电气设备故障分析及诊断方法_(毕业论文).doc

摘 要本文对电气设备的发热源及在工作运行中出现的故障进行了介绍，并对造成外部故障与内部故障的各种原因进行了详细的分析与说明。系统阐述了在日常应用中简便实用的电阻法、电流法和电压法等故障检测方法及其工作原理。详细介绍了目前得到广泛关注与应用的红外诊断技术，论述了红外诊断技术的成像原理、系统组成与功能、测温方法等，并对红外检测技术的特点与判断方法进行了简述。 关键词 设备故障；检测方法；红外诊断技术ABSTRATthis paper introduces the heat sources of the electrical equipment and the fault appear in the work of running, detailed analysis and explain the external fault and internal fault caused by a variety of reasons. System described many simple and practical daily applications such as resistance method, current law and voltage law,and their work principles.Detailed introduce the infrared diagnostic techniques which is now widespread interest and applicated, Discusse the principles of infrared imaging diagnostic technology, system composition and functions of temperature measurement methods, descrip the characteristics and Judgement methods of the infrared detection method Keywors：Equipment failure;detection;infrared diagnostics 目 录前 言. 4第一章 电气设备的发热源及故障. . .5 1.1 电气设备发热源 . 5 1.2 电气设备故障 . 5 1.2.1 电气设备外部故障.5 1.2.2 电气设备内部故障. 5 第二章 常用电气设备故障检测方法. 62.1 电阻法 . . . 62.2 电流法 .8 2.3 电压法 . 9 第三章 红外线诊断技术.10 3.1 红外热成像的基本原理 . 11 3.1.1 红外热像仪的结构和信息采集原理. 11 3.1.2 红外热像仪的图像处理系统.12 3.1.3 红外热像仪的测温方法. 13 3.2 电气设备红外诊断技术的特点与判别方法 . 13 3.2.1 红外诊断技术的特点. .14 3.2.2 红外诊断技术的判别方法. .15 总 结. 16 参考文献.17 谢 辞. 18前 言我们知道，电能的生产、输送和分配使用是个连续过程，其中任何一个环节发生事故都会危及整个系统的正常运行。因此，电气设备运行状态的在线监测和故障诊断，使设备从传统的预防性检修提高到预知性状态检修，对提高设备运行可靠性与有效度，提高电力系统运行经济效益，降低维修成本，都有很重要的意义。因此，对电气设备运行状态的监测、故障诊断和及时维修日益受到人们的高度重视。随着现代红外技术不断成熟和日臻完善，利用红外检测的远距离、不接触、准确、实时、快速等优点发展起来的电气设备状态红外监测技术，由于在不停电、不取样、不解体的情况下能快速实时地在线监测和诊断电力设备的大多数故障，所以倍受国内外电力行业的重视，并得到快速发展，它的普及与应用已逐步成为诸多行业和领域确保设备正常运行而采取的一种重要技术手段。