以可靠性为中心的维修(RCM)在电力系统中的应用浅析

段本成

(广西电网公司柳州供电局，广西 柳州 545005)

1 前言

电气设备的维修制度直接关系到设备的利用率、事故率、使用寿命、人力财力物力的消耗以及企业的整体效益等诸多问题。维修制度的优劣，还将显著影响电力系统的供电可靠率，企业的劳动生产率等。

在人类社会工业革命之初，人们对机械设备基本上都采用事后维修的策略，即设备一直使用直到出现故障停机为止再进行维修。随着工业文明的进步，事后维修策略也逐步过渡到预防性维修策略，即在设备发生故障之前对设备进行维护。预防性维修的维修制度基本上分定期维修和状态维修两种。前者以时间周期为标准，其主要缺点是维修具有一定的盲目性;而后者是以设备的实际运行状态为标准，其主要优点是可以克服维修的过剩与不足，减少浪费，提高效益，但是需要先进的状态监测设备与成熟的故障诊断方法作为前提。目前我国电力企业主要实行电力设备的定期维修制度，状态检修制度作为新生事物，也在部分电力企业中得到了试点应用，但是尚未形成规模效应。

以可靠性为中心的维修(RCM)理念是在定期维修与状态维修的基础上进一步发展起来的。RCM是通过区分设备的不同运行状态和不同影响程度，来确定不同的维修方案、调配维修资源，将维修资源集中到对系统影响较大的设备，以达到维修成本和供电可靠性之间的最优平衡点。也就是说，在RCM的理论框架下，根据设备条件的不同，通过一系列的决策依据，采取包括状态检修、定期检修、事后检修在内的联合维修策略，在提高电力设备的供电可靠性的同时降低设备维修成本。

2 定期检修制度的局限性

定期维修制度是在事故维修的基础上发展起来的。在电网发展初期，事故发生后方进行设备的维修。随着电网的发展，事故后果日趋严重，客观上要求改变这一被动局面，实行以预防为主的定期维修制度。

定期维修制度又称计划维修制度。1932年，前苏联的奥而忠尼启则工厂开始实行。由于贯彻预防为主的原则，扭转了被动的事故后维修局面，前进了一大步。1954年，定期维修制度传入我国，在相当长的时期内，对我国建立预防为主的维修体制曾经起到积极的促进作用。随着时间的推移与科学技术的发展，这种维修制度也逐渐暴露出许多问题。曾经一贯坚持定期维修制度的独联体国家，现在都纷纷由定期维修制度向状态维修制度转移。

定期维修主要是根据设备的运行周期，编制设备的大修与小修(常规)计划，贯彻预防为主的方针，做到“到期必修、修必修好”。当设备到达预定维修的时间周期时，不论设备是否存在缺陷和问题，都要停下来进行维修，这种维修的盲目性显而易见。定期维修制度虽然强调“修必修好”，然而在实际执行过程中，难免发生这样或那样的问题。对于那些没有必要进行维修，特别是没有必要进行解体维修的设备，轻则影响其性能，重则影响其寿命，甚至可能留下新的事故隐患。

实践证明，在当代电网情况下，定期维修制度不可避免地存在维修过剩与维修不足两大缺点。维修过剩会导致浪费、降低企业的劳动生产率、降低设备利用率和供电可靠率、影响主要生产技术指标的完成等等。此外，维修过剩势必增加工作人员误操作、继电保护与开关设备误动作的或然率(Probability)，以致造成设备损坏和人身事故。至于维修不足，显然恶果相同。设备事故率升高，供电可靠率降低，经济损失巨大，社会影响不好。

就我国目前情况而言，主要倾向是维修过剩。这里将重点论述这一问题。众所周知，实行定期维修制度，必须年年春检，夏迎高峰，岁岁秋检，冬季大修，一年四季、忙碌不停，特别是节假日，电力职工最为辛苦。与此同时，设备和人身事故也显著增多。

电力系统中的断路器和继电保护装置数量庞大，相应的定期维修工作量也相当巨大。根据国内19个电力公司近10年的统计，继电保护共动作76904次，其中动作失败236次(误动205次，拒动31次，失败率为0.037%，而因定值变化引起误动的仅为6次，同时分布在6个不同的局，仅占全部动作次数的0.0078%，尚不到万分之一［1］。由此可见，断路器的定期维修周期和继电保护的定值校验周期均是可以延长的。

以柳州供电局所辖变电站电力变压器的运行经验为例表明，电力变压器分接开关的事故居多，事故率较高，故应主要针对分接开关采取措施，适当加强维修，而变压器的维修周期则可适当延长。

其次，维修过剩势必影响设备的利用率，降低供电可靠率。国内领先的上海电力公司去年的供电可靠率为99.984%。而纽约、巴黎、伦敦和东京等世界著名城市，80年代的供电可靠率已达以上99.99%，可见其间的差距是非常大的。显然，维修过剩与安排不当是影响供电可靠率的重要因素之一。我国《电力法》明确规定，“要保护电力生产者、经营者和使用者三方的利益”，根据客观发展的需要，加快提高城市电网的供电可靠率。

