电气设备状态监测与故障诊断

电气设备的状态监测与故障诊断1前言1.1状态监测和故障诊断技术的含义电气设备在运行过程中受到电、热、机械、环境等多种因素的影响，其性能逐渐恶化，最终导致故障。特别是，电气设备中的大多数绝缘介质是有机材料，如矿物油、绝缘纸、各种有机合成材料等。它们在外部因素的作用下容易老化。电气设备是电力系统的基本组成部分。一旦失败，必将导致一些地区甚至广大地区停电，造成巨大的经济损失和社会影响。“监视”一词是指为特殊目的而进行的监视、观察和检查。设备的状态监测是使用各种传感器和测量手段来检测反映设备运行状态的物理和化学量。其目的是确定设备是否处于正常状态。“诊断”一词最初是一个医学术语，指的是医生分析和处理收集到的病人症状(包括医生的感受、病人自己的主观陈述和从各种实验室测试中获得的结果)、寻找病人的原因、了解疾病的严重性以及制定治疗措施和计划的过程。设备的“故障诊断”借用了上述概念，其含义是指专家利用他们对设备的知识和经验，根据从状态监测中获得的测量值以及他们的运行和处理结果所提供的信息，进行推断和判断，找出设备故障的类型、位置和严重程度，然后对设备的维护和处理提出建议的过程。简而言之，“状态监测”是特征量的采集过程，“故障诊断”是特征量采集后的分析判断过程。广义而言，“诊断”的含义概括为“状态监测”和“故障诊断”:前者是“诊断”；后者是“破碎的”。1.2状态监测和故障诊断技术的意义电气设备，特别是大型高压设备的突然停电，会造成巨大的经济损失和不良的社会影响。提高电气设备可靠性的途径之一是提高设备质量，选择优质材料和先进技术，优化设计，合理选择设计裕度，努力避免在使用寿命中出现故障。但这将导致制造成本增加。此外，设备在运行过程中总是会逐渐老化，而大型设备不能像一次性工具一样被“使用和丢失”。因此，另一方面，必须对设备进行必要的检查和维护，这是电力运行部门的重要工作内容。在早期，这种设备一直使用到它出故障，然后被修理，这被称为事故修理。然而，如前所述，对于大型设备来说，突发事故会造成巨大的损失。后来，它发展成为定期测试和维护，即预防性维护。目前，定期预防性试验和维护已经在电力部门形成了一个体系，在减少和预防事故方面发挥了很好的作用。但是，预防性测试是离线进行的，有许多不足之处：1)离线测试需要断电，许多重要的电力设备不能轻易停止。2)停电后，设备状态(如外加电压、温度等。)与操作不一致，影响判断准确性。3)由于定期定期检查而不是任何时候的连续监控，设备在测试间隔期间仍可能出现故障，导致维护不足。4)由于定期检查和维护，即使设备状况良好，仍需按计划进行测试和维护，造成人力和物力的浪费，甚至因过度拆卸和组装而损坏，即所谓的过度维护。因此，目前正在开发基于状态监测(通常是在线监测)和故障诊断的状态维护。基本原则可以概括如下。虽然设备的退化和缺陷的发展在统计上是显著的，并且发展速度也是缓慢的，但是它们中的大多数都有一定的发展时期。在此期间，会有各种早期迹象，显示其电、物理、化学等特征的少量逐渐变化。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状态监测，及时获取各种甚至微弱的信息。信息经过处理和综合分析后，可以随时判断设备的可靠性，并根据数值的大小和变化趋势预测设备的剩余寿命，从而可以及早发现潜在故障，必要时可以提供预警或指定操作。状态监测(在线监测)和故障诊断技术的特点是连续或随时监测和判断电气设备的运行状态，从而避免了上述预防性试验的缺点。在线监控和离线测试不是对立的，而是相辅相成的。如在线监控发现事故隐患，必要时，在离线状态下进行更彻底和全面的检查。采用状态监测和故障诊断技术可以实现从预防性维护到预测性维护的过渡，即从“到期时需要”到“维修时需要”的状态维护。状态监测和故障诊断技术非常困难。