以可靠性為中心的維修(RCM)在電力系統中的應用淺析

段本成

(廣西電網公司柳州供電局，廣西 柳州 545005)

1 前言

電氣設備的維修制度直接關系到設備的利用率、事故率、使用壽命、人力財力物力的消耗以及企業的整體效益等諸多問題。維修制度的優劣，還將顯著影響電力系統的供電可靠率，企業的勞動生產率等。

在人類社會工業革命之初，人們對機械設備基本上都采用事后維修的策略，即設備一直使用直到出現故障停機為止再進行維修。隨著工業文明的進步，事后維修策略也逐步過渡到預防性維修策略，即在設備發生故障之前對設備進行維護。預防性維修的維修制度基本上分定期維修和狀態維修兩種。前者以時間周期為標準，其主要缺點是維修具有一定的盲目性;而后者是以設備的實際運行狀態為標準，其主要優點是可以克服維修的過剩與不足，減少浪費，提高效益，但是需要先進的狀態監測設備與成熟的故障診斷方法作為前提。目前我國電力企業主要實行電力設備的定期維修制度，狀態檢修制度作為新生事物，也在部分電力企業中得到了試點應用，但是尚未形成規模效應。

以可靠性為中心的維修(RCM)理念是在定期維修與狀態維修的基礎上進一步發展起來的。RCM是通過區分設備的不同運行狀態和不同影響程度，來確定不同的維修方案、調配維修資源，將維修資源集中到對系統影響較大的設備，以達到維修成本和供電可靠性之間的最優平衡點。也就是說，在RCM的理論框架下，根據設備條件的不同，通過一系列的決策依據，采取包括狀態檢修、定期檢修、事后檢修在內的聯合維修策略，在提高電力設備的供電可靠性的同時降低設備維修成本。

2 定期檢修制度的局限性

定期維修制度是在事故維修的基礎上發展起來的。在電網發展初期，事故發生后方進行設備的維修。隨著電網的發展，事故后果日趨嚴重，客觀上要求改變這一被動局面，實行以預防為主的定期維修制度。

定期維修制度又稱計劃維修制度。1932年，前蘇聯的奧而忠尼啟則工廠開始實行。由于貫徹預防為主的原則，扭轉了被動的事故后維修局面，前進了一大步。1954年，定期維修制度傳入我國，在相當長的時期內，對我國建立預防為主的維修體制曾經起到積極的促進作用。隨著時間的推移與科學技術的發展，這種維修制度也逐漸暴露出許多問題。曾經一貫堅持定期維修制度的獨聯體國家，現在都紛紛由定期維修制度向狀態維修制度轉移。

定期維修主要是根據設備的運行周期，編制設備的大修與小修(常規)計劃，貫徹預防為主的方針，做到“到期必修、修必修好”。當設備到達預定維修的時間周期時，不論設備是否存在缺陷和問題，都要停下來進行維修，這種維修的盲目性顯而易見。定期維修制度雖然強調“修必修好”，然而在實際執行過程中，難免發生這樣或那樣的問題。對于那些沒有必要進行維修，特別是沒有必要進行解體維修的設備，輕則影響其性能，重則影響其壽命，甚至可能留下新的事故隱患。

實踐證明，在當代電網情況下，定期維修制度不可避免地存在維修過剩與維修不足兩大缺點。維修過剩會導致浪費、降低企業的勞動生產率、降低設備利用率和供電可靠率、影響主要生產技術指標的完成等等。此外，維修過剩勢必增加工作人員誤操作、繼電保護與開關設備誤動作的或然率(Probability)，以致造成設備損壞和人身事故。至于維修不足，顯然惡果相同。設備事故率升高，供電可靠率降低，經濟損失巨大，社會影響不好。

就我國目前情況而言，主要傾向是維修過剩。這里將重點論述這一問題。眾所周知，實行定期維修制度，必須年年春檢，夏迎高峰，歲歲秋檢，冬季大修，一年四季、忙碌不停，特別是節假日，電力職工最為辛苦。與此同時，設備和人身事故也顯著增多。

