城市軌道交通供電系統(tǒng)狀態(tài)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(tǒng)狀態(tài)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(tǒng)維修模式現(xiàn)狀及存在問題，討論了計劃維修和狀態(tài)維修的研究內(nèi)容。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，針對設(shè)備綜合信息數(shù)據(jù)庫的建立、地鐵供電設(shè)備故障診斷、地鐵供電設(shè)備健康狀態(tài)評估、地鐵供電設(shè)備維修維護策略的4個關(guān)鍵技術(shù)，提出城市軌道交通供電系統(tǒng)狀態(tài)維修模式研究思路。

供電系統(tǒng)；維修模式；狀態(tài)修

0 引言

城市軌道交通供電系統(tǒng)是為運營提供所需電能的系統(tǒng)，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(tǒng)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(wǎng)已經(jīng)具備一定規(guī)模，“十二五”計劃建設(shè)完成總運營里程將超過500 km，“十三五”建設(shè)規(guī)劃也正在啟動，地鐵供電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)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(shè)備數(shù)量已達近萬臺。目前供電設(shè)備的檢修普遍依靠定期檢修方式，隨著計算機、通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在設(shè)備的檢修中應(yīng)不斷積累經(jīng)驗，積極探索最佳的檢修模式，逐步向狀態(tài)維修模式過渡。

1 供電系統(tǒng)計劃維修的現(xiàn)狀分析

基于軌道交通供電系統(tǒng)（圖1）的重要性，多年來供電設(shè)備的檢修已實現(xiàn)按計劃定期檢修，維修規(guī)程規(guī)定有巡視、小修、大修，按照維修規(guī)程使檢修工作形成制度化、規(guī)范化、標準化，做到精檢細修，確保設(shè)備的維修質(zhì)量。根據(jù)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(yǎng)并重，以預(yù)防為主。計劃檢修與巡視保養(yǎng)相輔相成，設(shè)備保養(yǎng)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(wù)。檢修班組必須在保證檢修質(zhì)量的前提下，盡量縮短設(shè)備停運時間。

（3）利用現(xiàn)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(shè)備的絕緣性能及機械性能等關(guān)鍵數(shù)據(jù)無法在線檢測，難以提前預(yù)判故障，排除隱患。

（2）當供電設(shè)備狀態(tài)不佳時，因未到檢修時間而不能及時發(fā)現(xiàn)并排除隱患；而當供電設(shè)備狀態(tài)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(xiàn)預(yù)期檢修效果。

將供電設(shè)備的維護模式由計劃維護逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤盃顟B(tài)性維修”，以彌補供電設(shè)備管理中存在的不足，相比現(xiàn)有的供電設(shè)備管理模式，不僅能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，提前排除設(shè)備故障，還能更有針對性地進行供電設(shè)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(tǒng)示意圖

2 供電系統(tǒng)狀態(tài)維修研究內(nèi)容

（1）更完善的供電系統(tǒng)一次設(shè)備狀態(tài)指標體系。

根據(jù)供電系統(tǒng)設(shè)備自設(shè)計到報廢的整個生命周期實際運行特性，以其工作狀況預(yù)防性試驗既有表征參數(shù)為基礎(chǔ)，校核其局限、盲區(qū)，運用最新技術(shù)、設(shè)備，研究更完善的能夠表征其供電系統(tǒng)一次設(shè)備狀態(tài)的指標參數(shù)體系。

（2）更客觀的供電系統(tǒng)一次設(shè)備狀態(tài)判別體系。

在供電系統(tǒng)設(shè)備自設(shè)計到報廢的整個生命周期中，以可獲取的狀態(tài)指標數(shù)據(jù)為依據(jù)，運用最新技術(shù)、設(shè)備，結(jié)合對具體設(shè)備狀態(tài)優(yōu)劣進行預(yù)警關(guān)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(qū)，研究、完善、確定供電系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)判別體系。

（3）更有效的供電系統(tǒng)一次設(shè)備全生命周期狀態(tài)在線實時技術(shù)監(jiān)測體系。

根據(jù)供電系統(tǒng)自設(shè)計到報廢的整個生命周期運行特性，結(jié)合既有在線檢測技術(shù)、設(shè)備，校核其局限、盲區(qū)，充分開發(fā)、運用最新檢測技術(shù)、儀器、工具、方法，研究、開發(fā)、完善以實現(xiàn)對其狀態(tài)進行更有效的在線化、實時化、連續(xù)化檢測的監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備體系。

