输电线路状态维修技术及发展前景

摘要 我国传统的输电设备维修工作是以定期进行预防性试验和按一定的周期进行维修的一套制度，互相制约性很强。按一定运行周期安排进行维修，而对设备的运行状态不加判断，因而这种维修管理模式造成了运行维护方面不必要的人力、物力及财力的浪费。而输电线路逐步实行状态维修则是先进的科学的管理方法。但线路状态维修技术目前仍是电力科技前沿科研项目，应该开展综合的、系统地研究工作，争取在不太长的时间里有所突破，并不断完善，努力达到国际先进水平。 关键词 输电线路状态维修 我国现状发展前景 1 概述 最早开展的“预测维修技术”及“可靠性评估”检修技术是由航空航天系统及核电站的维修中提出来的概念。由于世界各国的努力，“可靠性评估”检修技术已在飞机的维修及核电站维修工作中获得广泛深入地应用。近年来已成功地移植于发电厂设备的维修工作之中。 随着电网容量的不断增大以及用户对供电可靠性要求的提高，维修管理的重要性日益显得重要起来。如何采取合理的维修策略和正确决定维修计划，以保证在不降低可靠性的前提下节省维修费用，便成为电力系统的主要课题。 长期以来，输电设备维修常用的定期维修和以定期维修为基础，根据经验决定延长或缩短维修周期的做法已不能满足要求，而是要以设备的运行状态来决定是否维修，换言之，即对输变电设备“状态维修”已经提到了议事日程。 我国对输电设备实行“状态维修”已经做了很多有益的尝试，例如：河南省电力公司开展了以“测盐密指导清扫”，浙江省公司还制订了他们的企业标准“状态维修运行规程”。这都是很好的前期工作，也为我国系统地开展“状态维修技术”研究积累了一些有用的实践经验。 我国电力系统要赶上国际先进水平，尽快与国际接轨，应积极开展输电线路状态维修技术的科学研究。我国国情不同与国外，应在借鉴国外先进方法、设备的同时，积极开展适合我国特色的一些研究工作，并建立起一整套科学管理模式，研究出各类监测设备，完善实时监测及离线监测系统，随时了解输电设备的运行状态，从而指导和管理输电线路的状态维修工作。 2 状态维修技术的内容 电力网的可靠性取决于发、输、变设备的运行可靠性，而对这些设备可靠性的监测及评估是状态维修的重要内容。一般而言，状态维修技术，包涵可靠性评估和预测维修技术二个分支，而这两个技术领域是互相紧密联系又有一定区别的。 状态维修将涉及系统的先进的传感传输技术，信息采集处理技术、干扰抑制技术、模式识别技术、故障严重性分析、寿命估计、可靠性评价等领域。要开展全方位意义上的状态维修将需建立多系统组成的一整套实时监测和数据信号分析系统，研究完善各类监测技术。开发研究各种监测技术和仪器的同时分析、完善各类的测试标准。这需要投入大量的科研经费，组织一批研究人员，进行系统地、深入地研究。 2.1预测性维修 预测性维修是根据对潜伏故障进行在线或离线测量的结果和其他信息来安排维修的技术。其关键是依靠先进的故障诊断技术对潜伏故障进行分类和严重性分析判断，以决定设备（部件）是否需要立即退出运行和应及时采取的应对措施。 故障诊断技术的发展首先决定于能否获取尽可能多的有用的信息，这是数据处理和诊断决策的基础。开发研究各种新型监测仪器（含在线监测仪器）提交诊断水平和决策依据是实施状态维修的前提。对采集到的大量信号进行加工处理要比信号采集本身更困难，因为信号加工和处理的目标是存留有用的信号，而有用的信号要从现场大量的背景干扰信号中去提出，现场的信号信噪比很大，这就要求故障探头信噪比高，灵敏、分辨率高、频带宽、性能良好。这样才能去伪存真，真粗存精，获取真正有用的信号，并进行故障分类，并判断的严重程度等。 2.2可靠性评估 可靠性评估是在对设备或元件的运行状态进行综合监测后，采用概率统计的手段，局部可能故障，对整个系统可靠性影响评估的基础上决定维修计划的一种维修策略。 可靠性评估有对具体设备或单一元件的运行寿命，可能发生故障的时间进行评估，也对整个系统的运行寿命，可能产生故障的时间进行综合评估。