智能化儀器儀表在電氣設備狀態檢修中的應用
1 文章引言
傳統的電廠設備檢修，都是按照《SD370-87電廠設備檢修規程》規定進行的。規程規定主機、主設備和輔助設備檢修周期各為多少年，并由發電部門統一制訂檢修滾動計劃，將機組的檢修性質定義為大修、中修、小修和擴大性檢修等，各設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，其他常規項目仍然是按照滾動計劃檢修。不管設備該不該修，一到檢修周期所有設備統統檢修一遍。這樣做的直接后果是：
①設備到期就修，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造成部分設備檢修質量失控；
④個別不需要檢修的設備由于經常檢修造成損壞。
設備狀態檢修是指根據先進的狀態檢測和診斷技術提供的設備狀態信息，來判斷設備的異常和預知設備的故障，并在故障發生前進行檢修的方式。即通過應用現代檢修管理技術，用先進的設備狀態檢測手段和分析診斷技術，實時了解設備的健康狀況和運行工況，及時給出設備的壽命評估，然后根據設備的健康狀態，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電成本，提高設備的可用性。
狀態檢修技術包含以可靠性為中心的檢修技術和預測檢修技術。這項技術最初應用于航空、航天系統，后應用于核電站，現已成功地應用于發電廠設備的檢修。電力系統的可靠性在很大程度上取決于電力設施的可靠性，隨著電網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。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根據經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。
2 設備狀態檢修
以可靠性為中心的檢修和預測性檢修是互相緊密聯系而又不同的兩個技術領域。前者是在評估元件可能故障對整個系統可靠性影響的基礎上決定檢修計劃的一種策略，后者是根據對潛伏故障進行在線或離線測量的結果和其他信息來安排檢修的技術。其關鍵是依靠先進的故障診斷技術對潛伏故障進行分類和嚴重性分析,以決定設備（部件）是否需要立即退出運行和制訂應對措施。因此，電力設備狀態檢修技術涉及復雜的可靠性評價、傳感技術、信息采集處理技術、干擾抑制技術、模式識別技術、故障嚴重性分析、壽命估計等領域。
實施狀態檢修的前提是：
①健全的設備管理體制；
②完善的檢修質量管理體系；
③靈活的設備運行方式；
④齊全的設備管理臺帳；
⑤高素質的檢修隊伍、運行隊伍和設備管理人員；
⑥具備狀態檢修的設備記錄和檢測手段；⑦先進的測試、分析設備。
電廠的大部分設備要求實行狀態檢修，常用的檢測技術有振動檢測、油液分析、紅外線熱成像、超聲波檢漏、電機狀態檢測等。這里僅就電氣設備作說明。
狀態檢修涉及的電氣設備，主要是針對需要經過時效考驗并隨著負載變化而出現的工況和壽命發生變化的電氣一次設備，包括發電機、斷路器、高低壓電動機、大型變壓器、中小型變壓器、高壓開關、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、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，不包括具體的設備選型，僅供設備訂購或管理時參考。
3 新技術的應用
（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備的表面測溫和故障發熱檢測。
（2）紅外線熱像儀：既可以在線檢測電氣設備正常的運行狀況，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、隔離閘刀、CT、CVT、PT、避雷器、母線及連接、中壓開關、配電變壓器、高壓套管、電力電纜、變頻器、整流組件、絕緣子、電力電容器等設備的檢測[3]。在停機檢修中還可以輔助進行發電機定子鐵損試驗和發電機轉子護環的拆裝工作等[4]。
（3）超聲波流量探測儀：適用于在線測量發電機定子進（出）水總管的流量、停機檢修中發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的冷卻水流量以及大型變壓器循環油系統的流量等。
（4）振動分析系統：適用于大型發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、轉子軸系振動分析、轉子軸振動監視器。通過觀察軸承振動的軌跡、平均值的幅值和性質來判斷其振動的問題等。
（5）發電機在線綜合分析專家系統：可以綜合發電機的各種工況參數，例如對溫度、電壓、電流、振動、勵磁、絕緣、壽命等進行分析，并對照專家系統給出結論和處理意見。
（6）發電機在線檢測裝置：包括發電機工況監測儀、發電機槽局部放電監測儀、無線電頻率監測儀、電刷工況監測儀、轉子繞組匝間短路監測儀、氫氣露點監測儀、氫氣漏入水中監測儀、氫氣漏出發電機外監測儀等[5]。
（7）故障錄波器：適用于電氣設備故障情況下的參數記錄，也可以用于特定時段電氣設備的狀態分析。
（8）發電機定子繞組在線振動分析系統：用于實時記錄、分析定子繞組的振動情況。該技術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發電廠670MW機組和大亞灣核電站900MW機組上安裝使用[6]。