潜在故障的早期信号通常非常微弱，在运行条件下，磁场中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必须解决的首要问题。另外，被监控的各种特征量和设备的状态通常不是一一对应的，而是有着错综复杂的关系。如果说离线预防性试验结果的分析已经积累了大量的经验，我们可以制定相应的法规进行推广和实施(当然，我们也需要根据科学技术的发展不断进行修订和补充)；那么在线诊断还处于试验研究和经验积累阶段。在线诊断技术的发展不仅需要对设备结构及其老化机理有透彻的了解，还需要应用传感和微电子等高新技术。这是一项跨学科的新技术，具有重大的学术意义和经济价值。1.3状态监测和故障诊断技术发展概述国外对电气设备状态监测和故障诊断技术的研究始于20世纪60年代。所有发达国家都非常重视它。然而，随着传感器、计算机和光纤等高新技术的发展和应用，设备在线诊断技术直到20世纪70年代和80年代才真正得到迅速发展。加拿大、日本、前苏联等国家相继开发了对油中溶解气体、变压器、发电机、气体绝缘开关设备的局部放电、容性设备的介质损耗因数、交联聚乙烯电缆的泄漏电流等的在线监测系统。其中一些已经发展成为官方产品。1990年，国际大电网会议发表了一份关于电气绝缘诊断技术的综合报告，系统地总结了该领域到20世纪80年代尚未完成的研究成果。电气设备状态监测和故障诊断技术的重要性在中国早已得到认可。20世纪60年代提出了许多现场测试方法，但由于操作复杂，测量结果分散性大，没有得到推广。20世纪80年代以来，随着高新技术的发展和应用，我国电气设备在线诊断技术也得到了快速发展。由于我国工业发展迅速，电力短缺，部分设备故障率高，实施在线诊断技术以提高电力系统运行可靠性更为迫切。我国高等院校和电力科研院所的许多相关专业都相继开展了这方面的研究。自1985年以来，由电力部主持召开的全国电力设备绝缘带电测试与诊断技术交流会议已召开三次(分别在安徽、湖北和广东省)。不仅举行了学术交流，还讨论了如何开发和推广在线诊断技术。可以说，我国对电气设备状态监测与故障诊断技术的研究与世界同步发展，几乎处于同一水平。由于状态监测和故障诊断技术的难度，除少数项目外，国内外大部分技术都不成熟，仍处于研发阶段。由于客观需要，我相信这项技术一定会迅速发展，对提高电力系统的运行水平起到很大的作用。1.4状态监测和故障诊断系统的组成1.4.1系统分类监控和诊断系统可分为以下类型：1)简单类型：简单函数。如模拟监控设备、机械或屏幕显示。另一个例子是便携式数据采集器，它由数码管显示或带回计算机进行处理。2)以单片机为核心的监控装置：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存储器中的软件，可构成最简单的连续监控系统。3)以计算机为中心的监控系统：用一台计算机代替一台单片机可以提高系统的数据处理能力，增加分析和诊断功能。它可以发展成为一个分级管理的分布式监测和诊断系统。1.4.2基本单位监控和诊断系统包括以下基本单元。1)信息检测与适配单元：相应的传感器从待测设备中检测反映设备状态的物理量(特征量)，并将其转换成适当的电信号，传输给后续单元。2)数据采集和预处理单元：对传感器传输的信号进行预处理，主要是抑制信号中混合的干扰，提高信噪比。对预处理后的信号进行模数转换、采集和记录。3)信息传输单元：将收集到的信息传输到后续单元。对于固定监控系统，数据处理单元远离现场，因此需要一个专门的信息传输单元。对于便携式检测设备，只需要对信号进行适当的转换和隔离。4)数据处理单元：对采集的数据进行处理和分析，如读取特征值、时域和频域分析、平均等。为诊断提供有效数据。5)诊断单元：分析和比较处理的数据和历史数据、标准、程序和操作经验等。