要求，从而导致设备功能故障的发生。

而有效的在线监测就可能捕捉到P-F间隔的整个发展过程，并在到达功能故障F点之前的合理时机采取措施进行检修处理。

3.6.3传统的检修观点与现代设备的故障特征有差异

传统观点认为，设备运行和发生的故障的可能性有直接关系，这意味着大多设备可以可靠地工作一个周期，然后逐步发生故障或缺陷。

因此，可以从设备故障的历史数据中确定设备可以可靠工作的周期，并在设备即将出现故障之前采取检修预防措施。

这一观点对一些简单设备和部件（如风扇、阀门座、潜油泵、冷却器等）的故障模式来说是客观存在的。

然而，现代先进的电力设备比过去的老设备要复杂得多，技术上、结构上、工艺上都有了质的变化，因此其故障模式也发生了很大的变化。

往往认为设备的可靠性与运行时间之总是存在某种固定的关系，定期检修越频繁设备发生故障或缺陷越少的观点是错误的。

实践证明，除非与运行时间有关的故障模式占主导地位以外，大多情况下定期检修只能增加发生故障或缺陷的机率，降低运行设备的可靠性。

4国外状态检修的基本策略[3]

4.1欧洲的一种典型检修策略

欧洲近年来在状态检修的基础上，提出基于可靠性的检修策略（ReliabilityCenteredMaintenance,RCM），更明确了必须兼顾两方面：

不仅要通过状态检测及时掌握设备的真实情况，而且要考虑该设备在系统中的重要性、该设备的故障对电网可靠性的影响程度，如图4所示[5]。

表2中以断路器为例，列出了设备状态的评估方法。

图4RCM的一种方案框图

表2对断路器评估时各项取分表

当然，在对变电设备试行RCM时，应先统计过去运行中各设备的事故率，如表3为德国产品在1980~1993年的事故率，再考虑该设备事故变电站事故的影响程度，以确定那些设备首先要考虑状态检测及状态检修，而且在同样缺陷时，重要的、影响大的要优先考虑。

表31980~1993德国产设备的事故率（每年、每100台）

4.2美国的一种检修策略

美国也是实行以可靠性为中心的检修策略（RCM），并且实现了计算机程序管理，图5为美国电力研究院EPRI新开发的优化检修系统的功能。

图5EPRI优化检修计算机系统功能

从国外实践看，要实现状态检修，必须抓住三个主要环节：

设备信息的掌握（含原始数据、历史数据、家族数据、当前数据）；综合的状态诊断（含规程、导则、专家系统、智能系统）；检修管理（软件系统、规程、结果反馈）。

5现阶段我国实施状态检修的基本规则[6]

目前，我国的状态检修虽已酝酿了十余年，但至今停留在学术讨论层面居多，对状态检修的认识也有差异，有人认为现有的检修体制就是状态检修，也有人认为必须严格获得设备的实时状态（即在线监测）才是状态检修。

这两种观点均走向了极端。

我们认为，下面论述的基本原则既借鉴了国际的经验，又有满足国内的现实状态，值得认真研讨，并付诸实施。

5.1将各类设备的检修统筹考虑

电气设备的维护一般要求退出运行，不论是全面的预防性试验，或是拆装性检修。

考虑到各种电气设备的维护是相互关联和相互影响的，为了尽可有保证设备的可用性和减少停电时间，必须统筹安排电气设备的检修工作。

如果我们把检修的周期及项目上升为一种管理策略，就必须将各类设备统筹考虑。

5.2采用量化的设备状态评价体系（百分制）

目前，我国还没有建立严格的设备状态评价体制，例如，现行《电力设备预防性试验规程》，设备要么合格、要么超标（不合格），显然仅仅把设备分为合格与不合格两种状态时，状态分析便无从谈起，所以应该建立量化的设备状态评价指标体系，地设备状态评分，从需立即退出运行到设备最优状态分成0到100分。

设备的评分基于与设备状态相关的信息，包括各个试验项目、家族缺陷事故纪录、不良运行工况记录等。

对设备状态信息也引入评分制，如依据接近阈值的程度以及劣化的速度等对试验项目进行评分。

5.3采用综合的设备状态信息获取方法

反映设备的状态信息应来自于，在线监测获取信息，各项试验获取信息（含现行预防性试验），设备家族缺陷事故记录信息，不良运行工况记录信息。

这是一个综合的信息来源，各项信息依其对设备状态的准确反映以权重反映，信息也应考虑折旧，越新的设备折旧越小。

5.4建立数字化管理体系

状态检修主要包括设备信息获取、综合诊断、检修管理。

建立数字化管理体系才能引入智能综合诊断和检修管理系统，才能适于未来发展的需要，前述的量化的设备状态评价体系就是为建立数字化管理体系奠定基础，实际上，建立数字化管理体系就是建立数字化综合诊断，数字化检修管理系统。

