以可靠性為中心的維修(RCM)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用淺析

段本成

(廣西電網(wǎng)公司柳州供電局，廣西 柳州 545005)

1 前言

電氣設(shè)備的維修制度直接關(guān)系到設(shè)備的利用率、事故率、使用壽命、人力財(cái)力物力的消耗以及企業(yè)的整體效益等諸多問題。維修制度的優(yōu)劣，還將顯著影響電力系統(tǒng)的供電可靠率，企業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率等。

在人類社會工業(yè)革命之初，人們對機(jī)械設(shè)備基本上都采用事后維修的策略，即設(shè)備一直使用直到出現(xiàn)故障停機(jī)為止再進(jìn)行維修。隨著工業(yè)文明的進(jìn)步，事后維修策略也逐步過渡到預(yù)防性維修策略，即在設(shè)備發(fā)生故障之前對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。預(yù)防性維修的維修制度基本上分定期維修和狀態(tài)維修兩種。前者以時(shí)間周期為標(biāo)準(zhǔn)，其主要缺點(diǎn)是維修具有一定的盲目性;而后者是以設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)，其主要優(yōu)點(diǎn)是可以克服維修的過剩與不足，減少浪費(fèi)，提高效益，但是需要先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備與成熟的故障診斷方法作為前提。目前我國電力企業(yè)主要實(shí)行電力設(shè)備的定期維修制度，狀態(tài)檢修制度作為新生事物，也在部分電力企業(yè)中得到了試點(diǎn)應(yīng)用，但是尚未形成規(guī)模效應(yīng)。

以可靠性為中心的維修(RCM)理念是在定期維修與狀態(tài)維修的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展起來的。RCM是通過區(qū)分設(shè)備的不同運(yùn)行狀態(tài)和不同影響程度，來確定不同的維修方案、調(diào)配維修資源，將維修資源集中到對系統(tǒng)影響較大的設(shè)備，以達(dá)到維修成本和供電可靠性之間的最優(yōu)平衡點(diǎn)。也就是說，在RCM的理論框架下，根據(jù)設(shè)備條件的不同，通過一系列的決策依據(jù)，采取包括狀態(tài)檢修、定期檢修、事后檢修在內(nèi)的聯(lián)合維修策略，在提高電力設(shè)備的供電可靠性的同時(shí)降低設(shè)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(chǔ)上發(fā)展起來的。在電網(wǎng)發(fā)展初期，事故發(fā)生后方進(jìn)行設(shè)備的維修。隨著電網(wǎng)的發(fā)展，事故后果日趨嚴(yán)重，客觀上要求改變這一被動(dòng)局面，實(shí)行以預(yù)防為主的定期維修制度。

定期維修制度又稱計(jì)劃維修制度。1932年，前蘇聯(lián)的奧而忠尼啟則工廠開始實(shí)行。由于貫徹預(yù)防為主的原則，扭轉(zhuǎn)了被動(dòng)的事故后維修局面，前進(jìn)了一大步。1954年，定期維修制度傳入我國，在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，對我國建立預(yù)防為主的維修體制曾經(jīng)起到積極的促進(jìn)作用。隨著時(shí)間的推移與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這種維修制度也逐漸暴露出許多問題。曾經(jīng)一貫堅(jiān)持定期維修制度的獨(dú)聯(lián)體國家，現(xiàn)在都紛紛由定期維修制度向狀態(tài)維修制度轉(zhuǎn)移。

定期維修主要是根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行周期，編制設(shè)備的大修與小修(常規(guī))計(jì)劃，貫徹預(yù)防為主的方針，做到“到期必修、修必修好”。當(dāng)設(shè)備到達(dá)預(yù)定維修的時(shí)間周期時(shí)，不論設(shè)備是否存在缺陷和問題，都要停下來進(jìn)行維修，這種維修的盲目性顯而易見。定期維修制度雖然強(qiáng)調(diào)“修必修好”，然而在實(shí)際執(zhí)行過程中，難免發(fā)生這樣或那樣的問題。對于那些沒有必要進(jìn)行維修，特別是沒有必要進(jìn)行解體維修的設(shè)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(shí)踐證明，在當(dāng)代電網(wǎng)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(diǎn)。維修過剩會導(dǎo)致浪費(fèi)、降低企業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低設(shè)備利用率和供電可靠率、影響主要生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)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(hù)與開關(guān)設(shè)備誤動(dòng)作的或然率(Probability)，以致造成設(shè)備損壞和人身事故。至于維修不足，顯然惡果相同。設(shè)備事故率升高，供電可靠率降低，經(jīng)濟(jì)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(diǎn)論述這一問題。眾所周知，實(shí)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(jié)假日，電力職工最為辛苦。與此同時(shí)，設(shè)備和人身事故也顯著增多。

