電力系統設備狀態監測與故障診斷技術探討

譚國俊

（廣東電網有限責任公司惠州供電局，廣東 惠州 516001）

電力系統設備是現代社會正常運行的關鍵基礎設施，電力設備在長期運行中面臨各種潛在的故障，可能導致設備停運。因此，及時監測設備狀態、準確診斷故障并采取相應措施具有重要意義。電力系統設備狀態監測與故障診斷技術的研究和應用是為了滿足上述需求。通過采用先進的傳感器、數據采集與處理、故障診斷算法等手段，實時監測設備運行狀態、采集關鍵參數數據，并通過分析和識別故障特征，實現對設備健康狀況的準確評估和故障早期預警。

1 電力系統設備狀態監測與故障診斷的意義

（1）提高電力系統的可靠性和穩定性。電力系統設備的狀態監測與故障診斷技術可以及時發現設備的異常狀態和潛在故障，采取相應的預防和修復措施，以提高電力系統的可靠性和穩定性。（2）減少設備故障和損失。電力系統設備的故障往往會導致停電、設備損壞甚至事故發生，給供電系統和用戶帶來嚴重的影響和經濟損失。通過及時監測設備狀態和準確診斷故障，可以提前采取維修和替換措施，避免設備故障的擴大和惡化，降低故障造成的損失和維修成本。（3）提高維護效率和降低成本。傳統的定期檢修維護方法會導致資源浪費和不必要的維護成本。而通過設備狀態監測和故障診斷技術，可以實現對設備的精細化監測和定期維護，減少無效維護和停電時間，提高維護效率和降低成本。具體差異見表1。（4）推動電力系統的智能化發展。通過應用先進的傳感器、數據處理和人工智能技術，實現設備的自動監測和故障診斷，推動電力系統向智能化和自動化的方向邁進。

表1 傳統定期檢修維護方法與設備狀態監測和故障診斷技術之間的差異

2 電力系統設備狀態監測技術

2.1 傳感器技術

（1）溫度傳感器。溫度傳感器是電力系統設備狀態監測中常用的傳感器。它可以測量設備的溫度變化，并將其轉化為電信號進行采集和處理。溫度是評估設備健康狀況和預測故障的重要指標，因為設備的溫度異常通常會提示潛在的故障或過載情況。常見的溫度傳感器包括熱電偶和熱敏電阻。熱電偶利用兩種不同金屬的接觸產生的溫度差電勢來測量溫度，其優點是響應速度快、測量范圍廣。熱敏電阻則是通過材料的電阻隨溫度變化而變化來測量溫度，常見的熱敏電阻包括鉑電阻和負溫度系數熱敏電阻。這些溫度傳感器根據需要安裝在電力設備的關鍵位置，如電機、變壓器、斷路器等，實時監測設備的溫度變化。通過對溫度傳感器采集的數據進行實時監測和分析，及時發現設備的異常溫升和過熱情況，預測可能的故障和設備退化趨勢。這有助于及時采取維護措施，避免設備的進一步損壞和停機時間。

（2）振動傳感器。振動傳感器能測量設備振動情況，將振動信號轉化為電信號進行采集和分析。振動是設備運行時產生的一種動態載荷反應，反映設備的工作狀態、機械振動特性和潛在故障。工作原理基于傳感器中的加速度計或振動測量元件。當設備產生振動時，振動傳感器會測量設備的振動加速度、速度或位移，并將其轉化為電信號。這些信號可以用于監測設備的運行狀態、識別異常振動模式以及預測故障的發生。通過振動傳感器的實時監測，獲得設備的振動頻率、振幅和相位等參數，對設備的運行狀態進行評估。正常工作狀態下的設備通常具有一定的振動特征，而故障或異常情況往往會導致振動頻率和振幅的變化。因此，通過分析振動信號的特征，能識別設備的故障類型，如軸承磨損、不平衡、松動等，及時采取相應的維護措施。

