电气设备故障诊断技术与状态监测研究

刘海峰等

摘 要：素有输电心脏之称的发电机、变压器类电气设备，对于电力工业的正常运转起到非常重要的作用，随着科技的发展以及技术的不断进步，发电机、变压器类电气设备状态监测技术日益成熟。该文探讨了有效利用高新技术，对电气设备进行故障诊断分析，及时诊断设备故障，不断完善设备故障诊断能力的相关问题。

关键词：电气设备 在线状态监测 故障诊断 技术 研究

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（a）-0047-02

电力企业发电机、变压器类电气设备的正常运行，不仅影响着电力工业的正常生产，同时，也影响着电力企业的经济效益。在设备运行中，由于环境、电、热、机械等各种因素的影响，设备会不可避免地产生运行状态不佳，严重者会发生各种故障，电气设备的异常或故障如果不能够及时的排除，就会危及电力系统的安全、稳定。导致电力企业局部乃至大面积停电，给电力企业带来直接和间接经济损失。为了确保电气设备正常运行，我们必须深度挖掘与分析电气设备故障诊断技术，全面清晰把握设备运行状态，及时诊断设备故障，同时，利用高新技术，不断完善状态监测系统，对于促进电网的安全生产具有重要意义。

1 故障诊断技术与状态监测的概念

一般来讲，故障诊断、故障预报、状态监测在内容上没有严格的界限，它们都要进行在线检测、数据分析，目标都是防患于未然，采用的方法很多是一样的，只不过它们的任务却不尽相同。故障诊断——是对已发生的故障，根据故障特征进行定位，同时，判断分析故障发展程度。故障预报——根据故障征兆，预测故障可能发生的位置、时间以及故障的发展程度。状态监测——是记录、分类和评估设备的运行状态，为维护、维修设备提供决策。故障诊断、故障预报、状态监测这三者之间的区分，主要根据故障发展的时间进程进行区分。如果不能准确判断已发生故障的位置、程度，不能准确预测未发生的故障时间、位置，其结论不能称为故障诊断、故障预报，结论只能属于状态监测范围，如图1所示。

预测或预报故障一定要建模和仿真，而故障诊断也不能仅仅分析故障的外在表现，需要分析和研究故障的机理。依据信号处理和模式识别评估和判断设备运行状态的状态监测相对容易实现，但是，状态监测只是一种初级的手段，要得到准确的结论非常不容易。因此，状态监测应该包括以下任务，一是建立设备运行的历史档案，积累设备运行的资料和数据；二是根据历史档案、运行状态等级等资料和数据，对设备运行状态进行判断，判断设备运行是正常还是异常，如果设备已经出现故障特征或征兆，要根据历史档案、运行状态等级判断故障的性质和程度；三是积极评估设备的运行状态，并对评估的结果进行分类，如果已经形成了一定的标准，为实施状态检修提供理论依据。其理论依据如图2所示。

2 电气设备故障诊断技术与在线状态监测

电气设备故障诊断技术与在线状态监测包括信号检测、数据采集、数据处理等基本过程，通过振动、流量、光、电、温度、化学等各种传感器检测出设备的状态信号，同时，传输，转换，采集，处理这些状态信号，然后，数据采集单元采集这些状态信号并存储于存储器中。为了提高采集过程中的抗干扰能力，传送载体多采用光缆或数字信号传输。进行数据处理时，依据所得的特征信号，采用模糊逻辑、专家系统等诊断方法得出诊断结果。电气设备在线监测技术比较常用的有三种，一是局部放电监测技术；二是介损监测技术；三是油色谱监测技术。局部放电在线监测技术有四种监测法，一是中性点祸合监测法；二是超声波监测法；三是电容器祸合监测法；四是电、超声波联合监测法。介损监测技术主要应用于采用电容式绝缘结构的设备上，介损监测技术主要监测介损，电容，泄漏电流等介电特性。介损监测技术一般依靠相对测量方法，在同一个变电站中，通过比较足够数量的容性设备，发现变化较大的容性设备。现有设备绝缘监测比较常用的方法应属于油中气体分析法（DGA），油中气体分析法（DGA）也是油色谱监测技术比较成熟的分析方法。在电和热的作用下，有机绝缘材料以及充油电气设备的绝缘油会产生分解和老化等现象，进而产生少量的氢气、一氧化碳、二氧化碳以及多种低分子烃类气体等气体，如果设备内部存在潜伏性故障，产生这些气体的速度就会加快，因此，我们可以分析监测这些特征气体，利用这些气体的产气速率判断充油电气设备内部故障。故障不同产生的气体也不同，通过分析设备内部油中气体的成分、含量，可以判断设备内部故障的类型以及设备故障的严重程度，达到诊断的目的，下面以介损监测监测技术为例分析。