電力系統(tǒng)中的斷路器和繼電保護(hù)裝置數(shù)量龐大，相應(yīng)的定期維修工作量也相當(dāng)巨大。根據(jù)國內(nèi)19個(gè)電力公司近10年的統(tǒng)計(jì)，繼電保護(hù)共動(dòng)作76904次，其中動(dòng)作失敗236次(誤動(dòng)205次，拒動(dòng)31次，失敗率為0.037%，而因定值變化引起誤動(dòng)的僅為6次，同時(shí)分布在6個(gè)不同的局，僅占全部動(dòng)作次數(shù)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(hù)的定值校驗(yàn)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)為例表明，電力變壓器分接開關(guān)的事故居多，事故率較高，故應(yīng)主要針對分接開關(guān)采取措施，適當(dāng)加強(qiáng)維修，而變壓器的維修周期則可適當(dāng)延長。

其次，維修過剩勢必影響設(shè)備的利用率，降低供電可靠率。國內(nèi)領(lǐng)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(dá)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(dāng)是影響供電可靠率的重要因素之一。我國《電力法》明確規(guī)定，“要保護(hù)電力生產(chǎn)者、經(jīng)營者和使用者三方的利益”，根據(jù)客觀發(fā)展的需要，加快提高城市電網(wǎng)的供電可靠率。

第三，維修過剩操作頻繁，勢必增加運(yùn)行人員誤操作和部分設(shè)備誤動(dòng)作的或然率，甚至設(shè)備損壞、事故擴(kuò)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(diǎn)，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(jīng)營方式的表現(xiàn)，逐步向狀態(tài)維修過渡，才能向“集約”型經(jīng)營方式轉(zhuǎn)變。

3 狀態(tài)檢修及其發(fā)展前景

為了做到電力設(shè)備的“應(yīng)修必修，修必修好”，目前國際上較發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)普遍都采用了狀態(tài)檢修的方法。所謂狀態(tài)檢修就是以設(shè)備當(dāng)前的工作狀態(tài)為依據(jù)，通過狀態(tài)監(jiān)測手段，診斷設(shè)備健康狀態(tài)，并根據(jù)監(jiān)測和分析診斷的結(jié)果安排檢修時(shí)間和檢修項(xiàng)目。

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

這種檢修方式以設(shè)備當(dāng)前的實(shí)際工作狀況為依據(jù)，而非傳統(tǒng)的以設(shè)備使用時(shí)間為依據(jù)，它通過先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)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(fā)展趨勢做出判斷，并根據(jù)診斷結(jié)果進(jìn)行檢修。狀態(tài)檢修與定期檢修的本質(zhì)差別就在于，定期檢修是根據(jù)認(rèn)為經(jīng)驗(yàn)積累而產(chǎn)生的對設(shè)備共性的認(rèn)識，而狀態(tài)檢修更注重對設(shè)備個(gè)性的把握，通過對個(gè)體的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、缺陷情況、運(yùn)行情況、歷史數(shù)據(jù)等加以綜合判斷，給出該設(shè)備的綜合狀態(tài)評價(jià)，在處理好個(gè)體設(shè)備的狀態(tài)檢測分析的基礎(chǔ)上，再通過計(jì)算機(jī)的統(tǒng)計(jì)、分析和預(yù)測能力產(chǎn)生對各類設(shè)備總體發(fā)展趨勢的狀態(tài)預(yù)測，使對于設(shè)備檢修的管理更加科學(xué)和透明。

狀態(tài)檢修較之傳統(tǒng)的定期檢修的優(yōu)越之處在于:減少了停運(yùn)(總檢修)時(shí)間，提高了設(shè)備可靠性和可用系數(shù)，延長了設(shè)備使用壽命，降低了運(yùn)行檢修費(fèi)用，改善了設(shè)備運(yùn)行性能，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