3 供電系統(tǒng)狀態(tài)維修關(guān)鍵技術(shù)及思路

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

圖2 供電設(shè)備狀態(tài)維修思路框圖

3.1 設(shè)備綜合信息數(shù)據(jù)庫的建立

采用數(shù)據(jù)融合形成地鐵維修維護決策所需的設(shè)備綜合信息數(shù)據(jù)庫。由于供變電系統(tǒng)設(shè)備對運行可靠度要求較高，因此對設(shè)備運行狀態(tài)的關(guān)注度也較高，此前沿用的計劃修模式，將檢修與設(shè)備試驗相結(jié)合，由變電所巡視人員抄表記錄數(shù)據(jù)，并依據(jù)變電所運行檢修規(guī)程等獲取設(shè)備的狀態(tài)量。

設(shè)備綜合信息數(shù)據(jù)庫的建立主要通過以下方式收集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)：

（1）在線監(jiān)測，即在設(shè)備工作狀態(tài)下，實時在線連續(xù)對狀態(tài)數(shù)據(jù)進行收集，這需要增加傳感器等在線監(jiān)測設(shè)備。

（2）帶電檢測，即在設(shè)備工作狀態(tài)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(shè)備非工作狀態(tài)（停電）下進行的檢測（含出廠數(shù)據(jù)和家族性缺陷數(shù)據(jù)、停電試驗數(shù)據(jù)等）。

（4）系統(tǒng)原有數(shù)據(jù)的接入。涉及供電設(shè)備的系統(tǒng)有多個，包括PSCADA、LIMIS等，通過接入這些系統(tǒng)的原有數(shù)據(jù)，能夠避免數(shù)據(jù)的重復(fù)采集，從而減少投資。

3.2 地鐵供電設(shè)備故障診斷

地鐵供電系統(tǒng)故障診斷主要包括：關(guān)鍵設(shè)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(guān)鍵設(shè)備的潛隱故障預(yù)測；供電設(shè)備故障診斷。

3.3 地鐵供電設(shè)備健康狀態(tài)評估

按照標準格式建立狀態(tài)指標數(shù)據(jù)庫，對海量數(shù)據(jù)進行管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、共享等功能。在建設(shè)設(shè)備綜合信息數(shù)據(jù)庫及專家知識庫的基礎(chǔ)上，搭建一個計算機管理平臺，進行數(shù)據(jù)的處理和分析，對地鐵供電設(shè)備進行健康狀態(tài)評估。

3.3.1 評估對象的選擇

供電系統(tǒng)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(wǎng)之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其運行狀態(tài)直接影響運營安全。

（2）斷路器。斷路器為可關(guān)合、承載和開斷正?；芈窏l件下的電流并可關(guān)合、規(guī)定時間內(nèi)承載和開斷異?；芈窏l件下電流的開關(guān)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(jié)構(gòu)，通過外觀檢查無法發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部故障，且通過現(xiàn)有的試驗和監(jiān)測手段也無法判斷其內(nèi)部故障。因此，建立多維度的評估體系，對于變壓器內(nèi)部故障的預(yù)判有十分重要的意義。

3.3.2 狀態(tài)量權(quán)重

視狀態(tài)量對被評估設(shè)備安全運行的影響程度，從小到大分為4個等級，對應(yīng)的權(quán)重分別為權(quán)重1、權(quán)重2、權(quán)重3、權(quán)重4，其系數(shù)為1、2、3、4。權(quán)重1、權(quán)重2與一般狀態(tài)量對應(yīng)，權(quán)重3、權(quán)重4與重要狀態(tài)量對應(yīng)。

3.3.3 狀態(tài)分級

視狀態(tài)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(yīng)的基本扣分值為2、4、8、10分。

