（电气工程专业论文）发电设备状态监测及故障诊断系统.pdf

浙江大学硕士学位论文 发电设备状态监测及故障诊断系统 a b s t r a c t w i t ht h es p r e a do fm i c r o p r o c e s s o r - b a s e dd i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ( d c s ) i np o w e rp l a n t s ，t h ea u t o m a t e dc o n t r o ll e v e lo f t h e r m a lp r o c e s si sg r e a t l ye n h a n c e d ，e n a b l i n gu n i f i e ds u p e r v i s o r y c o n t r o lo fs t e a mt u r b i n e sa n db o i l e r s a f t e rr e c e n td e v e l o p m e n t , m a n ye l e c t r i ct y p e so fe q u i p m e n ta r ec o n t r o l l e db yd c s f o r e x a m p l e ，s e q u e n t i a lc o n t r o la n da u t o m a t e ds w i t c h e rc o n t r o la r e a p p l i e di ns t a t i o n - s e r v i c ep o w e r w i t ht h eg r o w i n gc o m p e t i t i o ni np o w e ri n d u s t r y , i ti sm o r e i m p o r t a n t t o d e c r e a s et h ec o s to f p o w e rp r o d u c t i o n c o n d i t i o n - b a s e dm a i n t e n a n c ei sav e r yu s e f u lw a yt om a k ei t t h e p a p e r i s g o i n gt o f i n do u tt h em e r i to fc o n d i t i o n - b a s e d m a i n t e n a n c et h r o u g hf a u l ta n a l y s i so fe l e c t r i ce q u i p m e n ta n d c o m p a r i s o nb e t w e e n s e v e r a lc o m m o ni n s p e c t i o n w a y s t h e r e m o t er e a lt i m es u p e r v i s o r ys y s t e mi sm a d eu po fo n l i n e m o n i t o r i n g ，d i a g n o s e sa n dm a n a g e m e n t t h es y s t e mc a nf i n d m a l f u n c t i o nm o r eq u i c k l ya n di m p r o v ev a l i d i t ya n dp r e c i s i o no f i n s u l a t et e s t w i d e l y i t a l s o s u p p l i e s d a t af o rr e a s o n a b l e q u a n t i f i c a t i o na n dp r o f e s s i o n a ld e c i s i o n ，w h i c hw i l li m p r o v e o p e r a t i o nr a t ea n dr e d u c e sc o s to fp r o d u c t t h r o u g ht h er e a l t i m es y s t e m ，t h et r a d i t i o n a lp l a n n e d - m a i n t e n a n c ec a l lb ep l a c e d b yc o n d i t i o n - b a s e dm a i n t e n a n c e 浙江大学硕士学位论文发电设备状态监测及故障诊断系统 as c h e m eo fo n - l i n em o n i t o rs y s t e mb a s e d0 1 1d c sa n df i x i sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r , w h i c hc a nf o r e c a s ta n dd i a g n o s em a i n e l e c t r i ce q u i p m e n tf a u l tt h r o u g ht h er e a lt i m ed a t a b yw e b t e c h n o l o g y , c l i e n tu s e r s o fd i f f e r e n tl i m i t p r i v i l e g e c a r l g e t d i f f e r e n td a t ao ft h es y s t e ma ta n ym o m e n t t h en e c e s s a r ya n d s u f f i c i e n ti n f o r m a t i o nm a k e st h eg o o df o u n d a t i o nf o rt h ew o r ko f c o n d i t i o n - b a s e dm a i n t e n a n c e k e y w o r d ： c o n d i t i o n - b a s e d ，m a i n t e n a n c e ， c o n d i t i o n m o n i t o r i n g ，p o w e rs y s t e m ，r e m o t es u p e r v i s o r y 1 1 1 浙江大学硕士学位论文 发电设备状态监测及故障诊断系统 1 1 传感与测控技术 第一章概述 电力设备现代测试系统通常是由传感器系统、信号采集系统、分析诊断系统 组成。传感器系统用于感知所需要的电气参量或非电气参量。目前常用的传感器 有电磁传感器、力学量传感器、声参数传感器、热参数传感器、化学量传感器等； 信号采集系统是将传感器得到的模拟量转换成数字量进行传输，应用数字滤波技 术对采集到的信号进行滤波处理，抑制和消除外界干扰和背景噪声，提取真实信 号，并进行信号的还原；分析诊断系统是利用神经网络技术、模糊诊断技术、专 家分析技术等方法对其进行分析、处理和诊断，得到所测电力设备绝缘的当前状 态，并根据需要进行绝缘诊断和预期寿命评估。 g b7 6 6 5 8 7 传感器通用术语中，传感器( t r a n s d u c e r s e n s o r ) 定义为 “能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通 常由敏感元件和转换元件组成”。敏感元件( s e n s i n ge l e m e n t ) 指传感器中能直 接感受( 或响应) 被测量的部分；转换元件( t r a n s d u c t i o ne l e m e n t ) 指传感器 中能直接感受( 或响应) 的被测量转换成适于传输和( 或) 测量的电信号部分。 在电力设备检测与诊断系统中，传感器的作用相当于人的五官，由传感器获 取需要的信息，然后通过处理获取到的信息进行分析判断。现代测量技术的三大 基础是信号的采集、传输和处理技术，即传感技术、通信技术和计算机技术。信 号采集系统的首要部件就是传感器，且置于系统的最前端。 在电力设备的监测系统中，传感器性能的好坏对系统的功能起着决定性的作 用，人们对系统的检测与诊断的要求越高，系统对传感器性能的要求也就越高。 要提高电力设备的检测与诊断水平，首先就要解决传感技术。 传感器的分类有多种，种类繁多，但不管是哪种传感器，要评定其性能的好 坏，不外乎测定其静、动态特性，即传感器的线性度、迟滞、阀值与分辨率、灵 敏度、重复性及其动态响应特性等。 监测与诊断技术的根本任务是识别设备的运行状态，监测与诊断过程分为信 号检测、特征提取、状态判别与分类、趋势预测等几项基本内容。在监测过程中， 状态判别主要关心的是设备系统的整体状况，而在故障诊断中，状态分类则是在 浙江大学硕士学位论文 发电设备状态监测及故障诊断系统 发现设备异常后，对故障进行深入分析，以确定故障发生的部位、严重程度及原 因，为诊断决策提供科学的依据。一个完整的电力设备监控系统应该包括四大部 分： - 信号检测 信号是系统信息的载体，监测与诊断时首先应根据特定的诊断目的，选择最 能表征设备工作状态的信号进行检测。一般检测得到的工作状态信号被称为诊断 信息的初始模式。监测与诊断中常用的检测信号有振动、噪声、压力、温度、气 体成分、水分含量、超声、红外热像等非电信号以及泄漏电流、绝缘电阻、介质 损耗、局部放电、超宽频带局部放电等电信号以及数字电路中的状态码信息。为 了使检测信号中待检故障的信息容易提取，实施信号检测时必须慎重考虑信号类 型、传感器、以及测点分布等检测方式的选择。总的检测原则是尽可能提高检测 信号的信噪比。 b 特征提取 在计算机监测与诊断系统中，特征提取是一系列的数据处理过程。特征提取 的主要任务是将初始模式向量进行维数压缩，去掉初始模式中的噪声和冗余信 息，融合来自各个信道的故障信息，强化和提取故障特征，形成待检模式。