地下变电站机械故障诊断与排除方法研究

吴彦双

摘 要： 在地下变电站的运行中，机械故障的诊断与排除是确保电力系统持续稳定运行的关键环节。随着科技的不断进步，机械故障诊断方法不断演进，涵盖了振动监测、红外热像法、电流电压波形分析等多种先进技术。以泰国孔提地下变电站项目为例，通过分析对地下变电站机械故障诊断与排除方法，并提出地下变电站机械优化策略，以提高维护效率，降低设备损耗，从而推动地下变电站机械系统的可靠性和可维护性达到新的高度。

关键词： 地下变电站 机械故障诊断与排除 维护效率 设备损坏

中图分类号： TM732文献标识码： A文章编号： 1679-3567（2024）05-0016-03

Research on Diagnosis and Troubleshooting Methods for Mechanical Faults in Underground Substations

WU Yanshuang

Sinohydro Bureau 11 Co.， Ltd.， Zhengzhou， Henan Province， 450001 China

Abstract： During the operation of underground substations， the diagnosis and troubleshooting of mechanical faults is a key link to ensure the continuous and stable operation of the power system. With the continuous progress of science and technology， mechanical fault diagnosis methods are constantly evolving， covering various advanced technologies such as vibration monitoring， infrared thermography， and current and voltage waveform analysis. This article takes the underground substation project at Khlong Toei in Thailand as an example， analyzes diagnosis and troubleshooting methods for mechanical faults in underground substations， and proposes mechanical optimization strategies for underground substations， so as to improve maintenance efficiency， reduce equipment loss， and drive the reliability and maintainability of the mechanical system of underground substations to a new height.

Key Words： Underground substation； Mechanical fault diagnosis and troubleshooting； Maintenance efficiency； Equipment damage

1 地下变电站项目背景

泰国孔提115 kV地下变电站项目坐落于泰国曼谷市孔堤区，是一座独具特色的地下变电站。该项目的施工范围涵盖地连墙、桩基、钢支撑、开挖、主体结构、装饰装修、电气系统、机械系统以及室外附属等多个方面。曼谷孔提地下变电站是该国首个地下变电站项目。项目占地面积相对较小，仅为1 296 m2，这使施工作业面相当狭窄，为各项工作的顺利进行增添了难度。同时，由于项目规模较大，交叉施工不可避免，对施工现场管理提出了极高的要求。为了成功完成孔提115 kV地下变电站项目，施工企业将承担土建工程、气体绝缘开关设备（Gas Insulated Switchgear，GIS）采购和安装的责任。土建工程将包括地下结构的施工，涉及桩基和主体结构等方面，而GIS采购和安装将覆盖电气系统的关键部分。该项目的独特性不仅表现在其地下变电站的先进性，更体现在其框架结构和地上局部1层的设计。这不仅使变电站在功能上更为灵活，同时也为整个孔提地区的电力供应提供了更加可靠和高效的解决方案。

2 地下变电站常见机械故障

第一，变压器作为地下变电站的核心设备之一，常见的机械故障包括绝缘老化、温度过高和油污染。绝缘老化可能导致绝缘击穿，温度过高则可能加速老化进程，而油污染则会影响变压器的冷却效果。第二，断路器是地下变电站的关键设备，用于切断电路以确保电力系统的安全运行。断路器常见的机械故障包括触头接触不良、弹簧机构故障和电气连接问题，导致断路器无法正常切断电路，影响电力系统的稳定性。第三，发电机作为地下变电站的核心设备之一，其机械故障可能包括轴承故障、绕组故障和励磁系统故障，导致发电机无法正常工作，影响电力系统的发电能力。GIS设备是一种高压开关设备，用于进行电气隔离和连接。常见的机械故障包括接触不良、气体泄漏和机械运行不畅。这些问题可能导致GIS设备无法正常操作，影响电力系统的可靠性。第四，电缆是连接各种设备的关键组成部分，其机械故障包括绝缘老化、绝缘击穿和电缆连接头故障，导致电缆断路，影响电力系统的正常运行。最后，风机是用于通风和冷却的重要设备，其机械故障包括轴承故障、风叶损坏和电机故障，导致设备过热，影响电力系统的正常运行[1]。

