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电气设备的在线监测与故障诊断 高胜友2013年12月18日 电气设备状态监测与故障诊断的意义 电气设备的组成 绝缘材料 导电材料 导磁材料等 绝缘材料大多为有机材料 矿物油 绝缘纸 各种有机合成材料 运行中受电 热 机械 环境等各种因素的作用 容易发生劣化 造成设备故障 设备绝缘结构性能的好坏 成为决定整台设备寿命的关键 由于大型电气设备发生故障而造成突发性停电事故 会造成巨大的经济损失和不良的社会影响 提高设备可靠性的方法 1 提高设备的质量 2 对设备进行必要的检查和维修 设备维修体制的发展 事后维修 CM CorrectionMaintenance 对设备使用直到发生故障 预防性维修 TBM Time BasedMaintenance 定期试验和维修 状态检修 CBM Condition BasedMaintenance 以状态监测和故障诊断为基础 在线监测的意义 不需要设备停电就可以了解设备的绝缘状况 监测时的电压就是设备的运行电压 较预防性试验时的电压更能灵敏地发现绝缘缺陷 绝缘在线监测得到的大量数据以及对数据的判断分析可以为状态检修提供依据 克服传统预防性检修的不足 变电设备的在线监测 变电设备的在线监测 主变压器 本体及附件 电抗器高压开关隔离开关电压互感器电流互感器避雷器电容器 电力电容器和耦合电容器 变压器 电抗器 高压开关 电压互感器 电流互感器 变压器的在线监测 局部放电油中溶解气体含量油中微水含量绕组变形 变压器局部放电监测 在电场的作用下 绝缘系统中只有部分区域发生放电 而没有贯穿施加电压的导体之间 即尚未击穿 在绝缘结构中局部场强集中的部位 出现局部缺陷时 将导致局部放电 局部放电监测的意义 局部放电是造成高压电气设备最终发生绝缘击穿的主要原因 这是一个 日积月累 的过程 可谓 冰冻三尺非一日之寒 刷形树枝丛林状树枝 变压器中局部放电类型 气隙放电 1 密封于固体内的气泡 例如 铁芯环氧绑扎带内的气泡 2 油和固体包围的气泡 例如 纸板夹层的气泡 悬浮放电 1 悬浮导体处于电场中 按电容分压取得一定电位 当体积足够大时积聚一定的能量 2 悬浮导体的存在引起电场畸变 使局部绝缘上的作用场强超过耐受电场强度 例如 套管均压球悬浮放电 金属异物悬浮放电 变压器中局部放电类型 尖端放电位于电场中的尖端 不论其本身的电位高低 包括处于地电位 都会引起电场畸变 使尖端附近的电场强度增大 这种作用称为尖端效应 由尖端效应引起的局部放电 简称尖端放电 夹层放电 变压器局部放电监测方法 介质迁移过程 脉冲电流法机械振动 声发射法电磁辐射 特高频法化学分解 色谱法 脉冲电流法监测变压器局部放电 脉冲电流法监测变压器局部放电 脉冲电流法监测变压器局部放电 声发射方法监测变压器局部放电 声发射方法监测变压器局部放电 特高频方法监测变压器局部放电 特高频方法监测变压器局部放电 宽带脉冲电流法局部放电监测 现场局放检测的核心要求 取得最多的放电信息 排除现场干扰从信息量来说 脉冲电流法为首选 但在其频段内各种干扰杂波较多固体和气体内放电的波长为几十到几百纳秒 主要能量频率为几十兆到几兆 故采样频率取100MHz 此时可以比较准确地记录信号波形在此频段下 各种干扰及不同种类局放的波形上有较大差别 从而可以根据波形特征首先分离分类所测信号及干扰对分离后 