電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷

電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷1前言1.1狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的含義電氣設(shè)備在運行過程中受到電、熱、機械、環(huán)境等多種因素的影響，其性能逐漸惡化，最終導致故障。特別是，電氣設(shè)備中的大多數(shù)絕緣介質(zhì)是有機材料，如礦物油、絕緣紙、各種有機合成材料等。它們在外部因素的作用下容易老化。電氣設(shè)備是電力系統(tǒng)的基本組成部分。一旦失敗，必將導致一些地區(qū)甚至廣大地區(qū)停電，造成巨大的經(jīng)濟損失和社會影響?！氨O(jiān)視”一詞是指為特殊目的而進行的監(jiān)視、觀察和檢查。設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測是使用各種傳感器和測量手段來檢測反映設(shè)備運行狀態(tài)的物理和化學量。其目的是確定設(shè)備是否處于正常狀態(tài)?！霸\斷”一詞最初是一個醫(yī)學術(shù)語，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驗室測試中獲得的結(jié)果)、尋找病人的原因、了解疾病的嚴重性以及制定治療措施和計劃的過程。設(shè)備的“故障診斷”借用了上述概念，其含義是指專家利用他們對設(shè)備的知識和經(jīng)驗，根據(jù)從狀態(tài)監(jiān)測中獲得的測量值以及他們的運行和處理結(jié)果所提供的信息，進行推斷和判斷，找出設(shè)備故障的類型、位置和嚴重程度，然后對設(shè)備的維護和處理提出建議的過程。簡而言之，“狀態(tài)監(jiān)測”是特征量的采集過程，“故障診斷”是特征量采集后的分析判斷過程。廣義而言，“診斷”的含義概括為“狀態(tài)監(jiān)測”和“故障診斷”:前者是“診斷”；后者是“破碎的”。1.2狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的意義電氣設(shè)備，特別是大型高壓設(shè)備的突然停電，會造成巨大的經(jīng)濟損失和不良的社會影響。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)材料和先進技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計，合理選擇設(shè)計裕度，努力避免在使用壽命中出現(xiàn)故障。但這將導致制造成本增加。此外，設(shè)備在運行過程中總是會逐漸老化，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，必須對設(shè)備進行必要的檢查和維護，這是電力運行部門的重要工作內(nèi)容。在早期，這種設(shè)備一直使用到它出故障，然后被修理，這被稱為事故修理。然而，如前所述，對于大型設(shè)備來說，突發(fā)事故會造成巨大的損失。后來，它發(fā)展成為定期測試和維護，即預防性維護。目前，定期預防性試驗和維護已經(jīng)在電力部門形成了一個體系，在減少和預防事故方面發(fā)揮了很好的作用。但是，預防性測試是離線進行的，有許多不足之處：1)離線測試需要斷電，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，影響判斷準確性。3)由于定期定期檢查而不是任何時候的連續(xù)監(jiān)控，設(shè)備在測試間隔期間仍可能出現(xiàn)故障，導致維護不足。4)由于定期檢查和維護，即使設(shè)備狀況良好，仍需按計劃進行測試和維護，造成人力和物力的浪費，甚至因過度拆卸和組裝而損壞，即所謂的過度維護。因此，目前正在開發(fā)基于狀態(tài)監(jiān)測(通常是在線監(jiān)測)和故障診斷的狀態(tài)維護。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)展時期。在此期間，會有各種早期跡象，顯示其電、物理、化學等特征的少量逐漸變化。隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、光電技術(shù)、信號處理技術(shù)和各種傳感技術(shù)的發(fā)展，可以對電氣設(shè)備進行在線狀態(tài)監(jiān)測，及時獲取各種甚至微弱的信息。信息經(jīng)過處理和綜合分析后，可以隨時判斷設(shè)備的可靠性，并根據(jù)數(shù)值的大小和變化趨勢預測設(shè)備的剩余壽命，從而可以及早發(fā)現(xiàn)潛在故障，必要時可以提供預警或指定操作。狀態(tài)監(jiān)測(在線監(jiān)測)和故障診斷技術(shù)的特點是連續(xù)或隨時監(jiān)測和判斷電氣設(shè)備的運行狀態(tài)，從而避免了上述預防性試驗的缺點。在線監(jiān)控和離線測試不是對立的，而是相輔相成的。如在線監(jiān)控發(fā)現(xiàn)事故隱患，必要時，在離線狀態(tài)下進行更徹底和全面的檢查。