城市軌道交通供電系統狀態維修模式研究

高 勁，龐開陽，黃山山

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城市軌道交通供電系統狀態維修模式研究

高 勁，龐開陽，黃山山

分析了廣州地鐵供電系統維修模式現狀及存在問題，討論了計劃維修和狀態維修的研究內容。在現有技術條件下，針對設備綜合信息數據庫的建立、地鐵供電設備故障診斷、地鐵供電設備健康狀態評估、地鐵供電設備維修維護策略的4個關鍵技術，提出城市軌道交通供電系統狀態維修模式研究思路。

供電系統；維修模式；狀態修

0 引言

城市軌道交通供電系統是為運營提供所需電能的系統，包括牽引用電以及動力照明用電，是整個城市軌道交通的大動脈。確保供電系統安全、可靠地運行，是保障城市軌道交通正常運營的重中之重。廣州地鐵線網已經具備一定規模，“十二五”計劃建設完成總運營里程將超過500 km，“十三五”建設規劃也正在啟動，地鐵供電網絡已經形成，并在逐步擴大。截止2016年底，廣州地鐵已開通運營線路309 km，車站184個，各車站高中低壓設備數量已達近萬臺。目前供電設備的檢修普遍依靠定期檢修方式，隨著計算機、通信技術的發展和應用，在設備的檢修中應不斷積累經驗，積極探索最佳的檢修模式，逐步向狀態維修模式過渡。

1 供電系統計劃維修的現狀分析

基于軌道交通供電系統（圖1）的重要性，多年來供電設備的檢修已實現按計劃定期檢修，維修規程規定有巡視、小修、大修，按照維修規程使檢修工作形成制度化、規范化、標準化，做到精檢細修，確保設備的維修質量。根據檢修計劃進行安排和落實并遵循以下原則：

（1）計劃檢修與巡視保養并重，以預防為主。計劃檢修與巡視保養相輔相成，設備保養和操作使用得當可以延長檢修周期或減少檢修工作量。

（2）檢修為變電所安全、可靠運行服務。檢修班組必須在保證檢修質量的前提下，盡量縮短設備停運時間。

（3）利用現代化管理手段和方法，實行“三定四化記名檢修”。

但是計劃維修模式也存在2個方面的不足：

（1）供電設備的絕緣性能及機械性能等關鍵數據無法在線檢測，難以提前預判故障，排除隱患。

（2）當供電設備狀態不佳時，因未到檢修時間而不能及時發現并排除隱患；而當供電設備狀態良好時，卻已到檢修時間，須進行例行檢修，造成人力、物力的浪費，不能更好地實現預期檢修效果。

將供電設備的維護模式由計劃維護逐步轉變為“狀態性維修”，以彌補供電設備管理中存在的不足，相比現有的供電設備管理模式，不僅能及時發現設備隱患，提前排除設備故障，還能更有針對性地進行供電設備維修，縮短停電檢修時間，減少人力物力的浪費，提升維修效率。

圖1 地鐵供電系統示意圖

2 供電系統狀態維修研究內容

（1）更完善的供電系統一次設備狀態指標體系。

根據供電系統設備自設計到報廢的整個生命周期實際運行特性，以其工作狀況預防性試驗既有表征參數為基礎，校核其局限、盲區，運用最新技術、設備，研究更完善的能夠表征其供電系統一次設備狀態的指標參數體系。

（2）更客觀的供電系統一次設備狀態判別體系。

在供電系統設備自設計到報廢的整個生命周期中，以可獲取的狀態指標數據為依據，運用最新技術、設備，結合對具體設備狀態優劣進行預警關注及提示維修、警示搶修、標志報廢等既有識別指標，校核其局限、盲區，研究、完善、確定供電系統設備狀態判別體系。

（3）更有效的供電系統一次設備全生命周期狀態在線實時技術監測體系。

根據供電系統自設計到報廢的整個生命周期運行特性，結合既有在線檢測技術、設備，校核其局限、盲區，充分開發、運用最新檢測技術、儀器、工具、方法，研究、開發、完善以實現對其狀態進行更有效的在線化、實時化、連續化檢測的監測技術與設備體系。