干净 的局放信号 已有大量识别和诊断经验 此方法是目前最好的 宽带脉冲电流法局部放电监测 常规局放测量的相位谱图不能分离噪声与信号 不能分离不同种类的信号 从而不能准确识别放电类型 宽带脉冲电流法局部放电监测 基于脉冲信号分离分类技术的局放检测则可根据信号特征将每一类局放的相位谱图分离出来 波形数据 1 2 sF sT 特征提取 特征谱图分类 sF sT 模式 1 局放种类识别 专家系统 干扰识别 宽带脉冲电流法局部放电监测 波形数据 相位谱图 模式 2 变压器油中溶解气体分析 气体的产生多数电气设备选用油纸或油和纸板组成的绝缘结构 当设备内部发生热故障 放电性故障或者油 纸老化时均会产生各种气体 这些气体会溶解于油中 不同类型的气体及其浓度可以反映不同类型的故障 所以对油中溶解气体的检测和分析是充油电气设备绝缘诊断的重要内容 不同故障类型产生的气体组分 变压器油中溶解气体分析 气相色谱的分析流程取油样 脱气 检测 数据处理色谱分析的基本原理 变压器油中溶解气体分析 检测器 热导池 TCD 氢火焰离子化 FID 谱峰 变压器油中溶解气体分析 脱气方法离线溶解平衡法 机械振荡法 真空法 变径活塞泵全脱法 现场检测鼓泡脱气法在线监测高分子渗透膜法真空脱气法顶空脱气法其他方法 油中溶解气体分析 检测器热导池 TCD 氢离子火焰 FID 半导体气敏传感器热线形气体传感器电化学检测器半导体微桥式检测器光谱技术 油中溶解气体分析 变压器油中溶解气体分析 诊断方法 变压器油中溶解气体分析 变压器油中溶解气体分析 变压器油中溶解气体分析 人工神经网络方法模糊聚类方法 变压器油中溶解气体监测装置 油中溶解气体分析发现220kV变压器过热缺陷 油中溶解气体分析发现220kV变压器过热缺陷 35kVB相套管温度高于其他两相 B相低压绕组直流电阻明显偏大打开35kV手孔法兰检查 发现B相套管导电板与引线连接部分过热灼伤形成焦炭 下部紧固螺栓用手可轻松转动 引线与导电板之间有1mm左右间隙 变压器油中微水含量的监测 水分含量是变压器油绝缘强度的重要影响因素之一 离线测量采用气体法 库仑法和色谱法 一般采用库伦法 在线监测一般采用电容式湿敏传感器 例如 聚酰亚胺薄膜 变压器油中微水含量的监测 变压器绕组变形的监测 绕组变形产生的主要原因设计制造原因 1 设计时短路强度不够 2 制造中存在缺陷 如压紧件 支撑件强度刚度不够 3 装配时线圈不同心 压紧不良等出口短路 1 短路过程中绕组出现由固有和强迫振荡所构成的复杂振动 2 绕组变形具有累积效应 运输中的冲击 变压器绕组变形的监测 变压器绕组变形的监测 离线检测方法 短路阻抗测量法 频响分析法 低压脉冲法 径向漏磁场测试法在线监测方法 短路电抗法 振动信号分析法 频响分析法 短路电抗法 振动法 变压器本体振动来源硅钢片磁滞伸缩引起铁芯振动硅钢片接缝处和叠片之间存在因漏磁引起的电磁吸引力 从而引起铁芯振动绕组中负载电流与漏磁场之间的作用引起绕组振动 高压开关监测 机械特性分 合闸时间 速度分 合闸线圈电流行程 超行程 弹跳同期性振动累计操作次数 高压开关监测 储能系统储能电机工作时间 工作电压 电流压缩泵的启动频率储能弹簧的位置或拉力 液压油的压力绝缘状态局部放电泄漏电流SF6气体压力 温度 密度 组分 微水真空灭弧室真空度 高压开关监测 电寿命开断电流燃弧时间 预击穿时间发热触头和导电连接处的温度 分 合闸线圈电流的监测 