2.2 數據采集與處理

（1）數據采集系統。一是傳感器接口。數據采集系統需要與各種傳感器進行連接，以接收傳感器所測量的物理量數據。傳感器接口需要支持不同類型的傳感器，如溫度傳感器、振動傳感器、氣體傳感器等，能實時獲取傳感器數據。二是數據采集設備。數據采集設備是數據采集系統的核心組件，負責接收傳感器接口傳遞的數據信號。它通常包括模擬信號采集模塊和數字信號采集模塊，用于處理不同類型的信號。數據采集設備還需要具備高速數據采集和存儲能力，以滿足對大量數據的實時采集和處理需求。三是數據傳輸與存儲。采集的數據需要進行傳輸和存儲，以便后續的分析和診斷。數據傳輸通過有線或無線方式實現，例如，以太網、無線局域網或通信網絡等。數據存儲可以使用數據庫或云平臺進行，以確保數據的安全性和可訪問性。四是數據處理與校正。采集到的原始數據可能需要進行處理和校正，以消除噪聲、修正傳感器誤差或標定數據。數據處理包括濾波、采樣率轉換、時序校正等操作，以確保數據的準確性和一致性。五是數據管理與監控。數據采集系統還要提供數據管理和監控功能，數據記錄、查詢、可視化顯示和報警功能。通過數據管理與監控，實時監測設備狀態、趨勢和異常，及時采取相應的措施。

（2）數據處理與分析。第一，數據清洗與預處理。采集的原始數據往往包含噪聲和無效信息，需要進行數據清洗和預處理，以去除異常值、修復缺失數據、消除噪聲干擾等。數據清洗和預處理的目的是確保數據的準確性和一致性，為后續的分析提供可靠的數據基礎。第二，特征提取與選擇。在數據處理過程中，要從原始數據中提取有意義的特征。特征是用來描述設備狀態的關鍵指標，如振動頻率、溫度變化、電流波形等。通過合適的特征提取方法，從海量數據中提取出對設備狀態具有顯著影響的特征，以降低數據的維度和復雜度。第三，數據分析與建模。通過對提取的特征進行分析和建模，揭示數據之間的關聯性和趨勢，并建立合適的數學模型來描述設備狀態與各種影響因素之間的關系。常用的數據分析方法包括統計分析、機器學習、人工智能等，用于發現異常模式、預測設備壽命、識別故障模式等。第四，通過對異常模式識別和故障模式的匹配，快速準確地診斷設備的故障原因并及時采取維修措施。預警系統能提前發現潛在故障，避免設備損壞和生產中斷，提高電力系統的可靠性和安全性。

2.3 狀態監測指標與特征提取

（1）溫度指標。首先，根據不同的應用場景和要求，選擇合適的傳感器以獲取準確和可靠的溫度數據。利用溫度傳感器進行數據采集，獲取設備表面、內部或周圍的溫度信息。采集頻率可以根據需要進行設置，以確保數據的及時性和準確性。其次，通過對溫度數據進行分析和處理，提取出反映設備狀態和異常情況的特征。常見的溫度特征包括平均溫度、最大溫度、溫度變化率、溫度梯度等。這些特征可以揭示設備運行狀況、散熱情況和熱異常等信息。再次，基于提取的溫度特征，建立一定的規則或模型來檢測溫度異常。異常檢測方法包括基于閾值的方法、統計分析方法和機器學習方法等。這些方法能自動識別異常溫度值，并觸發相應的警報或故障診斷程序。最后，通過對溫度數據的長期監測和分析，觀察溫度的趨勢變化。溫度的上升或下降趨勢可能暗示著設備的健康狀態或故障的潛在風險。因此，對溫度趨勢進行分析幫助預測設備的壽命和提前采取維修措施。