综上所述，电气设备的故障分析与诊断，红外诊断技术的普及与推广，是电力生产和安全管理，节能降耗和状态检修的迫切需要，可实现经济效益和社会效益双赢，具有重要的意义。 第一章 电气设备的发热源及故障1.1 电气设备发热源电气设备在工作时，由于电流、电压的作用，将产生电阻损耗发热、介质损耗发热、铁损致热等三种热故障。1.2 电气设备故障电气设备的故障形式多种多样，主要可以分为外部故障和内部故障两大类。 1.2.1电气设备外部故障电气设备外部故障主要是指从外界可以直接观测到的设备部位所发生的故障。其中包含两种情形：一是长期暴露在大气中的各种裸露电气接头因接触不良等原因引起的过热故障；二是由于设备表面污垢或机械力作用引起绝缘性能降低导致的过热故障。 外部故障主要表现在各种导电部件的链接或结合不良而引起的过热故障。主要有以下各种外部缺陷： 各种裸露接头、线夹、导电板外连接以及软连接不良引起的过热缺陷。其主要原因有连接处氧化及连接禁锢螺丝松弛等因数导致其导电部件电阻增大，在电流的作用下过热。 刀闸的刀口与触指以及转动帽与球头结合不良而引起的刀口过热和转动体过热。这种缺陷是由于结合体结合不紧密或结合面产生氧化层等因素导致接触电阻增大，在电流的作用下过热。 支持绝缘子发热缺陷。正常的支持绝缘子在靠近导体处有轻微发热，异常绝缘子则表现为整体或局部明显发热。 穿墙套管支撑管发热。大电流穿墙套管的支撑管未开口，引起较大的涡流损耗而发热。 导线松股或断股引起的导线阻值不均匀而发热。 变压器类设备箱体上因漏磁产生的涡流损耗而引起的过热。这种缺陷主要因设计不合理使得漏磁在螺栓或箱体上感应出涡流而过热。1.2.2 电气设备的内部故障电气设备内部故障热传导延伸出的过热情况，缺陷比较隐蔽，但内部热缺陷一般都发热时间比较长而且比较稳定，故障点的热量可以通过热传导和对流，与故障点周围的导体或绝缘材料发生热传递，引起这些部位的温度升高，尤其是与之有电连接的导体，从而引起显著的温升效应。其主要缺陷有以下几方面情形： 各种内部连接不良引起的内部过热。这种缺陷主要出现在变压器套管的 3 根部或头部的将军帽内的连接不良、CT 的一次接线内连接不良、少油开关内部触头座固定不良引起的内部过热缺陷。 各种断路器的内部触头接触不良引起的触头过热。由于接触不良，导致接触电阻增大，在电流作用下引起过热。这种缺陷主要出现在少油断路器的动静触头和中间触头以及多油断路器的动静触头上。 充油设备的内部油绝缘不良。此类缺陷表现为油介质损耗增大，在电压作用下导致设备本体过热。 充油设备缺油。 避雷器内部受潮及阀片老化。 瓷瓶的劣化及污垢缺陷。通常劣化瓷瓶的局部过热较重，而污垢时局部过热较轻。第二章 常用电气设备故障检测方法2.1 电阻法 电阻测量的原理是：在被测线路两端加一电源后，被测线路流过的电流与其电阻成反比。这样在测量回路中串接一电流表，就可以直接在电流表的刻度盘上标出电阻的大小。MF30 型万用表电阻档原理图如图1 所示 图1 MF30 型万用表电阻档原理图 万用表的低阻挡（R1、R10、R100、R1k）一般采用的电源是1.5V 4 千电池，所以无论测量组织多大，两表笔之间电压不超过 1.5V，而高阻挡则不同，如MF500 型万用表采用的电池为9V 叠层电池，MF30 型万用表采用15V 电池，而MF95 型万用表使用的是22.5V 的叠层电池。测绝缘电阻的绝缘电阻表，采用手摇发电机获得高电压，可达数百伏至数千伏。 利用电阻表进行测量，主要判断线路是否通断。例如测量熔断器管座两端，如果阻值小于 0.5，就认为正常；如果阻值为数欧，则认为接触不良，需进行处理；如果阻值超过10k，则认为断线不通。 