狀態(tài)檢修隨著故障診斷技術(shù)的發(fā)展而逐漸進(jìn)入實(shí)用化，并由于其巨大的效益而在工業(yè)界引起廣泛重視，理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐都在進(jìn)一步深入。國外在狀態(tài)檢修技術(shù)研究與實(shí)踐應(yīng)用方面都已取得了較成功的經(jīng)驗(yàn)。與狀態(tài)檢修密切相關(guān)、能直接提高狀態(tài)檢修工作質(zhì)量的理論與技術(shù)主要包括4個(gè)方面的內(nèi)容，即設(shè)備壽命管理與預(yù)測技術(shù)、設(shè)備可靠性分析技術(shù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)和信息管理與決策技術(shù)。

狀態(tài)檢修中壽命預(yù)測與評估技術(shù)的應(yīng)用，有利于科學(xué)合理地安排檢修和提高設(shè)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(dāng)今監(jiān)測與診斷工作的重要內(nèi)容之一?，F(xiàn)有的大多數(shù)估計(jì)變壓器壽命方法，僅簡單考慮負(fù)荷、溫度、絕緣材料的現(xiàn)狀，由于變壓器遭受到的短路次數(shù)、過電壓次數(shù)、設(shè)計(jì)弱點(diǎn)、修理和現(xiàn)場運(yùn)輸?shù)纫蛩囟紩绊懽儔浩靼l(fā)揮功能的能力。要正確估算變壓器的壽命，必須獲得有關(guān)運(yùn)行狀況和歷史信息，需要對變壓器技術(shù)情況有更深入的了解。研究及實(shí)驗(yàn)表明，變壓器很少由于技術(shù)性或使用壽命的原因退出運(yùn)行，而主要受經(jīng)濟(jì)壽命的限制。因此，ABB公司和歐洲一些重要電業(yè)部門為避免對剩余壽命進(jìn)行定量評估，開發(fā)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(shù)是一門在40年代開始于美國的專業(yè)技術(shù)，其后蘇聯(lián)提出了可靠性與維修性理論和統(tǒng)計(jì)方法。所謂可靠性，一般認(rèn)為是:機(jī)械設(shè)備和元件等在規(guī)定的條件下和預(yù)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力［3］。系統(tǒng)的可靠性數(shù)學(xué)模型在很多文獻(xiàn)中均有介紹，一般把可修系統(tǒng)歸為馬爾科夫模型和非馬爾科夫模型。

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測是故障在線診斷和離線分析的基礎(chǔ)。從國外來看，美國電力研究院(EPRI)下屬的監(jiān)測診斷中心(M＆D)利用40多項(xiàng)先進(jìn)的測量技術(shù)和分析軟件，對美國50家最大的電力公司的電廠、電網(wǎng)中80%的設(shè)備進(jìn)行了在線監(jiān)測和故障分析，了解了設(shè)備的運(yùn)行狀況和健康水平，并據(jù)此制定設(shè)備維護(hù)和檢修計(jì)劃。加拿大魁北克水電公司也開發(fā)了一種在線狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)，使機(jī)組維修和專業(yè)技術(shù)人員無需停機(jī)就能了解水電機(jī)組的狀態(tài)。關(guān)于開關(guān)的狀態(tài)檢修及故障診斷，由于其故障機(jī)理較為清楚，故障診斷原理與方法比較成熟，國內(nèi)已研究出檢測裝置和檢測方法。對于絕緣及電氣參數(shù)的劣化與開關(guān)故障，機(jī)械參數(shù)與物理參數(shù)的診斷都已有較為成熟的理論。

設(shè)備維修決策技術(shù)就是決定電力設(shè)備采用何種檢修方式，以及如何進(jìn)行檢修。合理的決策對于電力設(shè)備發(fā)揮其最大效用至關(guān)重要。

4 維修決策策略體系

在事后維修、定期維修和狀態(tài)維修這3種常見的維修策略中，應(yīng)該從設(shè)備運(yùn)行可靠性及經(jīng)濟(jì)性的更高要求出發(fā)，合理選擇維修策略，形成維修策略體系，來降低設(shè)備使用的費(fèi)用，提高生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，從而增強(qiáng)企業(yè)的競爭能力和發(fā)展能力。

