城市轨道交通供电系统状态维修模式研究

高 劲，庞开阳，黄山山



城市轨道交通供电系统状态维修模式研究

高 劲，庞开阳，黄山山

分析了广州地铁供电系统维修模式现状及存在问题，讨论了计划维修和状态维修的研究内容。在现有技术条件下，针对设备综合信息数据库的建立、地铁供电设备故障诊断、地铁供电设备健康状态评估、地铁供电设备维修维护策略的4个关键技术，提出城市轨道交通供电系统状态维修模式研究思路。

供电系统；维修模式；状态修

0 引言

城市轨道交通供电系统是为运营提供所需电能的系统，包括牵引用电以及动力照明用电，是整个城市轨道交通的大动脉。确保供电系统安全、可靠地运行，是保障城市轨道交通正常运营的重中之重。广州地铁线网已经具备一定规模，“十二五”计划建设完成总运营里程将超过500 km，“十三五”建设规划也正在启动，地铁供电网络已经形成，并在逐步扩大。截止2016年底，广州地铁已开通运营线路309 km，车站184个，各车站高中低压设备数量已达近万台。目前供电设备的检修普遍依靠定期检修方式，随着计算机、通信技术的发展和应用，在设备的检修中应不断积累经验，积极探索最佳的检修模式，逐步向状态维修模式过渡。

1 供电系统计划维修的现状分析

基于轨道交通供电系统（图1）的重要性，多年来供电设备的检修已实现按计划定期检修，维修规程规定有巡视、小修、大修，按照维修规程使检修工作形成制度化、规范化、标准化，做到精检细修，确保设备的维修质量。根据检修计划进行安排和落实并遵循以下原则：

（1）计划检修与巡视保养并重，以预防为主。计划检修与巡视保养相辅相成，设备保养和操作使用得当可以延长检修周期或减少检修工作量。

（2）检修为变电所安全、可靠运行服务。检修班组必须在保证检修质量的前提下，尽量缩短设备停运时间。

（3）利用现代化管理手段和方法，实行“三定四化记名检修”。

但是计划维修模式也存在2个方面的不足：

（1）供电设备的绝缘性能及机械性能等关键数据无法在线检测，难以提前预判故障，排除隐患。

（2）当供电设备状态不佳时，因未到检修时间而不能及时发现并排除隐患；而当供电设备状态良好时，却已到检修时间，须进行例行检修，造成人力、物力的浪费，不能更好地实现预期检修效果。

将供电设备的维护模式由计划维护逐步转变为“状态性维修”，以弥补供电设备管理中存在的不足，相比现有的供电设备管理模式，不仅能及时发现设备隐患，提前排除设备故障，还能更有针对性地进行供电设备维修，缩短停电检修时间，减少人力物力的浪费，提升维修效率。

图1 地铁供电系统示意图

2 供电系统状态维修研究内容

（1）更完善的供电系统一次设备状态指标体系。

根据供电系统设备自设计到报废的整个生命周期实际运行特性，以其工作状况预防性试验既有表征参数为基础，校核其局限、盲区，运用最新技术、设备，研究更完善的能够表征其供电系统一次设备状态的指标参数体系。

（2）更客观的供电系统一次设备状态判别体系。

在供电系统设备自设计到报废的整个生命周期中，以可获取的状态指标数据为依据，运用最新技术、设备，结合对具体设备状态优劣进行预警关注及提示维修、警示抢修、标志报废等既有识别指标，校核其局限、盲区，研究、完善、确定供电系统设备状态判别体系。

（3）更有效的供电系统一次设备全生命周期状态在线实时技术监测体系。

根据供电系统自设计到报废的整个生命周期运行特性，结合既有在线检测技术、设备，校核其局限、盲区，充分开发、运用最新检测技术、仪器、工具、方法，研究、开发、完善以实现对其状态进行更有效的在线化、实时化、连续化检测的监测技术与设备体系。

3 供电系统状态维修关键技术及思路

设备状态维修的研究拟从以下几方面开展：设备综合信息数据库的建立、地铁供电设备故障诊断、地铁供电设备健康状态评估、地铁供电设备维修维护策略，具体思路框图见图2。

图2 供电设备状态维修思路框图

3.1 设备综合信息数据库的建立

采用数据融合形成地铁维修维护决策所需的设备综合信息数据库。由于供变电系统设备对运行可靠度要求较高，因此对设备运行状态的关注度也较高，此前沿用的计划修模式，将检修与设备试验相结合，由变电所巡视人员抄表记录数据，并依据变电所运行检修规程等获取设备的状态量。

设备综合信息数据库的建立主要通过以下方式收集设备状态数据：

（1）在线监测，即在设备工作状态下，实时在线连续对状态数据进行收集，这需要增加传感器等在线监测设备。

（2）带电检测，即在设备工作状态下利用专用仪器进行检测（含目测、巡检等）。

（3）离线检测，即在设备非工作状态（停电）下进行的检测（含出厂数据和家族性缺陷数据、停电试验数据等）。

（4）系统原有数据的接入。涉及供电设备的系统有多个，包括PSCADA、LIMIS等，通过接入这些系统的原有数据，能够避免数据的重复采集，从而减少投资。

3.2 地铁供电设备故障诊断

地铁供电系统故障诊断主要包括：关键设备故障树模型（FTA）和故障模式及影响分析（FMEA）；变压器、断路器、电缆等关键设备的潜隐故障预测；供电设备故障诊断。

3.3 地铁供电设备健康状态评估

按照标准格式建立状态指标数据库，对海量数据进行管理，实现数据的存储、共享等功能。在建设设备综合信息数据库及专家知识库的基础上，搭建一个计算机管理平台，进行数据的处理和分析，对地铁供电设备进行健康状态评估。

