地下變電站機(jī)械故障診斷與排除方法研究

吳彥雙

摘 要： 在地下變電站的運(yùn)行中，機(jī)械故障的診斷與排除是確保電力系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著科技的不斷進(jìn)步，機(jī)械故障診斷方法不斷演進(jìn)，涵蓋了振動(dòng)監(jiān)測(cè)、紅外熱像法、電流電壓波形分析等多種先進(jìn)技術(shù)。以泰國(guó)孔提地下變電站項(xiàng)目為例，通過分析對(duì)地下變電站機(jī)械故障診斷與排除方法，并提出地下變電站機(jī)械優(yōu)化策略，以提高維護(hù)效率，降低設(shè)備損耗，從而推動(dòng)地下變電站機(jī)械系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性達(dá)到新的高度。

關(guān)鍵詞： 地下變電站 機(jī)械故障診斷與排除 維護(hù)效率 設(shè)備損壞

中圖分類號(hào)： TM732文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 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 地下變電站項(xiàng)目背景

泰國(guó)孔提115 kV地下變電站項(xiàng)目坐落于泰國(guó)曼谷市孔堤區(qū)，是一座獨(dú)具特色的地下變電站。該項(xiàng)目的施工范圍涵蓋地連墻、樁基、鋼支撐、開挖、主體結(jié)構(gòu)、裝飾裝修、電氣系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)以及室外附屬等多個(gè)方面。曼谷孔提地下變電站是該國(guó)首個(gè)地下變電站項(xiàng)目。項(xiàng)目占地面積相對(duì)較小，僅為1 296 m2，這使施工作業(yè)面相當(dāng)狹窄，為各項(xiàng)工作的順利進(jìn)行增添了難度。同時(shí)，由于項(xiàng)目規(guī)模較大，交叉施工不可避免，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)管理提出了極高的要求。為了成功完成孔提115 kV地下變電站項(xiàng)目，施工企業(yè)將承擔(dān)土建工程、氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，GIS）采購(gòu)和安裝的責(zé)任。土建工程將包括地下結(jié)構(gòu)的施工，涉及樁基和主體結(jié)構(gòu)等方面，而GIS采購(gòu)和安裝將覆蓋電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。該項(xiàng)目的獨(dú)特性不僅表現(xiàn)在其地下變電站的先進(jìn)性，更體現(xiàn)在其框架結(jié)構(gòu)和地上局部1層的設(shè)計(jì)。這不僅使變電站在功能上更為靈活，同時(shí)也為整個(gè)孔提地區(qū)的電力供應(yīng)提供了更加可靠和高效的解決方案。

2 地下變電站常見機(jī)械故障

第一，變壓器作為地下變電站的核心設(shè)備之一，常見的機(jī)械故障包括絕緣老化、溫度過高和油污染。絕緣老化可能導(dǎo)致絕緣擊穿，溫度過高則可能加速老化進(jìn)程，而油污染則會(huì)影響變壓器的冷卻效果。第二，斷路器是地下變電站的關(guān)鍵設(shè)備，用于切斷電路以確保電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。斷路器常見的機(jī)械故障包括觸頭接觸不良、彈簧機(jī)構(gòu)故障和電氣連接問題，導(dǎo)致斷路器無法正常切斷電路，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第三，發(fā)電機(jī)作為地下變電站的核心設(shè)備之一，其機(jī)械故障可能包括軸承故障、繞組故障和勵(lì)磁系統(tǒng)故障，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)無法正常工作，影響電力系統(tǒng)的發(fā)電能力。GIS設(shè)備是一種高壓開關(guān)設(shè)備，用于進(jìn)行電氣隔離和連接。常見的機(jī)械故障包括接觸不良、氣體泄漏和機(jī)械運(yùn)行不暢。這些問題可能導(dǎo)致GIS設(shè)備無法正常操作，影響電力系統(tǒng)的可靠性。第四，電纜是連接各種設(shè)備的關(guān)鍵組成部分，其機(jī)械故障包括絕緣老化、絕緣擊穿和電纜連接頭故障，導(dǎo)致電纜斷路，影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。最后，風(fēng)機(jī)是用于通風(fēng)和冷卻的重要設(shè)備，其機(jī)械故障包括軸承故障、風(fēng)葉損壞和電機(jī)故障，導(dǎo)致設(shè)備過熱，影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1]。

