電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)

1、電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù) 1前言1.1狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的含義電氣設(shè)備在運(yùn)行中受到電、熱、機(jī)械、環(huán)境等各種因素的作用，其性能逐漸劣化，最終導(dǎo)致 故障。特別是電氣設(shè)備中的絕緣介質(zhì)，大多為有機(jī)材料，如礦物油、絕緣紙、各種有機(jī)合成 材料等，容易在外界因素作用下發(fā)生老化。電氣設(shè)備是組成電力系統(tǒng)的基本元件，一旦失效，必將引起局部甚至廣大地區(qū)的停電，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響?！氨O(jiān)測(cè)” 一詞的含義是為了特殊的目的而進(jìn)行的注視、觀察與校核。設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)是利用各種傳感器和測(cè)量手段對(duì)反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的物理、化學(xué)量進(jìn)行檢測(cè)，其目的是為了判明設(shè)備是否處于正常狀態(tài)。“診斷” 一詞原是一醫(yī)學(xué)名詞，指醫(yī)生對(duì)

2、收集到的病人癥狀（包括醫(yī) 生的感觀所感覺到的、病人自身主觀陳述以及各種化驗(yàn)檢測(cè)所得到的結(jié)果）進(jìn)行分析處理、 尋求患者的病因、了解疾病的嚴(yán)重程度及制訂治療措施與方案的過程。設(shè)備的“故障診斷” 借用了上述概念，其含義是指這樣的過程： 專家根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)所得到的各測(cè)量值及其運(yùn)算處 理結(jié)果所提供的信息， 采用所掌握的關(guān)于設(shè)備的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行推理判斷，找出設(shè)備故障的類型、部位及嚴(yán)重程度，從而提出對(duì)設(shè)備的維修處理建議。簡(jiǎn)言之，“狀態(tài)監(jiān)測(cè)”是特征量的收集過程，而“故障診斷”是特征量收集后的分析判斷過程。廣義而言，“診斷”的含義概括了 “狀態(tài)監(jiān)測(cè)”和“故障診斷”：前者是“診”；后者是“斷”。1.2狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故

3、障診斷技術(shù)的意義電氣設(shè)備特別是大型高壓設(shè)備發(fā)生突發(fā)性停電事故，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。提高電氣設(shè)備的可靠性，一種辦法是提高設(shè)備的質(zhì)量，選用優(yōu)質(zhì)材料及先進(jìn)工藝，優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理選擇設(shè)計(jì)裕度，力求在工作壽命內(nèi)不發(fā)生故障。但這樣會(huì)導(dǎo)致制造成本增加。此外，設(shè)備在運(yùn)行中，總會(huì)逐漸老化，而大型設(shè)備不可能象一次性工具那“用過即丟”。因此，另一方面，必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行必要的檢查和維修，這構(gòu)成了電力運(yùn)行部門的重要工作內(nèi)容。 早期是對(duì)設(shè)備使用直到發(fā)生故障，然后維修，稱為事故維修。但是，如前所述，對(duì)于大型設(shè) 備，突發(fā)性事故將造成巨大損失。其后，發(fā)展成定期試驗(yàn)和維修，即預(yù)防性維修。現(xiàn)在，定期預(yù)防性試驗(yàn)和維修已

4、在電力部門 形成制度，對(duì)減少和防止事故的發(fā)生起到了很好的作用。但預(yù)防性試驗(yàn)是離線進(jìn)行的，有很多不足之處：1）離線試驗(yàn)需停電進(jìn)行，而不少重要電力設(shè)備輕易不能停止運(yùn)行。2）停電后設(shè)備狀態(tài)（如作用電壓、溫度等）和運(yùn)行中不符，影響判斷準(zhǔn)確度。3）由于是周期性定期檢查， 而不是連續(xù)地隨時(shí)監(jiān)測(cè)， 設(shè)備仍可能在試驗(yàn)間隔期間發(fā)生故障， 即造成維修不足。4）由于是定期檢查和維修，設(shè)備狀態(tài)即使良好時(shí)，按計(jì)劃仍需進(jìn)行試驗(yàn)和維修，造成人力 物力浪費(fèi)，甚至可能因拆卸組裝過多而造成損壞，即造成所謂維修過度。因此，目前正在發(fā)展以狀態(tài)監(jiān)測(cè)（通常是在線監(jiān)測(cè)）和故障診斷為基礎(chǔ)的狀態(tài)維修。其基本原理可簡(jiǎn)述如下。 設(shè)備的劣化、缺陷的