3 供電系統狀態維修關鍵技術及思路

設備狀態維修的研究擬從以下幾方面開展：設備綜合信息數據庫的建立、地鐵供電設備故障診斷、地鐵供電設備健康狀態評估、地鐵供電設備維修維護策略，具體思路框圖見圖2。

圖2 供電設備狀態維修思路框圖

3.1 設備綜合信息數據庫的建立

采用數據融合形成地鐵維修維護決策所需的設備綜合信息數據庫。由于供變電系統設備對運行可靠度要求較高，因此對設備運行狀態的關注度也較高，此前沿用的計劃修模式，將檢修與設備試驗相結合，由變電所巡視人員抄表記錄數據，并依據變電所運行檢修規程等獲取設備的狀態量。

設備綜合信息數據庫的建立主要通過以下方式收集設備狀態數據：

（1）在線監測，即在設備工作狀態下，實時在線連續對狀態數據進行收集，這需要增加傳感器等在線監測設備。

（2）帶電檢測，即在設備工作狀態下利用專用儀器進行檢測（含目測、巡檢等）。

（3）離線檢測，即在設備非工作狀態（停電）下進行的檢測（含出廠數據和家族性缺陷數據、停電試驗數據等）。

（4）系統原有數據的接入。涉及供電設備的系統有多個，包括PSCADA、LIMIS等，通過接入這些系統的原有數據，能夠避免數據的重復采集，從而減少投資。

3.2 地鐵供電設備故障診斷

地鐵供電系統故障診斷主要包括：關鍵設備故障樹模型（FTA）和故障模式及影響分析（FMEA）；變壓器、斷路器、電纜等關鍵設備的潛隱故障預測；供電設備故障診斷。

3.3 地鐵供電設備健康狀態評估

按照標準格式建立狀態指標數據庫，對海量數據進行管理，實現數據的存儲、共享等功能。在建設設備綜合信息數據庫及專家知識庫的基礎上，搭建一個計算機管理平臺，進行數據的處理和分析，對地鐵供電設備進行健康狀態評估。

3.3.1 評估對象的選擇

供電系統核心評估對象初步擬定為油浸式變壓器及斷路器（包括SF6斷路器、真空斷路器、空氣斷路器）。

（1）油浸式變壓器。110 kV主變壓器（油浸式變壓器）是連接地鐵與市電電網之間的關鍵環節，其運行狀態直接影響運營安全。

（2）斷路器。斷路器為可關合、承載和開斷正常回路條件下的電流并可關合、規定時間內承載和開斷異常回路條件下電流的開關裝置。

（3）油浸式變壓器及斷路器的共性。變壓器及斷路器均采用密封式結構，通過外觀檢查無法發現其內部故障，且通過現有的試驗和監測手段也無法判斷其內部故障。因此，建立多維度的評估體系，對于變壓器內部故障的預判有十分重要的意義。

3.3.2 狀態量權重

視狀態量對被評估設備安全運行的影響程度，從小到大分為4個等級，對應的權重分別為權重1、權重2、權重3、權重4，其系數為1、2、3、4。權重1、權重2與一般狀態量對應，權重3、權重4與重要狀態量對應。

3.3.3 狀態分級

視狀態量的劣化程度從小到大分為4級，分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ級，其對應的基本扣分值為2、4、8、10分。

3.3.4 狀態量扣分值

狀態量應扣分值由狀態量劣化程度和權重共同決定，即狀態量應扣分值等于該狀態量的基本扣分值乘以權重系數（表1）。狀態量正常時不扣分。

表1 狀態量扣分值表

3.3.5 狀態量的選取

（1）狀態量的構成。

a.原始資料。設備的原始資料主要包括：銘牌、型式試驗報告、訂貨技術協議、設備監造報告、出廠試驗報告、運輸安裝記錄、交接驗收報告、安裝使用說明書等。

b.運行資料。設備的運行資料主要包括：斷路器動作次數、斷路器故障跳閘記錄（故障跳閘次數、繼電保護及自動裝置提供的故障電流的波形、相別、幅值、持續時間等）、設備巡視記錄、歷年缺陷及異常記錄、紅外測溫記錄等。

c.檢修試驗資料。設備的檢修試驗資料主要包括：檢修報告、預防性試驗報告、保護校驗報告、SF6氣體及變壓器油檢驗報告、在線監測信息、特殊測試報告、有關反措執行情況、設備技改及主要部件更換情況等。

d.其他資料。設備的其他資料主要包括：同型（同類）設備的運行、修試、缺陷和故障的情況；設備運行環境的變化、系統運行方式的變化；安裝地點短路電流計算報告；其他影響評估對策安全穩定運行的因素等。

