水电厂电力设备健康状态评估体系研究

曹 军

（浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江 台州 317300）

1 概述

对于我国大中型水电站来说，保证设备长时间安全、稳定、可靠地运行是工作的重点。但随着计算机技术和控制技术的发展，我国大中型水电站的自动化程度越来越高，设备之间的关系越来越复杂。以往的依靠个人主观认识和经验、缺乏理论支持和指导的设备管理方法已经不能满足要求。因此寻找一种切实可行且有效的设备健康状态评估体系，对大中型水电站设备健康状态进行综合评价，以便设备管理人员及时的了解设备性能状况，提高设备运行的安全性意义重大，同样对水电企业的日常设备管理以及检修工作进行科学的指导十分重要。

2 电力设备状态评估体系研究

目前，在我国国内，作为状态检修依据的设备健康状态评估的研究也处于摸索阶段，针对大中型水电站设备状态评估的研究工作开展时间也比较短，可在实践中利用的成果也较少。而且已有的研究工作主要是针对单个的重要设备，采用实时检测技术进行的研究，对于整套设备的状态评估研究的不多。但是，随着科学技术的发展，人们开始将大量先进的技术、方法、理论应用到对设备所处状况进行判断的领域中来。现阶段，专家学者所做的与设备状态相关的科研工作主要在以下几个方面。

（1）设备状态检测。设备状态检测是随着状态检修中发展起来的。近年来，人们对状态检修越来越重视，设备状态检测成为研究的重点。设备状态检测的重点主要侧重技术方面，即通过先进的检测手段应用，得到与设备有关的震动信息、噪声信息、应力信息、温度信息等信息。通过一定的处理方法，来判断设备运转是否正常，或对异常情况进行追踪，预测其劣化趋势，确定其劣化及磨损程度。例如，潘宏侠等人根据变压器故障诊断问题的特点，建立了电力变压器中油内气体的在线监测与故障诊断系统，系统由4种气体传感器构成的检测系统以及与之相应的四参数故障诊断系统构成，能有效地诊断运行中变压器的内部潜伏性故障。Mengguang Wang开发了一种新的FRA方法（Frequency Response Analysis）对变压器进行在线或者现场的监测。

此外，一些成熟的设备状态检测设备和系统也被开发出来。例如，A BB公司有一种名为OPTIMAX的产品，该软件功能覆盖面很广，已在国外很多电厂应用并取得了成功。美国AVO公司的True Gas变压器油中气体在线监测设备，它可以监测多达八种气体；澳大利亚红相电力设备集团的DR MCC变压器在线监测控制系统，它可持续、在线、多方位监测变压器的工作状态，可监测变压器的各类数据。国内研制的同类产品有宁波理工监测设备有限公司推出的TRAN-A、TRAN-B型变压器故障在线监测设备。此外东北电力试验研究院研制的BSZ型大型变压器油色谱在线监测装置。

（2）设备故障诊断。设备故障诊断又称设备状态诊断，是一种通过检测设备的状态参数，发现设备异常情况，分析设备故障原因，并预测设备未来状态的一种技术。设备故障诊断是技术与理论并重的一种设备状态判别方法，它强调的是预测性。其数据来源主要是设备状态检测所得数据，有时数据也包括设备运行工况和设备的各项主要性能指标。在对设备进行诊断时，数据处理的方法主要是应用比较成熟的基础理论知识，例如神经网络、模糊数学、小波分析等理论方法。从事设备诊断技术研究工作的很多，在理论和实践中都取得了一定成果。宫会丽等人根据电力变压器故障诊断问题，提出了基于粗糙集与人工神经网络的变压器故障诊断模型，分析了该模型的实现步骤。金松茂、江荣汉引入证据理论实现电力设备多种检测手段的结合)以提高故障诊断的准确性。

