研究生第一课2008课件

李燕青

电气设备故障监测与诊断GIS···电力电缆发电机变压器电容性设备电气设备界定课程涉及的领域高电压工程电子测试技术电磁兼容人工智能可靠性工程传感技术课程的主要内容在线监测综述故障诊断概论电气故障分析传感技术

电磁兼容及抗干扰数据采集与处理故障报警原理智能诊断方法可靠性评估及维修策略

电力变压器电容型设备避雷器绝缘子电力电缆GIS发电机实际应用在线监测系统基本结构及关键技术背景知识1.《电气绝缘在线检测技术》，严璋编

北京，中国电力出版社，1995.11

2.《电绝缘诊断技术》，朱德恒、谈克雄主编

北京，中国电力出版社，1999.04

3.《电工高新技术丛书》第五分册

(电气设备状态监测与故障诊断技术)

朱德恒、谈克雄编

北京，机械工业出版社，2000.03主要参考书目以电气设备故障的机理、检测和监测、数据信息分析、综合装置研究为主题，选其一，综合国内外的最近研究进展与成功进行相关分析和综述。要求：格式——科技论文格式，包括摘要、正文、参考文献。字数——3000~5000字其他——有自己的看法考试方式全球截止到2030年仍将有1/5的人口，根本的不到电力供应。美国在未来20年中需要建设1300个发电厂（平均每年65个）才能保证充足的发电能力。否则，加州停电问题就肯定会在全国范围内出现。能源短缺将对美国所有的地区造成影响。发展中国家和不发达国家严重的能源短缺和电力工业的落后状态，已成为影响其经济发展的瓶颈。世界电力现状我国电力工业发展很快，到2004年5月，发电装机容量已突破4亿千瓦，居世界第2位。仍不能满足国民经济快速发展的要求。2003年已有22省市缺电。目前已有24个省市缺电。

我国电网遵循‘西电东送，全国联网’的发展方针,已建成六大区域电网,着手建设北、中、南三大西电东送通道,逐步推进全国联网。我国电力系统发展现状2003年9月四大区域电网互联—超大型同步电网

华中Central华东East

华北North东北Northeast川渝ChuanYu福建Fujian跨14省、市、自治区装机容量超1.4亿千瓦，距离超4600公里华中电网东北电网华北电网川渝电网伊敏电厂二滩电厂华东电网西北电网500kv220kv330kv火电厂水电厂核电厂变电站2020年西电东送方案京津唐长江三角洲珠江三角洲传输功率1.2亿千瓦世界各国1996年的电力状况和人均消费电量排序

050100150200250300美俄日中加德中国发电量和装机容量现居世界第二位建国初期：发电量第25位装机容量第21位2002年：均已跃居第2位GW350我国电力系统体制

两家电网公司是国家电网公司、中国南方电网有限责任公司； ５家发电集团公司是中国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国华电集团公司、中国国电集团公司和中国电力投资集团公司； ４家辅业集团公司是中国电力工程顾问集团公司、中国水电工程顾问集团公司、中国水利水电建设集团公司和中国葛洲坝集团公司。

电力体制改革方案：1(电监会)+2(电网公司)+5(发电集团)+4(辅业集团)电力系统的构成电厂输电网配电网用户电力网瞬间平衡的电力系统电力系统是世界上最大的“瞬间动态平衡系统”

。发电和用电是同时发生的，基本没有存储环节。电力系统的所有问题都是围绕这个特点展开的。电力系统的稳定性问题电厂电力网用户系统瞬间改变

发电、输电和用电过程构成了不可分割的整体，任何环节发生故障都有可能引起链式反应，导致整个系统的崩溃。

历史上的大停电事故1965年由于保护继电器动作失灵导致的美国纽约大停电，造成近30亿美元经济损失，50多万人被困在地下和地铁的车厢里。1989年3月6日太阳出现过一次强度达的X15级耀斑，伴随产生的太阳风暴导致加拿大电力输送中断，600万人断电9小时之久，经济损失达10亿美元。美国旧金山1998年2月8日，太平洋天然气电力公司(PGE)变电站发生停电事故，所有从圣马特欧变电站至旧金山的5条115kV输电线全部跳开，旧金山地区2个发电厂解列，456000多个用户停电。旧金山大停电巴西大停电巴西圣保罗1999年，由于闪电击中圣保罗的一个变电站，变压器跳闸导致电网解列，引起巴西南部地区停电长达4小时之久。停电波及巴西27个州的11个州，停电地区是巴西人口和工商业最密集的地区，直接影响1.7亿人的正常工作与生活，经济损失非常严重。由于停电发生在午间交通高峰时间，交通灯熄灭，引起严重交通堵塞。

