電氣設備狀態監測與故障診斷的技術方法

中核四達建設監理有限公司 荊 帥

電氣設備是電力系統中的重要組成部分，其運行狀態的好壞直接關系到企業生產質效。隨著信息技術的日益更迭發展，電氣設備狀態監測技術與故障診斷技術也在日益優化，為企業的穩健發展提供強有力的技術支撐。由于電氣設備的長期高負荷運轉，不可避免的存在諸多安全隱患，加之受外界因素的影響，電氣設備絕緣物體非常容易出現磨損和老化，若不及時采取措施檢修，必定會損傷電氣設備中各元件而致出現故障，埋下安全隱患，造成不可估量的經濟損失，嚴重時還會威脅工作人員的生命安全。

1 電氣設備狀態監測與故障診斷的重要性

當前的電氣設備狀態監測與診斷系統主要由五個單元組成：信息檢出單元。在電氣設備監測過程中該單元由傳感器檢測設備的特征量，同時有效轉換為合適的電信號，依托信號來監測故障信息；數據采集單元。預處理傳感器所傳輸過來的信息數據對信號進行抑制干擾，同時將其進行A/D 轉換，采集過程中還要做好相應記錄；信息傳輸單元。發揮著將采集信息傳送到后續單元，如果是便捷式裝置，信息傳輸單元需對信號進行隔離和變換。若是固定式裝置，需配置專門的信息傳輸單元來彌補因數據處理單元遠離現象；數據處理單元。分析和精準處理所采集的數據信息，如提取特征值、抑制干擾等，這些數據故障監測和診斷提供了強有力的參考；診斷單元。分析比較處理后數據、歷史規程、數據和運行經驗等，進而精準判斷設備狀態和故障部位，為維護人員采取針對性地措施提供強有力的參考依據。

電氣系統中，設備狀態監測與故障診斷技術能全方位地監控電氣設備的運行狀態，第一時間獲取精準的資料，一旦設備暴露出潛在問題就能及時發現并采取措施解決問題，確保電氣設備的安全穩定運行，最大化地保障電氣系統的穩定[1]。特別是隨著社會經濟的高速發展，社會大眾對電力的要求日益提升，一旦發生重大故障則會出現電力供應難題，影響社會大眾的生活和生產需求。因此要全面謀劃、整體設計，依托構建電氣設備狀態監測和診斷體系、依托系統在線監設備的運行狀態診斷設備隱藏的故障（圖1），以便及時采取有效地維修決策措施，最大化確保系統的安全穩定運行，助力電力企業的穩健長遠發展。

圖1 電氣設備狀態監測及診斷體系

2 狀態監測的關鍵技術

2.1 信號采集

由于電氣系統的復雜性決定了不同電氣設備使用性能的差異，為確保其有效運行，需采用不同的監測手段來實時動態監測不同設備的運行狀態，如在監測變壓器運行狀態時，為保障良好的監測效果，工作人員在監測過程中可結合變壓器的機械、電氣特征，使用局部放電、極化波譜等模式實時動態監測變壓器。設備老化和內部絕緣層脫落是引發電氣故障的主要因素，在電氣系統運行過程中交流旋轉電機也經常發生故障，且每次發生的故障位置都不同[2]。對此，技術人員在設備狀態監測中可采取神經網絡方式來監測交流旋轉電機的運行狀態，減少電機運行故障的發生概率。斷路器是電路保護的重要設備，可依托其對動態監測線路電壓值、線路內電流，據此可采用振動監測法和跳閘輪廓法監測斷路器的運行狀態。

2.2 數據傳輸

在現代技術的推動下電氣設備運行狀態監測方式出現新的變化，遠程監測成為主要的實施手段，相較于傳統監測方式，信號處理系統通常與監測設備間存在較遠距離，而其信息反饋的過程易受外部因素干擾或影響，使信號傳輸質量受到影響，使監測系統難以獲取完整的數據，對后續的故障診斷帶來較大難度。為規避上述現象的發生，技術人員通過壓縮和轉換電信號從整體上提高信號傳遞的保密性和安全性，將信息數據進行打包，隨后及時將信息數據傳輸到控制中心，通過高效的數據傳輸提高信息的安全性。隨著信息技術的日益更迭發展，通信信息技術不斷發展，在數字信號處理中引入光纖技術一方面能促進信號傳輸抗干擾能力的增強，另一方面還能滿足遠距離的溝通要求，為社會大眾提供諸多便利[3]。

2.3 械特性在線監測

在真空斷路器的監測內容上，主要以合閘與分閘的速度控制監測為主，這也是其運行狀態監測的關鍵。在真空斷路器的運行中，其分閘速度無論上升或下降均會對真空斷路器的效果產生顯著影響，不僅容易誘發各類故障問題，甚至還會嚴重縮短真空斷路器壽命，增加日常使用的安全風險。而真空斷路器分閘速度下降時則難以有效發揮其實際的功能，導致燃弧時間顯著延長，如不加以關注或者處理勢必會使觸頭受到嚴重磨損，久而久之便會影響其實際性能和正常運行，且將大幅壓縮其使用壽命。

當分閘速度升高時真空斷路器的應力將出現增加趨勢，對于機械設備產生顯著的沖擊，極易導致設備關鍵部件受損，使真空斷路器發生故障問題[4]。在電力系統中真空斷路器是不可或缺的重要部分，為從整體上促進電力系統的安全性和穩定性，技術人員在檢測設備運行狀態的過程中需進一步明確真空斷路器的分閘、合閘斷開時間、運行參數和速度等，同時并采取針對性的措施全方位地進行監控，真空斷路器的狀態監測過程具體為：移位信號采集-控制芯片最小系統-液晶參數顯示-串口通信連接上位機。