操作线圈的电流波形与电磁铁运动过程相对应 可以反映电磁铁的状态 操作线圈为断路器二次元件 电流不超过几安培 通过穿心式电流互感器可以进行测量 合闸弹簧状态监测 对于弹簧操动机构来说 储能电机工作电流波形可以反映储能时间 储能大小和弹簧强度等参数和状态 储能电机电流也可以通过穿心式电流互感器进行测量 动触头行程 速度的检测 动触头的行程信号 可以反映分合闸操作中触头的运动过程 与分合闸线圈电流波形结合 可以得出分合闸时间 速度等重要的操作参数 动触头的行程可以通过旋转编码器进行监测 旋转光电编码器 高压断路器的操作时的机械振动 高压开关设备的操作起始于分 合闸电磁铁线圈的上电 之后通过一些列的机械联动实现储能机构中能量的释放 进而通过力的传递和方向控制 带动动触头运动 整个操作过程中 零部件之间的机械撞击 摩擦 以及机械力 电动力等的作用均可以激发机械振动 机械振动通过设备零部件之间的连接向外传播 可以在传播路径和开关的机座 外壳上测得 机械振动的监测 机械振动按频率可分为三种类型 低频振动 f1000Hz 主要通过加速度进行测量 加速度表征振动部件所受冲击力的强度 冲击力的大小与冲击的频率和角速度值正相关 对于高压断路器来说 操作过程中振动信号的主要频率在1kHz以上 机械振动监测 高压导体 触头温度监测 主要问题 绝缘 供电方法 无线 射频 红外 光纤 母线电流 磁场 组件 a温度传感器 b感应线圈 c电子线路 红外发光二极管 红外光接收器 温度信息接收器 高压开关柜局部放电的监测 暂态地电压 TransientEarthVoltages TEV 声发射 AE TEV传感器 超声传感器 外部传感器 键盘 充电指示 充电接口 耳机接口 电源开关 液晶屏 高压开关柜局部放电的监测 高压开关柜局部放电的监测 GIS局部放电在线监测 声发射 AE 法 检测局部放电产生的超声振动信号 良好的抗电磁干扰能力 良好的局部放电定位能力 传感范围较小 特高频 UHF 法 检测局部放电的UHF频段电磁波信号抗电磁干扰能力较强 能够实现局部放电定位检测灵敏度较高传感范围较大 GIS主要放电类型 UHF传感的信号体内耦合 体内耦合 UHF传感的信号体外耦合 不同类型局部放电的波形和相位 不同类型局部放电的频谱 GIS局部放电检测案例 GIS局部放电检测案例 2020 3 12 71 可编辑 电容型设备 绝缘结构由多个电容元件串联而成包括的类型 耦合电容器高压电容式套管电容式电流互感器 电容型设备 电容型套管结构 电容型套管等效电路图 电容型设备监测的参数 介质损耗角正切tan 等效电容量Cx三相不平衡信号 电流信号的电压信号的获取 2 t2 t1 T 2 t T 2 2 2 t T t n f 过零点时差比较法 u1 A1sin tu2 A2sin t u3 u2 u1 A2sin t A1sin t若A1 A2 A 则u3 A sin t sin t Bcos t 2 其中 B 2Asin 2 t 0时 可简化为 u3 Asin 则 arcsin u3 A 过零点电压比较法 基于电桥平衡的方法 i Imsin t i u Umsin t u i t D0sin t D1cos tu t C0sin t C1cos t式中 D0 Imcos i D1 Imsin i C0 Umcos u C1 Umsin u i arctan D1 D0 u arctan C1 C0 在对信号i t 和u