電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷1前言1.1狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的含義電氣設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中受到電、熱、機(jī)械、環(huán)境等多種因素的影響，其性能逐漸惡化，最終導(dǎo)致故障。特別是，電氣設(shè)備中的大多數(shù)絕緣介質(zhì)是有機(jī)材料，如礦物油、絕緣紙、各種有機(jī)合成材料等。它們?cè)谕獠恳蛩氐淖饔孟氯菀桌匣ｋ姎庠O(shè)備是電力系統(tǒng)的基本組成部分。一旦失敗，必將導(dǎo)致一些地區(qū)甚至廣大地區(qū)停電，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。“監(jiān)視”一詞是指為特殊目的而進(jìn)行的監(jiān)視、觀察和檢查。設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)是使用各種傳感器和測(cè)量手段來(lái)檢測(cè)反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的物理和化學(xué)量。其目的是確定設(shè)備是否處于正常狀態(tài)?！霸\斷”一詞最初是一個(gè)醫(yī)學(xué)術(shù)語(yǔ)，指的是醫(yī)生分析和處理收集到的病人癥狀(包括醫(yī)生的感受、病人自己的主觀陳述和從各種實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中獲得的結(jié)果)、尋找病人的原因、了解疾病的嚴(yán)重性以及制定治療措施和計(jì)劃的過(guò)程。設(shè)備的“故障診斷”借用了上述概念，其含義是指專(zhuān)家利用他們對(duì)設(shè)備的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)從狀態(tài)監(jiān)測(cè)中獲得的測(cè)量值以及他們的運(yùn)行和處理結(jié)果所提供的信息，進(jìn)行推斷和判斷，找出設(shè)備故障的類(lèi)型、位置和嚴(yán)重程度，然后對(duì)設(shè)備的維護(hù)和處理提出建議的過(guò)程。簡(jiǎn)而言之，“狀態(tài)監(jiān)測(cè)”是特征量的采集過(guò)程，“故障診斷”是特征量采集后的分析判斷過(guò)程。廣義而言，“診斷”的含義概括為“狀態(tài)監(jiān)測(cè)”和“故障診斷”:前者是“診斷”；后者是“破碎的”。1.2狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的意義電氣設(shè)備，特別是大型高壓設(shè)備的突然停電，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)備可靠性的途徑之一是提高設(shè)備質(zhì)量，選擇優(yōu)質(zhì)材料和先進(jìn)技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理選擇設(shè)計(jì)裕度，努力避免在使用壽命中出現(xiàn)故障。但這將導(dǎo)致制造成本增加。此外，設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中總是會(huì)逐漸老化，而大型設(shè)備不能像一次性工具一樣被“使用和丟失”。因此，另一方面，必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行必要的檢查和維護(hù)，這是電力運(yùn)行部門(mén)的重要工作內(nèi)容。在早期，這種設(shè)備一直使用到它出故障，然后被修理，這被稱(chēng)為事故修理。然而，如前所述，對(duì)于大型設(shè)備來(lái)說(shuō)，突發(fā)事故會(huì)造成巨大的損失。后來(lái)，它發(fā)展成為定期測(cè)試和維護(hù)，即預(yù)防性維護(hù)。目前，定期預(yù)防性試驗(yàn)和維護(hù)已經(jīng)在電力部門(mén)形成了一個(gè)體系，在減少和預(yù)防事故方面發(fā)揮了很好的作用。但是，預(yù)防性測(cè)試是離線進(jìn)行的，有許多不足之處：1)離線測(cè)試需要斷電，許多重要的電力設(shè)備不能輕易停止。2)停電后，設(shè)備狀態(tài)(如外加電壓、溫度等。)與操作不一致，影響判斷準(zhǔn)確性。3)由于定期定期檢查而不是任何時(shí)候的連續(xù)監(jiān)控，設(shè)備在測(cè)試間隔期間仍可能出現(xiàn)故障，導(dǎo)致維護(hù)不足。4)由于定期檢查和維護(hù)，即使設(shè)備狀況良好，仍需按計(jì)劃進(jìn)行測(cè)試和維護(hù)，造成人力和物力的浪費(fèi)，甚至因過(guò)度拆卸和組裝而損壞，即所謂的過(guò)度維護(hù)。因此，目前正在開(kāi)發(fā)基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)(通常是在線監(jiān)測(cè))和故障診斷的狀態(tài)維護(hù)。基本原則可以概括如下。雖然設(shè)備的退化和缺陷的發(fā)展在統(tǒng)計(jì)上是顯著的，并且發(fā)展速度也是緩慢的，但是它們中的大多數(shù)都有一定的發(fā)展時(shí)期。在此期間，會(huì)有各種早期跡象，顯示其電、物理、化學(xué)等特征的少量逐漸變化。