采用狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)可以實現(xiàn)從預防性維護到預測性維護的過渡，即從“到期時需要”到“維修時需要”的狀態(tài)維護。狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)非常困難。潛在故障的早期信號通常非常微弱，在運行條件下，磁場中存在強烈的電磁干擾。因此，抑制各種干擾，提高信噪比是在線監(jiān)測中必須解決的首要問題。另外，被監(jiān)控的各種特征量和設(shè)備的狀態(tài)通常不是一一對應(yīng)的，而是有著錯綜復雜的關(guān)系。如果說離線預防性試驗結(jié)果的分析已經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗，我們可以制定相應(yīng)的法規(guī)進行推廣和實施(當然，我們也需要根據(jù)科學技術(shù)的發(fā)展不斷進行修訂和補充)；那么在線診斷還處于試驗研究和經(jīng)驗積累階段。在線診斷技術(shù)的發(fā)展不僅需要對設(shè)備結(jié)構(gòu)及其老化機理有透徹的了解，還需要應(yīng)用傳感和微電子等高新技術(shù)。這是一項跨學科的新技術(shù)，具有重大的學術(shù)意義和經(jīng)濟價值。1.3狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)發(fā)展概述國外對電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的研究始于20世紀60年代。所有發(fā)達國家都非常重視它。然而，隨著傳感器、計算機和光纖等高新技術(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)等國家相繼開發(fā)了對油中溶解氣體、變壓器、發(fā)電機、氣體絕緣開關(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)測系統(tǒng)。其中一些已經(jīng)發(fā)展成為官方產(chǎn)品。1990年，國際大電網(wǎng)會議發(fā)表了一份關(guān)于電氣絕緣診斷技術(shù)的綜合報告，系統(tǒng)地總結(jié)了該領(lǐng)域到20世紀80年代尚未完成的研究成果。電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的重要性在中國早已得到認可。20世紀60年代提出了許多現(xiàn)場測試方法，但由于操作復雜，測量結(jié)果分散性大，沒有得到推廣。20世紀80年代以來，隨著高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，我國電氣設(shè)備在線診斷技術(shù)也得到了快速發(fā)展。由于我國工業(yè)發(fā)展迅速，電力短缺，部分設(shè)備故障率高，實施在線診斷技術(shù)以提高電力系統(tǒng)運行可靠性更為迫切。我國高等院校和電力科研院所的許多相關(guān)專業(yè)都相繼開展了這方面的研究。自1985年以來，由電力部主持召開的全國電力設(shè)備絕緣帶電測試與診斷技術(shù)交流會議已召開三次(分別在安徽、湖北和廣東省)。不僅舉行了學術(shù)交流，還討論了如何開發(fā)和推廣在線診斷技術(shù)?？梢哉f，我國對電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(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)測和故障診斷技術(shù)的難度，除少數(shù)項目外，國內(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，我相信這項技術(shù)一定會迅速發(fā)展，對提高電力系統(tǒng)的運行水平起到很大的作用。1.4狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的組成1.4.1系統(tǒng)分類監(jiān)控和診斷系統(tǒng)可分為以下類型：1)簡單類型：簡單函數(shù)。如模擬監(jiān)控設(shè)備、機械或屏幕顯示。另一個例子是便攜式數(shù)據(jù)采集器，它由數(shù)碼管顯示或帶回計算機進行處理。2)以單片機為核心的監(jiān)控裝置：以單片機為核心，結(jié)合傳感器、多路開關(guān)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微型打印機和固化在可編程存儲器中的軟件，可構(gòu)成最簡單的連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)。3)以計算機為中心的監(jiān)控系統(tǒng)：用一臺計算機代替一臺單片機可以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，增加分析和診斷功能。它可以發(fā)展成為一個分級管理的分布式監(jiān)測和診斷系統(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)信息檢測與適配單元：相應(yīng)的傳感器從待測設(shè)備中檢測反映設(shè)備狀態(tài)的物理量(特征量)，并將其轉(zhuǎn)換成適當?shù)碾娦盘?