以这样的基本原则实行状态检修，那么现阶段预防性试验地位如何呢？

虽5.3已有叙述，但不详细、具体，故单独补充阐述如下[6]。

（1）状态检修包含了预防性试验

我国的电气设备维护体制实际上包括两个方面，一是定期预防性试验：

一是定期拆装性检修。

其中定期预防性试验占整个维护工作量的50%以上，在因设备维护临时退出运行的时间中，预防性试验也占主要部分。

近年来，一方面电力系统的迅速扩展，另一方面预防性试验项目有增无减，设备维护人员已感穷于应付，预防性实验的执行和分析质量受到了制约。

根据初步的调查，目前预防性试验的缺陷检出率很低，这说明此项工作过度盲目和保守。

若加强设备状态分析，在适当保守的前提下，依据设备状态，对周期和项目进行调整，突出重点，提高质量，这不仅不会降低反而能提高设备的安全运行指标。

所以，这是对预防性试验周期和项目作出调整，此为其一；其二，预防性试验也是获取设备信息的重要手段，对于某些设备甚至是唯一手段。

（2）状态检修与《预防性试验规程》的关系

《预防性试验规程》是目前我国电力行业设备维护的指导性文件，但实践证明，有以下几个方面的不足：

（1）绝大多数试验项目的判断标准是静态的，一般给出一个阈值（或称注意值），而没有劣化速率的具体指标。

（2）设备状态分类过于简单化，要么合格、要么超标（不合格）。

无法依据设备状态的相对优劣指标，有针对地制订设备维护策略。

（3）试验项目的试验周期均有较大的弹性范围，但没有给出相应的选择依据。

（4）没有考虑影响设备状态的不良运行工况对试验周期的影响，如断路器开断短路电流的幅值、次数；变压器出口或近区短路等。

（5）许多新的试验项目，如变压器绕组变形、红外、紫外以及在线监测等没有考虑。

尽管如此，但《预防性试验规程》是我国儿十年来设备维护的经验总结，其中的绝大部分阈值和对设备健康状况的判定方法仍然是状态检修实施的基础，包括现有在线监测的产量及阈值设置仍然大量采用了《预防性试验规程》数值。

（3）状态检修与其它一些设备检修规程或导则的关系

除《预防性试验规程》外，还有其它一些设备的检修规程，这些检修规程重点在设备检修的具体操作、工艺和规范。

电气设备状态检修也涉及预防性试验和检修，但切入点不同，主要解决设备检修策略问题，包括是否需要检修、需要检修时允许的宽限期和何种性质（规模）的检修。

至于如何实施检修、检修过程中的工艺要求，仍由具体设备的检修导则或规程予以规范。

6现阶段实施状态检修的基本策略[6]

6.1状态信息的构成

状态检修的基础在于状态分析，而状态分析的基础是状态信息。

状态信息包括预防性试验、不良运行工况记录、缺陷记录、检修记录、家族质量记录、在线监测等几个方面。

过去，在我们日常的设备管理中，这些状态信息彼此隔离，或无记录，这不利于全面的设备状态分析，建议建立计算机管理档案系统。

预防性试验以《预防性试验规程》为主，但应考虑近年来发展的新的试验技术，如变压器绕组变形、红外和紫检测等。

不良运行工况因设备不同而异，如变压器，可以考虑过负荷（过负荷程度和持续时间）、侵入波（幅值和陡度）、出口（近区）短路等；对于断路包括开断短路以及负荷电流的幅值、时间，操作次数等等。

缺陷记录指从出厂试验、交接试验和运行过程中发现的各种异常和缺陷，包括非绝缘性缺陷，如漏油、漏气等。

检修记录主要反映设备的检修历史，如何种原因检修、何种性质的检修、检修中发现的问题与检修前评估的一致怀、检修的效果等。

家族质量记录主要基于这样一个概念，同一型号、特别是同一制造商同一型号的设备。

往往有共同的质量弱点，家庭质量记录对其他设备有警示作用。

并不是所有的设备都能在线监测，但已有在线监测的设备，其在线监测的信息，应作为设备状态信息的主要一部分，进行综合分析。

6.2状态分析和检修策略

状态分析的目的不在于准确诊断设备究竟存在何种缺陷，这在目前或许是不现实的。

这里状态分析的目的是基于设备的状态信息，对设备状态做出一个初步的评价，作为安排检修的一个依据。

至于不良状态的设备的缺陷原因、性质，需在检修前后针对个案进行深入分析。

基于这样一种认知，设备状态不列出具体缺陷，而是对设备状态进行评分，分值从0到100，这里0分表示需要立即检修的严重缺陷状态，如变压器轻重瓦斯或红外检测套管头严重过热等；100则表示所有状态信息均远离超标值，且既没有经历不良运行工况，又没有家族质量缺陷纪录；其他状态介于0-100分之间。