根据 不同的诊断对象和目的，信号检测和特征提取具有极强的针对性，只有对诊断对 象的性质和工作机理有了充分的了解，才有可能采用最有效的信号检测与特征提 取方法。 c 模式识别 模式识别的任务是将待检模式与样板模式( 故障档案) 进行比较，明确其所 属类别。为此需要建立判别函数，规定判别准则，并力争使误判率最小。在故障 诊断技术中，常用的模式识别方法有两种：统计模式识别；模糊模式识别。 统计模式识别方法与人脑进行模式识别的思维方式差别较大，而基于模糊数学原 理的模糊模式识别则和人脑的判别方式类似。 d 趋势预测 在状态检测技术中，趋势预测主要用于估计故障的传播、发展，并对设备的 劣化趋势作出预报。趋势预测是事故预防和进行无破坏性监测的重要手段。尽管 设备在各种因数的影响下，其状态发展通常表现得杂乱无章，然而，其状态发展 趋势总是受内部隐含的规律所支配，总会表现出一定的必然性。在状态检测中， 2 浙江大学硕士学位论文 发电设备状态监测及故障诊断系统 经常使用并且有效的预测方法是利用时序模型进行状态预测，时序模型反映了不 同时刻观测值的相关性，即状态变化的惯性，这种惯性现象实际上反映了设备运 行状态的变化趋势。 电力设备绝缘老化主要是由电、热、机械和环境等因子引起的，要对绝缘状 态作出准确评价，必须要采用各种检测方法，以追踪这些因子何时达到有害的程 度。实际系统中，传感器的类型和数量取决于具体的监测任务，对于某些特殊的 诊断内容，可能还需要一些辅助的信号测量装置。如果能有效地监控电力设备中 热、电、机械因子的表征参数，则可以通过作用因子值与老化相关的经验公式的 诊断与分析，确定其对绝缘寿命的影响。 现代检测与诊断系统的核心是计算机或微处理器，大量的信号数据处理、分 析以及诊断决策是由软件来完成的，计算机或微处理器是通过总线与前端传感器 和信号调理单元相连接，利用总线技术可以构建成有别于传统意义的虚拟测量仪 器。另外，在组建电力设备检测系统时，必须认真考虑电磁兼容问题，严重的现 场电磁干扰可能导致测量工作无法进行。近年来，随着传感器技术、信号采集技 术、数字分析技术和计算机技术的发展和应用，电力设备检测技术得到了飞速发 展。 电力设备的状态监控与故障诊断技术发展到今天，已不再局限于某一单一对 象、单一模型的具体化研究，而是已过渡到从系统的角度，用系统工程的理论在 更普遍的意义上研究它的一般概念、内在机理、框架构成、系统层次结构及全息 信息交换策略以及功能模块自适应性实施方案。 状态监控与故障诊断系统已作为设备本身和运行过程的一个重要的、不可分 割的组成部分。一方面，基于状态描述的信号处理、信息集成和故障分析理论在 现代数学、物理化学方法的支持下不断发展；另一方面，一些诸如传感技术、光 纤技术、人工神经网络、模糊诊断技术、专家系统、计算机技术等新的分析方法 的突破与应用，使得智能监控与诊断技术得n t 飞速发展，使电力设备的检测水 平明显提高。 浙江大学硕士学位论文 发电设备状态监测及故障诊断系统 1 2 远程监测系统在电力系统中的应用 国外对电气设备状态监测与故障诊断技术的研究，始于6 0 年代，各发达国 家都很重视。但直到7 0 一8 0 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( g i s ) 等的局 部放电，电容型设备的介质损耗因数( t e s ) 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1 9 9 0 年 发表了关于电气设备绝缘诊断技术的综述性报告，对这一领域截止8 0 年代末的 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己认识。6 0 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。8 0 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的要求更为 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1 9 8 5 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 3 状态检测与状态检修概述 电力系统对设备的检修方法，一般有定期检修、事故检修以及状态检修。定 期检修是根据以往的经验和设备的使用情况，根据掌握的设备平均寿命及故障率 而确定不同设备的检修规模及间隔时间。事故检修是事前无检修周期和计划，设 备发生事故或损坏后进行的检查、修复。状态检修则是以在线、离线监测及诊断 技术为基础，对设备通过纵向( 历史和现状) 、横向( 同类设备的运行情况) 的比 4 浙江大学硕士学位论文发电设备状态监测及故障诊断系统 较分析，掌握其状态信息，对变化发展趋势及使用期限等作出预测，制定出维修 计划。