1．引言 目前電力系統(tǒng)中電力設(shè)備大多采用的計(jì)劃檢修體制存在著嚴(yán)重缺陷，如臨時(shí)性維修頻繁、維修不足或維修過剩、盲目維修等，這使世界各國每年在設(shè)備維修方面耗資巨大。怎樣合理安排電力設(shè)備的檢修，節(jié)省檢修費(fèi)用、降低檢修成本，同時(shí)保證系統(tǒng)有較高的可靠性，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行人員來說是一個(gè)重要課題。隨著傳感技術(shù)、微電子、計(jì)算機(jī)軟硬件和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊集理論等綜合智能系統(tǒng)在狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷中應(yīng)用，使基于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和先進(jìn)診斷技術(shù)的狀態(tài)檢修研究得到發(fā)展，成為電力系統(tǒng)中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。在電力系統(tǒng)中推行狀態(tài)檢修的直接效益有：①節(jié)省大量維修費(fèi)用；②提高電廠可用系數(shù)；③延長設(shè)備使用壽命；④增加發(fā)電能力；⑤確保發(fā)供電可靠性；⑥降低檢修成本、減少檢修風(fēng)險(xiǎn)。本文主要介紹檢修體制的演變、狀態(tài)檢修的發(fā)展概況及狀態(tài)檢修面臨的問題。 2．檢修體制的演變 維修觀念的演變經(jīng)過2個(gè)階段：事后維修／故障維修（18世紀(jì)第一次產(chǎn)業(yè)革命）和預(yù)防性維修（19世紀(jì)第二次產(chǎn)業(yè)革命）。 事后檢修（BM，break maintenance），也稱故障檢修（CM，corrective maintenance），是最早的檢修方式。這種檢修方式以設(shè)備出現(xiàn)功能性故障為判據(jù)，在設(shè)備發(fā)生故障且無法繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)才進(jìn)行維修。顯然，這種應(yīng)急維修需付出很大的代價(jià)和維修費(fèi)用，不但嚴(yán)重威脅著設(shè)備或人身安全，而且維修不足。 到第二次產(chǎn)業(yè)革命時(shí)期，開始推行預(yù)防性檢修（PM，prevention maintenance）。預(yù)防性檢修經(jīng)過多年的發(fā)展，根據(jù)檢修的技術(shù)條件、目標(biāo)的不同而出現(xiàn)以下7種檢修方式。 （1）定期檢修（TBM，time based maintenance）。定期檢修制度直到二戰(zhàn)后，才被各國陸續(xù)地從軍事工業(yè)移植到民用工業(yè)。中國電力工業(yè)的定期檢修制度是20世紀(jì)50年代從蘇聯(lián)引入的。直到80年代，TBM仍是主流的維修制度。定期檢修在保證重大機(jī)械設(shè)備正常工作中確實(shí)起到了直接防止或延遲故障的作用，但這種不根據(jù)設(shè)備的實(shí)際狀況，單純按規(guī)定的時(shí)間間隔對(duì)設(shè)備進(jìn)行相當(dāng)程度解體的維修方法，不可避免地會(huì)產(chǎn)生“過剩維修”，不但造成設(shè)備有效利用時(shí)間的損失和人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)，甚至?xí)l(fā)維修故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1996年我國的100 MW、125 MW、200 MW火電機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)與出力降低的責(zé)任原因，分別有36％、31％和41％是由于這種過剩檢修造成的。 （2）以可靠性為中心的檢修（RCM，reliabilitycentered maintenance）。RCM是一種以用最低的費(fèi)用來實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備固有可靠性水平為目標(biāo)的檢修方式。該檢修方式能比較合理地安排大修間隔，有效預(yù)防嚴(yán)重故障的發(fā)生。RCM的研究始于20世紀(jì)60年代后期，電力工業(yè)則是從1983年開始研究，并于1984年由美國電力研究院（EPRI）將其用于核電廠的檢修。到1997年，在美國排名前1000家的大公司中，已有68％的公司采用RCM的檢修方法。 （3）狀態(tài)檢修（CBM，condition based mainte－nance）或預(yù)知性維修（PDM，predictive diagnosticmaintenance）。這種維修方式以機(jī)械設(shè)備當(dāng)前的實(shí)際工作狀況為依據(jù)，通過高科技狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段，識(shí)別故障的早期征兆，對(duì)故障部位、故障嚴(yán)重程度及發(fā)展趨勢(shì)作出判斷，從而確定各機(jī)件的最佳維修時(shí)機(jī)。狀態(tài)檢修始于1970年，由美國杜邦公司I．D．Quinn首先倡議。狀態(tài)檢修是當(dāng)前耗費(fèi)最低、技術(shù)最先進(jìn)的維修制度，它為設(shè)備安全、穩(wěn)定、長周期、全性能、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行提供了可靠的技術(shù)和管理保障。