合理選擇設(shè)備維修策略的基本步驟如下:

(1)設(shè)備基本情況匯總。企業(yè)選擇何種維修策略，必須緊密聯(lián)系企業(yè)和設(shè)備的實(shí)際情況。在實(shí)施之前，需要對設(shè)備進(jìn)行充分的調(diào)查研究，為維修方案的制定、實(shí)施和最終的效果評估提供詳實(shí)的資料。匯總的內(nèi)容主要包括:設(shè)備的基本屬性、設(shè)備的性能參數(shù)、設(shè)備維修的基本情況、設(shè)備維修的期望目標(biāo)、維修工作的考核指標(biāo)等。

(2)設(shè)備運(yùn)行管理模式評估。通過對現(xiàn)行的設(shè)備管理體系進(jìn)行評估，判斷已有的技術(shù)、維修設(shè)備和管理模式等能否支持狀態(tài)維修。為達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)，還需要哪些技術(shù)支持和管理手段。

(3)設(shè)備分類及可靠性評價(jià)。通過對設(shè)備進(jìn)行分類和可靠性評價(jià)，判斷哪些設(shè)備適合狀態(tài)維修?？煽啃栽u價(jià)的目標(biāo)是從成本、效益、安全風(fēng)險(xiǎn)等角度系統(tǒng)評價(jià)不同設(shè)備在整個(gè)生產(chǎn)過程的重要性，可確定設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)、關(guān)鍵部位和重要程度，以及各種可能的潛在性故障及應(yīng)采取的措施，揭示各種故障模式及其內(nèi)部的聯(lián)系，指導(dǎo)故障診斷和維修方案的制定，確定系統(tǒng)檢測裝置的最佳配備等。

(4)設(shè)備維修策略的選擇。主要任務(wù)是根據(jù)設(shè)備對系統(tǒng)可靠性以及對維修費(fèi)用的影響，合理選擇設(shè)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(hù)、維修成本，提高企業(yè)的效益。事后維修、定期維修和狀態(tài)維修這3種維修策略是可以相互結(jié)合的，并不應(yīng)該絕對排斥。

(5)設(shè)備維修計(jì)劃評價(jià)和優(yōu)化。通過經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和教訓(xùn)分析，評價(jià)采用的維修策略，明確現(xiàn)有維修策略的優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)化并實(shí)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(xiàn)了以可靠性為中心的維修(RCM)的思想。

圖1 設(shè)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(tǒng)中的應(yīng)用

RCM不再關(guān)注具體元件或設(shè)備的運(yùn)行情況，而是關(guān)注由各個(gè)元件組成設(shè)備或由各個(gè)設(shè)備組成的系統(tǒng)的整體功能的實(shí)現(xiàn)情況(function－based)。根據(jù)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(jīng)濟(jì)的安排維修資源。

圖2 電力中的RCM研究對象示例

通過應(yīng)用RCM，電力企業(yè)可以得到以下幾方面的提升:

(1)預(yù)防性維修成本的減少;

(2)人工利用效率的提高;

(3)嚴(yán)重故障發(fā)生頻率和影響的減少;

(4)設(shè)備停運(yùn)和用戶停電的減少;

電力企業(yè)實(shí)施RCM的過程可以大致分為以下八個(gè)步驟［4］:

(1)確定實(shí)施RCM過程的對象

實(shí)施對象可以是元件、一類設(shè)備中的多個(gè)元件組合或是由多個(gè)不同種類設(shè)備組成的系統(tǒng)。

當(dāng)所設(shè)定的RCM研究對象為一個(gè)由多個(gè)元件組成的子系統(tǒng)時(shí)，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(gè)元件組成的系統(tǒng)

(2)相關(guān)資料與歷史數(shù)據(jù)的收集和回顧

找出實(shí)施對象中的設(shè)備的故障記錄與歷史維修數(shù)據(jù)，已經(jīng)設(shè)備的使用手冊等說明性資料。包括定量的數(shù)據(jù)與定性的數(shù)據(jù)。定量數(shù)據(jù)包括:主要故障類型、故障間平均時(shí)間、故障平均修復(fù)時(shí)間、頻發(fā)故障、設(shè)備故障類型的主要誘因、維修工作的經(jīng)濟(jì)性。定性數(shù)據(jù)包括:問題較大的設(shè)備、對工作流程與故障數(shù)據(jù)的詳細(xì)解釋、設(shè)計(jì)變更、維修任務(wù)排序、維修任務(wù)的可行性確認(rèn)、預(yù)防性維修的新方法、維修過程中新的技術(shù)手段。

