電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)與狀態(tài)監(jiān)測研究

劉海峰等

摘 要：素有輸電心臟之稱的發(fā)電機、變壓器類電氣設(shè)備，對于電力工業(yè)的正常運轉(zhuǎn)起到非常重要的作用，隨著科技的發(fā)展以及技術(shù)的不斷進步，發(fā)電機、變壓器類電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)日益成熟。該文探討了有效利用高新技術(shù)，對電氣設(shè)備進行故障診斷分析，及時診斷設(shè)備故障，不斷完善設(shè)備故障診斷能力的相關(guān)問題。

關(guān)鍵詞：電氣設(shè)備 在線狀態(tài)監(jiān)測 故障診斷 技術(shù) 研究

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

電力企業(yè)發(fā)電機、變壓器類電氣設(shè)備的正常運行，不僅影響著電力工業(yè)的正常生產(chǎn)，同時，也影響著電力企業(yè)的經(jīng)濟效益。在設(shè)備運行中，由于環(huán)境、電、熱、機械等各種因素的影響，設(shè)備會不可避免地產(chǎn)生運行狀態(tài)不佳，嚴重者會發(fā)生各種故障，電氣設(shè)備的異?；蚬收先绻荒軌蚣皶r的排除，就會危及電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定。導(dǎo)致電力企業(yè)局部乃至大面積停電，給電力企業(yè)帶來直接和間接經(jīng)濟損失。為了確保電氣設(shè)備正常運行，我們必須深度挖掘與分析電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)，全面清晰把握設(shè)備運行狀態(tài)，及時診斷設(shè)備故障，同時，利用高新技術(shù)，不斷完善狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對于促進電網(wǎng)的安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 故障診斷技術(shù)與狀態(tài)監(jiān)測的概念

一般來講，故障診斷、故障預(yù)報、狀態(tài)監(jiān)測在內(nèi)容上沒有嚴格的界限，它們都要進行在線檢測、數(shù)據(jù)分析，目標(biāo)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(wù)卻不盡相同。故障診斷——是對已發(fā)生的故障，根據(jù)故障特征進行定位，同時，判斷分析故障發(fā)展程度。故障預(yù)報——根據(jù)故障征兆，預(yù)測故障可能發(fā)生的位置、時間以及故障的發(fā)展程度。狀態(tài)監(jiān)測——是記錄、分類和評估設(shè)備的運行狀態(tài)，為維護、維修設(shè)備提供決策。故障診斷、故障預(yù)報、狀態(tài)監(jiān)測這三者之間的區(qū)分，主要根據(jù)故障發(fā)展的時間進程進行區(qū)分。如果不能準(zhǔn)確判斷已發(fā)生故障的位置、程度，不能準(zhǔn)確預(yù)測未發(fā)生的故障時間、位置，其結(jié)論不能稱為故障診斷、故障預(yù)報，結(jié)論只能屬于狀態(tài)監(jiān)測范圍，如圖1所示。

預(yù)測或預(yù)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(xiàn)，需要分析和研究故障的機理。依據(jù)信號處理和模式識別評估和判斷設(shè)備運行狀態(tài)的狀態(tài)監(jiān)測相對容易實現(xiàn)，但是，狀態(tài)監(jiān)測只是一種初級的手段，要得到準(zhǔn)確的結(jié)論非常不容易。因此，狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)該包括以下任務(wù)，一是建立設(shè)備運行的歷史檔案，積累設(shè)備運行的資料和數(shù)據(jù)；二是根據(jù)歷史檔案、運行狀態(tài)等級等資料和數(shù)據(jù)，對設(shè)備運行狀態(tài)進行判斷，判斷設(shè)備運行是正常還是異常，如果設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)故障特征或征兆，要根據(jù)歷史檔案、運行狀態(tài)等級判斷故障的性質(zhì)和程度；三是積極評估設(shè)備的運行狀態(tài)，并對評估的結(jié)果進行分類，如果已經(jīng)形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)，為實施狀態(tài)檢修提供理論依據(jù)。其理論依據(jù)如圖2所示。