t 采样 并用最小二乘算法求得D0 D1 C0 C1后 即可由上式算出 正弦波参数法 相关函数法 原理 运用傅里叶变换和三角函数正交性原理 从电压 电流信号中分别分离出基波分量 分别计算采样开始时刻的初相位 然后计算相位差 谐波分析法 基波相位分离法 需要解决的关键技术 保证电压 电流同时采样保证整周期同步采样 输电设备监测 电力电缆架空线路绝缘子 交联聚乙烯电缆的劣化 热劣化 温度过高 氧化分解 电离作用 绝缘电阻和耐压性能下降电气劣化 电晕劣化 电树枝劣化水树枝劣化 制造过程中残留在绝缘内的微水或运行中因机械损伤水分逐渐侵入 电场长期作用下 绝缘中形成由微小水滴以及连接它们的水丝组成的水树枝化学劣化 多发生在石油化工部门 形态包括溶胀 溶解 龟裂或化学树枝劣化 交流击穿场强与水树枝长度的关系 XLPE电缆绝缘电阻在线监测 直流叠加法 原理 在接地的电压互感器中性点处施加低压直流电源 通常50V 即将外部直流低电压 叠加在电缆绝缘的交流高电压上 从而测量通过电缆绝缘层的微弱的直流电流 或换算成绝缘电阻 直流叠加法与传统方法比较 原理 电缆绝缘层常可看成一个R C并联等值电路 当外施电压为低频而非工频时 流过绝缘层的容性电流较工频时为小 而阻性电流却无显著变化 因而容易从总电流中 分出阻性电流来 叠加的电压为7 5Hz 20V的交流电压 低频交流叠加法 tan 在线监测法 原理 介质损耗的大小随水树老化程度而增加 在较低频率下电缆的损耗特征较为明显 在0 1 50Hz间的损耗正切值与水树老化程度有很好的相关性 监测XLPE电缆局部放电的意义 测量局部放电是及时发现电缆故障隐患 预测电缆运行寿命的重要手段 是国际上推荐的评价电力电缆绝缘状况的最佳方法 局部放电是造成电力电缆破坏的主要原因 同时也是电缆绝缘劣化的表现形式 XLPE电缆在制造及接头制作过程中的缺陷将导致局部放电的发生 监测XPLE电缆局部放电的主要方法 监测XPLE电缆局部放电的主要方法 差分法优点 无需加入专门的高压源和耦合电容 无需改变接线 抑制噪声能力强 缺点 高频信号衰减严重 监测XPLE电缆局部放电的主要方法 方向耦合法优点 灵敏度高 可检测小于6pC的放电 缺点 需要在绝缘上插入电极板 监测XPLE电缆局部放电的主要方法 电容传感器法优点 灵敏度较高 可利用时间差进行定位 缺点 需要在电缆护套上切口子 监测XPLE电缆局部放电的主要方法 超高频电感耦合法优点 灵敏度高缺点 高频信号衰减严重 一般只适用于电缆附件的测量 监测XPLE电缆局部放电的主要方法 电磁耦合法操作安全 易于安装 造价低廉 能更真实的反映局部放电脉冲波形等优点 可用来检测运行中电缆系统的局部放电情况 XLPE电缆局部放电现场测试 在某500kV12公里的XLPE电缆现场安装完毕后已通过交流耐压试验无任何异常 但在现场局部放电测试中发现有大量噪声 通过使用该检测系统的脉冲分离与模式识别功能显示某一接头内部有一微弱放电信号 取回实验室发现有内部放电 而且有电树枝报警 打开接头检查发现有明显放电碳化痕迹 估计为安装时划伤后被高压耐压试验所伤 监测XPLE电缆局部放电的主要方法 声发射法 监测XPLE电缆局部放电的主要方法 监测XPLE电缆局部放电的主要方法 TEV法 监测XPLE电缆局部放电的主要方法 XLPE电缆局部放电现场检测技术 阻尼振荡波检测技术是近年来国内外密切关注的一种用于XLPE电缆现场绝缘性能检测与诊断的新型技术 