(3)明確實(shí)施對象的功能

由于RCM過程的出發(fā)點(diǎn)就是基于實(shí)施對象的功能，因此必須首先明確實(shí)施的設(shè)備或系統(tǒng)的功能。RCM將維修資源集中到能夠保持設(shè)備或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其功能上，而不是設(shè)備的每一元件或系統(tǒng)中每一設(shè)備的運(yùn)行情況。只有那些支撐設(shè)備或系統(tǒng)重要功能的元件或設(shè)備才能享受到維修資源，這與傳統(tǒng)的維修方式有著本質(zhì)的區(qū)別。

(4)辨識危險(xiǎn)的設(shè)備故障類型

此步驟需要執(zhí)行危險(xiǎn)程度分析，即分析設(shè)備的主要故障類型對RCM的實(shí)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(xiǎn)程度檢查表和危險(xiǎn)程度預(yù)篩選。

在進(jìn)行危險(xiǎn)程度分析之前，要先明確哪些故障類型是主要故障類型。因?yàn)镽CM關(guān)注的是如何預(yù)防這些會經(jīng)常發(fā)生的故障類型，避免維修資源的浪費(fèi)。明確主要故障類型的基本方法為在不考慮進(jìn)行任何預(yù)防性維修的前提下設(shè)想其可能發(fā)生故障的所有方式。

由于危險(xiǎn)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(fā)生后對設(shè)備或系統(tǒng)影響。故障后果可以按照其影響范圍分為:局部影響、RCM實(shí)施對象內(nèi)部的影響、RCM實(shí)施對象外部的影響。

危險(xiǎn)程度分析的最后一部分就是確定不同故障類型的危險(xiǎn)程度。應(yīng)注意的是，危險(xiǎn)一詞針對的是故障類型而不是發(fā)生故障的設(shè)備，因?yàn)樵O(shè)備既會發(fā)生危險(xiǎn)故障又會發(fā)生非危險(xiǎn)故障。故障類型的危險(xiǎn)程度可以認(rèn)為劃分為以下幾種:超高危、高危、一般、低危和不危險(xiǎn)。

(5)數(shù)據(jù)回顧、評估與挖掘

通過對相關(guān)人員的調(diào)研訪問得到故障歷史的相關(guān)數(shù)據(jù)，分析故障發(fā)生的原因，并調(diào)查針對這些原因的預(yù)防性維修工作的效果。

(6)識別導(dǎo)致危險(xiǎn)設(shè)備故障類型發(fā)生的原因

在確定采用何種維修工作之前要識別出導(dǎo)致危險(xiǎn)故障類型發(fā)生的原因，這是開展經(jīng)濟(jì)性維修工作的基礎(chǔ)。故障原因一般越具體越好，因?yàn)橥瑯拥脑蛴锌赡馨ú煌膫?cè)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(yīng)用而消除的。

(7)選擇可行且具有經(jīng)濟(jì)性的維修任務(wù)

RCM程序使用結(jié)構(gòu)化的決策邏輯針對故障類型的原因選擇恰當(dāng)?shù)木S修任務(wù)。決策過程依據(jù)的是維修任務(wù)的可行性與經(jīng)濟(jì)性。選擇維修任務(wù)這步步考慮所選出的任務(wù)間的協(xié)調(diào)合作問題，只解決如何選擇最經(jīng)濟(jì)的維修任務(wù)以及任務(wù)的頻率。任務(wù)間的協(xié)調(diào)放在任務(wù)比較與執(zhí)行計(jì)劃階段。

(8)任務(wù)比較與執(zhí)行計(jì)劃

RCM的最后一步是通過將RCM推薦的維修措施與現(xiàn)行的維修措施進(jìn)行比較，得到最終的設(shè)備維修方案，并制定最終維修方案的實(shí)施計(jì)劃。

［1］夏煥年.電氣設(shè)備兩種維修制度的比較［J］.電網(wǎng)技術(shù).

［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(zhì)玲，尹承尚.高壓開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)檢測技術(shù)［J］.高壓電器.

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