但由于狀態(tài)檢修需要監(jiān)測(cè)的內(nèi)容多，投資大，并存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，要能熟練地運(yùn)用于設(shè)備維修還需要長時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)積累。 （4）故障查找（FF，fault find）。這種維修方式主要針對(duì)緊急備用設(shè)備，在固定的時(shí)間后啟動(dòng)這些設(shè)備，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決，以提高備用設(shè)備的可用率。 （5）使用至損壞再修（RTF，run to fault）。采用該方式進(jìn)行修理的設(shè)備不控制送修，通常用于對(duì)安全無直接危害的3類故障：①偶然故障；②無規(guī)律性故障；③故障損失小于維修費(fèi)用的耗損故障。 （6）以壽命評(píng)估為基礎(chǔ)的檢修。文獻(xiàn)認(rèn)為狀態(tài)檢修應(yīng)根據(jù)分析監(jiān)控診斷資料先估計(jì)設(shè)備壽命，再確定檢修項(xiàng)目、頻度與檢修內(nèi)容。 （7）主動(dòng)維修（PM，proactive maintenance）。從經(jīng)濟(jì)、壽命等多種因素考慮，重點(diǎn)在機(jī)械故障的識(shí)別和消除、故障原因的分析，通過延長發(fā)電廠機(jī)器壽命來獲得最大的效益。 3．狀態(tài)檢修技術(shù)發(fā)展概況 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)。美國、德國、日本、法國都有應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)的報(bào)道。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(cè)技術(shù)、設(shè)備可靠性分析技術(shù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)和信息管理與決策技術(shù)。 3．1　設(shè)備壽命管理與預(yù)測(cè)技術(shù) 大多數(shù)工業(yè)化國家的電力基礎(chǔ)設(shè)施在20世紀(jì)60與70年代間得到極大擴(kuò)充，因此，多數(shù)電力主設(shè)備的在役時(shí)間在25～30年左右，且進(jìn)入老化階段的設(shè)備所占份額愈來愈大。這種情況迫使各電力公司考慮如何延長機(jī)組壽命并保證效益。狀態(tài)檢修中壽命預(yù)測(cè)與評(píng)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。但電力公司可能獲得的效益大部分來自于電廠主設(shè)備，因此，各國都把壽命預(yù)測(cè)和評(píng)估研究的重點(diǎn)放在對(duì)鍋爐、汽機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器及高壓開關(guān)等重要設(shè)備上。 （1）鍋爐方面 日本是近10年來對(duì)火電廠鍋爐部件剩余壽命研究最多的國家。他們采用了3種有代表性的壽命診斷技術(shù)：應(yīng)力解析法、破壞試驗(yàn)法、非破壞損傷計(jì)測(cè)法。其中，應(yīng)力解析法能評(píng)價(jià)任意部位的材料，但若運(yùn)行歷史或材料數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，將會(huì)導(dǎo)致計(jì)算誤差，且沒有考慮材料老化這一因素。破壞試驗(yàn)法比其它方法計(jì)測(cè)損傷的精度高，但對(duì)不能取樣的部位不適用；為此，日本研究出微小試樣法、復(fù)型金相法、巴克好森噪聲法、超聲波噪聲分析法等非破壞性損傷計(jì)測(cè)法。這些方法可以在部件材料損傷進(jìn)展的同時(shí)，非破壞性地檢驗(yàn)材料的金屬組織物理性能的變化。美國電力研究院（EPRI）監(jiān)測(cè)診斷中心（M＆D）也研究出用于鍋爐診斷系統(tǒng)的壽命管理分析軟件。 （2）汽輪機(jī)－發(fā)電機(jī)方面 對(duì)汽輪機(jī)－發(fā)電機(jī)進(jìn)行狀態(tài)檢修時(shí)必須重點(diǎn)考慮汽輪機(jī)軸瓦、葉片，發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、軸系等部件。目前，美國電力研究院（EPRI）監(jiān)測(cè)診斷中心（M＆D）已研制出用于汽輪機(jī)診斷系統(tǒng)的葉片壽命動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)（BLADE）和用于發(fā)電機(jī)診斷系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子裂紋評(píng)價(jià)系統(tǒng)（SAFER），可以計(jì)算、推測(cè)葉片何處可能出現(xiàn)裂紋，以及產(chǎn)生裂紋后的壽命；并幫助工程技術(shù)人員評(píng)估汽機(jī)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的剩余壽命及隨運(yùn)行時(shí)間的故障發(fā)生概率。華中理工大學(xué)也提出了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的在線壽命管理系統(tǒng)框架，并研制了200 MW汽輪發(fā)電機(jī)壽命管理及故障診斷專家系統(tǒng)。對(duì)于轉(zhuǎn)子壽命評(píng)估的方法，國內(nèi)已有較為成熟的理論。 對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)的定子，俄羅斯的科研工作者在總結(jié)了俄羅斯11個(gè)不同電廠經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，制訂了延長汽輪發(fā)電機(jī)定子使用壽命的主要原則和依據(jù)。