电气设备的故障诊断技术与发展趋势

袁 铸 范 乐 吕俊霞

（河南工业职业技术学院 河南南阳473000）

1 电气设备的分类及其故障特征

随着科学技术的进步和生产力的发展，现代化工业呈现出设备大型化、生产高速化、连续化、自动化等特点，影响工业设备可靠性、安全性的因素也越来越多。电力、冶金、汽车制造、电子、石油化工等产业的生产设备不只是单台机器高度地自动化，而是有机地构成一个生产系统。在生产设备的自动化和系统化中，起核心作用的是变压器等供电设备、电力电缆等配电设备、主要动力源的工业用电机，已经用于控制机械的控制电机、检测控制系统等。在生产现场中，一个微小的电气故障导致整台设备甚至整条生产线停产的例子屡见不鲜。因此，如果供配电设备、电动机、电力电缆、控制电机、检测控制系统等电气设备发生故障或者状态劣化，那么，将对企业生产安全和经济效益造成巨大损失。为将这些重要的电气设备故障控制在发生之前，做到防患于未然，降低维修成本，采用以设备故障诊断技术为基础的设备检修和维护方式已成为发展方向，并引起工业现场技术人员、管理人员和科研人员等方面的高度重视。

设备状态监视和故障诊断技术是企业推进设备管理现代化的核心技术。但是，由于设备构成和技术方面的原因，多年来，设备状态监测与故障诊断技术基本上是以设备的机械系统为主，进行如振动、油液、无损检测等。而作为设备组成系统的另一个重要方面，即电气设备的故障检测和诊断的方法和手段，却少之又少。因此，无论在产品技术方面，还是在科研开发方面，作为设备诊断工程的重要组成部分的电气设备的故障诊断技术，都远远落后于机械设备的故障诊断技术。

电气设备的故障诊断技术是指通过对电气绝缘的试验和各种特性的测量，来了解及评估它们在运行过程中的状态，从而能在早期发现故障的技术。电气设备故障诊断大致经历了三个阶段：停电试验阶段、带电测量阶段和在线监测阶段。电气设备的许多故障，如导线的虚接等，往往是很难捕捉、查找的，它不像机械设备具有直观的可视性和故障的确定性，而且有些故障也不像机械零部件的缺陷那样具有持续的渐近性。同时，由于电气设备检查手段还比较简单，在面对大量国内外各种先进电气设备和过程控制装置的故障时，往往只能凭经验处理，并经常束手无策，这是电气故障检测的困难性之一。另一方面，由于绝大多数故障必须在带电运行状态下检测，在获取信号时，在安全方面所做的工作要比机械检测困难得多。此外，电气设备的故障受环境因素影响干扰比较多，如湿度、温度、周围的电磁场等，都在很大程度上影响着故障的发生、发展或者消失。虽然有些机械故障也受外界因素干扰，如气温对转子对中程度的影响等，但这毕竟是少数，而且程度也有限。电气设备故障难以检测的另一个重要原因，是电气设备缺陷的微小变化就可以导致设备整体性能发生巨大变化，使设备无法正常运行。

1.1 电气设备的分类

工况企业中的电气设备一般分成以下四类。

（1）变电设备。主要指企业受电后，通过自身的变电所将能量转变为满足需要的电压、电流、频率所使用的设备。

（2）电缆线。包括动力电缆及控制线路，它们起到传输能量的作用。

（3）电动机。设备的原动机，包括直流、交流、同步、异步电动机。

（4）控制设备。完成对电动机或其他电力设备的检测、控制的各种装置。

对电气设备故障的检测和诊断，根据不同的对象，有各种不同的方法。有检测、诊断电机的电流法、振动法、倍频法；检测变压器的匝比法、绝缘油分析；电缆的脉冲反射法、声强法、时差法等。

1.2 电气设备故障的分类

电气故障是电能在传递、分配、转换过程中失去控制而产生的。断线、短路、异常接地、漏电、电气设备或电气元件损坏、电子设备受电磁干扰而发生误动作等都属于电路故障。系统中电气线路或电气设备的故障还会导致人员伤亡及重大财产损失。电气系统故障引发的事故主要包括异常停电、异常带电、电气火灾等。