除状态检修外的方法，能够在一定程度上保证设备安全运行，但有时则会 造成无效检修( 只是周期到了) ，浪费大量人力物力，而状态检修方法，是一种根 据设备的状态而进行的检修方法，是一种具有很强目的性、很强针对性的特性， 真正做到了“应修必修，修必修好”。 我国电力行业长期以来实行的设备检修体制是以故障检修、预防性计划检修 为主的形式。定期的计划性的检修存在许多弊端，如投入大、停运时间长、维修 费用高等，同时，如果检修质量存在问题，反而会带来更多的缺陷，也不能保证 该修的就会得到修理。随着设备制造工艺的进步和传感技术、计算机技术的发展， 周期性的计划检修已经不能满足现代化生产的需要，且其必要性也正面临越来越 多的质疑。状态检修能够有效避免周期性计划检修带来的弊端，它是基于可靠性 和预测性为中心的维修技术，根据对潜伏性故障进行在线监测和离线测量的结 果，结合巡视数据、历史及可靠性数据和人工智能技术等，对设备进行状态评估， 并以此来指导安排设备的维修，做到合理安排生产和检修，节约大量的设备维护 资金和停机检修时间，使现有的运行设备创造更大的安全和经济效益。电力系统 开展状态检修工作已成为大势所趋，也是目前厂网分开、电力走上竟价上网之路 的形势所需。 要成功实现状态检修，首先就是要对设备的运行状态十分的了解，所以，就 必需对设备的运行进行监测。状态监测的基本原理可以概括如下： 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做出判断和对设备的剩余寿命做出预测，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。 1 4 本课题的主要研究内容 我国目前火力电厂基本上实行了d c s 控制系统，局部范围甚至采用了现场 浙江大学硕士学位论文发电设备状态监测及故障诊断系统 总线技术( f e s ) ，建立多个远程i 0 站，分布在各就地设备附近，系统仅在主控 单元与这些远程i o 站之间实现了现场总线通信。 火力发电厂一台机组就是一个一次设备种类和数量极多的系统，如果是针 对每一种设备开发一套监测系统，将会有很大的工作量。以前，针对电力系统设 备诊断的监测系统一般都是针对单一系统甚至是单一设备进行开发的，这种系统 可移植性不是很大，虽然大多数的监测系统都是设计成规则库可修改的模式，然 而，这些修改也是非常有局限性的。 本课题立足于火力发电厂，在电厂现有的条件下，建立发电设备的在线监 测系统，并把发电厂电气设备的在线监控系统纳入到现有的火电厂o c s 控制系统 中，实现整个机组范围内的集中监控，以利于运行人员监控操作及各级管理人员 的查阅。 本人主要负责发电厂电气一次设备在线监测装置( 如发电机、变压器、断路 器、电流互感器等) 及电气监测系统的安装、调试工作。 6 浙江大学硕士学位论文发电设备状态监测及故障诊断系统 第二章发电设备的远程监控 2 1发电设备的故障过程分析 随着我国电力企业的发展，发电设备的复杂和紧密程度越来越高，影响电力 系统可靠性的因素越来越难以预测。研究设备的故障规律对制定检修对策、乃至 建立更加科学的检修体制是十分必要的。 故障率是描述发电设备故障规律的主要指标，表示在时间t 之前尚未发生故 障，而在随后的d t 时问内可能发生故障的条件概率。其数学关系式为 ( t ) = f ( t ) r ( t ) ，说明故障率为某一瞬时可能发生的故障相对于该瞬时无故障概率之比。 通过对设备的故障规律进行研究，发现设备在规定的使用寿命内，常见的故障率 曲线有6 种，如图2 1 所示。研究表明，故障曲线取决于设备的复杂性，设备越 复杂、部件越精密，其故障曲线越是趋向曲线e 和曲线f 。 故 障 室 “ t + t 1t 2 时间 故 障 塞 曲线a ( 浴盆曲线) 0 曲线b 7 时间 浙江大学硕士学位论文 发电设备状态监测及故障诊断系统 故 障 蛊 故 障 盛 故 障 塞 曲线c 时间 “甫 曲线d h - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 时间 曲线e 8 浙江大学硕士学位论文发电设备状态监测及故障诊断系统 故 障 室 i - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + 时间 曲线f 图2 1 设备常见故障率曲线 f i g2 1t h ec u r v eo ff a u l tf r e q u e n c yo fd e v i c e 传统计划检修的理论基础是建立在曲线a ( 浴盆曲线) 上的，随着电力设备的 日趋复杂、精密，其故障曲线在设备的全寿命区几乎不变或增长极为缓慢，传统 的计划检修制度己不能胜任。 设备在使用过程中，其技术状态随使用时间的延长而逐步恶化，很多故障发 生前会有一些预兆，这就是所谓潜在故障，其可识别的物理参数表明一种功能性 故障即将发生，功能性故障则表明设备丧失了规定的性能标准。设备故障发展过 程如图2 2 所示。 