羅馬尼亞則成功研制了一套用于75 MVA汽輪發(fā)電機(jī)監(jiān)視診斷、數(shù)據(jù)記錄及在線預(yù)測(cè)系統(tǒng)，其中在線預(yù)測(cè)部分，主要完成對(duì)定子繞組絕緣剩余壽命和軸系剩余壽命的評(píng)估。 在軸系方面，我國的壽命預(yù)測(cè)與評(píng)估技術(shù)有一定成果。上海交大電力系采用自己開發(fā)的MAN－DISP程序，對(duì)電氣擾動(dòng)下電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程進(jìn)行仿真并得出軸系的動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩，成功地評(píng)價(jià)了電網(wǎng)擾動(dòng)對(duì)300MW汽輪發(fā)電機(jī)組軸系疲勞壽命的影響。同樣，華北電力大學(xué)也對(duì)國產(chǎn)運(yùn)行近30年的50MW汽輪機(jī)－發(fā)電機(jī)進(jìn)行了扭振特性及其疲勞壽命研究，采用了集中參數(shù)的機(jī)組軸系扭振分析模型，以現(xiàn)場(chǎng)事故情況為依據(jù)，模擬計(jì)算了幾種典型事故大軸聯(lián)軸結(jié)處軸頸和螺栓的應(yīng)力應(yīng)變歷程及疲勞壽命損耗，對(duì)該機(jī)組的剩余壽命能夠較恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行評(píng)估。 （3）變壓器方面 變壓器剩余壽命的評(píng)估是當(dāng)今監(jiān)測(cè)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(jiǎn)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(chǎng)運(yùn)輸?shù)纫蛩囟紩?huì)影響變壓器發(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(duì)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(duì)剩余壽命進(jìn)行定量評(píng)估，開發(fā)了一種變壓器排列等級(jí)方法，為變壓器的壽命評(píng)估作了大量工作。 （4）開關(guān)方面 高壓斷路器在電力系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著控制和保護(hù)的雙重任務(wù)，由于它關(guān)系著系統(tǒng)的安全運(yùn)行以及檢修工作量的大小，其電壽命始終為用戶所關(guān)心。目前，國內(nèi)已經(jīng)提出根據(jù)觸頭和噴口在開斷時(shí)的質(zhì)量損耗及根據(jù)具有線性上升弧壓降特性的電弧能量計(jì)算電壽命的2種方法。但由于開關(guān)動(dòng)作分散性很大，開關(guān)開斷電流的大小與電磨損量是非線性關(guān)系的，因而在壽命累計(jì)時(shí)需進(jìn)行加權(quán)處理。 3．2　電力設(shè)備的可靠性技術(shù) 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。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)備可靠性通常用可靠度函數(shù)R（t）來定量描述。 傳統(tǒng)的電力設(shè)備可靠性評(píng)估基于威布爾得出的浴盆曲線（bathtub curve）法。由于可靠性特征曲線形似浴盆而得名，如圖1所示，但此法只適用于對(duì)有支配性耗損故障的設(shè)備進(jìn)行維修，且精確度不高。為此，華北電力大學(xué)將可靠性預(yù)測(cè)理論和強(qiáng)度及壽命理論結(jié)合起來，綜合考慮影響鍋爐部件故障的各種因素，對(duì)預(yù)測(cè)鍋爐部件的可靠性做了有益的嘗試。另外，它還運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)方法中因子分析和聚類分析，從反映火電大機(jī)組運(yùn)行可靠性的指標(biāo)體系出發(fā)，對(duì)我國火電100MW及以上機(jī)組的運(yùn)行可靠性進(jìn)行了分析，提出了企業(yè)綜合可靠性水平的評(píng)估方法。用它可以簡(jiǎn)單分析我國不同地區(qū)火電大機(jī)組運(yùn)行的可靠性水平。 3．3　設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù) 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)是故障在線診斷和離線分析的基礎(chǔ)。從國內(nèi)情況看，汽輪機(jī)等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，我國科技工作者已開發(fā)出了一系列狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并成功地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。另外，發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段也已很成熟，只是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如何準(zhǔn)確判斷電機(jī)狀態(tài)，還需進(jìn)一步工作經(jīng)驗(yàn)積累。