泵站電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)診斷技術(shù)探討

李翔宇

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230022)

泵站是解決區(qū)域性的防洪、排澇、灌溉、調(diào)水、供水等水資源問(wèn)題的重要工程，泵站的主要電氣設(shè)備包括主機(jī)組、變壓器、高低壓開(kāi)關(guān)柜、斷路器、電力電纜、接地裝置、保護(hù)裝置、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等，電氣設(shè)備的安全運(yùn)行是保障泵站發(fā)揮效益的先決條件，泵站電氣設(shè)備的預(yù)防性試驗(yàn)(以下簡(jiǎn)稱預(yù)試)常作為泵站電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)診斷和維護(hù)的基本程序。

預(yù)試是針對(duì)已經(jīng)投運(yùn)的上述設(shè)備按照設(shè)定的試驗(yàn)條件、試驗(yàn)周期及試驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)展定期檢查或試驗(yàn)，以發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中設(shè)備的隱患，預(yù)防發(fā)生事故或設(shè)備損壞。國(guó)內(nèi)水利泵站多為灌溉、防汛排澇型，具有明顯的季節(jié)性，為預(yù)試按周期進(jìn)行創(chuàng)造了條件，但近年來(lái)南水北調(diào)、引江濟(jì)淮等跨流域調(diào)水項(xiàng)目的建成實(shí)施，對(duì)泵站電氣設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間及可靠性要求越來(lái)越高，因電氣設(shè)備故障導(dǎo)致的供水中斷將帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失與社會(huì)影響。另一方面，隨著泵站機(jī)組趨于大型化、復(fù)雜化以及高度自動(dòng)化，對(duì)電氣設(shè)備電壓等級(jí)、容量以及技術(shù)參數(shù)要求越來(lái)越高，給基于預(yù)試的泵站電氣設(shè)備狀態(tài)診斷帶來(lái)了較大挑戰(zhàn)。針對(duì)泵站預(yù)試的不足，現(xiàn)階段發(fā)展較快的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)給泵站電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)診斷提供了新的解決途徑。

1 泵站電氣設(shè)備的預(yù)試

1.1 預(yù)試的分類

泵站的預(yù)試一般分為絕緣試驗(yàn)和特性試驗(yàn)，而絕緣試驗(yàn)又由非破壞性試驗(yàn)和破壞試驗(yàn)組成。

非破壞試驗(yàn)主要是利用對(duì)設(shè)備無(wú)損壞性的方法進(jìn)行判斷，如絕緣電阻、吸收比、極化指數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)量等，該方法能有效發(fā)現(xiàn)設(shè)備的整體缺陷。破壞性試驗(yàn)，如直流耐壓試驗(yàn)、交流耐壓試驗(yàn)等，試驗(yàn)電壓高于運(yùn)行電壓，對(duì)設(shè)備中集中性缺陷較為敏感，且能保證絕緣等級(jí)具有一定的裕度。絕緣試驗(yàn)通?？蓞⒄諊?guó)家、行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范或設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行考核，確定設(shè)備是否合格。

特性試驗(yàn)是對(duì)電氣設(shè)備的電氣或機(jī)械性能進(jìn)行的測(cè)試，例如，斷路器的分合閘時(shí)間及同期性、電機(jī)的空載特性、繞組的直流電阻測(cè)量、變壓器的變比測(cè)量、互感器的勵(lì)磁特性、微機(jī)(繼電)保護(hù)值及儀表示值的校驗(yàn)等。特性試驗(yàn)結(jié)果通常與設(shè)備的技術(shù)參數(shù)、設(shè)計(jì)整定值、出廠及歷年試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向?qū)Ρ葋?lái)綜合分析設(shè)備的缺陷或劣化程度。

1.2 預(yù)試的作用

以安徽省為例，省里出臺(tái)了地方標(biāo)準(zhǔn)《泵站電氣設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》(DB34/T 2292—2015)，該規(guī)程的可操作性強(qiáng)，使得泵站預(yù)試的項(xiàng)目、內(nèi)容、數(shù)量和周期有了明確的依據(jù)，為安徽省內(nèi)泵站的安全運(yùn)行及安全鑒定工作發(fā)揮了重要作用，其作用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

首先，對(duì)泵站進(jìn)行周期性預(yù)試，能有效地診斷出電氣設(shè)備的安全隱患，避免盲目投運(yùn)而造成事故發(fā)生，如安徽省駟馬山泵站、鳳凰頸泵站通過(guò)預(yù)試均發(fā)現(xiàn)過(guò)電纜故障，經(jīng)過(guò)處理后得以安全運(yùn)行；其次，通過(guò)預(yù)試，可以掌握設(shè)備的歷年?duì)顟B(tài)及劣化規(guī)律，對(duì)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)分類及動(dòng)態(tài)管理，安徽省內(nèi)大中型泵站已作了較多探討，如將所有性能指標(biāo)都合格的設(shè)備歸為完好設(shè)備，將設(shè)備的重要性能指標(biāo)合格而次要性能指標(biāo)中有不合格項(xiàng)的歸為需檢修設(shè)備，設(shè)備的主要性能指標(biāo)都達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的則歸為報(bào)廢設(shè)備；再者，預(yù)試是泵站檢修、更新改造的決策依據(jù)，如安徽省沿江沿淮200多座泵站更新改造時(shí)，電氣設(shè)備通過(guò)預(yù)試給出了更新、大修、留用等建議，既保障了泵站的安全運(yùn)行，又節(jié)約了投資。