3.3.1 评估对象的选择

供电系统核心评估对象初步拟定为油浸式变压器及断路器（包括SF6断路器、真空断路器、空气断路器）。

（1）油浸式变压器。110 kV主变压器（油浸式变压器）是连接地铁与市电电网之间的关键环节，其运行状态直接影响运营安全。

（2）断路器。断路器为可关合、承载和开断正常回路条件下的电流并可关合、规定时间内承载和开断异常回路条件下电流的开关装置。

（3）油浸式变压器及断路器的共性。变压器及断路器均采用密封式结构，通过外观检查无法发现其内部故障，且通过现有的试验和监测手段也无法判断其内部故障。因此，建立多维度的评估体系，对于变压器内部故障的预判有十分重要的意义。

3.3.2 状态量权重

视状态量对被评估设备安全运行的影响程度，从小到大分为4个等级，对应的权重分别为权重1、权重2、权重3、权重4，其系数为1、2、3、4。权重1、权重2与一般状态量对应，权重3、权重4与重要状态量对应。

3.3.3 状态分级

视状态量的劣化程度从小到大分为4级，分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级，其对应的基本扣分值为2、4、8、10分。

3.3.4 状态量扣分值

状态量应扣分值由状态量劣化程度和权重共同决定，即状态量应扣分值等于该状态量的基本扣分值乘以权重系数（表1）。状态量正常时不扣分。

表1 状态量扣分值表

3.3.5 状态量的选取

（1）状态量的构成。

a.原始资料。设备的原始资料主要包括：铭牌、型式试验报告、订货技术协议、设备监造报告、出厂试验报告、运输安装记录、交接验收报告、安装使用说明书等。

b.运行资料。设备的运行资料主要包括：断路器动作次数、断路器故障跳闸记录（故障跳闸次数、继电保护及自动装置提供的故障电流的波形、相别、幅值、持续时间等）、设备巡视记录、历年缺陷及异常记录、红外测温记录等。

c.检修试验资料。设备的检修试验资料主要包括：检修报告、预防性试验报告、保护校验报告、SF6气体及变压器油检验报告、在线监测信息、特殊测试报告、有关反措执行情况、设备技改及主要部件更换情况等。

d.其他资料。设备的其他资料主要包括：同型（同类）设备的运行、修试、缺陷和故障的情况；设备运行环境的变化、系统运行方式的变化；安装地点短路电流计算报告；其他影响评估对策安全稳定运行的因素等。

（2）状态量获取方式及周期。

各种状态量获取来源于现有的设备维修手段，包括日常巡视，定期的预防性试验、校验、检测等。

由于供电设备维修规程已涵盖了其中的常规项目，仅需采集计划维修的数据即可；而发生故障或开展大修评估需要采集非常规检修试验数据，进行复杂关键部件拆解检查和深度检测，故需委托具有相关资质的单位进行。

3.3.6 输出部件评估结论

整体评价应综合其部件的评价结果。当所有部件评价为正常状态时，整体评价则为正常状态；当任一部件状态为注意状态、异常状态或严重状态时，整体评价则为其中最严重的状态。评估结论最终形成评估表。

3.4 地铁供电设备维修维护策略的制定

以设备基础数据、监测检测数据以及维修规程标准等作为基本输入，考虑故障原因、类型和故障后果影响，根据故障诊断信息和健康状态评估信息制定相关的设备全生命周期维修及维护策略。

供电设备从传统计划修到状态修，利用所采集的数据综合评价获得设备的状态，并依此获得设备状态的判定结果，对故障进行预警和诊断并及时通知维修人员，指导维修人员及时维修。

4 结语

进入21世纪以来，以工业化和信息化融合为核心的新一轮科技革命和产业革命正在孕育兴起，德国提出“工业4.0”概念，美国GE公司提出“工业互联网”概念，中国则提出中国版的“工业4.0”—《中国制造2025》，其核心是将互联网运用到企业的生产运营中以提升效率。基于工业互联网和大数据的理念，将供电设备的维护模式由计划维护逐步转变为“状态性维修”，建立供电设备数据库，将设备原始资料、运行资料、检修试验资料全部录入系统，并自动形成对比或评估结果、设备状态趋势图；研究增设在线监控系统的可行性，获取更多、更直接的设备状态量；同时开展设备运行状态的实时评估，真正实现设备故障提前预判；搭建设备评估模型，制定具指导意义的维修策略。随着广州地铁部分供电设备逐渐进入到大修阶段，考虑维修成本及设备的可靠性，研究全供电设备全生命周期体系的状态维修，使维修行为建立在对设备和维修的理性分析上，将对供电设备维修体系优化产生深远影响。

[1] Q/GDW169-2008 油浸式变压器（电抗器）状态评价导则 国家电网公司企业标准[S]. 北京，2008.

[2] Q/GDW171-2008 SF6高压断路器状态评价导则 国家电网公司企业标准[S]. 北京，2008.

[3]曾声奎. 故障预测与健康管理（PHM）技术的现状与发展[J]. 航空学报，2005（5）：627-632.

[4] 何霖. 变电检修工分册/城市轨道交通岗位技能培训教材[M]. 北京：中国劳动社会保障出版社，2010.

[5] GDY/QW-JG-GD-01广州地铁变电设备维修规程[S]. 广州，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 劲.广州地铁集团有限公司运营事业总部，工程师，电话：13609747592；庞开阳.广州地铁集团有限公司运营事业总部，高级工程师；黄山山.广州地铁集团有限公司运营事业总部，工程师。