电源容量小无稳态直流电场电压波形与频率满足IEC60270标准 可以标定 阻尼振荡波放电回路 振荡波波形 电缆局部放电定位 时域反射法 典型电缆接头故障 终端悬浮 外半导电层破损 中间接头压接管错用绝缘胶带 终端接头毛刺 典型电缆接头故障 接头内部杂质 终端覆盖电缆外半导电层过多 外半导电层无倒角 局部受损 XLPE电缆现场测试案例 XLPE电缆现场测试案例 旋转电机的监测 电机典型故障定子铁心故障 发电机 绕组绝缘故障 各类电机 定子绕组断股故障 发电机 定子端部线圈故障 各类电机 冷却水系统故障 各类电机 转子绕组故障 异步电动机 转子绕组故障 发电机 转子本体故障 各类电机 电机监测内容 放电监测温度监测热解产生的微粒监测振动监测气隙磁通密度监测气隙间距监测 电机定子绕组局部放电监测 放电类型电机绝缘内部放电端部放电槽部放电 电机定子绕组局部放电监测 传感器 高频电流传感器频率响应范围 30kHz 30MHz 电机定子绕组局部放电监测 传感器 电容耦合器 电机定子绕组局部放电监测 传感器 定子槽耦合器 SSC 微粒监测 当绝缘的温度超过运行中最大允许值 例如160 时 绝缘材料中的溶剂开始挥发 当温度升高达到分子量较大的合成树脂的沸点时 产生分子量较大的烃类气体 如乙烯之类 温度进一步升高超过180 时 树脂中化学成份开始分解 在冷却气体中 绝缘的高温区附近 形成了较重的烃类分解物的过饱和蒸气 它随冷却气体离开热区很快凝聚 产生凝聚核 直径约0 01 m 0 1 m 凝聚核随凝聚的进展继续变大 直到形成稳定的雾状液滴 温度再升高到超过300 400 后 树脂材料 木质 纸质 云母或玻璃纤维也都相继开始劣化和碳化 并同冷却气体 如空气 中的氧气或是同树指中复杂的烃类化合物分解产生的氧气相作用 生成CO CO2等气体 热解产生的各种气体和液滴 甚至产生某些固体微粒 这些东西组合在一起形成从绝缘物质中释放出来的烟雾 烟雾监测器 振动监测 监测振动的意义轴承不同心或磨损 电机转子偏心 运转中会引起定子振动汽轮发电机转子长而直径相对小 有很大可能性产生强迫扭振 大轴产生疲劳而毁坏 振动监测量振动的总均方值频谱分析外壳振动 定子力波 扭振 振动监测 振动监测 磁通密度监测 磁通密度传感器 强力胶水粘贴在发电机气隙的定子铁芯表面 磁通密度监测 气隙间距监测 电容式传感器传感器为非接触型 使用时无损于机组的运行 采用强力胶粘贴在发电机气隙的定子槽壁上 安装时不需抽发电机转子结构简单 工作可靠 免维护 寿命长 具有高度的 免疫力 其准确度不受表面油 碳粉等污垢的影响 温度系数小 具有强的抗电磁干扰能力 励磁碳刷火花监测 励磁碳刷和滑环之间接触不良 或压力调整不合适 会发生火花 火花的直接后果是加速碳刷和滑环之间的不良接触 使火花越来越严重 甚至发生环火 导致励磁回路短路 严重威胁发电机的正常运行 紫外光辐射强度监测法 轴电压监测 当电机的设计 调整存在问题 或电机出现故障时 电机往往会出现较高的轴电压 轴电压升高到一定的数值 将会击穿轴承油膜 形成轴电流 轴电流不但破坏油膜的稳定 而且由于放电 在轴颈和轴瓦表面产生很多蚀点 而破坏了轴颈和轴瓦的良好配合 进一步加剧轴瓦的损坏 轴电压监测 振动信号在电动机故障诊断中的应用 电动机轴承故障电蚀 在旋转过程中 轴承的套圈和滚动体的接触部分有电流流动时 电流通过稀薄的润滑油油膜产生电火花 从而导致接触表面因发生