美国纽约2002年3月位于曼哈顿东区的爱迪生联合电厂突然失火，并引燃了用于发电的燃油。这起事故造成纽约第14大街以南的6.3万户居民住宅停电，附近的格林尼治和索霍等地区也受到影响。居住在世贸中心遗址附近的居民又一次感受到了“９·１１”时的恐怖气氛。驾车者在昏暗的高速公路上小心翼翼地行驶，高大建筑内的人们在漆黑的楼道里摸索着前行，耳边不时传来阵阵警笛声。

纽约大停电（II）纽约大停电（III）

美国东部时间2003年8月14日下午4时左右，美国东北部和加拿大部分地区发生大面积停电。在纽约，停电造成整个交通系统陷入全面瘫痪。上至飞机航班，下至地铁运输，都陷入停顿。停电影响到了加拿大的1000万人。在加拿大第一大城市多伦多，交通系统也陷入瘫痪状态，数千人无奈地忍受着30摄氏度高温，地铁站已经被关闭。菲律宾主岛吕宋岛2002年5月21日由于海底电缆损坏，引发大面积停电事故，全国人口一半以上受到影响。首都马尼拉和广泛地区四千多万人没有电力供应。

这次停电对菲律宾的商业运作造成重大打击。受停电影响，铁路系统停顿，数以千计的乘客被困车厢内；菲律宾股票市场也被迫中断交易。

菲律宾大停电

希腊北部地区2002年6月12日下午由于气温过高，希腊北部最大城市萨洛尼卡附近一座变电站内的变压器突然发生爆炸，造成包括该市在内的大部分希腊北部地区供电中断。发生长达一个多小时的严重停电事故，造成许多城市交通瘫痪，通讯系统无法正常工作。瑞典首都斯德哥尔摩于2002年3月11日开始，由于地下隧道的输电电缆被烧毁，连续两天发生大面积停电事件，造成许多工厂停产，严重影响了当地居民的正常生活。英国南部莱斯特郡2003年5月11日发生大面积停电。2万多户家庭连续几天生活在黑暗中。附近的肯特郡、萨塞克斯郡和萨里郡的3.1万户家庭的断电现象则持续了更长一段时间。

其他停电

在我国，近20年来各大电网中规模较大的停电事故约有140余起，每次损失数以亿计。近几年事故次数虽有所下降。但其规模和造成的损失却大幅度扩大和上升。随着全国电网的形成，电力系统重大事故也更将危及到我国国家安全。我国的情况台湾1999年7月29日全岛发生五十年来最大的一起停电事故，南北两条超高压输电线路损坏，进而引发连锁反应，造成台中电厂、通霄电厂、林口电厂、协和电厂、深澳电厂以及核能一、二、三厂全部跳闸，总跳机电量高达1000万千瓦，全台湾停电用户高达900万户。包括机场、医院、科学园等敏感地区，都一度陷入停电状态。直接经济损失在150亿新台币以上。新竹科学园的26座晶片厂生产线因此停顿1至2天，每座晶片厂的损失估计超过5000万元，由于适逢月底出货高峰，总计这次大停电造成新竹科园区的损失约新台币100亿元以上。台湾大停电

辽沈地区2001年2月22日遭遇最严重大面积停电事故，沈阳市区停电面积已经超过70%。辽沈停电事故是从高压输电线路的燃弧放电开始的。辽沈为我国重工业区，含盐的空气污染物附着在绝缘瓷瓶上，大雾湿气使瓷瓶绝缘能力降低，电流沿着瓷瓶表面爬升，出现闪烙放电现象。辽沈停电事故中，几乎所有的高压输电线路都“火冒三丈”，停电事故最厉害的就是工业集中、污染严重的铁西区，该区全部停止了电力供应，损失巨大。辽沈大停电停电原因城市电网结构

管理不善设备故障

检修

电源不足

外部因素气象影响

上海0.06

2.12

45.31

39.17

0.00

10.78

2.56

太原1.63

3.04

16.76

64.710.53

10.31

3.02

长春0.40

1.82

14.66

69.26

0.00

8.02

5.84杭州2.97

4.82

18.44

67.18

0.00

5.34

1.25

广州0.00

19.4528.6950.96

0.00

0.00

0.90

西宁0.04

3.78

49.50

29.19

0.00

17.490.00(%)1981～1990年间，我国主要电网有近1/3的电网事故的直接起因是设备故障损坏所造成的，而在“八五”期间，由设备故障直接引发的电网事故占事故总量的26.3%，可见提高设备的运行可靠性是保证电力系统安全运行的关键。现代电力设备的可靠性在很大程度上取决于其绝缘的可靠性。

