電氣設備故障診斷技術與狀態監測研究

劉海峰等

摘 要：素有輸電心臟之稱的發電機、變壓器類電氣設備，對于電力工業的正常運轉起到非常重要的作用，隨著科技的發展以及技術的不斷進步，發電機、變壓器類電氣設備狀態監測技術日益成熟。該文探討了有效利用高新技術，對電氣設備進行故障診斷分析，及時診斷設備故障，不斷完善設備故障診斷能力的相關問題。

關鍵詞：電氣設備 在線狀態監測 故障診斷 技術 研究

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0047-02

電力企業發電機、變壓器類電氣設備的正常運行，不僅影響著電力工業的正常生產，同時，也影響著電力企業的經濟效益。在設備運行中，由于環境、電、熱、機械等各種因素的影響，設備會不可避免地產生運行狀態不佳，嚴重者會發生各種故障，電氣設備的異常或故障如果不能夠及時的排除，就會危及電力系統的安全、穩定。導致電力企業局部乃至大面積停電，給電力企業帶來直接和間接經濟損失。為了確保電氣設備正常運行，我們必須深度挖掘與分析電氣設備故障診斷技術，全面清晰把握設備運行狀態，及時診斷設備故障，同時，利用高新技術，不斷完善狀態監測系統，對于促進電網的安全生產具有重要意義。

1 故障診斷技術與狀態監測的概念

一般來講，故障診斷、故障預報、狀態監測在內容上沒有嚴格的界限，它們都要進行在線檢測、數據分析，目標都是防患于未然，采用的方法很多是一樣的，只不過它們的任務卻不盡相同。故障診斷——是對已發生的故障，根據故障特征進行定位，同時，判斷分析故障發展程度。故障預報——根據故障征兆，預測故障可能發生的位置、時間以及故障的發展程度。狀態監測——是記錄、分類和評估設備的運行狀態，為維護、維修設備提供決策。故障診斷、故障預報、狀態監測這三者之間的區分，主要根據故障發展的時間進程進行區分。如果不能準確判斷已發生故障的位置、程度，不能準確預測未發生的故障時間、位置，其結論不能稱為故障診斷、故障預報，結論只能屬于狀態監測范圍，如圖1所示。

預測或預報故障一定要建模和仿真，而故障診斷也不能僅僅分析故障的外在表現，需要分析和研究故障的機理。依據信號處理和模式識別評估和判斷設備運行狀態的狀態監測相對容易實現，但是，狀態監測只是一種初級的手段，要得到準確的結論非常不容易。因此，狀態監測應該包括以下任務，一是建立設備運行的歷史檔案，積累設備運行的資料和數據；二是根據歷史檔案、運行狀態等級等資料和數據，對設備運行狀態進行判斷，判斷設備運行是正常還是異常，如果設備已經出現故障特征或征兆，要根據歷史檔案、運行狀態等級判斷故障的性質和程度；三是積極評估設備的運行狀態，并對評估的結果進行分類，如果已經形成了一定的標準，為實施狀態檢修提供理論依據。其理論依據如圖2所示。

2 電氣設備故障診斷技術與在線狀態監測

電氣設備故障診斷技術與在線狀態監測包括信號檢測、數據采集、數據處理等基本過程，通過振動、流量、光、電、溫度、化學等各種傳感器檢測出設備的狀態信號，同時，傳輸，轉換，采集，處理這些狀態信號，然后，數據采集單元采集這些狀態信號并存儲于存儲器中。為了提高采集過程中的抗干擾能力，傳送載體多采用光纜或數字信號傳輸。進行數據處理時，依據所得的特征信號，采用模糊邏輯、專家系統等診斷方法得出診斷結果。電氣設備在線監測技術比較常用的有三種，一是局部放電監測技術；二是介損監測技術；三是油色譜監測技術。局部放電在線監測技術有四種監測法，一是中性點禍合監測法；二是超聲波監測法；三是電容器禍合監測法；四是電、超聲波聯合監測法。介損監測技術主要應用于采用電容式絕緣結構的設備上，介損監測技術主要監測介損，電容，泄漏電流等介電特性。介損監測技術一般依靠相對測量方法，在同一個變電站中，通過比較足夠數量的容性設備，發現變化較大的容性設備。現有設備絕緣監測比較常用的方法應屬于油中氣體分析法（DGA），油中氣體分析法（DGA）也是油色譜監測技術比較成熟的分析方法。在電和熱的作用下，有機絕緣材料以及充油電氣設備的絕緣油會產生分解和老化等現象，進而產生少量的氫氣、一氧化碳、二氧化碳以及多種低分子烴類氣體等氣體，如果設備內部存在潛伏性故障，產生這些氣體的速度就會加快，因此，我們可以分析監測這些特征氣體，利用這些氣體的產氣速率判斷充油電氣設備內部故障。故障不同產生的氣體也不同，通過分析設備內部油中氣體的成分、含量，可以判斷設備內部故障的類型以及設備故障的嚴重程度，達到診斷的目的，下面以介損監測監測技術為例分析。

