振动分析在电力设备状态检测中的应用和发展

曹志杰

摘 要：本文首先概述了电力设备状态检测的必要性，然后阐述了电力设备状态检测内容，最后详细的分析了振动分析在电力设备状态检测中的应用和发展。

关键词：振动分析；电力；设备；检测

1 前言

设备状态检测与电力工程的正常运作息息相关，电力设备状态检测是电力工程的核心。在新时期下，我们要加强振动分析在电力设备状态检测中的应用和发展的探讨，提升电力设备的使用寿命。

2 必要性

电力设备在运行中经受电的、热的、机械的负荷作用，以及自然环境（气温、气压、湿度以及污秽等）的影响，长期工作会引起老化、疲劳、磨损，以致性能逐渐下降，可靠性逐渐降低。设备的绝缘材料在高电压、高温度的长期作用下，成分、结构发生变化，介质损耗增大，绝缘性能下降，最终导致绝缘性能的破坏；工作在大气中的绝缘子还受环境污秽的影响，表面绝缘性能下降，从而引起沿表面放电故障。设备的导电材料在长期热负荷作用下，会被氧化、腐蚀，使电阻、接触电阻增大，或机械强度下降，逐渐丧失原有工作性能。这些变化（称为劣化）的过程一般是缓慢的渐变的过程。随着设备运行期增长，性能逐渐下降，可靠性逐渐下降，设备故障率逐渐增大，可能危及系统的安全运行，必须对这些设备的运行状态进行监测。

电力设备状态监测是对运行状态下的电力设备直接进行的检测。检测既不影响系统正常的运行，又能直接反映运行中的设备状态，比停止运行时进行的离线检测更为有效、及时和可靠。

3 电力设备状态检测内容

为保证电力系统安全、经济、稳定运行，电力设备的故障监测诊断将从以时间为基准的方式转变到以状态为基准的方式，其内容包括状态监测与故障诊断两个方面：前者通过提取故障的特征信号为状态维修提供检修依据，后者则分析、处理所采集的状态信息。电力设备在线监测技术研究大致包括以下内容：1）故障机理分析；2）在线监测手段；3）监测信息的传递、处理和存储；4）故障特征量的提取；5）故障诊断的方法和理论分析。

4 振动分析在电力设备状态检测中的应用

4.1 发电机和感应电动机的振动检测

电力系统中的发电机和感应电动机都属于大型旋转设备。这类设备的共同特点是：具有高速运行的精密转子，自动化程度和结构复杂程度都很高，系统各个部分的关联也非常密切。电力系统中由于发电机和感应电动机机械故障造成的恶性事故频频发生，因此不断提高其状态检测水平已经成为国内外共同关注的问题。

一直以来，振动检测都是发电机和感应电动机状态检测的主要手段，通过分析转子的振动信号来获取设备的诊断信息。这主要是因为转子是该类设备中的重要部件，其制造成本很高，因此在状态检测中成为首要的对象：其次是因为设备的许多故障都会在转子的运行状态变化中表现出来。实际的转子振动信号十分复杂，主要表现为转子的轴向窜动，径向跳动和扭转振动。这几种振动往往同时存在，因此需要采用不同的振动传感器分别测量。前两种运动属于线性振动，对它们的检测采用一般的加速度传感器既可。而对于扭转振动，一般是通过测量转子转速的波动来获得的，因此属于振动速度的测量。此外，用振动分析对感应电动机定子绕组故障、气隙不均匀和电压扰动等进行检测，近年来也有相关报道。

4.2 变压器的振动检测

4.2.1绕组和铁心的振动检测

绕组和铁心故障是变压器中最常见的故障。电力变压器在稳定运行时，硅钢片的磁致伸缩引起铁心振动，绕组在负载电流电场力作用下也会产生振动。变压器表面的振动与变压器绕组及铁心的压紧状况、位移及变形状态密切相关，因此可以通过在线检测电力变压器油箱表面的振动来监测其绕组和铁心的工作状况。