5、發(fā)展雖然具有統(tǒng)計(jì)性，發(fā)展的速度也有快慢， 但大多具有一定的發(fā)展期。在這期間，會(huì)產(chǎn)生各種前期征兆，表現(xiàn)為其電氣、物理、化學(xué)等特性發(fā) 生少量漸進(jìn)的變化。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、光電技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和各種傳感技術(shù) 的發(fā)展，可以對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行在線的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)取得各種即使是微弱的信息。對(duì)這些信息進(jìn)行處理和綜合分析后，根據(jù)其數(shù)值的大小及變化趨勢(shì)，可對(duì)設(shè)備的可靠性隨時(shí)作出判斷 和對(duì)設(shè)備的剩余壽命作出預(yù)測(cè)，從而能早期發(fā)現(xiàn)潛伏的故障，必要時(shí)可提供預(yù)警或規(guī)定的操 作。狀態(tài)監(jiān)測(cè)（在線監(jiān)測(cè)）與故障診斷技術(shù)的特點(diǎn)是可以對(duì)電氣設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行連續(xù) 或隨時(shí)的監(jiān)測(cè)與判斷，故可避免上述預(yù)防性試驗(yàn)的缺點(diǎn)。在線監(jiān)測(cè)和離

6、線試驗(yàn)也不是對(duì)立的，而是相輔相成的。如在線監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)事故隱患后，必要時(shí)在離線狀態(tài)下進(jìn)行更為徹底的全面檢查。采用狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)后，可以使預(yù)防性維修向預(yù)知性維修即狀態(tài)維修過渡，從“到期必修”過渡到“該修則修”。狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)有很大的難度。潛伏性故障前期征兆的信號(hào)通常極為微弱，而運(yùn)行條件下現(xiàn)場(chǎng)又存在強(qiáng)烈的電磁干擾。因此，抑制各種干擾，提高信噪比是在線監(jiān)測(cè)中首先必須解決的難題。此外，監(jiān)測(cè)到的各種特征量和設(shè)備的狀態(tài)通常也不是一一對(duì)應(yīng)的，而具有錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系。如果說離線的預(yù)防性試驗(yàn)結(jié)果的分析，已經(jīng)積累了大量經(jīng)驗(yàn)，據(jù)此可以制訂出相應(yīng)的規(guī)程推廣施行（當(dāng)然也需要根據(jù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不斷加以修訂補(bǔ)

7、充）；那么對(duì)于在線診斷現(xiàn)在則仍處于研究試行、積累經(jīng)驗(yàn)的階段。發(fā)展在線診斷技術(shù)，既需對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)及其老化機(jī)理有深入的了解， 也需應(yīng)用傳感、微電子等高新技術(shù)。 它是具有交叉學(xué)科性質(zhì)的一 門新興技術(shù)，有重大的學(xué)術(shù)意義，也有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。1.3狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的發(fā)展概況國(guó)外對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的研究，始于60年代。各發(fā)達(dá)國(guó)家都很重視。但直到7080年代，隨著傳感、計(jì)算機(jī)、光纖等高新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，設(shè)備在線診斷技術(shù)才真正得到迅速發(fā)展。 加拿大、日本、前蘇聯(lián)等國(guó)陸續(xù)研制了油中溶解氣體，變壓器、發(fā)電機(jī)、氣體絕緣封閉組合電器（GIS）等的局部放電，電容型設(shè)備的介質(zhì)損耗因數(shù)（ tga ）等特

8、性， 交鏈聚乙烯電纜的泄漏電流等等的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中少數(shù)已發(fā)展成為正式產(chǎn)品。國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議于1990年發(fā)表了關(guān)于電氣絕緣診斷技術(shù)的綜述性報(bào)告，對(duì)這一領(lǐng)域截止80年代未的研究成果作了系統(tǒng)的總結(jié)。我國(guó)對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的重要性也早已認(rèn)識(shí)。60年代就提出過不少帶電試驗(yàn)的方法，但由于操作復(fù)雜，測(cè)量結(jié)果分散性大，沒有得到推廣。80年代以來，隨著高新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，我國(guó)的電氣設(shè)備在線診斷技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。由于我國(guó)工業(yè)發(fā)展迅速，用電一直緊張，加之部分設(shè)備故障率較高，因此，對(duì)于推行在線診斷技術(shù)以提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性更為迫切。我國(guó)高等院校和電力部門科研院所的不少有關(guān)專業(yè)都相繼開展 了這