（2）狀態量獲取方式及周期。

各種狀態量獲取來源于現有的設備維修手段，包括日常巡視，定期的預防性試驗、校驗、檢測等。

由于供電設備維修規程已涵蓋了其中的常規項目，僅需采集計劃維修的數據即可；而發生故障或開展大修評估需要采集非常規檢修試驗數據，進行復雜關鍵部件拆解檢查和深度檢測，故需委托具有相關資質的單位進行。

3.3.6 輸出部件評估結論

整體評價應綜合其部件的評價結果。當所有部件評價為正常狀態時，整體評價則為正常狀態；當任一部件狀態為注意狀態、異常狀態或嚴重狀態時，整體評價則為其中最嚴重的狀態。評估結論最終形成評估表。

3.4 地鐵供電設備維修維護策略的制定

以設備基礎數據、監測檢測數據以及維修規程標準等作為基本輸入，考慮故障原因、類型和故障后果影響，根據故障診斷信息和健康狀態評估信息制定相關的設備全生命周期維修及維護策略。

供電設備從傳統計劃修到狀態修，利用所采集的數據綜合評價獲得設備的狀態，并依此獲得設備狀態的判定結果，對故障進行預警和診斷并及時通知維修人員，指導維修人員及時維修。

4 結語

進入21世紀以來，以工業化和信息化融合為核心的新一輪科技革命和產業革命正在孕育興起，德國提出“工業4.0”概念，美國GE公司提出“工業互聯網”概念，中國則提出中國版的“工業4.0”—《中國制造2025》，其核心是將互聯網運用到企業的生產運營中以提升效率。基于工業互聯網和大數據的理念，將供電設備的維護模式由計劃維護逐步轉變為“狀態性維修”，建立供電設備數據庫，將設備原始資料、運行資料、檢修試驗資料全部錄入系統，并自動形成對比或評估結果、設備狀態趨勢圖；研究增設在線監控系統的可行性，獲取更多、更直接的設備狀態量；同時開展設備運行狀態的實時評估，真正實現設備故障提前預判；搭建設備評估模型，制定具指導意義的維修策略。隨著廣州地鐵部分供電設備逐漸進入到大修階段，考慮維修成本及設備的可靠性，研究全供電設備全生命周期體系的狀態維修，使維修行為建立在對設備和維修的理性分析上，將對供電設備維修體系優化產生深遠影響。

[1] Q/GDW169-2008 油浸式變壓器（電抗器）狀態評價導則 國家電網公司企業標準[S]. 北京，2008.

[2] Q/GDW171-2008 SF6高壓斷路器狀態評價導則 國家電網公司企業標準[S]. 北京，2008.

[3]曾聲奎. 故障預測與健康管理（PHM）技術的現狀與發展[J]. 航空學報，2005（5）：627-632.

[4] 何霖. 變電檢修工分冊/城市軌道交通崗位技能培訓教材[M]. 北京：中國勞動社會保障出版社，2010.

[5] GDY/QW-JG-GD-01廣州地鐵變電設備維修規程[S]. 廣州，2015.

The paper analyzes the situations of power supply system maintenance mode for Guangzhou subway, discusses the contents of planning maintenance and status maintenance. And the paper puts forward the way of study for status maintenance mode for power supply system in urban rail transit, on the basis of the existing technical conditions of 4 key technologies of establishing the equipment integrated information database, failure diagnosis, healthy status evaluation and maintenance strategy for subway power supply equipment.

Power supply system; maintenance mode; status maintenance

U231.8

B

1007-936X(2017)03-0017-04

2017-03-31

高 勁.廣州地鐵集團有限公司運營事業總部，工程師，電話：13609747592；龐開陽.廣州地鐵集團有限公司運營事業總部，高級工程師；黃山山.廣州地鐵集團有限公司運營事業總部，工程師。