作為對電力設備絕緣性能進行衡量的重要指標之一，介質損耗因數一直以來都是用于西林電橋測量。對電力設備絕緣，流經絕緣的電流 i的相位超前絕緣兩端電壓u的相位小于π/2弧度，介質損耗角δ=（π/2）一。使用數字化測量技術就是通過先測量，然后按公式計算來求得介質損耗角δ。介質損耗角的數字化測量方法主要有過零點時差法和正弦波參數法。

3 基于LM-BP網絡的變壓器故障診斷

對于變壓器的狀態監測，目前，國內外多采用超聲定位技術、紅外技術局部放電監測，如果是充油式變壓器，我們不僅要定期有效的離線色譜分析充油式變壓器油中溶解氣體，還要研究應用微水分析技術研究在線油中溶解氣體。通常采用數字化在線測量技術監測變壓器的高壓套管，采用有載故障診斷在線裝置監測故障較多的有載調壓開關，測量有載調壓開關電氣回路以及觸點磨損及機械等。

在變壓器正常運行時，變壓器中的油與油中的固體絕緣材料會產生微妙的反應，緩慢地產生少量氣體，主要是各種低分子烴類（還包括CO、CO2）氣體。局部放電、電弧現象已經局部過熱是變壓器內發生化學反應產生氣體的主要原因。產生的氣體主要有H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2等。

對于變壓器油中溶解氣體的標準在DL/T722-2000《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》進行了規定，只要其中任何一項指標超過規定值，就應該引起注意，查出產生氣體的原因，或著進行連續的檢測，評估其內部有無故障或存在故障的嚴重性，并對其發展趨勢做出評估。在表1中給出了變壓器的正常油中溶解氣體的含量。利用上述方法可以直觀方便地對變壓器的故障進行分析。對于故障的定性分析在表2中已詳細列出。

除此之外，還要監測變壓器的負載電流及電壓，監測變壓器的風扇運行、冷卻泵、油溫等參數。變壓器狀態監測主要涉及到冷卻系統、液體絕緣、氣體絕緣等主體部件，擬診斷的故障主要有機械故障、過熱兼放電故障和進水受潮等；一般情況下，采用電脈沖信號法和超聲法監測與診斷局部放電。依據溶解平衡原理分析油中溶解氣體組分含量（DGA），采用真空、滲透膜、氣體洗脫等脫氣方法將油中氣體脫出，再用分離柱進行分離，然后，再對不同組分氣體進行檢測，或用不同原理的傳感器檢測，或者通過檢測器檢測（如TCD、FID等）。然后，再依據多維圖視法或組分比值法，按照離線定期試驗和電氣試驗結果，綜合分析診斷出潛伏性故障。近些年，油中溶解氣體組分含量分析技術不斷發展，如：紅外檢測技術、復合滲透膜技術等也得到了很大的發展。

4 結語

綜上所述，電氣設備故障診斷技術與狀態監測能夠有效的反映設備的運行狀態，同時，及早發現運行設備存在的潛伏性故障。當前，應用的故障診斷技術與狀態監測有很多種，該文主要比較分析了在線技術、發電機、變壓器等幾種情況，并分析了尚存在的一些問題。同時，根據設備狀態提出處理措施，這樣，不僅可以減免不必要的維修干擾，有效地降低電氣設備的運行成本，還可以不同程度地延長設備服役期，實行科學化設備管理，采取有力措施，確保電力設備安全經濟運行。

參考文獻

[1] 龔偉.電氣設備在線狀態監測與故障診斷系統技術的研究[J].科技資訊，2007（14）：64-65.

[2] 徐淑文.對輸變電設備狀態檢修輔助決策系統的研究[C]//2010年全國輸變電設備狀態檢修技術交流研討會論文集.2010：779-784.