（9）發電機不抽轉子故障診斷技術：其主要結構是一個可以沿著發電機氣隙爬動的機械裝置（小車），小車上有光學探頭和振動裝置（振動頻率為20HZ）。不抽轉子就可以對發電機定、轉子進行故障診斷。還可以進行以下幾個方面的分析：運行特性分析（輔助設備、勵磁系統的運行數據分析，汽輪機發電機組軸系的軸電壓、軸電流分析，轉子繞組絕緣分析）；內部檢查（整個發電機本體及輔助設備的檢查，轉子繞組的絕緣檢查，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量試驗，發電機軸承絕緣檢查）；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（發電機保護試驗，勵磁裝置試驗，同期裝置試驗，發電機輔助裝置、控制設備檢查）；振動分析（發電機定子、轉子、汽輪機缸體、發電機基礎振動分析等）。該技術已在石洞口第二發電廠使用。
（10）在線熱態絕緣監測系統：可以在線測量發電機、電動機和變壓器的熱態主絕緣和軸承絕緣狀況等。
（11）運行小時計數器：安裝在開關上的運行小時計數器，它用來顯示轉動設備的實際運行小時數。根據運行小時數來安排開關、電機和轉動設備的檢修。
（12）電能質量管理器：它安裝在開關或設備附近，可直接在開關或就地控制盤上顯示設備的電能質量，包括電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、頻率、用電量及原始參數，并可實現對設備的操作和事故追憶打印輸出。還可利用通訊接口實現遠方數據的傳輸和將參數進入DCS畫面。這一裝置適用于高、中、低壓開關控制系統。
（13）新型電機和節能電機：它可使運行成本大大降低，設備可靠性大大提高。例如采用Y2系列等新型電機，可使設備效率大大提高；采用高防護等級電機，可提高設備的適用環境能力和可靠性；又如在粉塵大的地方，應推廣使用封閉式電機，該電機風路分內、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：利用紅外線檢測發現充油電氣設備可能的故障部位，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，能及時有效地發現變壓器內部出現的早期故障。該技術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。該監視器已在珠海發電廠和河南新鄉供電局投運[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測。
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傳統的電廠設備檢修，都是按照《SD370-87電廠設備檢修規程》規定進行的。規程規定主機、主設備和輔助設備檢修周期各為多少年，并由發電部門統一制訂檢修滾動計劃，將機組的檢修性質定義為大修、中修、小修和擴大性檢修等，各設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，其他常規項目仍然是按照滾動計劃檢修。不管設備該不該修，一到檢修周期所有設備統統檢修一遍。這樣做的直接后果是：
①設備到期就修，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造成部分設備檢修質量失控；
④個別不需要檢修的設備由于經常檢修造成損壞。
設備狀態檢修是指根據先進的狀態檢測和診斷技術提供的設備狀態信息，來判斷設備的異常和預知設備的故障，并在故障發生前進行檢修的方式。即通過應用現代檢修管理技術，用先進的設備狀態檢測手段和分析診斷技術，實時了解設備的健康狀況和運行工況，及時給出設備的壽命評估，然后根據設備的健康狀態，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電成本，提高設備的可用性。
狀態檢修技術包含以可靠性為中心的檢修技術和預測檢修技術。這項技術最初應用于航空、航天系統，后應用于核電站，現已成功地應用于發電廠設備的檢修。電力系統的可靠性在很大程度上取決于電力設施的可靠性，隨著電網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。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根據經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。
2 設備狀態檢修
以可靠性為中心的檢修和預測性檢修是互相緊密聯系而又不同的兩個技術領域。前者是在評估元件可能故障對整個系統可靠性影響的基礎上決定檢修計劃的一種策略，后者是根據對潛伏故障進行在線或離線測量的結果和其他信息來安排檢修的技術。其關鍵是依靠先進的故障診斷技術對潛伏故障進行分類和嚴重性分析,以決定設備（部件）是否需要立即退出運行和制訂應對措施。因此，電力設備狀態檢修技術涉及復雜的可靠性評價、傳感技術、信息采集處理技術、干擾抑制技術、模式識別技術、故障嚴重性分析、壽命估計等領域。
實施狀態檢修的前提是：
①健全的設備管理體制；
②完善的檢修質量管理體系；
③靈活的設備運行方式；
④齊全的設備管理臺帳；
⑤高素質的檢修隊伍、運行隊伍和設備管理人員；
⑥具備狀態檢修的設備記錄和檢測手段；⑦先進的測試、分析設備。