安全第一“不求有功，但求无过”是电力运行单位的宗旨。但要实现这一消极的目的，需要非常积极的态度。

保证设备安全的基本途径

制造100%可靠的设备建立完善的检测体制与维修计划

虽然设备的质量和可靠性主要取决于设计和制造阶段，但为了保证设备的正常运行，在很大程度上也需要借助于投运后的维护工作，即在运行过程中通过对设备进行必要的巡视检查、监测和试验，建立完善的维修计划，以减少事故的发生，提高运行可靠性。制造这样的大型电力设备，在技术上是极其复杂的，尤其是对于电压等级较高的设备，多数情况下这样的设计在经济上也是不合理的。

运行现场的两种检测方法带电测量(On-sitedetection):对在运行电压下的设备，采用专用仪器，由人员参与进行的测量。在线监测(On-linemonitoring):在不影响设备运行的条件下，对设备状况连续或定时进行的监测，通常是自动进行的。

监测系统应具有较强的抗干扰能力。监测系统应具有较强的对环境变化的耐受性。监测系统不应影响一次设备的正常运行。监测系统的寿命应长于被监测设备的预期寿命。对在线监测系统的基本要求在线监测的基本框架现代工业的特点

设备维修的重要性设备事故的危害性对设备不解体监测和诊断的要求越来越强烈维修人员高龄化产生的问题设备大型化、连续化、高速化和自动化。在提高生产率，降低成本，节约能源和人力，减少废品，保证生产质量等方面有很大的优势。另一方面，由于设备发生故障而造成的损失成比例增加。现代化设备技术先进，结构复杂，点检工作量大，一般情况下很难依靠人的感官和经验把故障因素检查出来，且不允许随便解体设备。要求采用先进的仪器和科学的方法，进行监测和诊断。在许多工业化国家中，一方面经验丰富的“标准眼”，“标准耳”越来越少，另一方面青年维修工人往往缺乏应有的素质——丰富的经验。寻求专家经验的在时间和空间上的延续。解决问题的出路

对设备维修工作进行改革

管理方面经济方面技术方面用“设备综合工程学”的观点来确定维修方针、目标、组织人员和管理系统。以寿命周期费用最佳化为目标，根据对维修的经济性评价，从维修费、劣化损失、固定资产转移和折旧等因素来确定维修的方针、目标、组织人员和管理系统。大力发展设备监测和诊断技术，最引人注目的是故障诊断技术，改革维修方式。电力系统维修方式的演变过程1.事后修理BM（BreakdownMaintenance）或故障维修；2.定期检修TBM（TimeBasedMaintenance）或预防性维修PM（PreventiveMaintenance）；3.状态维修CBM（ConditionBasedMaintenance）或预知性维修（PredictiveMaintenance）。事后维修体制早期技术及管理水平都很低，即使再重要的设备也只能坏了再修。以致工作毫无计划性，供电可靠性很低。简单方便，对消耗性产品是有效的。随着电力系统的不断扩大，设备故障所造成的停电损失也越来越大，事后维修无法满足系统对运行稳定性的需求。现行维修体制—定期维修预防性试验是电力设备运行和维护工作中的一个重要环节，是保证电力系统安全运行的有效手段之一。在我国已有40年的使用经验。预防性试验、大修和小修构成了定期维修制的基本内容。1.维修周期频繁设备发电机变压器电力电缆GIS小修周期（年）1111大修周期（年）35~10552.预防性试验项目过多电力变压器32项发电机25项互感器11项GIS达20项定期维修制的种种弊端大修一台30万kVA的发电机需要大约3个月的时间，耗费资金近百万元。大修一台12万kVA的变压器需投入300多个工作人日，资金10万元。大修一台220kV开关需投入100多个工作人日，资金2万元。长时间停电检修，将造成大量的电量损失。300MW机组停运一天，少发电720万度，直接损失150万元。3.经济性差4.增大不安全因素易发生人身和设备安全事故。发生在检修、试验人员身上的伤亡事故占全部供电伤亡事故的77.8%。停送电过程易造成误操作。5.过度维修对110台高压变压器进行的162台次定期吊检大修结果进行统计。共发现缺陷24项，其中一般性缺陷23项，危及安全运行的仅1项。对110kV及以上油开关大修统计表明，95%以上未发现部件损坏。定期检修虽有成效，但过于保守。实践证明，频繁检修非但不能改善设备性能，反而常常会引入新的故障因素。

6.维修不足

由于采用周期性定期检查，很难预防由于随机因素引起的偶发事故。设备仍可能在试验间隔期间内由于微小缺陷的持续发展导致发生故障。

预防性试验是在停电情况下，进行的非破坏性试验，试验电压一般不超过10kV。而大部分变电设备工作电压为110~500kV。很难正确反映高压电气设备在运行中存在的缺陷。7.预防性试验条件与实际运行工况不同