2 電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)與在線狀態(tài)監(jiān)測

電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)與在線狀態(tài)監(jiān)測包括信號檢測、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等基本過程，通過振動、流量、光、電、溫度、化學(xué)等各種傳感器檢測出設(shè)備的狀態(tài)信號，同時，傳輸，轉(zhuǎn)換，采集，處理這些狀態(tài)信號，然后，數(shù)據(jù)采集單元采集這些狀態(tài)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(shù)字信號傳輸。進行數(shù)據(jù)處理時，依據(jù)所得的特征信號，采用模糊邏輯、專家系統(tǒng)等診斷方法得出診斷結(jié)果。電氣設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)比較常用的有三種，一是局部放電監(jiān)測技術(shù)；二是介損監(jiān)測技術(shù)；三是油色譜監(jiān)測技術(shù)。局部放電在線監(jiān)測技術(shù)有四種監(jiān)測法，一是中性點禍合監(jiān)測法；二是超聲波監(jiān)測法；三是電容器禍合監(jiān)測法；四是電、超聲波聯(lián)合監(jiān)測法。介損監(jiān)測技術(shù)主要應(yīng)用于采用電容式絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)備上，介損監(jiān)測技術(shù)主要監(jiān)測介損，電容，泄漏電流等介電特性。介損監(jiān)測技術(shù)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(shù)量的容性設(shè)備，發(fā)現(xiàn)變化較大的容性設(shè)備。現(xiàn)有設(shè)備絕緣監(jiān)測比較常用的方法應(yīng)屬于油中氣體分析法（DGA），油中氣體分析法（DGA）也是油色譜監(jiān)測技術(shù)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(shè)備的絕緣油會產(chǎn)生分解和老化等現(xiàn)象，進而產(chǎn)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(shè)備內(nèi)部存在潛伏性故障，產(chǎn)生這些氣體的速度就會加快，因此，我們可以分析監(jiān)測這些特征氣體，利用這些氣體的產(chǎn)氣速率判斷充油電氣設(shè)備內(nèi)部故障。故障不同產(chǎn)生的氣體也不同，通過分析設(shè)備內(nèi)部油中氣體的成分、含量，可以判斷設(shè)備內(nèi)部故障的類型以及設(shè)備故障的嚴重程度，達到診斷的目的，下面以介損監(jiān)測監(jiān)測技術(shù)為例分析。

作為對電力設(shè)備絕緣性能進行衡量的重要指標(biāo)之一，介質(zhì)損耗因數(shù)一直以來都是用于西林電橋測量。對電力設(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π/2弧度，介質(zhì)損耗角δ=（π/2）一。使用數(shù)字化測量技術(shù)就是通過先測量，然后按公式計算來求得介質(zhì)損耗角δ。介質(zhì)損耗角的數(shù)字化測量方法主要有過零點時差法和正弦波參數(shù)法。

3 基于LM-BP網(wǎng)絡(luò)的變壓器故障診斷

對于變壓器的狀態(tài)監(jiān)測，目前，國內(nèi)外多采用超聲定位技術(shù)、紅外技術(shù)局部放電監(jiān)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(yīng)用微水分析技術(shù)研究在線油中溶解氣體。通常采用數(shù)字化在線測量技術(shù)監(jiān)測變壓器的高壓套管，采用有載故障診斷在線裝置監(jiān)測故障較多的有載調(diào)壓開關(guān)，測量有載調(diào)壓開關(guān)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(chǎn)生微妙的反應(yīng)，緩慢地產(chǎn)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(xiàn)象已經(jīng)局部過熱是變壓器內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體的主要原因。產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)在DL/T722-2000《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》進行了規(guī)定，只要其中任何一項指標(biāo)超過規(guī)定值，就應(yīng)該引起注意，查出產(chǎn)生氣體的原因，或著進行連續(xù)的檢測，評估其內(nèi)部有無故障或存在故障的嚴重性，并對其發(fā)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(jiān)測變壓器的負載電流及電壓，監(jiān)測變壓器的風(fēng)扇運行、冷卻泵、油溫等參數(shù)。變壓器狀態(tài)監(jiān)測主要涉及到冷卻系統(tǒng)、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(jiān)測與診斷局部放電。依據(jù)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(jù)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(jié)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(shù)不斷發(fā)展，如：紅外檢測技術(shù)、復(fù)合滲透膜技術(shù)等也得到了很大的發(fā)展。

4 結(jié)語

綜上所述，電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)與狀態(tài)監(jiān)測能夠有效的反映設(shè)備的運行狀態(tài)，同時，及早發(fā)現(xiàn)運行設(shè)備存在的潛伏性故障。當(dāng)前，應(yīng)用的故障診斷技術(shù)與狀態(tài)監(jiān)測有很多種，該文主要比較分析了在線技術(shù)、發(fā)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(jù)設(shè)備狀態(tài)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(shè)備的運行成本，還可以不同程度地延長設(shè)備服役期，實行科學(xué)化設(shè)備管理，采取有力措施，確保電力設(shè)備安全經(jīng)濟運行。

參考文獻

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