電廠的大部分設備要求實行狀態檢修，常用的檢測技術有振動檢測、油液分析、紅外線熱成像、超聲波檢漏、電機狀態檢測等。這里僅就電氣設備作說明。
狀態檢修涉及的電氣設備，主要是針對需要經過時效考驗并隨著負載變化而出現的工況和壽命發生變化的電氣一次設備，包括發電機、斷路器、高低壓電動機、大型變壓器、中小型變壓器、高壓開關、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、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，不包括具體的設備選型，僅供設備訂購或管理時參考。
3 新技術的應用
（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備的表面測溫和故障發熱檢測。
（2）紅外線熱像儀：既可以在線檢測電氣設備正常的運行狀況，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、隔離閘刀、CT、CVT、PT、避雷器、母線及連接、中壓開關、配電變壓器、高壓套管、電力電纜、變頻器、整流組件、絕緣子、電力電容器等設備的檢測[3]。在停機檢修中還可以輔助進行發電機定子鐵損試驗和發電機轉子護環的拆裝工作等[4]。
（3）超聲波流量探測儀：適用于在線測量發電機定子進（出）水總管的流量、停機檢修中發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的冷卻水流量以及大型變壓器循環油系統的流量等。
（4）振動分析系統：適用于大型發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、轉子軸系振動分析、轉子軸振動監視器。通過觀察軸承振動的軌跡、平均值的幅值和性質來判斷其振動的問題等。
（5）發電機在線綜合分析專家系統：可以綜合發電機的各種工況參數，例如對溫度、電壓、電流、振動、勵磁、絕緣、壽命等進行分析，并對照專家系統給出結論和處理意見。
（6）發電機在線檢測裝置：包括發電機工況監測儀、發電機槽局部放電監測儀、無線電頻率監測儀、電刷工況監測儀、轉子繞組匝間短路監測儀、氫氣露點監測儀、氫氣漏入水中監測儀、氫氣漏出發電機外監測儀等[5]。
（7）故障錄波器：適用于電氣設備故障情況下的參數記錄，也可以用于特定時段電氣設備的狀態分析。
（8）發電機定子繞組在線振動分析系統：用于實時記錄、分析定子繞組的振動情況。該技術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發電廠670MW機組和大亞灣核電站900MW機組上安裝使用[6]。
（9）發電機不抽轉子故障診斷技術：其主要結構是一個可以沿著發電機氣隙爬動的機械裝置（小車），小車上有光學探頭和振動裝置（振動頻率為20HZ）。不抽轉子就可以對發電機定、轉子進行故障診斷。還可以進行以下幾個方面的分析：運行特性分析（輔助設備、勵磁系統的運行數據分析，汽輪機發電機組軸系的軸電壓、軸電流分析，轉子繞組絕緣分析）；內部檢查（整個發電機本體及輔助設備的檢查，轉子繞組的絕緣檢查，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量試驗，發電機軸承絕緣檢查）；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（發電機保護試驗，勵磁裝置試驗，同期裝置試驗，發電機輔助裝置、控制設備檢查）；振動分析（發電機定子、轉子、汽輪機缸體、發電機基礎振動分析等）。該技術已在石洞口第二發電廠使用。
（10）在線熱態絕緣監測系統：可以在線測量發電機、電動機和變壓器的熱態主絕緣和軸承絕緣狀況等。
（11）運行小時計數器：安裝在開關上的運行小時計數器，它用來顯示轉動設備的實際運行小時數。根據運行小時數來安排開關、電機和轉動設備的檢修。
（12）電能質量管理器：它安裝在開關或設備附近，可直接在開關或就地控制盤上顯示設備的電能質量，包括電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、頻率、用電量及原始參數，并可實現對設備的操作和事故追憶打印輸出。還可利用通訊接口實現遠方數據的傳輸和將參數進入DCS畫面。這一裝置適用于高、中、低壓開關控制系統。
（13）新型電機和節能電機：它可使運行成本大大降低，設備可靠性大大提高。例如采用Y2系列等新型電機，可使設備效率大大提高；采用高防護等級電機，可提高設備的適用環境能力和可靠性；又如在粉塵大的地方，應推廣使用封閉式電機，該電機風路分內、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：利用紅外線檢測發現充油電氣設備可能的故障部位，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，能及時有效地發現變壓器內部出現的早期故障。該技術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。該監視器已在珠海發電廠和河南新鄉供電局投運[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測。
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