异常停电是指在正常生产过程中，由于供电系统故障导致生产过程的突然中断，使生产过程陷于混乱，造成经济损失，还可能造成事故和人身伤亡。异常带电是指在正常情况下不应当带电的生产设施或其中的某部分意外带电，俗称“漏电”，从而造成人员伤害。适当安装漏电保护器等安全装置，可使工作人员免受异常带电的伤害。例如电气设备因绝缘不良产生漏电，使其金属外壳带电。

电气设备在运行时，由于电压、热、化学、机械振动以及其他因素的影响，其性能会持续劣化，甚至失去应有的功能，造成事故。在电气设备设计和制造过程中可能存在一些潜伏性故障。根据电气设备的构成特点，从查找电气设备故障的观点出发，常见的电气故障分类如下。

1）设备绝缘故障

由于电气设备长期处于高电压和强电场作用下，电气绝缘是一项重大问题，这也是电气设备故障诊断的重中之重，因为一旦绝缘出现隐患，不仅影响正常的供电用电，而且极容易引发重大事故。引发绝缘故障的主要因素是设备老化、密封不严。绝缘故障主要分为以下几种：变压器绝缘故障，高压电流互感器绝缘故障，电力电缆绝缘故障。其中又以高压电流互感器绝缘故障最为关键，因为高压电流互感器属于电气设备的核心部位，承受负载最大，老化速度快。而高压电流互感器的绝缘材料为电容均匀结构，高压引出部件，特别是60KV及以上的高压套管的绝缘材料均采用油浸材料和胶纸材料电容型结构，密封效果不是很好，运行时进水受潮这种事故约占总数百分之三十。

2）设备机械故障

设备机械故障主要有电气设备的振动、磨损、疲劳等，特别是电机的故障。我们知道，电机是有定子、转子和轴承装置构成的。其工作系统中存在相互独立的电路和一个耦合电路的磁场，电机内不同绝缘结构又构成了独立的等级绝缘系统，还有保障给各部位运转的基本机械系统和通风散热系统。这类故障的特点是隐蔽性强，对检修技术要求比较高，既需要具备灵活操作设备的技术，还需要具备丰富的电气设备检修经验。

3）设备发热故障

由于电气设备进行的是能量转换和传递程序，发热因素对电气设备的破坏性极大，热故障在电气设备故障诊断中也有重要作用。

1.3 电气设备故障的特征

电气设备故障与其他设备故障相比，具有许多特征。

（1）电的不可见性。一个物体是否带电，虽然可以从电转换声、光、机械运动等宏观现象看到，但在许多情况下，物体是否带电，肉眼是分辨不清的。这样，电气设备出了故障，其故障具有较大的隐蔽性，这也为查找故障带来了很大的困难。

（2）电的传播速度极快。众所周知，电流或信号在导线中的传播速度接近于光速。因此，电气设备发生故障后，电能释放极快。大多数电气设备故障往往在瞬间发生、发展，并酿成火灾。这种突然性为故障的预防带来了困难。

（3）电气设备的故障形式集中，原因多样。无论是什么情况，最集中的表现是电动机不能工作，但故障处不一定在电动机，可能是电源故障，也可能是电路或控制系统故障等。这样，也给查找故障带来困难。

（4）故障区域性广。影响一种电气设备功能的实现的元器件的分布区域可能很广。例如，某水泵电动机的安装地点在水源附近的水泵房，但供电电源在配电室，而其控制则在远离水泵房的控制室。这就决定了水泵电动机的故障区域在一个较广的范围内，给故障查找带来了困难。

2 电气设备故障诊断的内容和过程

电气设备故障诊断的内容包括状态监测、分析诊断和故障预测三个方面。其具体实施过程可以归纳为以下四个方面。

2.1 信号采集

开关设备在运行过程中必然会有力、热、振动及能量等各种量的变化，由此会产生各种不同信息。根据不同的诊断需要，选择能表征设备工作状态的不同信号，如振动、力、温度等十分必要的。这些信号一般是用不同的传感器来拾取的。