设 备 性 能 时间 图2 2 设备故障发展图例 f i g2 2t h ee x a m p l eo fa d v a n c ef a u l to fd e v i c e 图2 2 中潜在故障点p 表示故障逐渐发展，尚未在功能方面表现出来，但又 9 浙江大学硕士学位论文发电设备状态监测及故障诊断系统 能够通过一定的手段加以鉴别，如：轴承振动加剧，说明轴承即将出现故障；电 机线圈温度升高，表明线圈绝缘下降等等。功能故障点f 表示潜在故障己变成功 能故障，设备发生损坏，丧失了它应有的功能。探明潜在故障，就有可能在达到 功能故障前进行排除，避免因发生功能故障带来的不利后果。 2 2 现行检修策略分析 我国现行的电力系统对设备的检修方法，一般有事后维修、定期检修以及状 态检修三种检修模式。三种检修模式在不同的时代都有其特定的作用，随着历史 的进步，科技的发展，状态检修模式越来越适应现代电力市场的形势，成为一种 发展的超势。 事后维修又称故障维修，它不控制设备维修周期，当设备性能达到功能故障 点f 、设备丧失其应有功能后才进行维修。事后维修必须充分准备人力、物力， 以便随时有效的对付设备事故，同时对设备的可靠性、经济性都会造成很大的影 响。图2 3 表示事后维修的设备性能情况。 设 备 性 能 新设备性能 一障点； 弋踊 功能謦障点乓! - ! r 一 。 ! ； 图2 3 事后维修设备性能示意图 f i g2 3 t h ec h a r to fc a p a b i l i t yo fd e v i c em a i n t a i n e da f t e rf a u l t 图中：t l ：故障停机检修开始时间 t 2 ：检修结束时间 t ：设备检修耗用时间 计划检修一般包括：大修、中修、小修、l 缶修、定期维护等形式，它以设备 检修周期为基础，根据经验制定检修的检修项目、工期安排和检修周期。一般只 要达到计划的检修周期，不管设备实际性能如何，都要进行规定的检修工作，以 l o 浙江大学硕士学位论文 发电设备状态监测及故障诊断系统 实现保证设备性能良好的目的。图2 4 表示计划检修的设备性能情况。 设 备 性 能 图2 4 设备定期维修后设备性能示意图 f i g2 4t h ec h a r to fc a p a b i l i t yo fd e v i c ea f t e rp e r i o dm a i n t a i n e d 图中：曲线a ：设备性能曲线 曲线b ：检修周期过短时，设备维护后性能曲线( 过维修) 曲线c ：检修周期适当时，设备维护后性能曲线 曲线d ：检修周期过长时，设备维护后性能曲线( 欠维护) p ：潜在故障点 f ：功能故障点 t l ：造成过维护的检修周期 t 2 ：适当的检修周期 t 3 ：造成欠维护的检修周期 t ：检修耗用时间 不顾设备运行状态的计划检修，修理周期和范围固定，带有一定的盲目性， 很容易造成设备的过维护或欠维护，并且容易引起频繁的事后维修。实践表明， 有些初始状态和运行状态都很好的设备，经过一定的检修后，由于检修人员的责 任心、检修工艺的检修现场的局限性等原因，反而破坏了设备原有的良好状态， 虽然付出了人力物力，却降低了设备可靠性、经济性。随着发电设备的高科技、 高精度发展，计划检修已不能满足发电企业安全、经济生产的要求。 状态检修是在设备状态评价的基础上，根据设备状态和分析诊断结果安排检 修时间和项目，并主动实施的检修方式。它充分利用设备监测手段和诊断技术， 浙江大学硕士学位论文 发电设备状态监测及故障诊断系统 把设备维护的工作重点由消缺和保养转移到设备性能监测上来，在设备发生潜在 故障后、发生功能型故障前及时地、有针对性地进行维修，减少设备的过维护， 提高检修工作的针对性。图2 5 表示状态检修的设备性能情况。 设 备 性 能 图2 5 状态检修设备性能示意 图 能 f i g2 5t h ec h a r to fc a p a b i l i t yo fd e v i c ea f t e r c o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e 图中：t l ：检修开始时问 t ：设备检修耗用时间 状态检修就是根据设备运行的健康状况来决定进行何种检修活动的检修方 法，状态检修的重点就是及早发现潜在故障点p ，以能够及时采取预防技术、必 要时进行适当地检修，避免发电设备发生功能性故障。其基础和前提是对设备状 态参数的检测和对设备各种信息的综合分析和判断，并作出适当的检修决策。 2 3 状态监测系统概述 自7 0 年代后期起，世界各工业发达国家都非常重视发电机等电力设备与系 统的状态监测和诊断技术的发展和实际应用。经过近2 0 年的研究开发，从最初 的单项性能( 如振动) 单台设备的监测，发展到厂站的监测，乃至整个系统的 监测。早在8 0 年代初期，美国就已有包括几个发电厂的部分电网的监测系统， 各厂主要设备的状态信息，经过计算机网络系统送到监测中心去处理。近年来， 又把为电网的控制、调度和管理用的s c a d a 系统与厂站设备运行状态的监测结合 起来，形成多层次的监测与诊断系统。在这些状态监测与诊断系统中，采用专家 浙江大学硕士学位论文 发电设备状态监测及故障诊断系统 系统，模糊诊断与人工神经网络等新技术进行故障诊断的也越来越多。 