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)行在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)獲取各種甚至微弱的信息。信息經(jīng)過(guò)處理和綜合分析后，可以隨時(shí)判斷設(shè)備的可靠性，并根據(jù)數(shù)值的大小和變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)設(shè)備的剩余壽命，從而可以及早發(fā)現(xiàn)潛在故障，必要時(shí)可以提供預(yù)警或指定操作。狀態(tài)監(jiān)測(cè)(在線監(jiān)測(cè))和故障診斷技術(shù)的特點(diǎn)是連續(xù)或隨時(shí)監(jiān)測(cè)和判斷電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而避免了上述預(yù)防性試驗(yàn)的缺點(diǎn)。在線監(jiān)控和離線測(cè)試不是對(duì)立的，而是相輔相成的。如在線監(jiān)控發(fā)現(xiàn)事故隱患，必要時(shí)，在離線狀態(tài)下進(jìn)行更徹底和全面的檢查。采用狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)從預(yù)防性維護(hù)到預(yù)測(cè)性維護(hù)的過(guò)渡，即從“到期時(shí)需要”到“維修時(shí)需要”的狀態(tài)維護(hù)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)非常困難。潛在故障的早期信號(hào)通常非常微弱，在運(yùn)行條件下，磁場(chǎng)中存在強(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)中必須解決的首要問(wèn)題。另外，被監(jiān)控的各種特征量和設(shè)備的狀態(tài)通常不是一一對(duì)應(yīng)的，而是有著錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系。如果說(shuō)離線預(yù)防性試驗(yàn)結(jié)果的分析已經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，我們可以制定相應(yīng)的法規(guī)進(jìn)行推廣和實(shí)施(當(dāng)然，我們也需要根據(jù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷進(jìn)行修訂和補(bǔ)充)；那么在線診斷還處于試驗(yàn)研究和經(jīng)驗(yàn)積累階段。在線診斷技術(shù)的發(fā)展不僅需要對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)及其老化機(jī)理有透徹的了解，還需要應(yīng)用傳感和微電子等高新技術(shù)。這是一項(xiàng)跨學(xué)科的新技術(shù)，具有重大的學(xué)術(shù)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。1.3狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)發(fā)展概述國(guó)外對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代。所有發(fā)達(dá)國(guó)家都非常重視它。然而，隨著傳感器、計(jì)算機(jī)和光纖等高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，設(shè)備在線診斷技術(shù)直到20世紀(jì)70年代和80年代才真正得到迅速發(fā)展。加拿大、日本、前蘇聯(lián)等國(guó)家相繼開(kāi)發(fā)了對(duì)油中溶解氣體、變壓器、發(fā)電機(jī)、氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備的局部放電、容性設(shè)備的介質(zhì)損耗因數(shù)、交聯(lián)聚乙烯電纜的泄漏電流等的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中一些已經(jīng)發(fā)展成為官方產(chǎn)品。1990年，國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議發(fā)表了一份關(guān)于電氣絕緣診斷技術(shù)的綜合報(bào)告，系統(tǒng)地總結(jié)了該領(lǐng)域到20世紀(jì)80年代尚未完成的研究成果。電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的重要性在中國(guó)早已得到認(rèn)可。20世紀(jì)60年代提出了許多現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法，但由于操作復(fù)雜，測(cè)量結(jié)果分散性大，沒(méi)有得到推廣。20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，我國(guó)電氣設(shè)備在線診斷技術(shù)也得到了快速發(fā)展。由于我國(guó)工業(yè)發(fā)展迅速，電力短缺，部分設(shè)備故障率高，實(shí)施在線診斷技術(shù)以提高電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性更為迫切。