3 地下變電站機(jī)械故障診斷與排除方法

3.1 絕緣測(cè)試和監(jiān)測(cè)

為確保設(shè)備絕緣系統(tǒng)的健康狀況，定期進(jìn)行絕緣測(cè)試是必要的。通過使用專業(yè)的絕緣測(cè)試儀器，可以測(cè)量設(shè)備的絕緣電阻，評(píng)估絕緣是否正常。此外，引入絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)絕緣電阻、電容、介質(zhì)損耗等參數(shù)，可以更全面地了解設(shè)備的絕緣狀態(tài)。一旦系統(tǒng)檢測(cè)到絕緣異常，即可發(fā)出警報(bào)，使運(yùn)維人員能夠迅速采取措施，如維護(hù)、更換老化絕緣材料，確保設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，以提前發(fā)現(xiàn)潛在問題，有效預(yù)防絕緣老化導(dǎo)致的機(jī)械故障。

3.2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)

振動(dòng)監(jiān)測(cè)是地下變電站機(jī)械故障診斷的重要手段。通過布置振動(dòng)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的振動(dòng)情況，可以有效識(shí)別旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的異常運(yùn)行模式。振動(dòng)的頻率、振幅和波形變化可提供關(guān)鍵信息，如軸承故障、機(jī)械不平衡和螺栓松動(dòng)等問題。振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和診斷。一旦檢測(cè)到異常振動(dòng)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，促使運(yùn)維人員采取及時(shí)的維護(hù)措施，避免進(jìn)一步損害設(shè)備[2]。

3.3 紅外熱像法

通過紅外熱像攝像機(jī)捕捉設(shè)備表面的熱分布，可以迅速發(fā)現(xiàn)異常的溫度熱點(diǎn)。機(jī)械故障、電氣故障或連接問題通常伴隨著局部發(fā)熱，紅外熱像法能夠幫助精準(zhǔn)定位這些潛在問題。通過分析熱圖，運(yùn)維人員可以識(shí)別電纜連接頭問題、斷路器接觸不良等熱敏感故障。這項(xiàng)技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了無接觸、無損、快速的檢測(cè)，而且在設(shè)備運(yùn)行過程中也能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化，有助于提前發(fā)現(xiàn)潛在問題，采取及時(shí)維護(hù)，確保地下變電站機(jī)械設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。

3.4 振動(dòng)和聲音分析

振動(dòng)和聲音分析是地下變電站機(jī)械故障診斷的有力工具。通過部署振動(dòng)和聲音傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的振動(dòng)和聲音信號(hào)，可以識(shí)別機(jī)械運(yùn)行中的異常模式。不同故障類型產(chǎn)生獨(dú)特的振動(dòng)和聲音譜，如軸承故障、齒輪嚙合問題等。通過分析頻譜圖和波形，運(yùn)維人員能夠精準(zhǔn)診斷潛在問題。這種無損檢測(cè)方法有助于提前發(fā)現(xiàn)機(jī)械故障的跡象，避免進(jìn)一步損害設(shè)備。振動(dòng)和聲音分析結(jié)合先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械系統(tǒng)狀態(tài)的高度敏感性監(jiān)測(cè)，為地下變電站提供了有效的故障預(yù)警和及時(shí)維護(hù)的手段，從而確保機(jī)械設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

3.5 電流和電壓波形分析

電流和電壓波形分析是地下變電站機(jī)械故障診斷的關(guān)鍵方法之一。通過監(jiān)測(cè)電流和電壓的波形，運(yùn)維人員可以識(shí)別電氣設(shè)備內(nèi)部的異常情況。電氣故障如電器接觸問題、電弧故障等通常表現(xiàn)為波形的不正常變化。通過分析這些波形的頻譜和特征，可以迅速定位潛在問題。電流和電壓波形分析能夠幫助發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中的電氣異常，提供早期故障診斷，有助于采取及時(shí)的維護(hù)措施，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大，以提高故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性，降低設(shè)備的維修成本，確保地下變電站電氣系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[3]。