3.3.4 狀態(tài)量扣分值

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

表1 狀態(tài)量扣分值表

3.3.5 狀態(tài)量的選取

（1）狀態(tài)量的構(gòu)成。

a.原始資料。設(shè)備的原始資料主要包括：銘牌、型式試驗報告、訂貨技術(shù)協(xié)議、設(shè)備監(jiān)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(shè)備的運行資料主要包括：斷路器動作次數(shù)、斷路器故障跳閘記錄（故障跳閘次數(shù)、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(xù)時間等）、設(shè)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(shè)備的檢修試驗資料主要包括：檢修報告、預(yù)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(jiān)測信息、特殊測試報告、有關(guān)反措執(zhí)行情況、設(shè)備技改及主要部件更換情況等。

d.其他資料。設(shè)備的其他資料主要包括：同型（同類）設(shè)備的運行、修試、缺陷和故障的情況；設(shè)備運行環(huán)境的變化、系統(tǒng)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(wěn)定運行的因素等。

（2）狀態(tài)量獲取方式及周期。

各種狀態(tài)量獲取來源于現(xiàn)有的設(shè)備維修手段，包括日常巡視，定期的預(yù)防性試驗、校驗、檢測等。

由于供電設(shè)備維修規(guī)程已涵蓋了其中的常規(guī)項目，僅需采集計劃維修的數(shù)據(jù)即可；而發(fā)生故障或開展大修評估需要采集非常規(guī)檢修試驗數(shù)據(jù)，進行復(fù)雜關(guān)鍵部件拆解檢查和深度檢測，故需委托具有相關(guān)資質(zhì)的單位進行。

3.3.6 輸出部件評估結(jié)論

整體評價應(yīng)綜合其部件的評價結(jié)果。當所有部件評價為正常狀態(tài)時，整體評價則為正常狀態(tài)；當任一部件狀態(tài)為注意狀態(tài)、異常狀態(tài)或嚴重狀態(tài)時，整體評價則為其中最嚴重的狀態(tài)。評估結(jié)論最終形成評估表。

3.4 地鐵供電設(shè)備維修維護策略的制定

以設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測檢測數(shù)據(jù)以及維修規(guī)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(jù)故障診斷信息和健康狀態(tài)評估信息制定相關(guān)的設(shè)備全生命周期維修及維護策略。

供電設(shè)備從傳統(tǒng)計劃修到狀態(tài)修，利用所采集的數(shù)據(jù)綜合評價獲得設(shè)備的狀態(tài)，并依此獲得設(shè)備狀態(tài)的判定結(jié)果，對故障進行預(yù)警和診斷并及時通知維修人員，指導(dǎo)維修人員及時維修。

4 結(jié)語

進入21世紀以來，以工業(yè)化和信息化融合為核心的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命正在孕育興起，德國提出“工業(yè)4.0”概念，美國GE公司提出“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”概念，中國則提出中國版的“工業(yè)4.0”—《中國制造2025》，其核心是將互聯(lián)網(wǎng)運用到企業(yè)的生產(chǎn)運營中以提升效率?；诠I(yè)互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的理念，將供電設(shè)備的維護模式由計劃維護逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤盃顟B(tài)性維修”，建立供電設(shè)備數(shù)據(jù)庫，將設(shè)備原始資料、運行資料、檢修試驗資料全部錄入系統(tǒng)，并自動形成對比或評估結(jié)果、設(shè)備狀態(tài)趨勢圖；研究增設(shè)在線監(jiān)控系統(tǒng)的可行性，獲取更多、更直接的設(shè)備狀態(tài)量；同時開展設(shè)備運行狀態(tài)的實時評估，真正實現(xiàn)設(shè)備故障提前預(yù)判；搭建設(shè)備評估模型，制定具指導(dǎo)意義的維修策略。隨著廣州地鐵部分供電設(shè)備逐漸進入到大修階段，考慮維修成本及設(shè)備的可靠性，研究全供電設(shè)備全生命周期體系的狀態(tài)維修，使維修行為建立在對設(shè)備和維修的理性分析上，將對供電設(shè)備維修體系優(yōu)化產(chǎn)生深遠影響。

[1] Q/GDW169-2008 油浸式變壓器（電抗器）狀態(tài)評價導(dǎo)則 國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準[S]. 北京，2008.

[2] Q/GDW171-2008 SF6高壓斷路器狀態(tài)評價導(dǎo)則 國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準[S]. 北京，2008.

[3]曾聲奎. 故障預(yù)測與健康管理（PHM）技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 航空學(xué)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(xùn)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(shè)備維修規(guī)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(yè)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(yè)總部，高級工程師；黃山山.廣州地鐵集團有限公司運營事業(yè)總部，工程師。