我國(guó)高等院校和電力科研院所的許多相關(guān)專(zhuān)業(yè)都相繼開(kāi)展了這方面的研究。自1985年以來(lái)，由電力部主持召開(kāi)的全國(guó)電力設(shè)備絕緣帶電測(cè)試與診斷技術(shù)交流會(huì)議已召開(kāi)三次(分別在安徽、湖北和廣東省)。不僅舉行了學(xué)術(shù)交流，還討論了如何開(kāi)發(fā)和推廣在線診斷技術(shù)?？梢哉f(shuō)，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)的研究與世界同步發(fā)展，幾乎處于同一水平。由于狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的難度，除少數(shù)項(xiàng)目外，國(guó)內(nèi)外大部分技術(shù)都不成熟，仍處于研發(fā)階段。由于客觀需要，我相信這項(xiàng)技術(shù)一定會(huì)迅速發(fā)展，對(duì)提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行水平起到很大的作用。1.4狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的組成1.4.1系統(tǒng)分類(lèi)監(jiān)控和診斷系統(tǒng)可分為以下類(lèi)型：1)簡(jiǎn)單類(lèi)型：簡(jiǎn)單函數(shù)。如模擬監(jiān)控設(shè)備、機(jī)械或屏幕顯示。另一個(gè)例子是便攜式數(shù)據(jù)采集器，它由數(shù)碼管顯示或帶回計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。2)以單片機(jī)為核心的監(jiān)控裝置：以單片機(jī)為核心，結(jié)合傳感器、多路開(kāi)關(guān)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微型打印機(jī)和固化在可編程存儲(chǔ)器中的軟件，可構(gòu)成最簡(jiǎn)單的連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)。3)以計(jì)算機(jī)為中心的監(jiān)控系統(tǒng)：用一臺(tái)計(jì)算機(jī)代替一臺(tái)單片機(jī)可以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，增加分析和診斷功能。它可以發(fā)展成為一個(gè)分級(jí)管理的分布式監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)。1.4.2基本單位監(jiān)控和診斷系統(tǒng)包括以下基本單元。1)信息檢測(cè)與適配單元：相應(yīng)的傳感器從待測(cè)設(shè)備中檢測(cè)反映設(shè)備狀態(tài)的物理量(特征量)，并將其轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)，傳輸給后續(xù)單元。2)數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理單元：對(duì)傳感器傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行預(yù)處理，主要是抑制信號(hào)中混合的干擾，提高信噪比。對(duì)預(yù)處理后的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、采集和記錄。3)信息傳輸單元：將收集到的信息傳輸?shù)胶罄m(xù)單元。對(duì)于固定監(jiān)控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理單元遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)，因此需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的信息傳輸單元。對(duì)于便攜式檢測(cè)設(shè)備，只需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換和隔離。4)數(shù)據(jù)處理單元：對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，如讀取特征值、時(shí)域和頻域分析、平均等。為診斷提供有效數(shù)據(jù)。5)診斷單元：分析和比較處理的數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)、程序和操作經(jīng)驗(yàn)等。并對(duì)設(shè)備的狀態(tài)和故障位置做出判斷，為進(jìn)一步的措施(如是否退出運(yùn)行、安排維修計(jì)劃等)提供依據(jù)。)并在必要時(shí)提供預(yù)警。由于特征量和狀態(tài)不一一對(duì)應(yīng)，需要綜合分析和判斷，專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)將發(fā)揮重要作用。專(zhuān)家系統(tǒng)作為人工智能的一個(gè)重要分支，在診斷技術(shù)中的應(yīng)用已經(jīng)受到重視。2電容式設(shè)備的監(jiān)控和診斷2.1概述電介質(zhì)的電強(qiáng)度通常隨著其厚度的增加而降低。