3 地下变电站机械故障诊断与排除方法

3.1 绝缘测试和监测

为确保设备绝缘系统的健康状况，定期进行绝缘测试是必要的。通过使用专业的绝缘测试仪器，可以测量设备的绝缘电阻，评估绝缘是否正常。此外，引入绝缘监测系统，通过实时监测绝缘电阻、电容、介质损耗等参数，可以更全面地了解设备的绝缘状态。一旦系统检测到绝缘异常，即可发出警报，使运维人员能够迅速采取措施，如维护、更换老化绝缘材料，确保设备长时间运行的稳定性和可靠性，以提前发现潜在问题，有效预防绝缘老化导致的机械故障。

3.2 振动监测

振动监测是地下变电站机械故障诊断的重要手段。通过布置振动传感器，实时监测设备的振动情况，可以有效识别旋转机械设备的异常运行模式。振动的频率、振幅和波形变化可提供关键信息，如轴承故障、机械不平衡和螺栓松动等问题。振动监测系统能够将这些数据传输到中央控制系统，进行实时分析和诊断。一旦检测到异常振动，系统会发出警报，促使运维人员采取及时的维护措施，避免进一步损害设备[2]。

3.3 红外热像法

通过红外热像摄像机捕捉设备表面的热分布，可以迅速发现异常的温度热点。机械故障、电气故障或连接问题通常伴随着局部发热，红外热像法能够帮助精准定位这些潜在问题。通过分析热图，运维人员可以识别电缆连接头问题、断路器接触不良等热敏感故障。这项技术不仅实现了无接触、无损、快速的检测，而且在设备运行过程中也能实时监测温度变化，有助于提前发现潜在问题，采取及时维护，确保地下变电站机械设备的安全可靠运行。

3.4 振动和声音分析

振动和声音分析是地下变电站机械故障诊断的有力工具。通过部署振动和声音传感器，实时监测设备的振动和声音信号，可以识别机械运行中的异常模式。不同故障类型产生独特的振动和声音谱，如轴承故障、齿轮啮合问题等。通过分析频谱图和波形，运维人员能够精准诊断潜在问题。这种无损检测方法有助于提前发现机械故障的迹象，避免进一步损害设备。振动和声音分析结合先进的数据处理技术，实现了对机械系统状态的高度敏感性监测，为地下变电站提供了有效的故障预警和及时维护的手段，从而确保机械设备的长期稳定运行。

3.5 电流和电压波形分析

电流和电压波形分析是地下变电站机械故障诊断的关键方法之一。通过监测电流和电压的波形，运维人员可以识别电气设备内部的异常情况。电气故障如电器接触问题、电弧故障等通常表现为波形的不正常变化。通过分析这些波形的频谱和特征，可以迅速定位潜在问题。电流和电压波形分析能够帮助发现设备运行中的电气异常，提供早期故障诊断，有助于采取及时的维护措施，避免故障进一步扩大，以提高故障检测的准确性，降低设备的维修成本，确保地下变电站电气系统的可靠性和稳定性[3]。

3.6 GIS设备的监测

GIS的机械故障诊断至关重要，尤其通过对盆式绝缘子的表面烧损情况分析。观察导体均压罩与中心嵌件的烧蚀、黑化和变形情况，关注外侧圆弧，其中环氧树脂浇注材料和金属制嵌件之间的导电橡胶介质是关键。电场强度密集区位于导电橡胶的临界处，即金属嵌件与环氧树脂连接的地方。通过沿面放电原理，自由导电微粒受静电力驱动，产生位移，越过高压导体和外壳间的气隙，导致内部高压电场畸变。此过程可能引发局部放电，形成放电通道，产生气体放电现象，导致盆式绝缘子凹侧温度升高，壳体烧蚀。成分分析技术和微观形貌观察显示，内部杂质主要来自GIS厂家生产阶段掉落的绝缘漆、筒体焊接时溅落的铝液，以及GIS装配过程中悬浮空气中的粉尘和长期运行中掉落的金属碎片颗粒等。这些细致入微的分析为GIS设备的机械故障提供了深入的诊断依据，有助于及时采取针对性的维护措施，确保设备的长期可靠运行。