（3）寿命预测技术。寿命预测技术是一种研究设备或部件在规定运行工况下能够安全运行多长时间的技术。通常所说的寿命预测主要指剩余寿命预测，也有称剩余寿命评估评定、机构完整性评估。为了进行寿命预测，需要做大量的资料分析、实地检验、试验等工作。设备寿命预测的研究开展的也很多。例如，孟慎非以评估坦克炮身管的剩余寿命及合理确定身管报废时机为研究目的，从火炮寿命的基本概念出发，分析了坦克炮身管寿命评定问题的特殊性，归纳出坦克炮身管剩余寿命评估的理论基础，建立了以基础性、替代性、及辅助性判据组合的身管寿命评定准则，提出了剩余寿命评估操作模式。王庆丰等对平台结构进行安全寿命评估及维修决策方法进行了初步研究，提出了平台安全寿命评估及维修决策方法的基本框架，给出科学的检维修方案,以保证结构安全、经济、可靠地运行。

在电力设备方面，国内外也进行了大量的研究。日本电力设备部件残余寿命评估的办法可分3个阶段：用制造锅炉与汽轮机的典型材料进行破坏性与非破坏性试验，同时进行解析分析做寿命评估，比较这3种方法并提出其各自的使用范围；在实际运行部件上作非破坏性试验或取样作破坏性试验并进行解析分析，进一步验证3种方法的适用范围；对 3种方法综合评价，总结出各种改进办法。第二阶段的研究工作包括超临界机组设备部件的寿命评估以及疲劳—蠕变损伤的非线性数学模型。美国电力研究院采用多数国家使用的“三级评估法”并制定出较完整的“综合寿命管理程序”作为美国电力企业寿命管理工作的通用导则。“三级评估”一般需要破坏性试验、各种取样、机理研究，甚至需要安装一些监测系统来最终确定损伤根源并提出解决办法。

中国电力寿命管理工作目前还是处于初级阶段，它仅限于某些技术专业内的活动，而且只作为个别设备、部件必要时的安全评估手段。杨萍等人对多泥沙河流水轮机混流式叶片、轴流式叶片、导水叶的磨蚀失效进行了分析。采用可靠度、故障率、平均无故障工作时间和有效度等指标来判断机组的磨蚀寿命，建立了基于指数函数的多泥沙河流水轮机磨蚀寿命评估系统，并对多泥沙河流水轮机寿命估算程序设计流程进行了实例分析。

（4）设备状态评估。设备状态评估，目前运用此术语进行的研究很多，牵扯的内容十分复杂，设备状态评估一种笼统的称呼，其研究内容涉及到状态检测、故障诊断和寿命诊断，只是不同研究人员的侧重点不同而已。总的来说，设备状态评估的研究也处于摸索阶段。由于设备评估的目的不同，评估时侧重点和技术方法不同，当前各种研究方向及其所建立的许多状态评估的模型也各不相同。目前主要的研究方向是以试验数据为基础的设备健康状态评估，是根据设备的历次试验数据，结合质量事件、家族事件等综合分析设备的健康状况，作为判断设备是否需要维修的依据。对不同的设备，表示设备整体状态的参数可能是不同的，需根据具体情况确定。目前这种针对单个或者少量的设备的精确状态的研究比较多。

例如，张金萍等人提出运用模糊数学理论，结合专家系统设计的变电设备状态评估系统，它可将电力设备预防性试验数据及历史数据有效组织起来，对设备健康状态进行评估，同时设计了相应的变电设备健康状态评估系统；崔奇明提出基于 E S T A电力设备状态评估专家系统。

3 结语

虽然在电力设备的状态评估方面我国的一些学者专家做了一定的研究，但总的来说我国电力设备状态评估方面的工作开展还处于起步阶段，评估的手段和方法还没有形成统一标准。尤其是根据设备的各种信息，包括设备自身特性、运行工况、运行时间、状态监测数据等，对整套的设备系统进行评估，确定整套的设备健康状态的研究还非常少见。但这种研究又十分必要，因为它有利于企业对整体设备状态的把握，帮助企业评估设备何时进入事故多发期，从而加大对设备的监控力度，防止安全隐患的产生；同时可以帮助企业科学合理确定设备检修时间、更换时间，节约成本，避免浪费。因此开展在这一方面的研究很有科学价值和应用价值。

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