为了使各类设备有一个相近的标准，设备状态与评分应进行必要的规范，比如表4的推荐值：

表4设备状态与评分推荐表（示意性）

设备状态评分立足于设备状态信息，状态信息分以下三个方面：

状态试验数据（如在线监测、预防性试验、交接试验等）、不良运行工况记录和家庭质量缺陷记录。

（1）综合试验评分值

进行若干个试验，若对每一个试验进行评分，并按项目的重要性进行加权处理，参见式

（1），可以得到一个设备的综合试验分值：

（1）

式

（1）中n1i，w1i分别表示试验项目评分及权重。

试验项目评分打破了要么合格要么不合格的评价体制，以MOA在0.75UImA下的泄漏电流这一试验项目为例，规程仅给出了50μA的阈值，大于50μA视为不合格。

容易理解，45μA和5μA虽然都算合格，但反映出MOA阀片的状态并不相同。

此外运行了十年的MOA，逐年缓慢达到45μA和运行了一年就达到45μA，反映出MOA阀片的状态也不相同。

要区别这些不同，引入百分制是一种可行的方法。

推荐的试验项目评分值如表5所示。

表5试验项目评分n1i推荐表（示意性）

在项目评分的具体操作中，要考虑以下几个方面的因素：

（1）注意值。

目前《预防性试验规程》中给出的注意值除个别项目外仍然是适用的；

（2）劣化评价。

理论上讲，反映运行设备状态的试验值总是在劣化中，但不同的个体劣化速率可能不同。

对于那些明显偏离同类设备的状态量值，应确定为超常劣化。

为了数字化管理，必须对何为超常给出明确的定义，这里推荐应用假设检验的方法（数理统计），假设一组同类设备的状态量为一个母体，用试验测理的值进行假设检验，检验为假时即为超常劣化；（3）状态量预报。

即根据历史值，按一定的规则预报下一次检修前状态量达到的数值。

预报的规测可以是：

线性外推、依据以往数据确定外推方法和时间序列分析（一种统计方法）。

在制订预报方法时，要考虑可预报的条件和置信度。

上述三点作为项目评分的依据。

这里要强调的是，评分时定性要准确，但具体分值的准确性是一个发展过程，不可能一蹴而就。

至于权重w1i的确定应依试验项目对反应设备状态的准确度和重要性来确定，权重的确定过程也是一个不断总结、提高和发展的过程。

（2）家族质量缺陷因子k1：

家庭质量缺陷记录是影响设备维护策略的重要方面。

但缺陷的性质、家族的亲疏关系等不同，影响的程度也不同，类似地，这一影响可以表达为：

（2）

式

（2）中w2j，n2j分别表示家族质量缺陷记录评分及权重，m2表示家族缺陷总台次数，若设备无缺陷，缺陷评分为100。

参见表6和表7。

表6家族质量缺陷记录评分n2j

表7家族质量缺陷权重w2j

上表中，n指相同的缺陷重复出现的次数。

例如，设甲公司共有某制造商同型号批次设备12台，其中两台出现同样的缺陷，且缺陷评分为10分，根据式

（2）和表7：

k1=｛[100×（12-2）]+10×32×2｝÷[（12-2）+32×2]×100=0.643

上述结果显示，考虑到严重的家族质量缺陷，其他设备的检修周期应缩短35.7%。

（3）不良运行工况影响因子k2

不良运行工况会对设备状态造成威胁，在考虑设备维护策略时，必须考虑设备是否有不良运行工况记录。

不良运行工况的影响可按式（3）给出一个综合影响因子k2。

（3）

式（3）中，n3k表示不良工况记录评分，根据不良工况对设备状态潜在影响的大小（性质和程度），n3k取值从0到1；m3表示不良运行工况发生次数。

考虑不良运行工况记录时，暂不考虑是否实际对设备造成损害，只要发生这样的情况而且在程度上已有可能对设备状态造成损害，便记录并参与式（3）的评分。

若无法得到不良运行工况记录，忽略此项（k2=1）。

或取统计平均值。

（4）设备维护策略因子r的确定

r1、k1、k2决定设备的维护策略。

由于r1、k1、k2是独立的，且均为决定维护策略的重要因素，故此，总的设备维护策略因子r可以表达为：

（4）

上式中，表示设备岗位权重，按岗位的重要性依次分为0.82、0.91、1.0。

对于不同类型的设备上列各式可以有不同的形式，但为了对设备统一处理，r的取值约定在0-100之间，并大致符合表4的要求。

6.3检修策略中人工智能的引入

这一检修策略中，许多地方仍采用了一些经典的处理方式，这些经典的方式不一定全面反映客观实在，因此，引人工智能是十分重要的。

比如：

在设备状态评估中引入神经网络或专家系统，其评分应该更反映设备真实状态。

在综合诊断中可以有多种人工智能方式