因此，電力電容器通常由一系列具有較小電極間電介質(zhì)厚度的電容元件組成。電容套管和電容電流互感器的絕緣中還設(shè)置有一些均壓電極，將較厚的絕緣分成多個(gè)較薄的絕緣，形成電容串聯(lián)結(jié)構(gòu)。由于這種共同的結(jié)構(gòu)特征，電力電容器、耦合電容器、電容套管、電容電流互感器和電容電壓互感器統(tǒng)稱(chēng)為電容裝置。當(dāng)容性設(shè)備的絕緣完好時(shí)，流經(jīng)絕緣的電流引導(dǎo)電壓u的相位為/2弧度(見(jiàn)圖1)。與其他電氣設(shè)備相比，電容式設(shè)備的工作電場(chǎng)強(qiáng)度較高，長(zhǎng)期工作后設(shè)備的絕緣可能會(huì)局部損壞，即絕緣老化。此時(shí)，流經(jīng)絕緣體的電流變化如下。從圖1可以看出，監(jiān)測(cè)電流值的變化I/I、絕緣的介質(zhì)損耗因子TG(對(duì)應(yīng)于電流相量的實(shí)部)和電容的變化C/C(對(duì)應(yīng)于電流相量的虛部)可以判斷容性設(shè)備是否存在絕緣缺陷。2.2介電損耗因數(shù)的監(jiān)控介質(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(lái)，主要由西林橋進(jìn)行測(cè)量。在線監(jiān)測(cè)要求測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化，應(yīng)采用數(shù)字測(cè)量技術(shù)，而不是使用電橋。對(duì)于電力設(shè)備的絕緣，流過(guò)絕緣的電流I的相位使絕緣兩端的電壓U的相位小于 /2弧度，介質(zhì)損耗角=(/2-)。采用數(shù)字測(cè)量技術(shù)是先測(cè)量，然后根據(jù)公式計(jì)算得到介質(zhì)損耗角。下面將介紹兩種介質(zhì)損耗角的數(shù)字測(cè)量方法：過(guò)零時(shí)差法和正弦波參數(shù)法。2.2.1過(guò)零時(shí)差法流過(guò)絕緣的電流I和穿過(guò)絕緣的電壓U是頻率f約為50Hz的正弦波。過(guò)零時(shí)差法是在時(shí)域內(nèi)通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)測(cè)量正弦電流和電壓從負(fù)到正過(guò)零的時(shí)差T，然后將其轉(zhuǎn)換成I導(dǎo)U的相位差，進(jìn)而計(jì)算介質(zhì)損耗角的方法。給定正弦波周期T=1/f，測(cè)量過(guò)零時(shí)間差T后，很容易知道=2(T/T)，=(/2)-(/2)-2(T/T)。為了通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)流測(cè)量過(guò)零時(shí)間差，正弦電流i(t)和電壓u(t)應(yīng)該被成形為相應(yīng)的方波a和b，如圖2所示。方波脈沖計(jì)數(shù)器用于控制時(shí)基脈沖的計(jì)數(shù)。如果計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的脈沖數(shù)為n，時(shí)基脈沖的重復(fù)周期為，Tn。當(dāng)以微秒計(jì)時(shí)，測(cè)量設(shè)備對(duì)的分辨率，即，為10-4?？梢钥闯?，為了使器件具有必要的分辨率，周期脈沖的重復(fù)周期應(yīng)該足夠短。2.2.2正弦波參數(shù)法設(shè)置流經(jīng)絕緣的電流i=Imsin(t i)和穿過(guò)絕緣的電壓u=Umsin(t u)。正弦波參數(shù)法是通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換將電流和電壓信號(hào)離散化后，用一定的算法得到正弦波參數(shù)Im，I，Um，u，然后計(jì)算I導(dǎo)u的伴隨差，進(jìn)而計(jì)算介質(zhì)損耗角的方法。2.3電容監(jiān)控在對(duì)流經(jīng)絕緣體的電流I(t)和穿過(guò)絕緣體的電壓u(t)進(jìn)行采樣之后，可以分別獲得電流和電壓的有效值I和u。監(jiān)控裝置同時(shí)測(cè)量工頻電壓的頻率f。設(shè)備的電容C可以通過(guò)以下公式獲得：事實(shí)上，當(dāng)tg小于0.1時(shí)，由近似公式計(jì)算的電容誤差可以忽略。2.4三相不平衡電流監(jiān)控理論分析表明，監(jiān)測(cè)流經(jīng)絕緣的電流變化比監(jiān)測(cè)介質(zhì)損耗因子或電容的變化對(duì)發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷更為敏感。然而，電流監(jiān)測(cè)裝置通常流過(guò)正常電流，并且當(dāng)電流稍微改變時(shí)，很難及時(shí)找到該裝置。然而，如果電流監(jiān)測(cè)裝置同時(shí)監(jiān)測(cè)三相設(shè)備的絕緣，當(dāng)設(shè)備處于正常狀態(tài)時(shí)，三相電流是平衡的圖3是用于監(jiān)控三相不平衡電流的原理電路圖。容性器件ZA、ZB和ZC分別受到三相電壓A、B和C的作用，電流A、B和C流過(guò)它們的絕緣層。為了檢測(cè)這些電流，檢測(cè)單元(電阻器、電容器或電流傳感器)Za、Zb和Zc分別連接到每個(gè)相設(shè)備的布線。由于它們的阻抗值比ZA、ZB和ZC小得多，它們的連接對(duì)流經(jīng)三相絕緣的電流值幾乎沒(méi)有影響。檢測(cè)單元的輸出電壓A、B和C反映電流A、B