对系统的可靠性评估是建立在对单一设备元件可靠性评估的基础之上的，只有逐一对系统中每一设备元件的可靠性评估，才能进一步完成系统的可靠性评估，因而系统的可靠性评估是一个综合的，建立在一定基础之上的，多元的结果。以输电线路为例，输电线路的可靠性评价应建立在杆塔、导线、绝缘子三大部件以及组成这些部件的元件的可靠性评估基础之上。 2.3在线与离线监测技术 输电线路分布在平原及山地，跨越江河，穿过峡谷，最容易受到风、雨、雪、雾、冰、雷等大气环境的影响，同时还受到洪水、滑坡、泥石流等自然灾害的损害，同时工农业污染包括鸟类排便也直接威胁着输电线路的安全运行。 因此，要监测输电线路的运行状态，应是一个全方位多系统组成的一整套实时监测系统。 输电线路要实施全系统在线监测有一定的难度，也无必要，但对于直接影响线路安全的绝缘监测、污情监测、环境监测、雷击监测等要实施在线监测。而对于其他类型的状态监测则可以采用离线的按一定周期的巡回监测系统。 2.3.1在线监测系统 （a）绝缘监测系统 线路的绝缘是线路运行的关键部件。目前挂网运行的绝缘子，包括瓷（棒、支柱）、玻璃及复合绝缘子，应对不良绝缘子及低劣质绝缘子的监测。尤其是复合绝缘子的大量采用，复合绝缘子内绝缘、芯棒、憎水性的消失等的监测。 （b）线路绝缘子污性监测 等值附盐密度自动检测系统的建立，饱和监密的监测系统或绝缘子表面泄漏电流自动检测系统的建立和完善。 无论是用盐密或饱和盐密值的测定来指导清扫，或采用绝缘子表面泄漏电流预警系统来指导清扫，都是要以线路防止污闪事故的发生为前提。 （c）雷击监测系统 近些年，我国的雷电观测基础工作已经在许多省展开，许多省已安装了雷电定位装置，但还存在一些盲区，应该尽快逐步填平补齐雷电定位装置，以形成全国统一的系统。 另外在线路的重点区段安装自动寻迹系统，除准确快捷地找到雷击故障点外，还能立即区分雷电反击或绕击导线。可以有针对性地采取措施开展防雷工作，同时也为防雷工作的理论研究积累数据。 （d）环境监测系统 污情监测很大程度是对大气环境的监测，大气的湿度是造成污闪的重要条件，因此对大气温度、湿度、空气中二氧化硫及各种粉尘、盐份含量的监测非常重要。还可以实施线路导线覆冰自动记录监测系统及导线振动，舞动自动监测系统，以及实现其他灾害性天气的监测等。 2.3.2离线巡回监测系统 （a）接地装置监测 方便快捷的接地装置测量系统，可实现实时巡回检测的测量系统。 （b）导线监测 导线巡回测温装置检查有无过流及异常温升，导线接头及导线磨损断股（悬垂线夹及间隔棒线夹处）的巡检测量系统。 （c）金具监测 各类金具（包括间隔棒）磨损量及剩余强度的监测；金具锈蚀状态的监测。 （d）杆塔监测 塔材锈蚀及腐蚀程度监测；螺栓松动状态监测；塔位、塔身位移、偏斜、拉线盘位移、拉线松紧强度巡回检测系统。 （d）杆塔基础监测 杆塔基础位移，上拔或下沉及腐蚀状况巡回监测。 （f）其他监测 线路导线、金具、绝缘子对无线电干扰、电视干扰的特性监测；可听噪声、地面静电感应场强的巡回监测以及导线弧垂变化，交叉跨越情况变化的监测等。 3 实施状态维修应开展的研究工作 状态维修技术，就目前来看，它涉及到多学科、多领域的系统工程技术问题。一般包括电力系统各部门正在研究的电力前沿科技领域，主要包括先进传感器技术；信息采集处理技术；信息及数据传输技术以及故障信号分类及判别技术等。 3.1先进传感器技术 先进的传感器是实现预测性维修的重要手段，是一个长盛不衰的研究热点。这是因为故障诊断技术的基点是首先取决于能否获取到尽可能多的有用信息，而有用信息的排头兵则是传感器，只有性能先进的传感器，才能获取清晰的高质量的有用信息。这是数据处理和诊断决策的基础。为了提高故障诊断水平，研究各种新型传感器便成为电力系统的研究热点。 