，傳輸給后續(xù)單元。2)數(shù)據(jù)采集和預處理單元：對傳感器傳輸?shù)男盘栠M行預處理，主要是抑制信號中混合的干擾，提高信噪比。對預處理后的信號進行模數(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。對于固定監(jiān)控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理單元遠離現(xiàn)場，因此需要一個專門的信息傳輸單元。對于便攜式檢測設(shè)備，只需要對信號進行適當?shù)霓D(zhuǎn)換和隔離。4)數(shù)據(jù)處理單元：對采集的數(shù)據(jù)進行處理和分析，如讀取特征值、時域和頻域分析、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)、標準、程序和操作經(jīng)驗等。并對設(shè)備的狀態(tài)和故障位置做出判斷，為進一步的措施(如是否退出運行、安排維修計劃等)提供依據(jù)。)并在必要時提供預警。由于特征量和狀態(tài)不一一對應(yīng)，需要綜合分析和判斷，專家的經(jīng)驗將發(fā)揮重要作用。專家系統(tǒng)作為人工智能的一個重要分支，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)稱為電容裝置。當容性設(shè)備的絕緣完好時，流經(jīng)絕緣的電流引導電壓u的相位為/2弧度(見圖1)。與其他電氣設(shè)備相比，電容式設(shè)備的工作電場強度較高，長期工作后設(shè)備的絕緣可能會局部損壞，即絕緣老化。此時，流經(jīng)絕緣體的電流變化如下。從圖1可以看出，監(jiān)測電流值的變化I/I、絕緣的介質(zhì)損耗因子TG(對應(yīng)于電流相量的實部)和電容的變化C/C(對應(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之一。長期以來，主要由西林橋進行測量。在線監(jiān)測要求測量過程自動化，應(yīng)采用數(shù)字測量技術(shù)，而不是使用電橋。對于電力設(shè)備的絕緣，流過絕緣的電流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)字測量技術(shù)是先測量，然后根據(jù)公式計算得到介質(zhì)損耗角。下面將介紹兩種介質(zhì)損耗角的數(shù)字測量方法：過零時差法和正弦波參數(shù)法。2.2.1過零時差法流過絕緣的電流I和穿過絕緣的電壓U是頻率f約為50Hz的正弦波。過零時差法是在時域內(nèi)通過脈沖計數(shù)測量正弦電流和電壓從負到正過零的時差T，然后將其轉(zhuǎn)換成I導U的相位差，進而計算介質(zhì)損耗角的方法。給定正弦波周期T=1/f，測量過零時間差T后，很容易知道=2(T/T)，=(/2)-(/2)-2(T/T)。為了通過脈沖計數(shù)流測量過零時間差，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。方波脈沖計數(shù)器用于控制時基脈沖的計數(shù)。如果計數(shù)器計數(shù)的脈沖數(shù)為n，時基脈沖的重復周期為，Tn。當以微秒計時，測量設(shè)備對的分辨率，即，為10-4?？梢钥闯觯瑸榱耸蛊骷哂斜匾姆直媛?，周期脈沖的重復周期應(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)和穿過絕緣的電壓u=Umsin(t u)。正弦波參數(shù)法是通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將電流和電壓信號離散化后，用一定的算法得到正弦波參數(shù)Im，I，Um，u，然后計算I導u的伴隨差，進而計算介質(zhì)損耗角的方法。2.3電容監(jiān)控在對流經(jīng)絕緣體的電流I(t)和穿過絕緣體的電壓u(t)進行采樣之后，可以分別獲得電流和電壓的有效值I和u。監(jiān)控裝置同時測量工頻電壓的頻率f。設(shè)備的電容C可以通過以下公式獲得：事實上，當tg小于0.1時，由近似公式計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)測流經(jīng)絕緣的電流變化比監(jiān)測介質(zhì)損耗因子或電容的變化對發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷更為敏感。然而，電流監(jiān)測裝置通常流過正常電流，并且當電流稍微改變時，很難及時找到該裝置。然而，如果電流監(jiān)測裝置同時監(jiān)測三相設(shè)備的絕緣，當設(shè)備處于正常狀態(tài)時，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流過它們的絕緣層。為了檢測這些電流，檢測單元(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，它們的連接對流經(jīng)三相絕緣的電流值幾乎沒有影響。檢測單元的輸出電壓A、B和C反映電流A、B