例如在图2 中，按下起动按钮，接触器不动作，为了判断是哪一部分接触不良，先进行第1 步测量（按下起动按钮），如果不导通，则进行第2 步测量；如果导通，则进行第6 步测量。如此进行下去，就可以将故障点找出来。 常用的测量数据如表1图2 电阻法测量示意图 2.2 电流法 电路正常工作时的电流大小，反映了电路的工作状态。在电路中串接电流表，即可读出电路的电流。电流表采用的是灵敏度较高、量程较小的电流表。为了扩展电流表的量程，可在电流表上并联一阻值很小的电阻，从而将电流表的量程扩大。其电路原理图如图3 所示。电流表测量步骤举例如图4 所示。图4 电流法测量步骤举例由于测电流需要断开线路，将电流表串接到线路中，因此带来了一些使用上的不方便，影响了这种方法的使用。有时候，也采用钳形电流表进行电流测量，但钳形表只能测交流电流，且误差相应较大，对多根芯线的导线如电缆等，不容易测取单根导线的电流。但电流法有其他方法所不能比拟的优点，那就是能断定用电设备的工作状态。 常见设备电流数值见表2 2.3 电压法 电路在工作时，不同点之间的电压也不同。如果在电压不同的两点之间接入一个电阻固定的支路时，支路中就会有电流流过，通过串接在支路中的电流表的读数，就可读出此时的电压。如图5 示出了电压表的原理图。在测量时，由于电压表并联于电路中，因此其内阻的大小是电压表的一个重要参数。内阻越大对电路的影响就越小，测量误差也就越小。 电压法测量举例如图6 所示。 图6 电压法测量举例 测量时，一般先测电源电压，然后测支路电压。如果两点之间电压不为0，则可以肯定两点之间不是完全导通（接触不良或有一定的阻值）。接触器线圈两端电压为电源电压而接触器不动作，则线圈回路肯定不通。 电阻法、电压法、电流法的应用见表3 第三章 红外线诊断技术现代电力工业逐渐向高电压、大机组、大容量的迅速发展，电力系统对安全可靠运行提出了越来越高的要求。因此，对电气设备运行状态的监测、故障诊断和及时维修日益受到人们的高度重视。虽然电阻法、电压法等检测方法简便实用，在当前电力预防性试验使用的测试方法中，每一种方法都不可能适用于所有电气设备各种故障的检测。但是，红外诊断技术能够适用于发电厂和变电站、输电、配电等所有高压电气设备中各种故障的检测。 随着现代红外技术不断成熟和日臻完善，利用红外检测的远距离、不接触、准确、实时、快速等优点发展起来的电气设备状态红外监测技术，由于在不停电、不取样、不解体的情况下能快速实时地在线监测和诊断电力设备的大多数故障，所以倍受国内外电力行业的重视，并得到快速发展，它的普及与应用已逐步成为诸多行业和领域确保设备正常运行而采取的一种重要技术手段。下面简要介绍红外线诊断技术的基本原理与系统组成3.1 红外热成像的基本原理电力设备运行状态在红外线检测与故障诊断中常用的基本仪器（统称为红外诊断仪），包括红外辐射测温仪、红外热像仪、红外热电视以及辅助的计算机图像处理系统。通常，把利用光学精密机械的适当运动，完成对目标的二维扫描，并摄取目标红外辐射而成像的装置称为光机扫描式红外热成像系统。以下着重讨论红外热像仪的基本工作原理、信息采集与功能。3.1.1红外热像仪的结构和信息采集原理红外热像仪的基本结构由摄像头、显示记录系统和外围辅助装置等组成。显示记录系统取决于热像仪的用途，通常采用CRT 显示器或与电视兼容的监视器；记录装置可以同普通照相机、快拍照相机或磁卡与磁带录像机等。外围辅助装置包括电源、同步机构、图像处理与分析系统等。热像仪的工作过程是把被测物体表面温度分布借助红外辐射信号的形式，经接收光学系统和光机扫描机构成像在红外探测器上，再由探测器将其转换为视频电信号。这个微弱的视频电信号经前置放大器和进一步放大处理后，送至终端显示器，显示出被测物体表面温度分布的热图像。