电气设备状态监测与故障诊断
1 前言
1.1 状态监测与故障诊断技术的含义
电气设备在运行中受到电、热、机械、环境等各种因素的作用，其性能逐渐劣化，最终导致故障。特别是电气设备中的绝缘介质，大多为有机材料，如矿物油、绝缘纸、各种有机合成材料等，容易在外界因素作用下发生老化。电气设备是组成电力系统的基本元件，一旦失效，必将引起局部甚至广大地区的停电，造成巨大的经济损失和社会影响。
“监测”一词的含义是为了特殊的目的而进行的注视、观察与校核。设备的状态监测是利用各种传感器和测量手段对反映设备运行状态的物理、化学量进行检测，其目的是为了判明设备是否处于正常状态。“诊断”一词原是一医学名词，指医生对收集到的病人症状（包括医生的感观所感觉到的、病人自身主观陈述以及各种化验检测所得到的结果）进行分析处理、寻求患者的病因、了解疾病的严重程度及制订治疗措施与方案的过程。设备的“故障诊断”借用了上述概念，其含义是指这样的过程：专家根据状态监测所得到的各测量值及其运算处理结果所提供的信息，采用所掌握的关于设备的知识和经验，进行推理判断，找出设备故障的类型、部位及严重程度，从而提出对设备的维修处理建议。简言之，“状态监测”是特征量的收集过程，而“故障诊断”是特征量收集后的分析判断过程。 广义而言，“诊断”的含义概括了“状态监测”和“故障诊断”：前者是“诊”；后者是“断”。
1.2 状态监测与故障诊断技术的意义
电气设备特别是大型高压设备发生突发性停电事故，会造成巨大的经济损失和不良的社会影响。提高电气设备的可靠性，一种办法是提高设备的质量，选用优质材料及先进工艺，优化设计，合理选择设计裕度，力求在工作寿命内不发生故障。但这样会导致制造成本增加。此外，设备在运行中，总会逐渐老化，而大型设备不可能象一次性工具那“用过即丢”。因此，另一方面，必须对设备进行必要的检查和维修，这构成了电力运行部门的重要工作内容。
早期是对设备使用直到发生故障，然后维修，称为事故维修。但是，如前所
述，对于大型设备，突发性事故将造成巨大损失。
其后，发展成定期试验和维修，即预防性维修。现在，定期预防性试验和维修已在电力部门形成制度，对减少和防止事故的发生起到了很好的作用。但预防性试验是离线进行的，有很多不足之处：
1) 离线试验需停电进行，而不少重要电力设备轻易不能停止运行。
2) 停电后设备状态（如作用电压、温度等）和运行中不符，影响判断准确度。 3) 由于是周期性定期检查，而不是连续地随时监测，设备仍可能在试验间隔期间发生故障，即造成维修不足。
4) 由于是定期检查和维修，设备状态即使良好时，按计划仍需进行试验和维修，造成人力物力浪费，甚至可能因拆卸组装过多而造成损坏，即造成所谓维修过度。
因此，目前正在发展以状态监测（通常是在线监测）和故障诊断为基础的状态维修。其基本原理可简述如下。设备的劣化、缺陷的发展虽然具有统计性，发展的速度也有快慢，但大多具有一定的发展期。在这期间，会产生各种前期征兆，表现为其电气、物理、化学等特性发生少量渐进的变化。随着电子技术、计算机技术、光电技术、信号处理技术和各种传感技术的发展，可以对电气设备进行在线的状态监测，及时取得各种即使是微弱的信息。对这些信息进行处理和综合分析后，根据其数值的大小及变化趋势，可对设备的可靠性随时作出判断和对设备的剩余寿命作出预测，从而能早期发现潜伏的故障，必要时可提供预警或规定的操作。状态监测（在线监测）与故障诊断技术的特点是可以对电气设备在运行状态下进行连续或随时的监测与判断，故可避免上述预防性试验的缺点。 在线监测和离线试验也不是对立的，而是相辅相成的。如在线监测中发现事故隐患后，必要时在离线状态下进行更为彻底的全面检查。
采用状态监测与故障诊断技术后，可以使预防性维修向预知性维修即状态维修过渡，从“到期必修”过渡到“该修则修”。
状态监测与故障诊断技术有很大的难度。潜伏性故障前期征兆的信号通常极为微弱，而运行条件下现场又存在强烈的电磁干扰。因此，抑制各种干扰，提高信噪比是在线监测中首先必须解决的难题。此外，监测到的各种特征量和设备的
状态通常也不是一一对应的，而具有错综复杂的关系。如果说离线的预防性试验结果的分析，已经积累了大量经验，据此可以制订出相应的规程推广施行（当然也需要根据科学技术的发展，不断加以修订补充）；那么对于在线诊断现在则仍处于研究试行、积累经验的阶段。发展在线诊断技术，既需对设备结构及其老化机理有深入的了解，也需应用传感、微电子等高新技术。它是具有交叉学科性质的一门新兴技术，有重大的学术意义，也有显著的经济价值。
1.3 状态监测与故障诊断技术的发展概况