自8 0 年代初期开始，我国一些高等学校与电力部门开展了电力设备的状态 监测与故障诊断技术的研究与应用。清华大学电机工程与应用电子技术系，武汉 高压研究所及部分省区的电力试验研究所等在这方面开展了许多工作，取得多项 有应用价值的成果。如清华大学电机工程与应用电子技术系在发电机定子绕组和 变压器的放电监测与诊断，鼠笼异步电动机转子断条的在线监测，转子温度的无 接触测量和发电机p - q 运行状态的监测方面都已有经过工业试验的成果。华北电 力试验研究院的电机绝缘过热监测装置，武汉高压研究所在绝缘监测方面的工作 都是有成效的例子。 通过对发电设备的故障分析，可以发现状态检修是根据设备状态和分析诊断 结果安排检修时间和项目，并主动实施的检修方式。状态检修的实质就是主动掌 握设备状态，观察增量趋势，重视历史资料，防止设备发生故障。实施状态检修 的目的是在保证设备可靠性的前提下，通过减少维护工作量、减少设备材料的消 耗、保持合理的备品配件库存，使设备具有最大可靠性和最低成本消耗。从而达 到提高企业经济效益的目的。状态检测是设备状态评价的基础，它要充分利用设 备监测手段和诊断技术，把设备维护的工作重点由消缺和保养转移到设备性能监 测上来，在设备发生潜在故障后、发生功能型故障前及时地、有针对性地进行维 修，减少设备的过维护，提高检修工作的针对性。要实现电力系统的状态检修， 其首要的就是先对大修重点设备进行监测，也就是要搞好以下设备的监测： ( 1 ) 、发电机的状态监测； ( 2 ) 、变压器状态监测分析； ( 3 ) 、高压断路器监测诊断系统； ( 4 ) 、电容型设备监测诊断系统； ( 5 ) 、避雷器监测诊断系统。 根据目前已开发的各种监测系统，监测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。 浙江大学硕士学位论文发电设备状态监测及故障诊断系统 ( 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。 2 4 发电机的状态监测 同步发电机是电力系统的心脏，它能否可靠工作，直接影响发供电的质量， 整个电网的安全、稳定运行。 发电机在制造、运输过程中，绝缘可能受到损伤，形成弱点；在运行过程中， 会不断受到振动、发热、电晕、化学腐蚀以及各种机械力的作用，整个部件都会 不断老化，直至损坏。为了掌握发电机的绝缘缺陷，长期以来我们一直以发电机 的预防性试验结果作为判断绝缘缺陷的依据。根据d l t5 9 6 1 9 9 6 电力设备预 防性试验规程规定：容量为6 0 0 0 k w 及以上的同步发电机的试验项目共有2 5 项，其中某些项目是在特殊情况下进行的，属于非常规项目。发电机电气预防性 试验可分为比对性试验和绝缘试验，如：直流电阻、交流阻抗、空载短路特性等 为比对性试验；绝缘电阻、交直流耐压等为绝缘试验。比对性试验完全可以用出 厂试验代替，绝缘试验在现场进行。但这是一种离线的、周期性的检测，且是在 发电机停运状态下进行的，虽然这种预防性试验基本上能够保证发电机在投入前 电气性能处于良好状态，但是，对运行中的发电机，则不可能掌握它的全过程绝 缘状况。 国内外多年运行经验表明，发电机的各种事故时有发生，其中定子绕组绝缘 烧毁的恶性事故仍是发生频度较高的故障之一。美国e p r i 在一份研究报告发 电机在线监测与诊断系统中提到，它统计了从1 9 6 7 年到1 9 7 6 年的1 0 年内， i o o m w 及以上容量发电机的1 3 1 次事故，其中定子绕组事故5 4 次，占事故总数 的4 1 2 。另外，发电机转子匝间短路，发电机端部固定螺丝松动，发电机进油 中带水，致使发电机绝缘下降等事故也时有发生。 近年来，在全国电机制造、运行、科研等部门专业技术人员的共同努力下， 大型发电机由于其本身的绝缘缺陷造成发电机损坏的事故已呈明显下降趋势，但 是，这些年来大型发电机定转子等各类事故仍时有发生。纵观这些事故，有些与 发电机运行中状态监测有关；有些与发电机本身制造水平有关。从造成这些事故 1 4 浙江大学硕士学位论文 发电设备状态监测及故障诊断系统 的原因来看，有些是原因清楚而不易解决的老大难问题；有些是由于观念上的差 异而未引起重视的问题；还有一些是原因不明的问题，需电机专业人员继续探索 攻关。 对发电机的运行状态进行在线监测，可时刻掌握发电机的绝缘状况，及早发 现处于萌芽状态的故障，从而可以采取有效措施，避免恶性事故的发生，减少经 济损失。根据在线监测的结果，对发电机实行预知维修，提高维修的针对性，可 以节约维修费用。发电机的状态监测系统向整个电力系统的调度中心实时提供电 网控制、调度与管理所需的数据，可以提高整个电力系统的安全运转可靠性。 对发电机进行在线监测，正确选择监测参数十分重要。目前，发电机在线监 测装置的监测参数十分多，但主要参数有：运行温度、振动、氢气湿度( 氢冷机 组) 、局部放电、发电机泄漏电流等。 