3.1.2 红外热像仪的图像处理系统 热像仪都配有图像处理系统，以增加测温和分析显示功能。不同热像仪配置的图像处理系统各异，大体上可分为两种类型。一种是以微处理机的形式构成整个智能化热像仪的一个组成部分；另一种是作为一个独立系统形成热像仪的外围辅助设备。 作为智能化热像仪组成部分的微处理机的结构和工作原理如图7 所示：摄像头输出的特图像信号首先经过信号预处理，然后由 A/D 转换器转换成数字信号，该数字信号是四位二进制，因而将目标温度分成 16 个等级，其中每一级的实际温度值和两级之间的温差值均可通过中心温度和灵敏度两个旋钮开关来改变。数字信号由 DMA 接口向 CPU 请求总先后存入图像缓冲区。该缓冲区具有双通道结构，分时地与输出 DMA 接口及 CPU 接通。图像的输出显示采用高速DMA 方式，输出DMA 按电视扫描频率从图像缓冲区读出与电视制式兼容的图像信号。微处理机还输出复合同步信号和黑白全电视 Y 信号。如果外围 10 设备是彩色监视器，则使用红（R）、绿（G）、蓝（B）和复合同步信号，以便给出热图像的假彩色显示。若使用黑白监视器，只需使用 Y 信号。微处理机的视频读出和DMA 转换电路还设有数据查询表LUT，能对三路彩色输出信号分别进行各种转换，实现假彩色编码、灰度变换、阈值显示。这三个 LUT 统一编址在内存。CPU 像访问RAM一样可以修改表内任何一个单元的内容，实现用户可编程。此外，微处理机还可对摄像头扫描器进行控制，可以设各种接口，实现与其他计算机系统的通讯、数据传输以及图像信息的多种记录。 通常红外图像处理系统主要指作为热像仪外围辅助设备的系统，该系统既能与热像仪联机使用，直接对被测目标进行实时观察、测量和分析，完成对热图像的采集、存贮、增强、滤波去噪、假彩色显示、几何变换、图像运算、输出打印和传送等多种功能，也可以对热像仪专用录相机在现场记录下来的热图像信息在实验室回放时作上述处理。这种图像处理系统通常采用微型计算机，并配置相应的硬件、软件和外围设备等。下面着重讨论该系统的硬件和软件结构原理与主要功能。（一） 硬件组成与功能 利用微型计算机的热图像处理与分析系统硬件主要包括制式转换器、帧捕获器和图像输出设备等三部分，其原理框图如图8 所示： 1）制式转换器 光机扫描热像仪的扫描速度不能与行频 15000HZ 的标准电视体制兼容。这样，在做图像处理之前多不能直接输出标准电视制式图像信号的热像仪输出模拟图像信号，必须通过制式转换器将它变换成标准电视信号，再输入帧捕获器。 2）帧捕获器 帧捕获器完成标准电视图像信号的 A/D 和 D/A 转换，实时地采集任意一帧数字化后的图像信号，以便把采集到的数字化图像送交计算机做各种处理，并把处理后的图像信号输出显示。帧捕获器应包括三个组成部分：数字化逻辑、帧存贮器和显示逻辑。 3）图像输出设备 除了专用彩色监视器以外，图像输出设备还可以外接录像机记录处理后的各种图像，用图像打印机、照相机等外围设备把处理后或者尚未处理过的图像以硬拷贝的形式记录下来，也可以用微型计算机的硬盘、软盘记录存贮各种图像信息。 （二）软件组成与功能 红外图像处理软件系统多数做成集成式软件包，采用人机对话的菜单式操作。分为图像采集、图像分析、图像显示和图像处理等四个部分。 1）图像采集 图像采集主要完成图像的捕获、存取和输入变换等功能，具体可以进行实时采集、定时采集、特定区域采集、压缩采集、多帧采集、多幅图像平均去噪采集、图像快速放大和移动、输入变换、控制寄存器操作等操作。 2）图像分析 所谓图像分析就是完成对红外图像的各种分析计算工作。具体包括红外参数编辑、点分析、剖面线分析、区域分析、假彩色等温线分析、伪三维（浮雕）分析、图像调入等内容。 3）图像显示 图像显示就是在采集图像的同时，把被采集的图像在图像显示器上作实时正常显示或各种变换后显示，以提高人眼对图像信息的分辨能力。