電力系統中的斷路器和繼電保護裝置數量龐大，相應的定期維修工作量也相當巨大。根據國內19個電力公司近10年的統計，繼電保護共動作76904次，其中動作失敗236次(誤動205次，拒動31次，失敗率為0.037%，而因定值變化引起誤動的僅為6次，同時分布在6個不同的局，僅占全部動作次數的0.0078%，尚不到萬分之一［1］。由此可見，斷路器的定期維修周期和繼電保護的定值校驗周期均是可以延長的。

以柳州供電局所轄變電站電力變壓器的運行經驗為例表明，電力變壓器分接開關的事故居多，事故率較高，故應主要針對分接開關采取措施，適當加強維修，而變壓器的維修周期則可適當延長。

其次，維修過剩勢必影響設備的利用率，降低供電可靠率。國內領先的上海電力公司去年的供電可靠率為99.984%。而紐約、巴黎、倫敦和東京等世界著名城市，80年代的供電可靠率已達以上99.99%，可見其間的差距是非常大的。顯然，維修過剩與安排不當是影響供電可靠率的重要因素之一。我國《電力法》明確規定，“要保護電力生產者、經營者和使用者三方的利益”，根據客觀發展的需要，加快提高城市電網的供電可靠率。

第三，維修過剩操作頻繁，勢必增加運行人員誤操作和部分設備誤動作的或然率，甚至設備損壞、事故擴大和人員傷亡等。近些年來，各種車輛顯著增多，維修期間加班加點，交通事故也呈明顯上升趨勢等等。

由此可見，定期維修是“粗放”型經營方式的表現，逐步向狀態維修過渡，才能向“集約”型經營方式轉變。

3 狀態檢修及其發展前景

為了做到電力設備的“應修必修，修必修好”，目前國際上較發達的國家和地區普遍都采用了狀態檢修的方法。所謂狀態檢修就是以設備當前的工作狀態為依據，通過狀態監測手段，診斷設備健康狀態，并根據監測和分析診斷的結果安排檢修時間和檢修項目。

提出狀態檢修正是基于如下事實:不同工作環境下電力設備的故障率是有差異的，即使是相同型號相同類型的設備，在安裝環境不同的情況下，其發生故障的概率必然不盡相同，因此就需要根據設備運行的狀態制定其維修策略，而不是單純的為某類設備規定固定的檢修周期。

這種檢修方式以設備當前的實際工作狀況為依據，而非傳統的以設備使用時間為依據，它通過先進的狀態監測與診斷手段，識別故障的早期征兆，對故障部位、故障程度和發展趨勢做出判斷，并根據診斷結果進行檢修。狀態檢修與定期檢修的本質差別就在于，定期檢修是根據認為經驗積累而產生的對設備共性的認識，而狀態檢修更注重對設備個性的把握，通過對個體的實際監測數據分析、缺陷情況、運行情況、歷史數據等加以綜合判斷，給出該設備的綜合狀態評價，在處理好個體設備的狀態檢測分析的基礎上，再通過計算機的統計、分析和預測能力產生對各類設備總體發展趨勢的狀態預測，使對于設備檢修的管理更加科學和透明。

狀態檢修較之傳統的定期檢修的優越之處在于:減少了停運(總檢修)時間，提高了設備可靠性和可用系數，延長了設備使用壽命，降低了運行檢修費用，改善了設備運行性能，提高了企業的經濟效益。

狀態檢修隨著故障診斷技術的發展而逐漸進入實用化，并由于其巨大的效益而在工業界引起廣泛重視，理論研究和生產實踐都在進一步深入。國外在狀態檢修技術研究與實踐應用方面都已取得了較成功的經驗。與狀態檢修密切相關、能直接提高狀態檢修工作質量的理論與技術主要包括4個方面的內容，即設備壽命管理與預測技術、設備可靠性分析技術、設備狀態監測與故障診斷技術和信息管理與決策技術。

狀態檢修中壽命預測與評估技術的應用，有利于科學合理地安排檢修和提高設備的可用率。以電力變壓器為例，變壓器剩余壽命的評估是當今監測與診斷工作的重要內容之一。現有的大多數估計變壓器壽命方法，僅簡單考慮負荷、溫度、絕緣材料的現狀，由于變壓器遭受到的短路次數、過電壓次數、設計弱點、修理和現場運輸等因素都會影響變壓器發揮功能的能力。要正確估算變壓器的壽命，必須獲得有關運行狀況和歷史信息，需要對變壓器技術情況有更深入的了解。研究及實驗表明，變壓器很少由于技術性或使用壽命的原因退出運行，而主要受經濟壽命的限制。因此，ABB公司和歐洲一些重要電業部門為避免對剩余壽命進行定量評估，開發了一種變壓器排列等級方法，為變壓器的壽命評估作了大量工作［2］。