1.3 預(yù)試存在的問(wèn)題

從試驗(yàn)方法上講，預(yù)試需要停電、周期性進(jìn)行，而泵站電氣設(shè)備看似突發(fā)性的故障，多是設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)劣化從量變到質(zhì)變的結(jié)果，而預(yù)試并不能發(fā)現(xiàn)其即時(shí)的變化過(guò)程；另外離線預(yù)試與設(shè)備實(shí)際運(yùn)行的環(huán)境、狀態(tài)差異較大，造成預(yù)試結(jié)果與設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)存在偏差，如尚在服役期的老泵站，預(yù)試后可能使運(yùn)行年限較長(zhǎng)的設(shè)備提前結(jié)束使命；再者，由于當(dāng)今泵站電氣設(shè)備制造水平的提高和運(yùn)管維護(hù)水平的提升，傳統(tǒng)預(yù)試所能發(fā)現(xiàn)的缺陷越來(lái)越少。

從試驗(yàn)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)上講，首先，泵站預(yù)防性試驗(yàn)主要依據(jù)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 596—1996)(以下簡(jiǎn)稱預(yù)試規(guī)程)實(shí)施，該規(guī)程自1997年頒布實(shí)施后未作修訂，安徽省地方標(biāo)準(zhǔn)《泵站電氣設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》(DB34/T 2292—2015)也是基于預(yù)試規(guī)程修訂的，其針對(duì)性更強(qiáng)，減少了關(guān)于發(fā)電站、變電所相關(guān)的試驗(yàn)項(xiàng)目，并結(jié)合泵站防汛和抗旱運(yùn)行情況不同、運(yùn)行期短、使用年份長(zhǎng)的特點(diǎn)，明確了不同設(shè)備不同項(xiàng)目的試驗(yàn)周期，并對(duì)于破壞性試驗(yàn)項(xiàng)目周期改為必要時(shí)進(jìn)行，增加了二次回路、微機(jī)保護(hù)裝置、自動(dòng)化系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的預(yù)試項(xiàng)目及方法，使得泵站預(yù)試更加全面，其適用范圍為泵站35kV及以下的電氣設(shè)備，而安徽省內(nèi)在建的派河口泵站及蜀山泵站的主變、GIS等變配電設(shè)備已達(dá)到110kV，顯然該地標(biāo)對(duì)于大容量調(diào)水泵站已具有一定局限性；其次，隨著電氣科技以及試驗(yàn)技術(shù)飛速發(fā)展，預(yù)試規(guī)程與《電氣裝置安裝工程 電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50150—2016)(以下簡(jiǎn)稱交試標(biāo)準(zhǔn))存在一些不統(tǒng)一之處。如：在變壓器的絕緣電阻、吸收比方面，預(yù)試規(guī)程規(guī)定“吸收比不低于1.3”，而交試規(guī)程規(guī)定“當(dāng)R60s大于3000MΩ時(shí)，吸收比可不作考核”，實(shí)踐中經(jīng)常遇到變壓器吸收比出廠試驗(yàn)、交接試驗(yàn)合格，預(yù)試時(shí)不合格，但長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的尷尬情況，原因是變壓器干燥以及真空注油裝配技術(shù)普及，絕緣水平已較高；又如：對(duì)于橡塑絕緣電力電纜的主絕緣耐壓試驗(yàn)，預(yù)試規(guī)程只要求做直流耐壓試驗(yàn)，而交試標(biāo)準(zhǔn)則明確規(guī)定使用交流耐壓，這是因?yàn)橄鹚茈娎|在直流電壓下的電場(chǎng)分布與實(shí)際運(yùn)行狀況不符，且運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也證明，一些交接試驗(yàn)中直流耐壓順利通過(guò)的電纜投運(yùn)不久就發(fā)生絕緣擊穿事故，正常運(yùn)行的電纜被直流耐壓試驗(yàn)損壞的情況也時(shí)有發(fā)生。

從試驗(yàn)周期上講，預(yù)試規(guī)程中對(duì)電氣設(shè)備的試驗(yàn)周期規(guī)定分為：“1～3年、不做規(guī)定或自行規(guī)定、小修時(shí)、大修時(shí)、必要時(shí)”幾種，存在較大模糊及盲目性，當(dāng)前國(guó)內(nèi)泵站預(yù)防性試驗(yàn)多采用一年一試，對(duì)狀態(tài)較好的設(shè)備到期必試勢(shì)必增加維護(hù)管理成本，而且頻繁的拆卸及超額定電壓試驗(yàn)，會(huì)影響其壽命及可靠性，同時(shí)對(duì)于狀態(tài)差的設(shè)備，試驗(yàn)間隔期存在因漏試而帶病運(yùn)行甚至發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)。