输电线路绝缘泄漏电流测量装置，其挂在横担侧第一片绝缘子上的电流互感器，则是典型的传感装置，经过武高所、解放军、通讯工程学院、西安一家公司、澳大利亚一个公司的实际测量及应用中的改进已经有了很大提高，但这一传感器是否属于先进，有待于进行综合评价。 雷电定位装置测量云对地的闪络是捕获空间电磁场的变化。目前通过传感器捕捉到的信号，已能将定位距离误差控制在700m左右，而现在看来这一误差精度还有待提高。而这一误差精度的提高尽管是一个系统工程，但传感的改进也是一个重要的领域。 3.2信息处理技术 对采集到的信号进行加工处理，去掉现场大量的背景干扰信号，从而提取有用的信号，这是信息处理技术的关键。然而现场实测表明，有用的信号能级往往很低，这淹没在大量的背景噪声海洋中，当然信息处理技术的主流是应用硬件滤波器和数字滤波技术，并采用水波变换技术。这不仅可以有效地滤除稳态信号，即滤掉经常遇到的载波信号干扰和噪杂声干扰，同时还可以抑制其他现场测量中不可避免的干扰。这样一些技术的应用，可以把有用的信号从此信号强几个数量级的干扰电平中提取出来。 我国进行了几十年的地面检测绝缘子故障的装置之所以未见结果，也主要是信息处理技术还未获得突破。原来的研究曾走过捕捉、局部放电的脉冲电流、超声波法等等。国内同行还有不少人正在进行研究，例如：电晕指纹波法地面检测不良绝缘子串，脉冲电流法检测不良绝缘子，以及单个绝缘子电晕特性等。 3.3信息及数据传输技术 输电线路的信息与数据传输问题相对于变电设备而言，传输问题则显得较为突出。这里有三个问题，一是传输通道，二是传输距离，三是传输功率问题。 目前已有的传输方式是通过OPGW或ADSS光缆作为传输媒体。或者申请某一频率的无线发射，但由于受到发射功率的限制而在传输距离上受到限制。最近又有人在研究科研移动通讯的通道，GMS或CDMA系统或GPS全球定位系统进行数字传输，但这里有传输容量及数据还原等一系列问题，尚待研究，何时能商业化运作进入工程实用尚待时日。 3.4故障信号分类及判断技术 故障信号的分类是当前信息技术的前沿课题，过去传统一般采用频谱来区分故障类型，这一方法具有较大的局限性，容易造成误判，因为许多不同类型的故障信号频谱有较大部分是重叠的在某一频域内很难加以区分。而还有些故障信号则在多个频域内均有信号，只不过在幅值上有区别，因而采用传统频谱的办法进行故障信号的分类，则使故障信号的分类的研究工作在某种程度上陷入了僵局。而近年研究故障的“指纹特征”以及提取和识别指纹特征的方法成为故障信号分类研究的一个重要领域。 故障信号分类确定后，故障危险程度或者阈值的确定又是一个花大气力研究的问题。 输电线路的试验及测量标准是大量实践经验的总结而要做好送电线路电气的、机械的、环境方面的测试工作，则必需在大量实践的基础上，在理论上总结出确定相关数据及阈值。例如，我国河南超高压运检公司、平顶山供电局及珠海电力局、湖北省超高压局等单位正在开展的“动态的绝缘子表面泄漏电流测量值”来表征绝缘临闪状态的研究及监测工作还是这一方面工作的例证。 但由于污源不同，污染物差异较大，加上自然环境的差异，绝缘子形状的差异以及各级电压下绝缘子工作场强的差异，是否存在一个临闪络前的泄漏电流阈值呢？世界各国有不同的看法，我国几个地方的看法也不尽一致，珠海认为0.25～1mA，河南认为在10～20mA，湖北认为在100mA左右，加拿大认为在100～200mA之间。到底是点状的，还是带状的？是窄带的还是宽带？很大程度要因地制宜，要以现场测量的数据来进行判断。前已述及这主要是测试标准问题，不能脱离运行实践。 3.5可靠性评估及寿命估计 可靠性评估（也即可靠性工程）包含的内容很广泛，大致可分为可靠性理论基础、可靠性应用技术和可靠性管理三个方面。可靠性理论基础包括可靠性数学和可靠性物理等。前者主要是概率论和数理统计等，用于研究失效的规律及设备元件的可靠性评估；后者主要研究失效机理，探索失效的原因。