集控式发电机组发电机的各部分温度( 如：定子线棒、铁心、内冷水入口出 口、冷热风等的温度等) 均已引入了d c s ，而且每个测点均可以设定上限温度和 下限温度并报警，另外，可以根据发电机运行规程的要求，通过简单的附加程序 实现发电机线棒间温差的计算、报警，完全具备了发电机运行温度的自动检测和 报警的硬件条件。因此，在线检测发电机运行温度已经成为一种主要的在线检测 手段。 对发电机的放电曾经有过这样一次经历：一次放电量从1 0 5p c 突增为 1 0 ”1 0 7p c ，停机检查，发现一根线棒铜线脱壳，绝缘分层，表面有裂纹：另一 次放电量从1 0 5p c 突增为1 0 7 1 0 8p c ，不停机，提高风温后，放电水平逐步恢复 正常。故障放电是电气设备绝缘发展成为绝缘击穿事故的必经过程，因此对放电 进行在线监测，可以达到早期预报的目的。 另外，发电机转子绕组匝间短路现象也时有发生。如浙江某电厂# 4 机组自 1 9 8 6 年底投入运行至今，己发生2 次转子绕组匝间短路现象。 电机的状态监测与故障诊断系统涉及面较广，相关的科学与技术也在急速发 展之中，国内外也都在继续进行有关的研究。我们应在提高监测系统技术性能指 标的同时，将已有的监测装置与系统在电力系统中推广使用，积累运行经验，促 进我国在线监测与诊断技术的发展。 浙江大学硕士学位论文发电设备状态监测及故障诊断系统 2 5 变压器的状态监测 变压器是电力系统中重要设备之一，提高其运行维护水平和技术管理水平是 保障供电可靠性和系统安全性的必要手段，因此对它发生的任何异常和各种故障 进行分析是十分必要的。由于大型变压器在设计、制造、材料质量和运行等诸多 方面的原因，设备的恶性事故和故障时有发生，且电力变压器结构复杂，容易造 成故障的原因很多，且故障原因与故障结果之间存在很大的不确定性，难以用一 般的数学模型加以描述。最终确定故障原因需要有丰富经验的、高水平的专家方 能得出。 为确保变压器类充油电力设备的安全运行，国内外开发了许多在线监测方 法，其中尤以利用气相色谱法( d g a ) 检测绝缘油中溶解气体的含量，以此来判 断充油电力设备内部故障的类型及严重程度的方法，在技术上最为成熟。 国外在8 0 年代研制出变压器绝缘局部放电在线监测装置，基本原理是监测 局放的脉冲电流和超声波。国内自8 0 年代以来，一些高等学校和电力部门的研 究所也陆续研制了变压器局部放电在线监测装置。如清华大学电机工程系完成了 “七五”国家重大设备科技攻关项目子课题电力设备运行中局部放电数字化监 测装置和相应的微机系统，还研制的j f y 一2 型电力变压器局部放电在线监测系 统已于1 9 9 8 年4 月在长春5 0 0 k v 合心变电站投入运行。 对变压器故障进行分析的方法很多，如绝缘油特性试验、罗杰斯比值法、外 部观察法、油中气体分析法等，但专家认为，油中气体分析法具有更高的准确性 和可靠性，通过用气相色谱技术对变压器油中溶有的气体进行检测，然后根据特 征气体的浓度即可分析变压器的故障。因此，利用气相色谱技术对运行变压器进 行在线监测，对于快速、准确地诊断出电力变压器的故障，提高变压器的安全、 经济运行水平有着十分重要的意义。 目前已有的基于气体分析的智能诊断方法有多种，包括专家系统，人工智能 和神经网络方法等。国内外也有油中溶解氢气甚至6 种溶解气体的在线监测装置 的产品出售。 1 6 浙江大学硕士学位论文 发电设备状态监测及故障诊断系统 图2 6 变压器监测仪系统运行框图 f i 9 2 6t h ec h a r to ft r a n s f o r m e rm o n i t o ro p e r a t i o n t r a n b 型变压器故障在线监测仪就是一种基于气体分析的专家系统智能 诊断仪，它采用了高可靠性的工业控制机硬件平台，在w i n d o w s9 x 系统下采用 面向对象的开发技术、网络技术以及数据库技术等多种先进技术，用来连续监测 故障气体的演变。它主要由控制主机( 包括测控卡) 、油气分离( 包括传感器装 1 7 浙江大学硕士学位论文 发电设备状态监测及故障诊断系统 置和气室) 、取样接口等三部分组成：油气分离部分通过取样接1 3 固定安装在变 压器本体上，测控卡插在控制主机内并安装在主控室内，控制主机与传感器之间 由六芯屏蔽电缆联接。每块测控卡可带2 套探头设备，每台控制主机最多可安装 5 块测控卡，因此每套t r a n b 监测仪最多可同时实现对1 0 台变压器设备的在 线监测。 2 6 高压断路器的状态监测 在电力系统的电气设备中，高压断路器是唯一的控制设备，它的动作可靠性 直接关系到整个系统的安全与稳定，诸多发生的重特大事故或系统解列停电都和 高压断路器的失常有关。 高压断路器的主要故障有机械故障( 包括操动机构及控制电路故障) 、绝缘 故障、灭弧故障和导体部分发热故障等，其中尤以机械故障最为频繁发生。机械 故障包括拒分、拒合、非全相合分、机械卡滞等。因此对机械故障的监测，尤其 是对频繁操作的高压断路器的监测具有十分重要意义。 近年来，s f 断路器在电力系统中得到了广泛的应用。在制造厂，s f 。