2 泵站電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)

2.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)的發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著測(cè)試技術(shù)、信號(hào)分析及處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展，電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)(包括帶電檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè))技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)，該技術(shù)通過(guò)分析設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)及未來(lái)趨勢(shì)，在故障發(fā)生之前作出有效的檢修計(jì)劃及決策?，F(xiàn)階段相對(duì)成熟的電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)有：變壓器、斷路器設(shè)備局部放電，油色譜分析，紅外測(cè)溫，避雷器泄漏電流監(jiān)測(cè)，電容性設(shè)備電容量及介損帶電測(cè)試等，詳見(jiàn)表1。

表1 在線監(jiān)測(cè)及帶電檢測(cè)項(xiàng)目

2.2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)在泵站中的應(yīng)用

泵站檢修逐漸從事故維修與預(yù)防性維修向狀態(tài)檢修過(guò)渡，泵站的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用與推廣是大勢(shì)所趨。當(dāng)前，大中型泵站的狀態(tài)監(jiān)測(cè)僅針對(duì)主機(jī)組的運(yùn)行擺度、振動(dòng)、壓力脈動(dòng)、溫升等項(xiàng)目，泵站主變壓器、主電機(jī)、高壓柜等電氣設(shè)備雖多配置微機(jī)保護(hù)裝置，其功能是切除電氣故障，控制故障影響范圍，但并不能對(duì)電氣設(shè)備的絕緣劣化等隱患的趨勢(shì)進(jìn)行分析和診斷。而在役的老泵站多因建設(shè)年代較遠(yuǎn)、使用頻率低，電氣設(shè)備存在運(yùn)行環(huán)境差、技術(shù)落后、管理水平低等問(wèn)題，電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)診斷多依靠人工巡查和人員的經(jīng)驗(yàn)，周期性預(yù)試和狀態(tài)監(jiān)測(cè)均無(wú)法實(shí)現(xiàn)；另外，設(shè)備種類繁雜、狀態(tài)監(jiān)測(cè)抗干擾性差、結(jié)果評(píng)判尚不成熟以及經(jīng)濟(jì)性等也是泵站電氣設(shè)備的監(jiān)測(cè)應(yīng)用較少的原因。

值得關(guān)注的是，在建的引江濟(jì)淮蜀山泵站及派河口泵站已開(kāi)展電氣設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)，項(xiàng)目有主變壓器進(jìn)行局部放電及油色譜在線監(jiān)測(cè)、GIS局部放電、SF6微水密度及氣體泄漏在線監(jiān)測(cè)、高壓柜溫度及斷路器的動(dòng)作特性在線監(jiān)測(cè)、主電機(jī)局部放電監(jiān)測(cè)等；已投運(yùn)的南水北調(diào)寶應(yīng)等泵站的主電機(jī)局部放電在線監(jiān)測(cè)實(shí)施以來(lái)，為主電機(jī)絕緣狀態(tài)評(píng)估和診斷提供了科學(xué)客觀的技術(shù)依據(jù)。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)在泵站電氣設(shè)備的應(yīng)用已有較為成功的案例，初步實(shí)現(xiàn)了智能診斷功能，但存在狀態(tài)診斷系統(tǒng)尚不成熟、輸出的結(jié)果并不能準(zhǔn)確定位等問(wèn)題，仍需要借助技術(shù)人員或?qū)＜业姆治雠袛?。相信隨著泵站電氣監(jiān)測(cè)的案例增加、故障特征數(shù)據(jù)庫(kù)的完善，電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)在泵站中將大有可為。

2.3 泵站電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的展望

目前，泵站電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)以單臺(tái)設(shè)備的絕緣狀態(tài)量為主，并逐步走向整體的機(jī)械量、化學(xué)量等多信息狀態(tài)的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。此外，泵站管理模式已經(jīng)向著無(wú)人(少人)化、跨區(qū)域、多站點(diǎn)的泵站群集中監(jiān)測(cè)和維護(hù)方向發(fā)展，依托大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能算法的電氣設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)在線診斷系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用將是近階段的研究熱點(diǎn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

預(yù)試是保障在役泵站安全運(yùn)行不可或缺的基礎(chǔ)性工作，對(duì)發(fā)現(xiàn)、診斷設(shè)備狀態(tài)具有重大意義。而積極開(kāi)展泵站狀態(tài)監(jiān)測(cè)的新技術(shù)、新方法的研究、應(yīng)用，是泵站從周期性檢修到狀態(tài)檢修發(fā)展的必然方向，基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)診斷技術(shù)將進(jìn)一步推進(jìn)泵站的自動(dòng)化程度，提高泵站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性。