4 地下变电站机械优化策略

4.1 定期维护与保养

首先，制订详细的维护计划，明确维护周期和内容。根据设备类型和厂家建议，制定不同的维护频率，确保不同部件和系统得到全面维护。在维护过程中，进行设备的定期清洁，去除表面附着的尘埃、油污和其他污染物，以维护设备外观和散热效果。定期检查润滑系统的工作状态，更换润滑油，并确保油液质量符合标准，以减小机械磨损和摩擦，延长零部件寿命。同时，定期检查设备的机械连接部件，包括螺栓、紧固件等，确保其牢固可靠。针对易受磨损的零部件，如轴承、齿轮等，进行定期检查和更换，以防止因零部件失效引发的严重故障[4]。另外，维护人员应对设备进行全面的性能检查，使用测试仪器测量关键参数，评估设备的工作状态。通过这些检查，可以及时发现潜在问题，采取相应的维护措施。此外，定期进行设备的校准和调整，以确保其运行在最佳状态。

4.2 采用智能维护技术

引入物联网和大数据分析技术，建立智能化维护系统，实现对设备运行状况的实时监测和远程管理。智能维护技术通过在设备上部署传感器，实时采集振动、温度、电流等关键参数的数据。通过大数据分析技术进行深度处理和挖掘。运用机器学习算法，系统可以学习设备的正常工作模式，识别异常行为，并发出预警信号。此外，提前预测设备可能出现的问题，准确判断设备寿命，避免因突发故障引发的停机时间和生产损失。同时，智能维护技术还能根据设备的实际运行状况调整维护计划，提高维护的精准性，减少不必要的停工时间。

4.3 加强设备寿命周期管理

首先，建立全面的设备档案，包括设备购置日期、制造商信息、使用环境、维护记录等，以准确评估设备的运行历史和当前状态。其次，采用先进的监测技术，对设备的关键参数进行实时监测。通过定期的性能评估和健康检查，及时发现潜在问题，有针对性地进行维护和修复，延长设备的使用寿命。最后，制订科学合理的维护计划，包括定期检查、保养、更换易损件等。在维护计划中考虑设备的使用寿命和制造商的建议，确保设备在最佳状态下运行，并及时替换老化部件，防止因零部件失效引发的严重故障。同时，进行定期的设备性能评估，以确定设备是否能满足当前的运行需求。根据评估结果，制订更新和升级计划，引入新技术和先进设备，以保持设备的竞争力和适应性[5]。

4.4 加强员工培训与技能提升

首先，建立系统的培训计划，包括定期的技术培训、新技术应用培训、安全操作规程培训等。通过定期培训，维护人员能够紧跟技术发展步伐，掌握最新的维护技能和知识。其次，引入实操模拟培训，通过模拟设备故障场景和紧急处理情境，提升维护团队的实际操作能力，不断增强应对紧急情况的应变能力，提高团队在实际工作中的操作水平。同时，开展技能认证和评估机制，鼓励维护人员主动参与培训，并通过认证考核，激励其不断提升专业技能。此外，建立经验分享机制，鼓励有经验的维护人员分享实践经验和解决故障的方法。促进团队内部的知识共享和交流，形成更为丰富的技术共同体。最后，与专业培训机构合作，引入外部专家进行定期培训，让维护团队接触到不同领域的最佳实践和前沿技术，以打破固有的技术思维，推动团队不断创新。

5 结语

综上所述，通过对泰国孔提地下变电站项目的机械故障诊断与排除方法的研究，总结出在现代科技的支持下，振动监测、红外热像法、电流电压波形分析等先进技术在地下变电站机械系统故障排查中具有显著效果。有效的故障诊断为提高设备维护效率、降低损耗提供了关键支持。为进一步推动地下变电站机械系统的可维护性和可靠性，本文提出了相应的优化策略，以期为未来地下变电站运行与维护提供有益的参考。

参考文献

[1]胡春江，刘康，张广东，等.GIS设备异响振动信号特性及检测系统研究[J].电力系统装备，2019（2）：35-36.

[2]白建伟，于力，丛培军，等.GIS内隔离开关机械故障检测方法研究[J].高压电器，2022，58（4）：137-144.

[3]王超.GIS机械故障振动检测技术研究[J].内燃机与配件，2020（6）：139-140.

[4]于春辉，曹凯，翟晨龙，等.大型地下变电站交接试验标准流程及施工工艺[J].东北电力技术，2022，43（1）： 45-49.

[5]李鄢，杨云，姚伟瑾.地下变电站变压器强油循环水冷却系统散热方式优化方案研究[J].农村电气化， 2023（6）：7-9，59.