断路器 车间对清洁度有很高要求，这一点在现场很难满足，因此在国外又发展了l | 缶时性 监测技术( t e m p o r a r ym o n i t o r i n g ) ，应用这一技术，在检查断路器时，不需打 开断路器，采用传感技术即可了解断路器内部触头烧损、机构等情况。这一技术 在状态维修中具有重要作用。 变电站内断路器数量常很多，2 2 0 5 5 0 k v 断路器对电力系统具有重要作用， 操作较频繁的断路器容易出故障，均宜于实行在线监测。 如下的一组统计资料也用事实说明了对断路器实行状态检修的必要性与迫 切性：在1 9 9 3 年至2 0 0 3 年的1 1 年间，某电业局对全局l o k v 至2 2 0 k v 的高压断 路器共做了2 0 4 7 台次大修，属于内部缺陷的只占大修总台数的1 2 2 ，在相同 的运行周期内没有达到额定开断次数，甚至没有开断过短路电流的达9 8 。另据 我国对1 9 9 9 至2 0 0 3 年的断路器故障统计，因检修造成的事故责任占总事故的 3 8 。 目前，国内外已有多种断路器在线监测系统设备。在国内，对断路器在线监 测系统的研究开发工作尤以清华大学为最，历史最久，成果较多，水平较高。 浙江大学硕士学位论文 发电设备状态监测及故障诊断系统 国内已有的断路器在线监测系统设备如z j k 一5 型高压开关实时状态在线监 测系统、h w 一2 0 0 0 高压断路器状态监测系统等设备，主要适用于户外的各种高 压、特高压开关的在线监测，它的工作原理是根据断路器开断电流与开断次数、 分合闸线圈电流波、机械振动波、辅助触头信息、储能电机信息和s f 6 气体压力、 湿度、温度等状态信息进行综合判断，以诊断其电寿命、常规机械故障、s f 气 体状态等。 ( 1 ) 、断路器电寿命的判断 早期断路器电寿命的判断方法是累计断路器的开断电流与开断次数。但因为 断路器在每次开断时并非都在额定电流下开断，在不同电流下由于烧损机理的不 同，其灭弧室的烧损量也不同，因此仅考虑开断电流和累计开断次数是不科学的。 合理的办法是依据开断电流的大小每次累计触头烧损量作为电寿命的判别依据。 ( 2 ) 、辅助电路监测与分析 分合闸线圈是控制断路器动作的关键元件，应用电流传感器可以方便地监测 出其电流波形。 ( 3 ) 、机械特性监测与分析 在断路器的体外各关键部位安装振动传感器，测量各点的振动波形，通过专 家分析系统来监测分析高压断路器的行程一时间特性，操作杆上机械负载特性及 松动、磨损、断裂等异常或故障状态。专家系统根据当次操作所得各项信息与投 运时所录“指纹”的比较，给出初步的诊断意见。 ( 4 ) 、储能电机参数监测 通过监测储能电机的最关键信息，如油泵打压频度增加或弹簧储能不到位电 机过负荷报警等来预告储能系统液压油不清洁、阀口密封破坏及泵系统异常、弹 簧机构状态异常等故障。 ( 5 ) 、s f 。气体温度、湿度、压力分析 由于s f 气体分子量大，因此s f 6 气体在不同温度、湿度、压力条件下的特 性与理想气体特性有较大差异。目前对s f 气体的监测主要是对s f 6 气体在不同 温度、湿度、压力下密度的监测。密度在线测量原理是根据绘制压力、温度和密 度的状态参数曲线的经验公式( 该公式为一最b - - 乘拟和的高次方程) ，智能监 测单元根据压力和温度参数解方程得出其实时密度。 其系统构成如下图： 1 9 浙江大学硕士学位论文 发电设备状态监测及故障诊断系统 各种信号采集s f 6 气体采集测量单元 主控及远程部分 图2 7 系统总体硬件结构图 f i 9 2 7 t h eh a r ds t r u c t u r eo f t h es y s t e m 2 7 电容型设备监测诊断系统 电力系统中电容型设备主要有祸合电容器、主变压器的电容型套管及电容型 互感器等设备，电容型设备的几个绝缘指标为：主绝缘及末屏对地绝缘电阻、电 容量及介质损耗因数。通过监测电容型设备的对地泄漏电流、电容量及介质损耗 因数，可及时掌握这些设备的绝缘状况，并根据纵向的、横向的、相间的比较， 掌握其绝缘特性的发展趋势，及早发现潜伏故障，提出预警，避免发生严重事故， 对保证电力系统的安全运行有重要作用，具有重大的社会意义和经济效益。 电容型设备绝缘监测技术的发展可分为两个阶段：带电测试阶段和以计算机 为核心的在线监测。 浙江大学硕士学位论文 发电设备状态监测及故障诊断系统 不论是带电测试，还是以计算机为核心的在线监测，正确选择监测参数十分 重要。根据电容型设备绝缘的结构特点，国外首先提出在设备工作电压下测试流 经设备绝缘的电流厶电容& 介质损耗因数t g 万作为监测参数，能够比较有效 地反应设备的绝缘状况，提高设备的运行可靠性。专家还提出将三相设备作为一 组，用测量三相不平衡电流的方法来提高电流测量的灵敏度。 原苏联列宁格勒电力系统的统计资料表明，运行中测量流经耦合电容器的电 流厶当电流值增加较多时即将其退出运行，3 0 年来2 0 0 台l l o 一3 3 0 k v 耦合电容 器末发生过任何运行中击穿事故。 随着微电子和计算机技术的发展，近年来出现了以计算机为核心的电容型设 备在线监