1、第一课电气设备状态监测与故障诊断概论

电气设备的在线监测与故障诊断ConditionMonitoringandFaultDiagnosisofElectricalEquipment王伟教授：华北电力大学电气与电子工程学院高电压与绝缘技术研究所电话：[phone]E-mail:[e-mail]变压器GIS···电力电缆发电机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主要参考书目1、《电气设备在线监测与故障诊断》王昌长李福祺高胜友编著清华大学出版社出版社，2006年版。2、《电绝缘诊断技术》朱德恒、谈克雄编著中国电力出版社，1999年版。3、《电气设备状态监测与故障诊断技术》朱德恒、严璋、谈克雄编著北京，中国电力出版社，2009.03课程的主要内容(此处应相对展开，使学生对课程的主线有所了解)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电缆电容型设备电力变压器实际应用在线监测系统基本结构及关键技术背景知识东北电网华北电网西北电网川渝电网华中电网华东电网南方电网我国电网基本框架新疆西藏500kV220kV330kV热电厂水电站核电站我国的发电一次能源主要分布西部地区，而电力消费主要集中在中、东部和南部地区。西电东送、南北互供，发展全国联网是解决我国能源分布与电力消费矛盾的重要措施。并将形成北、中、南三个输电通道。中国电力工业分为7个跨省(区)电力集团:东北、华北、华东、华中、西北、南方和川渝，5个独立省级电网:山东、福建、新疆、海南、西藏(未包括台湾和港澳地区)。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。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。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0.062.1245.3139.170.0010.782.56太原1.633.0416.7664.710.5310.313.02长春0.401.8214.6669.260.008.025.84杭州2.974.8218.4467.180.005.341.25广州0.0019.4528.6950.960.000.000.90西宁0.043.7849.5029.190.0017.490.00(%)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。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”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设备状态在线监测故障诊断维修决策状态维修的基础实现电气设备状态维修需要的技术支持：1、复杂大系统可靠性评价复杂大系统可靠性评估是RCM技术中关键技术，也是可靠性工程的重要组成部分，可靠性评估是根据产品的可靠性结构、寿命模型及试验信息，利用统计方法和手段，对评价产品可靠性的性能指标给出估计的过程。在可靠性评估领域，对复杂大系统的可靠性评估一直是重大难题之一。2、先进的检测技术先进的检测技术是实现预测性维修的重要手段，也是一个长盛不衰的研究热点。因为故障诊断技术的发展首先决定于能否获取尽可能多的有用信息，这是数据处理和诊断决策的基础。3、信息采集处理技术由于状态监测所监测的特征信号，既有状态变量，也有二次效率信息（如分解物等），因此可能有很多信号反应设备的状态。不同的设备可能会选择不同的信息及不同的信号处理方式。同时，由于信号在传送过程中往往受其它信号的干扰，因此传感器所测量的数据究竟采用模拟传输还是数字传输或采用有线传输还是无线传输等问题也应深入研究。4、干扰抑制技术状态检测过程中虽然需要采取很多的抗干扰措施，但在在线检测过程中仍会不可避免的受到现场中的各种干扰，除对硬件滤波器和数字滤波技术进行深入研究外，近年来不断有新的抗干扰技术出现。5、故障模式识别技术研究故障的特征提取和特征识别的方法是故障诊断技术的一个重要分支。常用的故障分类方法有：模糊识别神经网络、专家系统、小波分析、分形维修分析等。6、故障严重性分析技术现在既有按产品功能和对环境与人员的损害可分为4个等级的故障严重性程度区分，又有用于评价电气设备的3级评定法，但这些方法还都是以人为的办法来区分的。由于区分故障严重性是确定设备是否退出运行的关键性指标。因此还需要进一步深入研究电气设备的故障严重性分类及其分析方法。7、寿命估计和预测技术对设备的寿命估计是对电气设备更新的基本依据，目前所采用的基本方法是在大量的实验基础上利用概率的相关知识。如通常认为电容器的寿命服从威布尔分布，而发电机的寿命服从指数分布。现在又有使用CIGIEⅡ方法对绝缘老化进行估计，从而得到设备的剩余寿命。8、信息管理与决策技术状态维修简化决策流程电气故障的主要原因制造工艺存在缺陷恶劣的环境和苛刻的运行条件材料的劣化缺乏良好的管理及维护绝缘材料液体绝缘:绝缘油固体绝缘：绝缘纸、电瓷、云母交联聚乙烯等气体绝缘:空气、SF6真空绝缘绝缘劣化及其影响因素电气因素机械因素温度和热稳定性受潮化学稳定性和抗生物特性为了使设备的外形尺寸保持在可以接受的水平，现代变压器相对于以往的设计采用了更为紧凑的绝缘方式，因此在运行中其内部各组件间的绝缘所需承受的热和电应力水平显著提高。图1有机绝缘的伏秒特性及运行中各种电压下的场强1油纸电气强度；2胶纸电气强度；3运行中各种电压下的场强；E0长期工作场强1.电气影响长期工作电压短时的过电压2.机械影响机械负荷长时间振动短路应力图2不同耐热等级的绝缘材料在各种运行温度下长期运行的寿命3.温度影响季节变化长期过负荷热老化表1电介质的耐热等级耐热等级工作温度(℃)电介质O90木材、纸、纸板、棉纤维、天然丝；聚乙烯；聚氯乙烯；天然橡胶A105油性树脂漆及其漆包线；矿物油及浸入其中的纤维材料E120酚醛树脂塑料；胶纸板、胶布板；聚酯薄膜；聚乙烯醇缩甲醛漆B130沥青油漆制成的云母带、玻璃漆布、玻璃胶布板；聚酯漆；环氧树脂F155聚酰亚胺漆及其漆包线；改性硅有机漆及其云母制品及玻璃漆布H180聚酰胺聚酰亚胺漆及其漆包线；硅有机漆及制品；硅橡胶及玻璃漆布C180聚酰亚胺漆及薄膜；云母；陶瓷；玻璃及其纤维；聚四氟乙烯热老化规律——6度规则(A级)——10度规则(B级)——12度规则(H级)试验表明，对于常用的A级绝缘，如油纸绝缘，则温度每超过6℃，则寿命约缩短一半。而对于B、H级绝缘则分别约为10℃及12℃。水分被吸收到电介质内部或吸附到电介质的表面以后，它能溶解离子类杂质或使强极性的物质解离，严重影响介质内部或沿面的电气性能：在外施电压下，或者在电极间构成通路，或者在高温下汽化形成“汽桥”而使击穿电压显著降低。4.受潮局部电弧水带绝缘介质5.化学稳定性及抗生物特性在户外工作的绝缘应能长期耐受日照、风沙、雨雾冰雪等大气因素的侵蚀。在含有化学腐蚀气体等环境中工作时，选用的材料应具有更强的化学稳定性，如耐油性等。工作在湿热带和亚湿热带地区的绝缘还要注意材料的抗生物（霉菌、昆虫）特性，如有的在电缆护层材料中加入合适的防霉剂和除虫涂料等。绝缘介质的电气特性可以将不同电场强度下，电介质中所呈现的电气现象分为两类：1.在强电场下（当外施场强大于该介质的击穿强度时），将出现放电、闪络、击穿等现象，这在气体中表现最为明显。2.在弱电场下（当外施场强比该介质的击穿场强小得多时），主要是介质中的极化、电导、介质损耗等。