地下變電站機械故障診斷與排除方法研究

吳彥雙

摘 要： 在地下變電站的運行中，機械故障的診斷與排除是確保電力系統持續穩定運行的關鍵環節。隨著科技的不斷進步，機械故障診斷方法不斷演進，涵蓋了振動監測、紅外熱像法、電流電壓波形分析等多種先進技術。以泰國孔提地下變電站項目為例，通過分析對地下變電站機械故障診斷與排除方法，并提出地下變電站機械優化策略，以提高維護效率，降低設備損耗，從而推動地下變電站機械系統的可靠性和可維護性達到新的高度。

關鍵詞： 地下變電站 機械故障診斷與排除 維護效率 設備損壞

中圖分類號： TM732文獻標識碼： A文章編號： 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 地下變電站項目背景

泰國孔提115 kV地下變電站項目坐落于泰國曼谷市孔堤區，是一座獨具特色的地下變電站。該項目的施工范圍涵蓋地連墻、樁基、鋼支撐、開挖、主體結構、裝飾裝修、電氣系統、機械系統以及室外附屬等多個方面。曼谷孔提地下變電站是該國首個地下變電站項目。項目占地面積相對較小，僅為1 296 m2，這使施工作業面相當狹窄，為各項工作的順利進行增添了難度。同時，由于項目規模較大，交叉施工不可避免，對施工現場管理提出了極高的要求。為了成功完成孔提115 kV地下變電站項目，施工企業將承擔土建工程、氣體絕緣開關設備（Gas Insulated Switchgear，GIS）采購和安裝的責任。土建工程將包括地下結構的施工，涉及樁基和主體結構等方面，而GIS采購和安裝將覆蓋電氣系統的關鍵部分。該項目的獨特性不僅表現在其地下變電站的先進性，更體現在其框架結構和地上局部1層的設計。這不僅使變電站在功能上更為靈活，同時也為整個孔提地區的電力供應提供了更加可靠和高效的解決方案。

2 地下變電站常見機械故障

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

3 地下變電站機械故障診斷與排除方法

3.1 絕緣測試和監測

為確保設備絕緣系統的健康狀況，定期進行絕緣測試是必要的。通過使用專業的絕緣測試儀器，可以測量設備的絕緣電阻，評估絕緣是否正常。此外，引入絕緣監測系統，通過實時監測絕緣電阻、電容、介質損耗等參數，可以更全面地了解設備的絕緣狀態。一旦系統檢測到絕緣異常，即可發出警報，使運維人員能夠迅速采取措施，如維護、更換老化絕緣材料，確保設備長時間運行的穩定性和可靠性，以提前發現潛在問題，有效預防絕緣老化導致的機械故障。

3.2 振動監測

振動監測是地下變電站機械故障診斷的重要手段。通過布置振動傳感器，實時監測設備的振動情況，可以有效識別旋轉機械設備的異常運行模式。振動的頻率、振幅和波形變化可提供關鍵信息，如軸承故障、機械不平衡和螺栓松動等問題。振動監測系統能夠將這些數據傳輸到中央控制系統，進行實時分析和診斷。一旦檢測到異常振動，系統會發出警報，促使運維人員采取及時的維護措施，避免進一步損害設備[2]。

3.3 紅外熱像法

通過紅外熱像攝像機捕捉設備表面的熱分布，可以迅速發現異常的溫度熱點。機械故障、電氣故障或連接問題通常伴隨著局部發熱，紅外熱像法能夠幫助精準定位這些潛在問題。通過分析熱圖，運維人員可以識別電纜連接頭問題、斷路器接觸不良等熱敏感故障。這項技術不僅實現了無接觸、無損、快速的檢測，而且在設備運行過程中也能實時監測溫度變化，有助于提前發現潛在問題，采取及時維護，確保地下變電站機械設備的安全可靠運行。

3.4 振動和聲音分析

振動和聲音分析是地下變電站機械故障診斷的有力工具。通過部署振動和聲音傳感器，實時監測設備的振動和聲音信號，可以識別機械運行中的異常模式。不同故障類型產生獨特的振動和聲音譜，如軸承故障、齒輪嚙合問題等。通過分析頻譜圖和波形，運維人員能夠精準診斷潛在問題。這種無損檢測方法有助于提前發現機械故障的跡象，避免進一步損害設備。振動和聲音分析結合先進的數據處理技術，實現了對機械系統狀態的高度敏感性監測，為地下變電站提供了有效的故障預警和及時維護的手段，從而確保機械設備的長期穩定運行。

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械故障診斷的關鍵方法之一。通過監測電流和電壓的波形，運維人員可以識別電氣設備內部的異常情況。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現設備運行中的電氣異常，提供早期故障診斷，有助于采取及時的維護措施，避免故障進一步擴大，以提高故障檢測的準確性，降低設備的維修成本，確保地下變電站電氣系統的可靠性和穩定性[3]。