3.6 GIS設(shè)備的監(jiān)測(cè)

GIS的機(jī)械故障診斷至關(guān)重要，尤其通過對(duì)盆式絕緣子的表面燒損情況分析。觀察導(dǎo)體均壓罩與中心嵌件的燒蝕、黑化和變形情況，關(guān)注外側(cè)圓弧，其中環(huán)氧樹脂澆注材料和金屬制嵌件之間的導(dǎo)電橡膠介質(zhì)是關(guān)鍵。電場(chǎng)強(qiáng)度密集區(qū)位于導(dǎo)電橡膠的臨界處，即金屬嵌件與環(huán)氧樹脂連接的地方。通過沿面放電原理，自由導(dǎo)電微粒受靜電力驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生位移，越過高壓導(dǎo)體和外殼間的氣隙，導(dǎo)致內(nèi)部高壓電場(chǎng)畸變。此過程可能引發(fā)局部放電，形成放電通道，產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象，導(dǎo)致盆式絕緣子凹側(cè)溫度升高，殼體燒蝕。成分分析技術(shù)和微觀形貌觀察顯示，內(nèi)部雜質(zhì)主要來自GIS廠家生產(chǎn)階段掉落的絕緣漆、筒體焊接時(shí)濺落的鋁液，以及GIS裝配過程中懸浮空氣中的粉塵和長(zhǎng)期運(yùn)行中掉落的金屬碎片顆粒等。這些細(xì)致入微的分析為GIS設(shè)備的機(jī)械故障提供了深入的診斷依據(jù)，有助于及時(shí)采取針對(duì)性的維護(hù)措施，確保設(shè)備的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

4 地下變電站機(jī)械優(yōu)化策略

4.1 定期維護(hù)與保養(yǎng)

首先，制訂詳細(xì)的維護(hù)計(jì)劃，明確維護(hù)周期和內(nèi)容。根據(jù)設(shè)備類型和廠家建議，制定不同的維護(hù)頻率，確保不同部件和系統(tǒng)得到全面維護(hù)。在維護(hù)過程中，進(jìn)行設(shè)備的定期清潔，去除表面附著的塵埃、油污和其他污染物，以維護(hù)設(shè)備外觀和散熱效果。定期檢查潤(rùn)滑系統(tǒng)的工作狀態(tài)，更換潤(rùn)滑油，并確保油液質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，以減小機(jī)械磨損和摩擦，延長(zhǎng)零部件壽命。同時(shí)，定期檢查設(shè)備的機(jī)械連接部件，包括螺栓、緊固件等，確保其牢固可靠。針對(duì)易受磨損的零部件，如軸承、齒輪等，進(jìn)行定期檢查和更換，以防止因零部件失效引發(fā)的嚴(yán)重故障[4]。另外，維護(hù)人員應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面的性能檢查，使用測(cè)試儀器測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)，評(píng)估設(shè)備的工作狀態(tài)。通過這些檢查，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題，采取相應(yīng)的維護(hù)措施。此外，定期進(jìn)行設(shè)備的校準(zhǔn)和調(diào)整，以確保其運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

4.2 采用智能維護(hù)技術(shù)

引入物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，建立智能化維護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程管理。智能維護(hù)技術(shù)通過在設(shè)備上部署傳感器，實(shí)時(shí)采集振動(dòng)、溫度、電流等關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)據(jù)。通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行深度處理和挖掘。運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，系統(tǒng)可以學(xué)習(xí)設(shè)備的正常工作模式，識(shí)別異常行為，并發(fā)出預(yù)警信號(hào)。此外，提前預(yù)測(cè)設(shè)備可能出現(xiàn)的問題，準(zhǔn)確判斷設(shè)備壽命，避免因突發(fā)故障引發(fā)的停機(jī)時(shí)間和生產(chǎn)損失。同時(shí)，智能維護(hù)技術(shù)還能根據(jù)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況調(diào)整維護(hù)計(jì)劃，提高維護(hù)的精準(zhǔn)性，減少不必要的停工時(shí)間。