国外对电气设备状态监测与故障诊断技术的研究，始于60年代。各发达国家都很重视。但直到70~80年代，随着传感、计算机、光纤等高新技术的发展与应用，设备在线诊断技术才真正得到迅速发展。加拿大、日本、前苏联等国陆续研制了油中溶解气体，变压器、发电机、气体绝缘封闭组合电器（GIS）等的局部放电，电容型设备的介质损耗因数（tgδ）等特性，交链聚乙烯电缆的泄漏电流等等的在线监测系统。其中少数已发展成为正式产品。国际大电网会议于1990年发表了关于电气绝缘诊断技术的综述性报告，对这一领域截止80年代未的研究成果作了系统的总结。
我国对电气设备状态监测与故障诊断技术的重要性也早已认识。60年代就提出过不少带电试验的方法，但由于操作复杂，测量结果分散性大，没有得到推广。80年代以来，随着高新技术的发展与应用，我国的电气设备在线诊断技术也得到了迅猛发展。由于我国工业发展迅速，用电一直紧张，加之部分设备故障率较高，因此，对于推行在线诊断技术以提高电力系统的运行可靠性更为迫切。我国高等院校和电力部门科研院所的不少有关专业都相继开展了这方面的研究。自1985年以来，由电力部主持，先后三次（分别在安徽、湖北、广东三省）召开了全国电力设备绝缘带电测试、诊断技术交流会，不仅进行了学术交流，而且就如何发展和推广在线诊断技术开展了讨论。可以认为，我国电气设备状态监测与故障诊断技术的研究和国际上是同步发展的，处于几乎相同的水平。 由于状态监测与故障诊断技术的难度，不论是国内，还是国外，除个别项目以外，大多还不很成熟，仍处于研究发展阶段。由于客观的需要，相信这门技术一定能迅速发展成长，从而对提高电力系统的运行水平发挥巨大的作用。
1.4 状态监测与故障诊断系统的组成
1.4.1 系统分类
监测与诊断系统可分成以下几种类型:
1) 简易式：功能简单。如模拟量监测装置，机械式或荧光屏显示。又如便携式数据采集器，由数码管显示或将采得数据带回，输入计算机处理。
2) 以单片机为核心的监测装置：以单片机为核心，结合传感器、多路开关、模/数转换器、微型打印机和固化在可编程序存储器中的软件，可组成最简单的连续监测系统。
3) 以计算机为核心的监测系统：采用单台计算机代替单片机，可以提高系统的数据处理能力，增加分析诊断功能。可发展为分级管理的分布式监测诊断系统。 1.4.2 基本单元
监测与诊断系统包括以下基本单元。
1) 信息的检出及适配单元：由相应的传感器从待测设备上检出反映设备状态的物理量（特征量）并将其转换为合适的电信号，向后续单元传送。
2) 数据采集及前置单元：对传感器变送来的信号进行预处理，主要是对混杂在信号中的干扰进行抑制以提高信噪比。对经过预处理的信号进行A/D转换及采集记录。
3) 信息的传输单元：将采集到的信息传送到后续单元。对于固定式监测系统，因数据处理单元远离现场，故需配置专门的信息传输单元；对便携式检测装置，只需对信号进行适当的变换和隔离。
4) 数据处理单元：对所采集到的数据进行处理和分析，例如读取特征值，作时域频域分析、平均处理等，为诊断提供有效的数据。
5) 诊断单元: 对处理后数据及历史数据、判据、规程以及运行经验等进行分析比较，对设备的状态及故障部位作出判断，为采取进一步措施（如需否退出运行、安排维修计划等）提供依据，必要时提供预警。
由于特征量和状态不是一一对应, 需作综合性的分析与判断,专家的经验会发挥重要作用。人工智能的重要分支C专家系统在诊断技术中的应用已得到重视。
2 电容型设备的监测与诊断
2.1 概述
电介质的耐电强度通常随其厚度的增加而下降，因此电力电容器常由一些极
间介质厚度较小的电容元件串联组成。
电容型套管、电容型电流互感器的绝缘中也设有一些均压电极，将较厚的绝缘分隔为若干份较薄的绝缘，也形成了电容串联结构。由于结构上的这一共同特点，电力电容器、耦合电容器、电容型套管、电容型电流互感器以及电容型电压互感器等统称为电容型设备。设电容型设备的绝缘完好时，流经绝缘的电流 超前电压U的相位φ为π/2弧度（见图1）。
相对于其他电气设备，电容型设备的工作电场强度较高，长期工作后设备绝缘可能发生局部损坏，即绝缘老化，此时流经绝缘的电流变化为
。由
图1可看出，监测电流值的变化ΔI/I、绝缘的介质损耗因数tgδ（相应于电流相量Δ 的实部）以及电容量的变化ΔC/C（相应于电流相量Δ 的虚部），可判断电容型设备是否已有绝缘缺陷。
2.2 介质损耗因数监测
介质损耗因数是衡量电力设备绝缘性能的重要指标之一，长期以来大多用西林电桥测量。在线监测要求测量过程自动化，不宜采用电桥，改为采用数字化测量技术。
对电力设备绝缘，流经绝缘的电流i的相位超前绝缘两端电压u的相位 小于π /2弧度，介质损耗角δ=（π/2）- 。使用数字化测量技术就是通过先测量 ，然后按公式计算来求得介质损耗角δ。以下将介绍两种介质损耗角的数字化测量方法：过零点时差法和正弦波参数法。
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