3 狀態監測與故障診斷技術方法及應用中注意事項

發電機的狀態監測與故障診斷技術。任何設備長時間高負荷的運行都存在一定的安全隱患問題，發電機也不例外，不可避免的存在安全隱患。為及時發現問題、化解問題，防止故障的擴大化造成不可估量后果，要做好發電機運行狀態監測工作，以便于及時采取措施處理故障。縱觀當前絕大多數發電機監測主要是采用GCM 和FOVM 來完成的，上述設備能夠實時動態監測電機運行過程，一旦電機出現異常情況設備就會報警，技術人員則可及時根據警報的類型采取針對性措施化解危險[3]。另外，系統還能有效收集分析電機的信息數據，對于技術人員而言，則可根據信息數據庫判斷發電機的運行狀態，判斷和評估故障等級。

紅外診斷技術。紅外診斷屬于一種較主流的診斷技術，主要基于計算機技術、圖像處理技術及光電成像技術等融合，利用被測物體所呈現的輻射光譜在顯示設備上進行熱像顯示，以對物體表面溫度進行分析。一般紅外診斷技術可應用于早期絕緣性能或故障進行分析監測，結合現代技術優勢實現預期狀態檢修，有助于電氣設備故障的全面分析。其主要優勢在于可不與被測物體直接接觸，可展現出不解體、不取樣、無距離的優勢，且可利用該技術提升監測準確性、速度性和實時性，能大幅提升監測質量和效率，避免對企業生產經營產生影響，實現監測及診斷成本的控制[6]。由此可見，紅外診斷技術在實踐應用中具有極其顯著的優勢作用，可實現帶電監測與處理，通過帶電設備的熱效應實施直觀分析，全面有效地接收設備的紅外輻射信息，從而完成對電氣設備的監測。從技術性能上看，紅外診斷技術適用于20～2000寬量程范圍的分辨率監測電氣設備的熱致故障，及時診斷出故障的類型及部位。

電容性設備監測與診斷。電容性設備主要指互感器裝置，實施該類裝置的監測時，通常選擇油色譜分析、紅外監測、停電預試等方法。根據狀態監測的實際需求可將其過程劃分為四個環節，即信息檢出、數據采集、信息傳輸、數據處理等。經過一系列的監測后可全面反映數據信息，再由監測技術人員實施專業判斷并生成相應的評估報告，根據具體的故障表現開展設備檢修工作。需要注意的是，停電預試監測時其應與主設備實施有效配合，如在整體停電的情況下監測，若發現電容性設備存在潛在故障，并確定該故障確實存在，則可依據其類型、表現及特點等科學制定停電檢修方案，以保證監測及診斷維修的高效性。如果故障維修時涉及設備解體，則應當在特定的空間內實施。

高壓斷路設備監測與診斷。高壓斷路設備是極為重要的電氣設備之一，在系統中發揮著重要作用。在實施高壓斷路設備的監測與診斷時，需綜合多個方面進行評價分析，如，操作機構是否如何相關程序，載流回路有無符合規范、斷電器絕緣水平有無達標等，通常情況下需滿足各項技術指標和要求，才能夠保證設備的正常有效運行，同時要注重其維修周期的控制，避免超過規定的限值[7]。在設備的狀態監測及故障診斷時，主要以電流數值和跳閘次數監測為主，在相關數據的利用時需綜合記錄和分析，以確定監測的時間及方案，規避設備存在的潛在故障，保證高壓斷路設備的安全穩定運行。高壓斷路器狀態評估內容分類及具體項目如下：運行。噪音、短路、過負荷、油溫；檢修。開關、冷卻器、油泵等附件的運行，本體附件和套管的密封；試驗。油色譜、絕緣電阻、油質試驗、套管介損、本體介損、直流電阻。

依托信息技術進行狀態監測和故障診斷。紅外診斷技術是當前電氣設備監測與診斷技術深受青睞的科技產物，為最大化的發揮紅外診斷技術在電子設備系統中的價值，要去除冗余，保留傳統有效的監測方法和手段。同時要瞄準信息技術的優勢，將其與經典監測方案契合起來，全方位的診斷和監控設備故障，同時還能保障設備監測結果的直觀性、精準性、有效性。

做好相關安排管理工作。由于電氣設備運行的特殊性，在開展監測和故障診斷工作前需提前做好相關準備和管理工作。在實施監測和故障診斷前，技術工作人員要立足于實際全面謀劃、整體設計，制定一個詳細的計劃，加強與其他技術人員的交流溝通，在具體檢修、配電工作中變電人員做好自己的本職工作，認真記錄監測數據，借助系統有效分析數據信息，及時得出診斷報告，所以在開展監測和診斷前要科學安排布置工作，確保各項工作有條不紊的實施。

提高檢修人員的職業素養。隨著信息技術的日益發展，電氣設備技術水平也在日益提升，加大了監測與診斷工作量。為更好地滿足監測和故障診斷需求，企業要通過走出去、引進來加強對技術人員的培訓，依托培養提升其職業素養和綜合素質，滿足設備監測和故障診斷的需求。

總而言之，電氣設備故障診斷的及時性和精準性保障系統的安全運行。因此要從思想上正本清源、固本培元，認識到電氣設備狀態監測和故障診斷的重要性，在今后還要依托信息技術進行狀態監測和故障診斷，做好相關安排管理工作，不斷提高檢修人員的職業素養，進而借助信息技術的“東風”不斷優化設備狀態監測和故障診斷技術，保障電氣設備的安全穩定運行。