3.6 GIS設備的監測

GIS的機械故障診斷至關重要，尤其通過對盆式絕緣子的表面燒損情況分析。觀察導體均壓罩與中心嵌件的燒蝕、黑化和變形情況，關注外側圓弧，其中環氧樹脂澆注材料和金屬制嵌件之間的導電橡膠介質是關鍵。電場強度密集區位于導電橡膠的臨界處，即金屬嵌件與環氧樹脂連接的地方。通過沿面放電原理，自由導電微粒受靜電力驅動，產生位移，越過高壓導體和外殼間的氣隙，導致內部高壓電場畸變。此過程可能引發局部放電，形成放電通道，產生氣體放電現象，導致盆式絕緣子凹側溫度升高，殼體燒蝕。成分分析技術和微觀形貌觀察顯示，內部雜質主要來自GIS廠家生產階段掉落的絕緣漆、筒體焊接時濺落的鋁液，以及GIS裝配過程中懸浮空氣中的粉塵和長期運行中掉落的金屬碎片顆粒等。這些細致入微的分析為GIS設備的機械故障提供了深入的診斷依據，有助于及時采取針對性的維護措施，確保設備的長期可靠運行。

4 地下變電站機械優化策略

4.1 定期維護與保養

首先，制訂詳細的維護計劃，明確維護周期和內容。根據設備類型和廠家建議，制定不同的維護頻率，確保不同部件和系統得到全面維護。在維護過程中，進行設備的定期清潔，去除表面附著的塵埃、油污和其他污染物，以維護設備外觀和散熱效果。定期檢查潤滑系統的工作狀態，更換潤滑油，并確保油液質量符合標準，以減小機械磨損和摩擦，延長零部件壽命。同時，定期檢查設備的機械連接部件，包括螺栓、緊固件等，確保其牢固可靠。針對易受磨損的零部件，如軸承、齒輪等，進行定期檢查和更換，以防止因零部件失效引發的嚴重故障[4]。另外，維護人員應對設備進行全面的性能檢查，使用測試儀器測量關鍵參數，評估設備的工作狀態。通過這些檢查，可以及時發現潛在問題，采取相應的維護措施。此外，定期進行設備的校準和調整，以確保其運行在最佳狀態。

4.2 采用智能維護技術

引入物聯網和大數據分析技術，建立智能化維護系統，實現對設備運行狀況的實時監測和遠程管理。智能維護技術通過在設備上部署傳感器，實時采集振動、溫度、電流等關鍵參數的數據。通過大數據分析技術進行深度處理和挖掘。運用機器學習算法，系統可以學習設備的正常工作模式，識別異常行為，并發出預警信號。此外，提前預測設備可能出現的問題，準確判斷設備壽命，避免因突發故障引發的停機時間和生產損失。同時，智能維護技術還能根據設備的實際運行狀況調整維護計劃，提高維護的精準性，減少不必要的停工時間。

4.3 加強設備壽命周期管理

首先，建立全面的設備檔案，包括設備購置日期、制造商信息、使用環境、維護記錄等，以準確評估設備的運行歷史和當前狀態。其次，采用先進的監測技術，對設備的關鍵參數進行實時監測。通過定期的性能評估和健康檢查，及時發現潛在問題，有針對性地進行維護和修復，延長設備的使用壽命。最后，制訂科學合理的維護計劃，包括定期檢查、保養、更換易損件等。在維護計劃中考慮設備的使用壽命和制造商的建議，確保設備在最佳狀態下運行，并及時替換老化部件，防止因零部件失效引發的嚴重故障。同時，進行定期的設備性能評估，以確定設備是否能滿足當前的運行需求。根據評估結果，制訂更新和升級計劃，引入新技術和先進設備，以保持設備的競爭力和適應性[5]。

4.4 加強員工培訓與技能提升

首先，建立系統的培訓計劃，包括定期的技術培訓、新技術應用培訓、安全操作規程培訓等。通過定期培訓，維護人員能夠緊跟技術發展步伐，掌握最新的維護技能和知識。其次，引入實操模擬培訓，通過模擬設備故障場景和緊急處理情境，提升維護團隊的實際操作能力，不斷增強應對緊急情況的應變能力，提高團隊在實際工作中的操作水平。同時，開展技能認證和評估機制，鼓勵維護人員主動參與培訓，并通過認證考核，激勵其不斷提升專業技能。此外，建立經驗分享機制，鼓勵有經驗的維護人員分享實踐經驗和解決故障的方法。促進團隊內部的知識共享和交流，形成更為豐富的技術共同體。最后，與專業培訓機構合作，引入外部專家進行定期培訓，讓維護團隊接觸到不同領域的最佳實踐和前沿技術，以打破固有的技術思維，推動團隊不斷創新。

5 結語

綜上所述，通過對泰國孔提地下變電站項目的機械故障診斷與排除方法的研究，總結出在現代科技的支持下，振動監測、紅外熱像法、電流電壓波形分析等先進技術在地下變電站機械系統故障排查中具有顯著效果。有效的故障診斷為提高設備維護效率、降低損耗提供了關鍵支持。為進一步推動地下變電站機械系統的可維護性和可靠性，本文提出了相應的優化策略，以期為未來地下變電站運行與維護提供有益的參考。

參考文獻

[1]胡春江，劉康，張廣東，等.GIS設備異響振動信號特性及檢測系統研究[J].電力系統裝備，2019（2）：35-36.

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[3]王超.GIS機械故障振動檢測技術研究[J].內燃機與配件，2020（6）：139-140.

[4]于春輝，曹凱，翟晨龍，等.大型地下變電站交接試驗標準流程及施工工藝[J].東北電力技術，2022，43（1）： 45-49.

[5]李鄢，楊云，姚偉瑾.地下變電站變壓器強油循環水冷卻系統散熱方式優化方案研究[J].農村電氣化， 2023（6）：7-9，59.