第三，维修过剩操作频繁，势必增加运行人员误操作和部分设备误动作的或然率，甚至设备损坏、事故扩大和人员伤亡等。近些年来，各种车辆显著增多，维修期间加班加点，交通事故也呈明显上升趋势等等。

由此可见，定期维修是“粗放”型经营方式的表现，逐步向状态维修过渡，才能向“集约”型经营方式转变。

3 状态检修及其发展前景

为了做到电力设备的“应修必修，修必修好”，目前国际上较发达的国家和地区普遍都采用了状态检修的方法。所谓状态检修就是以设备当前的工作状态为依据，通过状态监测手段，诊断设备健康状态，并根据监测和分析诊断的结果安排检修时间和检修项目。

提出状态检修正是基于如下事实:不同工作环境下电力设备的故障率是有差异的，即使是相同型号相同类型的设备，在安装环境不同的情况下，其发生故障的概率必然不尽相同，因此就需要根据设备运行的状态制定其维修策略，而不是单纯的为某类设备规定固定的检修周期。

这种检修方式以设备当前的实际工作状况为依据，而非传统的以设备使用时间为依据，它通过先进的状态监测与诊断手段，识别故障的早期征兆，对故障部位、故障程度和发展趋势做出判断，并根据诊断结果进行检修。状态检修与定期检修的本质差别就在于，定期检修是根据认为经验积累而产生的对设备共性的认识，而状态检修更注重对设备个性的把握，通过对个体的实际监测数据分析、缺陷情况、运行情况、历史数据等加以综合判断，给出该设备的综合状态评价，在处理好个体设备的状态检测分析的基础上，再通过计算机的统计、分析和预测能力产生对各类设备总体发展趋势的状态预测，使对于设备检修的管理更加科学和透明。

状态检修较之传统的定期检修的优越之处在于:减少了停运(总检修)时间，提高了设备可靠性和可用系数，延长了设备使用寿命，降低了运行检修费用，改善了设备运行性能，提高了企业的经济效益。

状态检修随着故障诊断技术的发展而逐渐进入实用化，并由于其巨大的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。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。

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。以电力变压器为例，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［2］。

可靠性技术是一门在40年代开始于美国的专业技术，其后苏联提出了可靠性与维修性理论和统计方法。所谓可靠性，一般认为是:机械设备和元件等在规定的条件下和预定的时间内，完成规定功能的能力［3］。系统的可靠性数学模型在很多文献中均有介绍，一般把可修系统归为马尔科夫模型和非马尔科夫模型。

设备状态监测是故障在线诊断和离线分析的基础。从国外来看，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，了解了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。加拿大魁北克水电公司也开发了一种在线状态监视系统，使机组维修和专业技术人员无需停机就能了解水电机组的状态。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。对于绝缘及电气参数的劣化与开关故障，机械参数与物理参数的诊断都已有较为成熟的理论。

设备维修决策技术就是决定电力设备采用何种检修方式，以及如何进行检修。合理的决策对于电力设备发挥其最大效用至关重要。

4 维修决策策略体系

在事后维修、定期维修和状态维修这3种常见的维修策略中，应该从设备运行可靠性及经济性的更高要求出发，合理选择维修策略，形成维修策略体系，来降低设备使用的费用，提高生产经济效益，从而增强企业的竞争能力和发展能力。

合理选择设备维修策略的基本步骤如下:

(1)设备基本情况汇总。企业选择何种维修策略，必须紧密联系企业和设备的实际情况。在实施之前，需要对设备进行充分的调查研究，为维修方案的制定、实施和最终的效果评估提供详实的资料。汇总的内容主要包括:设备的基本属性、设备的性能参数、设备维修的基本情况、设备维修的期望目标、维修工作的考核指标等。

(2)设备运行管理模式评估。通过对现行的设备管理体系进行评估，判断已有的技术、维修设备和管理模式等能否支持状态维修。为达到预定的目标，还需要哪些技术支持和管理手段。

(3)设备分类及可靠性评价。通过对设备进行分类和可靠性评价，判断哪些设备适合状态维修。可靠性评价的目标是从成本、效益、安全风险等角度系统评价不同设备在整个生产过程的重要性，可确定设备的薄弱环节、关键部位和重要程度，以及各种可能的潜在性故障及应采取的措施，揭示各种故障模式及其内部的联系，指导故障诊断和维修方案的制定，确定系统检测装置的最佳配备等。

(4)设备维修策略的选择。主要任务是根据设备对系统可靠性以及对维修费用的影响，合理选择设备的维修策略。不管采用哪一种维修策略，目的都是为了降低维护、维修成本，提高企业的效益。事后维修、定期维修和状态维修这3种维修策略是可以相互结合的，并不应该绝对排斥。