9、方面的研究。自1985年以來，由電力部主持，先后三次（分別在安徽、湖北、廣東三 ?。┱匍_了全國(guó)電力設(shè)備絕緣帶電測(cè)試、診斷技術(shù)交流會(huì)，不僅進(jìn)行了學(xué)術(shù)交流，而且就如何發(fā)展和推廣在線診斷技術(shù)開展了討論?？梢哉J(rèn)為，我國(guó)電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的研究和國(guó)際上是同步發(fā)展的，處于幾乎相同的水平。由于狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的難度， 不論是國(guó)內(nèi)，還是國(guó)外，除個(gè)別項(xiàng)目以外， 大多還不 很成熟，仍處于研究發(fā)展階段。 由于客觀的需要，相信這門技術(shù)一定能迅速發(fā)展成長(zhǎng)， 從而 對(duì)提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行水平發(fā)揮巨大的作用。1.4狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的組成1.4.1系統(tǒng)分類監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)可分成以下幾種類型：1）簡(jiǎn)易式：功

10、能簡(jiǎn)單。如模擬量監(jiān)測(cè)裝置，機(jī)械式或熒光屏顯示。又如便攜式數(shù)據(jù)采集器， 由數(shù)碼管顯示或?qū)⒉傻脭?shù)據(jù)帶回，輸入計(jì)算機(jī)處理。2）以單片機(jī)為核心的監(jiān)測(cè)裝置：以單片機(jī)為核心，結(jié)合傳感器、多路開關(guān)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、微型打印機(jī)和固化在可編程序存儲(chǔ)器中的軟件，可組成最簡(jiǎn)單的連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。3）以計(jì)算機(jī)為核心的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：采用單臺(tái)計(jì)算機(jī)代替單片機(jī)，可以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，增加分析診斷功能?？砂l(fā)展為分級(jí)管理的分布式監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)（見7.3）。1.4.2基本單元監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)包括以下基本單元。1）信息的檢出及適配單元：由相應(yīng)的傳感器從待測(cè)設(shè)備上檢出反映設(shè)備狀態(tài)的物理量（特 征量）并將其轉(zhuǎn)換為合適的電信號(hào)，向后續(xù)單元傳送。

11、2）數(shù)據(jù)采集及前置單元：對(duì)傳感器變送來的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，主要是對(duì)混雜在信號(hào)中的干擾進(jìn)行抑制以提高信噪比。對(duì)經(jīng)過預(yù)處理的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及采集記錄。3）信息的傳輸單元：將采集到的信息傳送到后續(xù)單元。對(duì)于固定式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，因數(shù)據(jù)處理單元遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)，故需配置專門的信息傳輸單元；對(duì)便攜式檢測(cè)裝置，只需對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q和隔離。4）數(shù)據(jù)處理單元：對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，例如讀取特征值，作時(shí)域頻域分析、 平均處理等，為診斷提供有效的數(shù)據(jù)。5）診斷單元：對(duì)處理后數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)、判據(jù)、規(guī)程以及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等進(jìn)行分析比較，對(duì)設(shè)備的狀態(tài)及故障部位作出判斷，為采取進(jìn)一步措施（如需否退出運(yùn)行、 安排維修計(jì)劃等）

12、提供依據(jù)，必要時(shí)提供預(yù)警。由于特征量和狀態(tài)不是一一對(duì)應(yīng)，需作綜合性的分析與判斷，專家的經(jīng)驗(yàn)會(huì)發(fā)揮重要作用。人 工智能的重要分支 C專家系統(tǒng)在診斷技術(shù)中的應(yīng)用已得到重視。2電容型設(shè)備的監(jiān)測(cè)與診斷 2.1概述電介質(zhì)的耐電強(qiáng)度通常隨其厚度的增加而下降，因此電力電容器常由一些極間介質(zhì)厚度較小的電容元件串聯(lián)組成。電容型套管、電容型電流互感器的絕緣中也設(shè)有一些均壓電極，將較厚的絕緣分隔為若干份較薄的絕緣，也形成了電容串聯(lián)結(jié)構(gòu)。由于結(jié)構(gòu)上的這一共同特點(diǎn)，電力電容器、耦合電容器、電容型套管、電容型電流互感器以及電容型電壓互感器等統(tǒng)稱為電容型設(shè)備。設(shè)電容型設(shè)備的絕緣完好時(shí)，流經(jīng)絕緣的電流超前電壓U的相位

13、9;為兀/2弧度（見圖1 ）。相對(duì)于其他電氣設(shè)備， 電容型設(shè)備的工作電場(chǎng)強(qiáng)度較高，長(zhǎng)期工作后設(shè)備絕緣可能發(fā)生局部損壞，即絕緣老化，此時(shí)流經(jīng)絕緣的電流變化為。由圖1可看出，監(jiān)測(cè)電流值的變化 I/I、絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù) tga （相應(yīng)于電流相量的實(shí)部）以及電容量的變化 C/C （相應(yīng)于 電流相量的虛部），可判斷電容型設(shè)備是否已有絕緣缺陷。2.2介質(zhì)損耗因數(shù)監(jiān)測(cè)介質(zhì)損耗因數(shù)是衡量電力設(shè)備絕緣性能的重要指標(biāo)之一，長(zhǎng)期以來大多用西林電橋測(cè)量。在線監(jiān)測(cè)要求測(cè)量過程自動(dòng)化，不宜采用電橋，改為采用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)。對(duì)電力設(shè)備絕緣，流經(jīng)絕緣的電流i的相位超前絕緣兩端電壓 u的相位 小于兀/2弧度，介 質(zhì)損耗角a