可靠性应用技术包括可靠性指标的确定、系统可靠性设计、失效分析、系统可靠性试验、现场数据的收集与分析、可靠性评价与验证等。可靠性管理主要是应用系统工程的方法，将设备元件在使用过程中的整个寿命周期中的各个阶段的可靠性技术工程有效地组织并管理起来，调动各方面的人员开展可靠性活动。 可靠性评估全程可分为管理、设计、分析、理论、数据、试验和评估七个分支。 可靠性工作贯穿于产品、设备、元件的设计、生产和使用各个阶段，有三个方面的任务： a）根据可靠性定义内容，对产品可靠性提出明确量化要求；确定完成规定功能的含义，并准确地制订完成规定功能的标准，并对时间进行研究，如规定的时间（失效前工作时间为t，设备元件的寿命为T，当设备、元件寿命比规定时间长（即T>t），则为认为设备元件在规定时间内能够完成规定功能。 b）努力提高寻找可靠性的途径，筛选不合格元器件，通过改建设计而达到功能增长； c）在满足规定可靠性的前提下，尽量降低产品设备的重量、体积和费用。 设备元件的可靠性究竟要多高，这实质是一个价值判断问题，需要对诸如功能目的、时间、维修、寿命等进行综合平衡分析。 4 我国开展状态维修的现状 4.1状态维修尚处于起步阶段 我国现阶段对输电线路尚缺乏成熟的技术方法和先进的检测仪器，也缺乏适用于现场的试验和测量标准。但总的说来尚处于探索阶段。由于我国幅源辽阔，各地区地理、气象条件相差甚远，主要污源及污秽介质差异较大。前面叙及的泄漏电流报警装置所涉及的泄漏电流阈值问题就是一个值得深入研究的问题。而以测量盐密值、指导清扫，则是一个更值得商榷的问题，这个盐密是一年的盐密，还是饱和盐密，还是一个阶段的盐密？ 我国仅仅在污情监测报警方面做了一些起步性的工作，而对输电线路的全面监测方面做的工作尚未开展，因而要进行全面规划，期待有关领导重视这一工作，进行人力、物力、财力方面的部署，急取早日启动我国状态维修的一揽子研究计划。 4.2做好前期工作 输电线路的设计、施工验收及投运，是一个完整的过程，新的“架空送电线路运行规程”着重强调了运行单位要重视这一完整的过程。输电线路的运行可靠性，要从线路的初步设计开始抓起。路径、地形、选择、线路绝缘配置、设备材质选择等各方面都不能忽略。因而设计技术、施工安装技术水平的高低也直接影响到输电线路的可靠性，当然运行维护水平要关系到输电线路的可靠性。只有将各个环节的工作做好，有了较好的前期硬件条件，才能提高输电线路的运行可靠性。 也只有对所维护的设备心中有数，才能为逐步实施状态维修铺平道路，才能具有硬件的、软件的基本条件。 5 发展前景 正是由于状态维修技术在航空、航天、核电、发电设备等领域的成功应用，激发了输变电领域的应用热情。而我国从事输变电研究的人员及广大运行维护人员对实行状态维修的呼声和热情很高，也进行了很多有益的尝试。 输电线路传统的巡线，大、中、小修，处理临时缺陷事故，抢修、查找故障点等，日复一日的繁重劳动，困扰着运行维护人员及管理人员。 通过在线及离线监测装置或系统通盘了解输电线路运行状态，通过可靠性分析评估，排定维修计划，将潜伏性故障、消失在萌芽状态，一切都运筹帷幄，尽在掌握之中，这就是实行状态维修之后的美好前景。 6 结论 a）状态维修技术包涵预测性维修技术和可靠性评估两个方面，这两个技术领域是互相紧密相联，但又是各不相同的两个单元。 b）输电线路的绝缘监测、污情监测、雷电监测、环境监测等可实行在线监测；而其余的电气的机械的量可进行巡逻离线监测。 c）要实施状态维修应全面地有计划、有针对性地开展先进传感器技术、信息处理技术，信息及数据传输技术及故障信号分类及判断技术的综合研究。 d）目前我国的输电线路状态维修技术尚处于起步的初级状态，因此要做好前期工作、基础工作，创造条件，逐步过渡实施状态维修。 e）我国输电线路要逐步实施状态维修，尚有许多基础性研究工作及应用研究工作要花大力气进行，但已有了良好的开端，但总的看来，发展前景良好。