(5)设备维修计划评价和优化。通过经验总结和教训分析，评价采用的维修策略，明确现有维修策略的优缺点，优化并实施新的维修策略。维修策略的合理选择框架如图1所示。需要注意的是，图1所示的流程从一定程度上体现了以可靠性为中心的维修(RCM)的思想。

图1 设备维修策略的合理选择框架

5 以可靠性为中心的维修(RCM)思想在电力系统中的应用

RCM不再关注具体元件或设备的运行情况，而是关注由各个元件组成设备或由各个设备组成的系统的整体功能的实现情况(function－based)。根据所研究对象的功能、故障后果和故障原因来确定其维修方式，更加经济的安排维修资源。

图2 电力中的RCM研究对象示例

通过应用RCM，电力企业可以得到以下几方面的提升:

(1)预防性维修成本的减少;

(2)人工利用效率的提高;

(3)严重故障发生频率和影响的减少;

(4)设备停运和用户停电的减少;

电力企业实施RCM的过程可以大致分为以下八个步骤［4］:

(1)确定实施RCM过程的对象

实施对象可以是元件、一类设备中的多个元件组合或是由多个不同种类设备组成的系统。

当所设定的RCM研究对象为一个由多个元件组成的子系统时，可以画出如图3所示的研究范围。

图3 RCM的研究对象为多个元件组成的系统

(2)相关资料与历史数据的收集和回顾

找出实施对象中的设备的故障记录与历史维修数据，已经设备的使用手册等说明性资料。包括定量的数据与定性的数据。定量数据包括:主要故障类型、故障间平均时间、故障平均修复时间、频发故障、设备故障类型的主要诱因、维修工作的经济性。定性数据包括:问题较大的设备、对工作流程与故障数据的详细解释、设计变更、维修任务排序、维修任务的可行性确认、预防性维修的新方法、维修过程中新的技术手段。

(3)明确实施对象的功能

由于RCM过程的出发点就是基于实施对象的功能，因此必须首先明确实施的设备或系统的功能。RCM将维修资源集中到能够保持设备或系统实现其功能上，而不是设备的每一元件或系统中每一设备的运行情况。只有那些支撑设备或系统重要功能的元件或设备才能享受到维修资源，这与传统的维修方式有着本质的区别。

(4)辨识危险的设备故障类型

此步骤需要执行危险程度分析，即分析设备的主要故障类型对RCM的实施对象的功能的影响。可以采用以下几种方法:故障类型及影响分析FMEA、危险程度检查表和危险程度预筛选。

在进行危险程度分析之前，要先明确哪些故障类型是主要故障类型。因为RCM关注的是如何预防这些会经常发生的故障类型，避免维修资源的浪费。明确主要故障类型的基本方法为在不考虑进行任何预防性维修的前提下设想其可能发生故障的所有方式。

由于危险程度分析的分析主体是各种故障类型所造成的后果，因此还需要明确各种主要故障类型发生后对设备或系统影响。故障后果可以按照其影响范围分为:局部影响、RCM实施对象内部的影响、RCM实施对象外部的影响。

危险程度分析的最后一部分就是确定不同故障类型的危险程度。应注意的是，危险一词针对的是故障类型而不是发生故障的设备，因为设备既会发生危险故障又会发生非危险故障。故障类型的危险程度可以认为划分为以下几种:超高危、高危、一般、低危和不危险。

(5)数据回顾、评估与挖掘

通过对相关人员的调研访问得到故障历史的相关数据，分析故障发生的原因，并调查针对这些原因的预防性维修工作的效果。

(6)识别导致危险设备故障类型发生的原因

在确定采用何种维修工作之前要识别出导致危险故障类型发生的原因，这是开展经济性维修工作的基础。故障原因一般越具体越好，因为同样的原因有可能包括不同的侧面，因此也会用到不同的维修方法。此外，RCM考虑的故障原因是那些能够通过维修资源的应用而消除的。

(7)选择可行且具有经济性的维修任务

RCM程序使用结构化的决策逻辑针对故障类型的原因选择恰当的维修任务。决策过程依据的是维修任务的可行性与经济性。选择维修任务这步步考虑所选出的任务间的协调合作问题，只解决如何选择最经济的维修任务以及任务的频率。任务间的协调放在任务比较与执行计划阶段。

(8)任务比较与执行计划

RCM的最后一步是通过将RCM推荐的维修措施与现行的维修措施进行比较，得到最终的设备维修方案，并制定最终维修方案的实施计划。

［1］夏焕年.电气设备两种维修制度的比较［J］.电网技术.

［2］Bognar A，et al.Diagnostic tests of high voltage oil paper insulating system using DC dielectromerics.GIGRE paper.

［3］驺积岩，胖质玲，尹承尚.高压开关设备的状态检测技术［J］.高压电器.

［4］Reliability Centered Maintenance(RCM)Technical Reference for Power Delivery.www.epri.com.