可靠性技術是一門在40年代開始于美國的專業技術，其后蘇聯提出了可靠性與維修性理論和統計方法。所謂可靠性，一般認為是:機械設備和元件等在規定的條件下和預定的時間內，完成規定功能的能力［3］。系統的可靠性數學模型在很多文獻中均有介紹，一般把可修系統歸為馬爾科夫模型和非馬爾科夫模型。

設備狀態監測是故障在線診斷和離線分析的基礎。從國外來看，美國電力研究院(EPRI)下屬的監測診斷中心(M＆D)利用40多項先進的測量技術和分析軟件，對美國50家最大的電力公司的電廠、電網中80%的設備進行了在線監測和故障分析，了解了設備的運行狀況和健康水平，并據此制定設備維護和檢修計劃。加拿大魁北克水電公司也開發了一種在線狀態監視系統，使機組維修和專業技術人員無需停機就能了解水電機組的狀態。關于開關的狀態檢修及故障診斷，由于其故障機理較為清楚，故障診斷原理與方法比較成熟，國內已研究出檢測裝置和檢測方法。對于絕緣及電氣參數的劣化與開關故障，機械參數與物理參數的診斷都已有較為成熟的理論。

設備維修決策技術就是決定電力設備采用何種檢修方式，以及如何進行檢修。合理的決策對于電力設備發揮其最大效用至關重要。

4 維修決策策略體系

在事后維修、定期維修和狀態維修這3種常見的維修策略中，應該從設備運行可靠性及經濟性的更高要求出發，合理選擇維修策略，形成維修策略體系，來降低設備使用的費用，提高生產經濟效益，從而增強企業的競爭能力和發展能力。

合理選擇設備維修策略的基本步驟如下:

(1)設備基本情況匯總。企業選擇何種維修策略，必須緊密聯系企業和設備的實際情況。在實施之前，需要對設備進行充分的調查研究，為維修方案的制定、實施和最終的效果評估提供詳實的資料。匯總的內容主要包括:設備的基本屬性、設備的性能參數、設備維修的基本情況、設備維修的期望目標、維修工作的考核指標等。

(2)設備運行管理模式評估。通過對現行的設備管理體系進行評估，判斷已有的技術、維修設備和管理模式等能否支持狀態維修。為達到預定的目標，還需要哪些技術支持和管理手段。

(3)設備分類及可靠性評價。通過對設備進行分類和可靠性評價，判斷哪些設備適合狀態維修。可靠性評價的目標是從成本、效益、安全風險等角度系統評價不同設備在整個生產過程的重要性，可確定設備的薄弱環節、關鍵部位和重要程度，以及各種可能的潛在性故障及應采取的措施，揭示各種故障模式及其內部的聯系，指導故障診斷和維修方案的制定，確定系統檢測裝置的最佳配備等。

(4)設備維修策略的選擇。主要任務是根據設備對系統可靠性以及對維修費用的影響，合理選擇設備的維修策略。不管采用哪一種維修策略，目的都是為了降低維護、維修成本，提高企業的效益。事后維修、定期維修和狀態維修這3種維修策略是可以相互結合的，并不應該絕對排斥。

(5)設備維修計劃評價和優化。通過經驗總結和教訓分析，評價采用的維修策略，明確現有維修策略的優缺點，優化并實施新的維修策略。維修策略的合理選擇框架如圖1所示。需要注意的是，圖1所示的流程從一定程度上體現了以可靠性為中心的維修(RCM)的思想。

圖1 設備維修策略的合理選擇框架

5 以可靠性為中心的維修(RCM)思想在電力系統中的應用

RCM不再關注具體元件或設備的運行情況，而是關注由各個元件組成設備或由各個設備組成的系統的整體功能的實現情況(function－based)。根據所研究對象的功能、故障后果和故障原因來確定其維修方式，更加經濟的安排維修資源。