（2）振動指標。第一，根據不同的應用場景和要求，選擇合適的傳感器以獲取準確和可靠的振動數據。利用振動傳感器進行數據采集，獲取設備結構的振動信息。采集頻率可以根據需要進行設置，以捕捉到設備的快速振動變化。第二，通過對振動數據進行分析和處理，提取出反映設備狀態和故障特征的振動指標。常見的振動特征包括振動幅值、振動頻率、振動波形、頻譜分析等。這些特征能揭示設備的振動狀況、共振現象和異常振動等信息。第三，基于提取的振動特征，建立一定的規則或模型來檢測振動異常。異常檢測方法包括基于閾值的方法、統計分析方法和機器學習方法等，自動識別異常振動模式，觸發相應的警報或故障診斷程序。第四，通過對振動數據的長期監測和分析，觀察到振動的趨勢變化。振動的增加或減少趨勢可能暗示著設備的健康狀態或故障的潛在風險。因此，對振動趨勢進行分析可以幫助預測設備的壽命和提前采取維修措施。具體見圖1。

圖1 振動指標

3 電力系統設備故障診斷技術

3.1 熱紅外檢測

熱紅外檢測是一種常用的電力系統設備故障診斷技術，它基于紅外熱像儀對設備表面溫度分布的檢測和分析。通過測量設備表面的熱輻射，獲得設備在不同區域的溫度信息，從而識別出潛在的故障和異常情況。一是設備表面溫度檢測。利用紅外熱像儀對電力系統設備的表面進行掃描和測量，獲取設備不同部位的溫度分布情況。二是溫度異常檢測。通過對設備表面溫度的比較和分析，發現設備表面溫度的異常變化，如過高、過低或局部溫度異常升高等情況。三是故障診斷與定位。根據設備不同部位的溫度異常情況，結合設備的特點和工作原理，識別出可能存在的故障類型，如電氣故障、過載、接觸不良等并定位具體故障位置。四是維修決策支持。根據熱紅外檢測結果，提供對設備故障的評估和判斷，為維修決策提供依據。根據故障的嚴重程度和影響范圍，確定維修的優先級和措施。

3.2 高頻局放檢測

高頻局放檢測是一種用于電力系統設備故障診斷的技術，通過檢測設備中產生的高頻局部放電信號來判斷設備是否存在隱患或故障。高頻局放是指在電氣設備中由于絕緣損壞或局部缺陷而引起的高頻放電現象，其頻率通常在10MHz ～1GHz。首先，將高頻局放傳感器安裝在需要檢測的設備表面或附近，傳感器可以是電容式或電磁式的，用于捕捉設備產生的高頻局部放電信號。其次，通過高頻局放傳感器采集的信號，使用專業的設備或儀器進行采集和處理。通常使用高頻放電分析儀或頻譜分析儀來接收和分析高頻局放信號。最后，對采集的高頻局放信號進行分析和診斷。通過分析信號的頻譜特征、幅值、波形形態等來判斷設備的健康狀態和潛在故障。根據分析結果，確定設備的故障類型和位置。

3.3 電流、電壓波形分析

通過對電流和電壓信號的波形特征進行分析，能判斷設備的運行狀態、診斷故障和定位故障位置。第一，使用專用的傳感器或測量設備，對電力系統中的電流和電壓進行準確的采集。常用的傳感器包括電流互感器和電壓互感器，將電流和電壓信號轉化為可測量的電壓或電流信號。第二，將采集的電流和電壓信號進行記錄和存儲。使用示波器、數據采集系統或數字保護裝置等設備，將信號以波形的形式進行顯示和存儲，以備后續的分析和處理。第三，對記錄的電流和電壓波形進行特征提取和分析。通過計算波形的幅值、頻率、相位、諧波含量等指標，來分析波形的形態和特征。也能通過時域分析、頻域分析、小波分析等方法，對波形進行進一步的處理和分析。第四，基于電流和電壓波形的特征，結合故障模型和經驗知識，進行故障的診斷和定位。根據波形的異常特征，可以判斷設備是否存在故障，并確定故障類型和位置，為后續的維修和處理提供指導。

4 結語

本文認為電力系統設備的狀態監測與故障診斷技術在電力系統運行和維護中起著重要作用。通過實時監測設備的狀態參數和采集數據，運用各種先進診斷技術能及時發現設備故障和異常，提前預警，減少故障對電力系統的影響。同時，熱紅外檢測、高頻局放檢測和電流、電壓波形分析等技術能夠幫助檢測設備的異常情況和故障原因。