并对设备的状态和故障位置做出判断，为进一步的措施(如是否退出运行、安排维修计划等)提供依据。)并在必要时提供预警。由于特征量和状态不一一对应，需要综合分析和判断，专家的经验将发挥重要作用。专家系统作为人工智能的一个重要分支，在诊断技术中的应用已经受到重视。2电容式设备的监控和诊断2.1概述电介质的电强度通常随着其厚度的增加而降低。因此，电力电容器通常由一系列具有较小电极间电介质厚度的电容元件组成。电容套管和电容电流互感器的绝缘中还设置有一些均压电极，将较厚的绝缘分成多个较薄的绝缘，形成电容串联结构。由于这种共同的结构特征，电力电容器、耦合电容器、电容套管、电容电流互感器和电容电压互感器统称为电容装置。当容性设备的绝缘完好时，流经绝缘的电流引导电压u的相位为/2弧度(见图1)。与其他电气设备相比，电容式设备的工作电场强度较高，长期工作后设备的绝缘可能会局部损坏，即绝缘老化。此时，流经绝缘体的电流变化如下。从图1可以看出，监测电流值的变化I/I、绝缘的介质损耗因子TG(对应于电流相量的实部)和电容的变化C/C(对应于电流相量的虚部)可以判断容性设备是否存在绝缘缺陷。2.2介电损耗因数的监控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，主要由西林桥进行测量。在线监测要求测量过程自动化，应采用数字测量技术，而不是使用电桥。对于电力设备的绝缘，流过绝缘的电流I的相位使绝缘两端的电压U的相位小于 /2弧度，介质损耗角=(/2-)。采用数字测量技术是先测量，然后根据公式计算得到介质损耗角。下面将介绍两种介质损耗角的数字测量方法：过零时差法和正弦波参数法。2.2.1过零时差法流过绝缘的电流I和穿过绝缘的电压U是频率f约为50Hz的正弦波。过零时差法是在时域内通过脉冲计数测量正弦电流和电压从负到正过零的时差T，然后将其转换成I导U的相位差，进而计算介质损耗角的方法。给定正弦波周期T=1/f，测量过零时间差T后，很容易知道=2(T/T)，=(/2)-(/2)-2(T/T)。为了通过脉冲计数流测量过零时间差，正弦电流i(t)和电压u(t)应该被成形为相应的方波a和b，如图2所示。方波脉冲计数器用于控制时基脉冲的计数。如果计数器计数的脉冲数为n，时基脉冲的重复周期为，Tn。当以微秒计时，测量设备对的分辨率，即，为10-4。可以看出，为了使器件具有必要的分辨率，周期脉冲的重复周期应该足够短。2.2.2正弦波参数法设置流经绝缘的电流i=Imsin(t i)和穿过绝缘的电压u=Umsin(t u)。正弦波参数法是通过模数转换将电流和电压信号离散化后，用一定的算法得到正弦波参数Im，I，Um，u，然后计算I导u的伴随差，进而计算介质损耗角的方法。2.3电容监控在对流经绝缘体的电流I(t)和穿过绝缘体的电压u(t)进行采样之后，可以分别获得电流和电压的有效值I和u。监控装置同时测量工频电压的频率f。设备的电容C可以通过以下公式获得：事实上，当tg小于0.1时，由近似公式计算的电容误差可以忽略。2.4三相不平衡电流监控理论分析表明，监测流经绝缘的电流变化比监测介质损耗因子或电容的变化对发现绝缘缺陷更为敏感。然而，电流监测装置通常流过正常电流，并且当电流稍微改变时，很难及时找到该装置。然而，如果电流监测装置同时监测三相设备的绝缘，当设备处于正常状态时，三相电流是平衡的图3是用于监控三相不平衡电流的原理电路图。容性器件ZA、ZB和ZC分别受到三相电压A、B和C的作用，电流A、B和C流过它们的绝缘层。为了检测这些电流，检测单元(电阻器、电容器或电流传感器)Za、Zb和Zc分别连接到每个相设备的布线。由于它们的阻抗值比ZA、ZB和ZC小得多，它们的连接对流经三相绝缘的电流值几乎没有影响。检测单元的输出电压A、B和C反映电流A、B