4.2.2 有载分接开关的振动检测

有载分接开关（OLTC）是变压器中唯一的运动部件。统计分析表明，OLTC异常是造成变压器运行故障的另一个主要原因。OLTC的切换操作包含一系列的机械动作事件。典型事件（如触头的碰撞）所产生的振动信号，不仅能标志触头的分合，还可能包含三相触头是否同期、触头表面是否平整、切换是否到位及操作部件卡塞等状态信息。国外相关的检测装置和现场运行情况已有文献报道。

4.3 断路器的振动检测

根据国内外高压断路器的运行实践统计，在断路器事故中，属于机械原因造成的故障占首位。其中，机构拒分、拒合和误动3类占了绝大多数。因此，提高断路器机械故障的检测手段，对提前发现潜在隐患具有十分重要的意义。

利用操作过程中的机械振动信号对高压断路器进行故障诊断具有良好的应用前景。但由于机械振动信号在操作过程中才能获得，因此信号的数量明显不足，这对信号处理的方法和准确度都提出了苛刻的要求。几乎所有针对断路器振动信号的研究都集中于振动信号的分析和处理上。

目前，国内基于机械振动信号的断路器状态检测和故障诊断还处于探索阶段，主要的研究内容集中在振动信号的获取、振动信号处理方法以及诊断专家系统的开发。20世纪80年代和90年代，清华大学电机工程与应用电子技术系对断路器机械振动信号有过初步的研究并取得了一定的成果。在对断路器振动信号进行试验研究的基础上，将振动分析应用到高压断路器的在线状态检测中，同时研制出相应的状态检测装置。

5 建议

提取合适的特征参量始终是电力设备振动分析面临的首要问题。小波变换可以将信号分解到时间一尺度域，具有时频局部化分析的优良性能，非常适合非平稳信号分析。因此成为各种电力设备振动信号分析的常用方法。

变压器有载分接开关和断路器中的振动都是瞬态的非平稳信号，因此旋转设备中的很多方法不能直接套用，在一定程度上也限制了振动分析在这两个领域的的应用和发展，今后的研究重点仍然是寻找合适的信号处理方法。

在故障诊断方面，人工神经网络由于其强大的自学习能力和并行处理能力得到了广泛应用。然而就其在变压器和断路器状态检测领域而言，缺乏大量的设备状态样本是制约神经网络实用化的主要因素，因此需要寻找更好的网络训练方法。

6 设备状态检修发展前景

我国是一个用电大国，电力设备的用量很大，因而研究电力设备状态检修势在必行。根据国际上设备状态检修的发展趋势，我们认为，对设备状态检修的研究应该在消化、吸收国内外已有先进的相关技术和管理经验的基础上，根据我国国情提出适应我国实际情况的设备状态检修方案。

（1）全面探索电力设备状态检修的实现方案，尽快建立实时、快速、准确的设备状态信息库，积极筹建诊断中心。力求设备缺陷定位的准确性。

（2）在实现状态检测和状态诊断工作中，以信息库及离线检测为主，设备状态信息库和历史信息库、离线检测、在线检测三者相结合，逐步将成熟的在线检测技术应用于电力系统中，切忌不能盲目追求全盘实现或大部分实现在线检测化，应坚持在线检测技术不成熟者不应用。

（3）在筹建诊断中心的过程中，应注意综合应用各种专业的状态量，通过人工智能技术进行跨专业的状态分析和诊断。

（4）目前的关键问题是要争分夺秒地建立电力设备状态诊断系统，为逐步建设分层分布的发、输、变电设备状态监测、诊断网打好扎实的基础。

7 结束语

綜上所述，明确了振动分析在电力设备状态检测中的重要性。因此，在电力设备状态的后续检测中，我们要加大对振动的分析。

参考文献

[1]吕锋，邸敏艳，文成林.小波分析在电气设备故障诊断中的应用浅析[J].计算机测量与控制，2014（12）：778-781.

[2]胡文平.电力设备在线监测技术的研究与发展[J].华北电力技术.2015（2）：23-26.