2.2 信号处理

这是将采集到的信号进行分类处理、加工，获得能表征机器特征的过程，也称为特征提取过程，如对振动信号从时域变换到频域性频谱分析。

2.3 状态识别

将经过信号处理获得的开关设备特征参数与规定的允许参数或判别参数进行比较，对比以确定设备所处的状态，是否存在故障及故障的类型和性质等。为此，应正确制定相应的判别准则和诊断策略。

2.4 诊断决策

根据对开关设备状态的判断，决定应采取的对策和措施，同时根据当前信号预测状态可能发展的趋势，进行趋势分析。

2.5 排除故障的注意事项

在日常生活中很多电气设备会经常发生各种电气故障，在对故障排除注意以下几个方面了。首先，严格遵守操作规范、加强安全文明生产、防止设备故障增加、人生意外事故发生。其次，在排除故障中体会到理论知识的重要性，改变只重视实践，不去掌握必要的理论知识的错误观念。电气控制线路所表现出的故障现象不尽相同，掌握电气故障基本的检修步骤、方法及技巧，对于准确查找故障部位、及时快速排除电气故障，可以达到事半功倍的效果。

3 用人体感官诊断电气设备异常或故障

3.1 利用手摸诊断电气设备异常或故障

用手测定温度。用手触摸电气设备时要采取必要的安全措施。切断电源，确保无电。对保护接地、接零良好的电动机、发电机和变压器等，可以直接用手触摸其外壳和散热器。

用手测试振动。日常维护和运行中，常用手摸测试电气设备的振动，其经验用食指、中指和无名指轻按轴瓦、机身振动部位等。

3.2 其他

在巡视检查电气设备时，可通过观察监视仪表、检查外观及变色情况发现故障。可利用听觉、嗅觉、触觉和味觉诊断电气设备异常或故障。

4 现代电气设备诊断的发展趋势

随着科学技术的不断发展，电气设备诊断技术也必然会不断发展，其方向如下。

4.1 综合性

信息化对各种产业最大的影响就是进行产业整合，采取综合管理。未来电气设备诊断纳入信息化体系，诊断技术必定走向综合化，即将各种电气设备运行情况参数整合到一个数据中心，通过一个远程终端进行监控，无论发热故障、绝缘故障或机械故障均能同时进行检测，只需在电气设备中按照数据终端，并且将各个设备终端数据整合到一个个状态数据服务器，再将各个服务器与监控终端进行链接，就可以方便快捷、随时随地进行检测、诊断，就好比为电气设备建设一个远程诊断医院，使电气设备诊断走向人工智能化。

4.2 针对性

电气设备诊断的信息化，与之前传统的诊断方法比起来，针对性更强，而且更加快捷。发电机组、变压器、输电线路等各处的状态数据除与总控室的数据终端相连外，还有各自独立的数据服务器，能够快速地针对各自不同的故障形态进行针对性的诊断，形成及整合所有独立完备的诊断体系。

4.3 快捷性

信息化之后的电气设备诊断不必事必躬亲，一般只需监控终端数据就行，形成人工智能体系。信息化的最大特点是快捷，各种数据终端可以在第一时间上传到总数据库，同时可以与相关专家建立长期的合作机制，随时咨询个别复杂的故障处理问题，方便快捷地进行电气设备的诊断。

5 结语

电气设备故障现象是多种多样的，同一类故障可能有不同的故障现象，不同类故障可能是同种故障现象的同一性和多样性，会给查找故障带来复杂性。但是，故障现象是查找电气故障的基本依据，是查找电气故障的起点，因此要对故障现象仔细观察分析，找出故障现象中最主要的、最典型的方面，搞清故障发生的时间、地点、环境等。很多电气故障的排除，必须依靠专业理论知识才能真正弄懂弄通。电气维修人员与其他工种维修人员比较而言，理论性更强，有时候没有理论的指导很多工作根本无法进行，因此要具有一定的专业理论知识。应不断加强自身专业理论知识的学习和提高操作技能水平，当发生电气故障时，能够准确地查找其故障所在，从而排除故障，使电气设备能够正常稳定地运行。