设备的现代化对设备的维修体制提出了变革的要求，设备运行的高可靠性和维修方式的经济性已成为电力系统降低运行成本的关键。

发展中的维修体制—状态维修状态维修方式的基本思想“治于未病”传感器在线检测故障诊断状态维修的概念

可靠性为中心的维修技术（ＲＣＭ）是在对元件的可能故障对整个系统可靠性影响评估的基础上决定维修计划的一种维修策略。

预测性维修技术（ＰＤＭ）是根据对潜伏故障进行在线或离线测量的结果和其他信息来安排维修的技术。

状态维修的概念是在５０年代由美国通用电气公司最早提出的，在６０年代开始应用于航空航天系统

，因为航空航天设备非常复杂，使用定期维修在经济上变的不可接受，而利用状态维修收到良好的效果，８０年代美国ＥＯＰＲＩ将其应用与核电站的维修，近年来在发电厂和输变电设备和维修也开始或准备开始应用状态维修技术

国外：★美国最早，1967年美国宇航局倡导成立了机械故障预防小组（"MFPG"）★19世纪70年代英国机械保健中心成立，80年代用于核发电、钢铁、电力等诊断。★1971年日本开始发展自己的TPM（全员生产维修）：钢铁、化工、铁路国内：★天津大学从1982年起研究齿轮传动、轴承、齿轮箱、切削过程等方面的诊断与监控技术，设备的智能诊断与预测维修系统★华中理工大学研究开发的汽轮发电机组诊断专家系统、钢丝绳诊断系统★国防科大：望远号远洋考察船的在线监控与故障诊断系统★92年以大连电业局为试点进行状态维修的试点工作。为什么电力工业重视并引入状态维修技术？

电力系统的可靠性在很大程度上取决于电力设施的可靠性。随着电力系统的发展，电网容量的增大和用户对供电可靠性要求的提高，电气设备中高电压，大容量设备增加，维护费用占电力成本不断提高，例如一个核电站的维修运行费用已超过燃料费用。若仍采用定期维修方式，因为在定期维修费用中存在维修过剩，因此有一部分维修费用浪费掉了，对于供电部门和用户都不利，所以电力部门不得不寻求在不降低可靠性的前提下采用新的维修方式节省维修费用。

在电力市场条件下，电力公司及维修公司更加重视这一问题，因为电力设备维修也要进入电力市场，制造厂家也开始进入维修领域，所以维修竞争之势再所难免，竞争促进技术的发展。状态维修即根据具体设备的实际情况来确定检修周期和检修内容的维修体制。通过对设备运行情况的实时监测，随时查明设备可能“存在着什么样的隐患，什么时候会发生故障”，预先得知将要发生事故的部位和时间，设备管理人员因此可以从容地安排停电计划和组织维修人力，采购必须的备件，以便在短时间内完成高质量的维修工作。实现“无病不修、有病才修、修必修好”的目的。

状态维修的必要性

虽然设备内部缺陷的出现和发展具有很强随机性，但大多都具有一个的较为缓慢的发展过程，在这期间，会产生各种前期征兆，表现为其电气、物理、化学等特性发生渐进的量变。根据这些特征量值的大小及变化趋势，即可对设备的可靠性随时做出判断，从而发现早期潜伏性故障。

状态维修的技术可行性

绝缘水平监测参量

稳定运行阶段

危险水平

注意水平

实施修复

危险阶段

注意

阶段

劣化阶段

初期

设备投运时间T

图3

状态维修示意图

破坏点

长期预试积累的经验和在线检测技术的不断扩大应用范围的条件下，设备的故障诊断技术的应用被逐步应用。

电力部门对于设备的运行状况十分熟悉，对系统中可能出现的各种电气、热、机械应力和气象影响因素十分了解，承担维修任务也具有优势。竞争促进了技术的发展。过去电力设备维修常用的定时检修和以定时检修为基础，根据经验决定延长或缩短维修周期的做法已不能满足需要，需要发展新技术。

由于这种客观的需要与可能，成为电气设备状态维修技术发展和应用的动力，可以预料状态维修将会成为电气维修的主要维修方式。

故障后维修制度以故障为标准定期维修制度状态维修制度以时间为标准以状态为标准50年代中期以前50年代中期至今80年代应用于电力系统我国电气设备维修制度的发展过程1)传感技术2)信息采集处理技术3)干扰抑制技术4)模式识别技术5)故障严重性分析方法6)寿命评估理论7)维修策略等。前三项属于状态监测。4)、5)、6)属于故障诊断、7)属于状态维修。其目的是提高电气设备运行的可靠性，经济性。目前我国对三者的研究的投入与成果次序是状态监测----故障诊断----状态维修。状态维修所应用的现代技术状态维修与在线监测的关系维修方式决定了所要采用的监测技术；监测与诊断的结果将指导维修策略的建立。设备状态在线监测故障诊断维修决策具体设备维修方式的讨论

状态维修完全替代定期维修的可能性

维修方式的确定