作为对电力设备绝缘性能进行衡量的重要指标之一，介质损耗因数一直以来都是用于西林电桥测量。对电力设备绝缘，流经绝缘的电流 i的相位超前绝缘两端电压u的相位小于π/2弧度，介质损耗角δ=（π/2）一。使用数字化测量技术就是通过先测量，然后按公式计算来求得介质损耗角δ。介质损耗角的数字化测量方法主要有过零点时差法和正弦波参数法。

3 基于LM-BP网络的变压器故障诊断

对于变压器的状态监测，目前，国内外多采用超声定位技术、红外技术局部放电监测，如果是充油式变压器，我们不仅要定期有效的离线色谱分析充油式变压器油中溶解气体，还要研究应用微水分析技术研究在线油中溶解气体。通常采用数字化在线测量技术监测变压器的高压套管，采用有载故障诊断在线装置监测故障较多的有载调压开关，测量有载调压开关电气回路以及触点磨损及机械等。

在变压器正常运行时，变压器中的油与油中的固体绝缘材料会产生微妙的反应，缓慢地产生少量气体，主要是各种低分子烃类（还包括CO、CO2）气体。局部放电、电弧现象已经局部过热是变压器内发生化学反应产生气体的主要原因。产生的气体主要有H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2等。

对于变压器油中溶解气体的标准在DL/T722-2000《变压器油中溶解气体分析和判断导则》进行了规定，只要其中任何一项指标超过规定值，就应该引起注意，查出产生气体的原因，或着进行连续的检测，评估其内部有无故障或存在故障的严重性，并对其发展趋势做出评估。在表1中给出了变压器的正常油中溶解气体的含量。利用上述方法可以直观方便地对变压器的故障进行分析。对于故障的定性分析在表2中已详细列出。

除此之外，还要监测变压器的负载电流及电压，监测变压器的风扇运行、冷却泵、油温等参数。变压器状态监测主要涉及到冷却系统、液体绝缘、气体绝缘等主体部件，拟诊断的故障主要有机械故障、过热兼放电故障和进水受潮等；一般情况下，采用电脉冲信号法和超声法监测与诊断局部放电。依据溶解平衡原理分析油中溶解气体组分含量（DGA），采用真空、渗透膜、气体洗脱等脱气方法将油中气体脱出，再用分离柱进行分离，然后，再对不同组分气体进行检测，或用不同原理的传感器检测，或者通过检测器检测（如TCD、FID等）。然后，再依据多维图视法或组分比值法，按照离线定期试验和电气试验结果，综合分析诊断出潜伏性故障。近些年，油中溶解气体组分含量分析技术不断发展，如：红外检测技术、复合渗透膜技术等也得到了很大的发展。

4 结语

综上所述，电气设备故障诊断技术与状态监测能够有效的反映设备的运行状态，同时，及早发现运行设备存在的潜伏性故障。当前，应用的故障诊断技术与状态监测有很多种，该文主要比较分析了在线技术、发电机、变压器等几种情况，并分析了尚存在的一些问题。同时，根据设备状态提出处理措施，这样，不仅可以减免不必要的维修干扰，有效地降低电气设备的运行成本，还可以不同程度地延长设备服役期，实行科学化设备管理，采取有力措施，确保电力设备安全经济运行。

参考文献

[1] 龚伟.电气设备在线状态监测与故障诊断系统技术的研究[J].科技资讯，2007（14）：64-65.

[2] 徐淑文.对输变电设备状态检修辅助决策系统的研究[C]//2010年全国输变电设备状态检修技术交流研讨会论文集.2010：779-784.