圖2 電力中的RCM研究對象示例

通過應用RCM，電力企業可以得到以下幾方面的提升:

(1)預防性維修成本的減少;

(2)人工利用效率的提高;

(3)嚴重故障發生頻率和影響的減少;

(4)設備停運和用戶停電的減少;

電力企業實施RCM的過程可以大致分為以下八個步驟［4］:

(1)確定實施RCM過程的對象

實施對象可以是元件、一類設備中的多個元件組合或是由多個不同種類設備組成的系統。

當所設定的RCM研究對象為一個由多個元件組成的子系統時，可以畫出如圖3所示的研究范圍。

圖3 RCM的研究對象為多個元件組成的系統

(2)相關資料與歷史數據的收集和回顧

找出實施對象中的設備的故障記錄與歷史維修數據，已經設備的使用手冊等說明性資料。包括定量的數據與定性的數據。定量數據包括:主要故障類型、故障間平均時間、故障平均修復時間、頻發故障、設備故障類型的主要誘因、維修工作的經濟性。定性數據包括:問題較大的設備、對工作流程與故障數據的詳細解釋、設計變更、維修任務排序、維修任務的可行性確認、預防性維修的新方法、維修過程中新的技術手段。

(3)明確實施對象的功能

由于RCM過程的出發點就是基于實施對象的功能，因此必須首先明確實施的設備或系統的功能。RCM將維修資源集中到能夠保持設備或系統實現其功能上，而不是設備的每一元件或系統中每一設備的運行情況。只有那些支撐設備或系統重要功能的元件或設備才能享受到維修資源，這與傳統的維修方式有著本質的區別。

(4)辨識危險的設備故障類型

此步驟需要執行危險程度分析，即分析設備的主要故障類型對RCM的實施對象的功能的影響。可以采用以下幾種方法:故障類型及影響分析FMEA、危險程度檢查表和危險程度預篩選。

在進行危險程度分析之前，要先明確哪些故障類型是主要故障類型。因為RCM關注的是如何預防這些會經常發生的故障類型，避免維修資源的浪費。明確主要故障類型的基本方法為在不考慮進行任何預防性維修的前提下設想其可能發生故障的所有方式。

由于危險程度分析的分析主體是各種故障類型所造成的后果，因此還需要明確各種主要故障類型發生后對設備或系統影響。故障后果可以按照其影響范圍分為:局部影響、RCM實施對象內部的影響、RCM實施對象外部的影響。

危險程度分析的最后一部分就是確定不同故障類型的危險程度。應注意的是，危險一詞針對的是故障類型而不是發生故障的設備，因為設備既會發生危險故障又會發生非危險故障。故障類型的危險程度可以認為劃分為以下幾種:超高危、高危、一般、低危和不危險。

(5)數據回顧、評估與挖掘

通過對相關人員的調研訪問得到故障歷史的相關數據，分析故障發生的原因，并調查針對這些原因的預防性維修工作的效果。

(6)識別導致危險設備故障類型發生的原因

在確定采用何種維修工作之前要識別出導致危險故障類型發生的原因，這是開展經濟性維修工作的基礎。故障原因一般越具體越好，因為同樣的原因有可能包括不同的側面，因此也會用到不同的維修方法。此外，RCM考慮的故障原因是那些能夠通過維修資源的應用而消除的。

(7)選擇可行且具有經濟性的維修任務

RCM程序使用結構化的決策邏輯針對故障類型的原因選擇恰當的維修任務。決策過程依據的是維修任務的可行性與經濟性。選擇維修任務這步步考慮所選出的任務間的協調合作問題，只解決如何選擇最經濟的維修任務以及任務的頻率。任務間的協調放在任務比較與執行計劃階段。

(8)任務比較與執行計劃

RCM的最后一步是通過將RCM推薦的維修措施與現行的維修措施進行比較，得到最終的設備維修方案，并制定最終維修方案的實施計劃。

［1］夏煥年.電氣設備兩種維修制度的比較［J］.電網技術.

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

［3］騶積巖，胖質玲，尹承尚.高壓開關設備的狀態檢測技術［J］.高壓電器.

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