此外，还可对采集时“冻结”在屏幕上的图像或从磁盘调入到帧存的图像进行上述变换显示，并且还能对图像作出直方统计图和图像的均衡变换，以便改善图像质量。具体可以作常规显示、假彩色变换显示、灰度变换显示、直方图显示等。4）图像处理 这部分软件功能包括图像增强、滤波、几何变换与图像运算等。 a) 图像增强。目的在于改善图渡的视觉形象，便其变换成更适合人眼的视 12 觉特征。 b) 图像滤波。图像滤波可达到抑制噪声、消除干扰和锐化图像边缘的作用。 c) 图像几何变换。实现图像拷贝、放大、缩小、旋转、镜像（即上下映像或左右映像）。 d) 图像运算。对两幅图像之间、或单幅图像与常数之间以及对窗口图像等，进行加、减、乘、除、指数和对数运算，以便提高图像质量。 3.1.3红外热像仪的测温方法使用红外热像仪测量物体表面温度的方法，就是利用热像仪摄取的物体热图像灰度（或假彩色）进行测温的方法。具体操作可分为三种：模拟量测温方法、智能化测温方法和软件化方法。3.2 电气设备红外诊断技术的特点与判别方法 3.2.1红外诊断技术的特点1）不接触、不停电、不取样、不解体。由于电力设备的红外诊断是在设备运行状态下,通过监测设备故障引起的异常红外辐射和异常温度场来实现，它可以做到不停电，不改变系统运行状态，从而可以监测到设备在运行状态下的真实状态信息，并可保障操作安全。 2）采用被动式检测，简单方便。由于红外监测探测设备相关部位自身发射的红外辐射能量，不需要辅助信号源和各类检测装置，因此，诊断手段单一，操作方便。 3）可实现大面积快速扫描成像，状态显示快捷、灵敏、形象、直观，监测效率高，劳动强度低。 4）红外诊断使用面广，效益、投资比高。在当前电力预防性试验使用的测试方法中，每一种方法都不可能适用于所有电气设备各种故障的检测。但是，红外诊断技术能够适用于发电厂和变电站、输电、配电等所有高压电气设备中各种故障的检测。 5）易于进行计算机分析，促进向智能化发展。红外成像诊断仪器配备计算机图像分析系统和各种功能处理软件，不仅可以对监测到的设备运行状态进行分析处理，并可根据对设备红外图像有关参数进行计算和分析处理,讯速给出设备故障属性、故障部位及严重程度。而且，可以把历次设备图像数据资料储存起来，建立设备运行状态档案数据库，供管理人员随时调用。 6）红外监测与故障诊断有利于实现电力设备的状态管理和向状态检修体制的过渡，可以对管辖的所有设备运行状态实施温度管理，并根据每台设备的状态演变情况进行有目的维修，而且，通过红外诊断可以评价设备维修质量。 3.2.2红外诊断技术的辨别方法在电气设备的红外诊断中，根据不同的气象条件，环境温度，复合电流，发热部位等对现场测温可能造成的影响，应进行对比分析，采取不同的推导方法并进行综合分析判断。主要方法有：表面温度判断法、相对温差判断法、同类比较法、热谱图分析法、档案分析法、纵向比较法。 对同一设备的不同部位进行比较分析时，同一设备在正常情况下外表温度的分布是比较均匀和有规律的，当外表不同部位出现温差变化或异常，会反映出内部缺陷、短路故障，绕组故障、磁路故障等，当整体温度升高，常常反映出受潮缺陷，介损增大和线圈短路等。总 结本文通过对电气设备故障的介绍，对常用故障检测原理的分析与对红外检测技术的详细阐述，得出如下结论： 常用故障检测方法操作简单，实用方便，没有红外诊断技术复杂精细，是比较实用的方法，但只能对已出现的故障进行诊断，并不能对设备进行预知性的检修，而现在对电气设备运行状态的监测、故障诊断和及时维修日益受到人们的高度重视。通过对红外检测技术基本原理的研究，可以发现，设备红外诊断技术是现代电力工业发展和传统检测维修方法的重要补充。红外诊断技术可以检测和诊断电力设备大量的内部、外部缺陷，尤其还可以诊断许多常规试验方法不便于或无法检测的故障。因此，红外