從國外來看，美國電力研究院（EPRI）下屬的監(jiān)測(cè)診斷中心（M＆D）利用40多項(xiàng)先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)和分析軟件，對(duì)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(cè)和故障分析，了解設(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)人員不停機(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(cè)裝置和檢測(cè)方法。對(duì)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。從70年代初至今，故障診斷技術(shù)的研究已經(jīng)由單一地偏重故障機(jī)理與診斷方法的研究發(fā)展到故障診斷專家系統(tǒng)的研制開發(fā)。迄今為止，國內(nèi)外現(xiàn)有的專家系統(tǒng)尚不能對(duì)機(jī)組振動(dòng)故障進(jìn)行自動(dòng)診斷，還依賴于有經(jīng)驗(yàn)的專家進(jìn)行判斷，其主要原因是由于這些專家系統(tǒng)所包含的知識(shí)還不足以全面反映振動(dòng)故障的征兆與其原因之間的映射關(guān)系。 3．4　信息管理與決策技術(shù) 近30年來，管理決策作為一門獨(dú)立學(xué)科，有了很大發(fā)展。狀態(tài)檢修作為一種先進(jìn)的檢修體制，是與多方面的管理工作分不開的。圖2為狀態(tài)檢修的一個(gè)簡(jiǎn)化決策流程。世界各國從不同的管理目標(biāo)出發(fā)，形成了不同的管理系統(tǒng)。芬蘭的IVO輸電服務(wù)公司開發(fā)的變電站檢修管理系統(tǒng)（SOFIA）是一建立在對(duì)一座變電站的長期檢修計(jì)劃的基礎(chǔ)上，從壽命周期費(fèi)用（life cycle cost）著手，使用設(shè)備的劣化模型的數(shù)學(xué)形式（狀態(tài)模型）來估計(jì)設(shè)備將來狀態(tài)的一種檢修管理系統(tǒng)。SOFIA在考慮預(yù)算及其設(shè)備狀態(tài)的情況下，通過檢修費(fèi)用的優(yōu)選，降低總費(fèi)用。荷蘭B．V．KEMA與荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)在考慮市場(chǎng)情況及技術(shù)條件的前提下，研制了一種包括狀態(tài)檢修在內(nèi)的多種策略均衡應(yīng)用的main man檢修管理系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于引入了診斷專家系統(tǒng)，使可靠性和安全性達(dá)到可接受的水平。德國提出將工人或供貨商的管理層所有功能融為一體，以減少中間環(huán)節(jié)的瘦型管理。此管理方法在德國的Weisweiller電廠檢修管理中得到運(yùn)用，使該廠48％的工作任務(wù)流程得到優(yōu)化，效果明顯。 4．結(jié)束語 專家預(yù)言，下個(gè)世紀(jì)電力工業(yè)將有更大的發(fā)展，但作為大型電力主設(shè)備的鍋爐、汽機(jī)－發(fā)電機(jī)組以及變壓器，不會(huì)有大的改變，因此，電力設(shè)備檢修技術(shù)的研究將更具有經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，電力設(shè)備的維修由過去的計(jì)劃檢修向狀態(tài)檢修發(fā)展勢(shì)在必行。目前，國內(nèi)外狀態(tài)檢修技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，圍繞鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器等大型電力設(shè)備展開，在設(shè)備壽命管理與預(yù)測(cè)、設(shè)備可靠性技術(shù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及故障診斷技術(shù)等方面取得了一些可實(shí)際應(yīng)用的成果。近3年來，云南工業(yè)大學(xué)就水電機(jī)組在線監(jiān)測(cè)及故障診斷與狀態(tài)檢修專家系統(tǒng)研制方面做了大量工作，通過在水輪機(jī)故障特征矢量空間中對(duì)故障個(gè)體特征量抽取，提出了以效率為主要特征量，通過監(jiān)測(cè)效率來預(yù)測(cè)水輪機(jī)的剩余壽命的新思路。這一成果已應(yīng)用于漫灣發(fā)電廠5號(hào)機(jī)組。不難預(yù)測(cè)，它在系統(tǒng)投運(yùn)后將得到很好的檢驗(yàn)。 電力設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)的應(yīng)用必須以對(duì)設(shè)備的全面監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)。但目前有關(guān)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍然存在監(jiān)測(cè)點(diǎn)少、功能單一、缺乏系統(tǒng)性和綜合性，尤其缺乏監(jiān)測(cè)的層次化和網(wǎng)絡(luò)化等問題，妨礙了設(shè)備狀態(tài)信息的集中和綜合；另外，設(shè)備壽命管理與預(yù)測(cè)也需要解決一些諸如設(shè)備壽命計(jì)算中復(fù)雜邊界條件的提出、材料在不同溫度和應(yīng)力條件下的壽命損耗特性以及剩余壽命評(píng)價(jià)等問題。如何建立準(zhǔn)確的設(shè)備可靠性模型，以期實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)，從而開發(fā)出可較好應(yīng)用于設(shè)備故障診斷的專家系統(tǒng)，仍然有許多問題需要解決。