4.3 加強(qiáng)設(shè)備壽命周期管理

首先，建立全面的設(shè)備檔案，包括設(shè)備購(gòu)置日期、制造商信息、使用環(huán)境、維護(hù)記錄等，以準(zhǔn)確評(píng)估設(shè)備的運(yùn)行歷史和當(dāng)前狀態(tài)。其次，采用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過定期的性能評(píng)估和健康檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題，有針對(duì)性地進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。最后，制訂科學(xué)合理的維護(hù)計(jì)劃，包括定期檢查、保養(yǎng)、更換易損件等。在維護(hù)計(jì)劃中考慮設(shè)備的使用壽命和制造商的建議，確保設(shè)備在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，并及時(shí)替換老化部件，防止因零部件失效引發(fā)的嚴(yán)重故障。同時(shí)，進(jìn)行定期的設(shè)備性能評(píng)估，以確定設(shè)備是否能滿足當(dāng)前的運(yùn)行需求。根據(jù)評(píng)估結(jié)果，制訂更新和升級(jí)計(jì)劃，引入新技術(shù)和先進(jìn)設(shè)備，以保持設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)力和適應(yīng)性[5]。

4.4 加強(qiáng)員工培訓(xùn)與技能提升

首先，建立系統(tǒng)的培訓(xùn)計(jì)劃，包括定期的技術(shù)培訓(xùn)、新技術(shù)應(yīng)用培訓(xùn)、安全操作規(guī)程培訓(xùn)等。通過定期培訓(xùn)，維護(hù)人員能夠緊跟技術(shù)發(fā)展步伐，掌握最新的維護(hù)技能和知識(shí)。其次，引入實(shí)操模擬培訓(xùn)，通過模擬設(shè)備故障場(chǎng)景和緊急處理情境，提升維護(hù)團(tuán)隊(duì)的實(shí)際操作能力，不斷增強(qiáng)應(yīng)對(duì)緊急情況的應(yīng)變能力，提高團(tuán)隊(duì)在實(shí)際工作中的操作水平。同時(shí)，開展技能認(rèn)證和評(píng)估機(jī)制，鼓勵(lì)維護(hù)人員主動(dòng)參與培訓(xùn)，并通過認(rèn)證考核，激勵(lì)其不斷提升專業(yè)技能。此外，建立經(jīng)驗(yàn)分享機(jī)制，鼓勵(lì)有經(jīng)驗(yàn)的維護(hù)人員分享實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和解決故障的方法。促進(jìn)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部的知識(shí)共享和交流，形成更為豐富的技術(shù)共同體。最后，與專業(yè)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)合作，引入外部專家進(jìn)行定期培訓(xùn)，讓維護(hù)團(tuán)隊(duì)接觸到不同領(lǐng)域的最佳實(shí)踐和前沿技術(shù)，以打破固有的技術(shù)思維，推動(dòng)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)新。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過對(duì)泰國(guó)孔提地下變電站項(xiàng)目的機(jī)械故障診斷與排除方法的研究，總結(jié)出在現(xiàn)代科技的支持下，振動(dòng)監(jiān)測(cè)、紅外熱像法、電流電壓波形分析等先進(jìn)技術(shù)在地下變電站機(jī)械系統(tǒng)故障排查中具有顯著效果。有效的故障診斷為提高設(shè)備維護(hù)效率、降低損耗提供了關(guān)鍵支持。為進(jìn)一步推動(dòng)地下變電站機(jī)械系統(tǒng)的可維護(hù)性和可靠性，本文提出了相應(yīng)的優(yōu)化策略，以期為未來地下變電站運(yùn)行與維護(hù)提供有益的參考。

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