14、=（兀/2）-。使用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)就是通過先測(cè)量，然后按公式計(jì)算來求得介質(zhì)損耗角a。以下將介紹兩種介質(zhì)損耗角的數(shù)字化測(cè)量方法：過零點(diǎn)時(shí)差法和正弦波參數(shù)法。2.2.1過零點(diǎn)時(shí)差法流經(jīng)絕緣的電流i和絕緣兩端的電壓u是頻率f為約50Hz的正弦波。過零點(diǎn)時(shí)差法是在時(shí)域中，通過脈沖計(jì)數(shù)來測(cè)量正弦電流、電壓由負(fù)變正過零點(diǎn)的時(shí)差 T,再換算為i超前u的相位差，并進(jìn)而算得介質(zhì)損耗角6的一種方法。已知正弦波的周期 T=1/f ,在測(cè)得過零點(diǎn)時(shí)差 T 后，易知 © =2 兀（ T/T）,而 6 =（兀 /2）-=（兀 /2） -2 兀（ T/T）。為采用脈沖計(jì)數(shù)流來測(cè)量過零點(diǎn)時(shí)差，要將正弦波形的電流i（

15、t）、電壓u（t）整形為相應(yīng)的方波A、B,如圖2所示。應(yīng)用方波 A - B來控制脈沖計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)基脈沖的計(jì)數(shù)，若計(jì)數(shù)器計(jì) 得的脈沖數(shù)為 n,而時(shí)基脈沖的重復(fù)周期為c ,則 T-nr .。當(dāng)c以微秒計(jì)時(shí)，測(cè)量裝置對(duì)、也即對(duì)6的分辨為兀t X 10-4?？芍獮槭寡b置具有必需的分辨率，時(shí)期脈沖的重復(fù)周 期t應(yīng)足夠短。2.2.2正弦波參數(shù)法設(shè)流經(jīng)絕緣的電流i=Imsin( 3 t+ i),絕緣兩端的電壓 u=Umsin( 31+ u)。正弦波參數(shù)法是通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將電流、電壓信號(hào)離散化后，應(yīng)用一定的算法，求得正弦波參數(shù)Im、 i、Um、 u,再計(jì)算出i超前u的相伴差，并進(jìn)而算得介質(zhì)損耗角a的一種方法。

16、2.3電容量監(jiān)測(cè)可分別求得電流、 電壓的有效值I、U。C可由下面公式求得：在對(duì)流經(jīng)絕緣的電流I(t )和絕緣兩端電壓 u(t )采樣后, 監(jiān)測(cè)裝置同時(shí)測(cè)量工頻電壓的頻率f。設(shè)備的電容量實(shí)際上，當(dāng)tga小于0.1時(shí)，按近似式算得的電容值的誤差可以忽略。2.4三相不平衡電流監(jiān)測(cè)理論分析表明，與監(jiān)測(cè)介質(zhì)損耗因數(shù)或電容量的變化相比，監(jiān)測(cè)流經(jīng)絕緣電流的變化對(duì)發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷更為靈敏。 然而，電流監(jiān)測(cè)裝置經(jīng)常流過正常電流，當(dāng)此電流發(fā)生微弱變化時(shí)，裝置很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)。但若電流監(jiān)測(cè)裝置同時(shí)監(jiān)測(cè)三相設(shè)備的絕緣，則設(shè)備狀態(tài)正常時(shí)，三相電流平衡，流經(jīng)裝置的電流為零。這種情況下，若某相絕緣出現(xiàn)缺陷，流經(jīng)該相絕緣的電流發(fā) 生微弱變化，因而出現(xiàn)三相不平衡電流，監(jiān)測(cè)裝置能很靈敏地發(fā)現(xiàn)此電流，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)故圖3為監(jiān)測(cè)三相不平衡電流的原理線路圖。電容型設(shè)備ZA、ZB、ZC分別處于三相電壓 A、B、 C的作用下，其絕緣中流通電流A、B、 Co為了檢測(cè)這些電流，在每相設(shè)備的接線處分別接入檢測(cè)單元(電阻、電容或電流傳感器)Za、Zb、Zc,由于其阻抗值比 ZA、ZB、ZC小得多，它們的接入對(duì)流經(jīng)三相絕緣的電流值幾乎沒有影響。檢測(cè)單元的輸出電