电力设备的在线监测与故障诊断

电气设备的在线监测与故障诊断高胜友2013年12月18日电气设备状态监测与故障诊断的意义电气设备的组成：绝缘材料、导电材料、导磁材料等。绝缘材料大多为有机材料：矿物油、绝缘纸、各种有机合成材料，运行中受电、热、机械、环境等各种因素的作用，容易发生劣化，造成设备故障。——设备绝缘结构性能的好坏，成为决定整台设备寿命的关键。由于大型电气设备发生故障而造成突发性停电事故，会造成巨大的经济损失和不良的社会影响。提高设备可靠性的方法:（1）提高设备的质量；（2）对设备进行必要的检查和维修。设备维修体制的发展事后维修（CM，CorrectionMaintenance）：对设备使用直到发生故障。预防性维修（TBM，Time-BasedMaintenance）：定期试验和维修。状态检修（CBM，Condition-BasedMaintenance）：以状态监测和故障诊断为基础。在线监测的意义不需要设备停电就可以了解设备的绝缘状况。监测时的电压就是设备的运行电压，较预防性试验时的电压更能灵敏地发现绝缘缺陷。绝缘在线监测得到的大量数据以及对数据的判断分析可以为状态检修提供依据，克服传统预防性检修的不足。变电设备的在线监测变电设备的在线监测主变压器（本体及附件）电抗器高压开关隔离开关电压互感器电流互感器避雷器电容器（电力电容器和耦合电容器）变压器电抗器高压开关电压互感器电流互感器变压器的在线监测局部放电油中溶解气体含量油中微水含量绕组变形变压器局部放电监测在电场的作用下，绝缘系统中只有部分区域发生放电，而没有贯穿施加电压的导体之间，即尚未击穿。在绝缘结构中局部场强集中的部位，出现局部缺陷时，将导致局部放电。局部放电监测的意义局部放电是造成高压电气设备最终发生绝缘击穿的主要原因。这是一个“日积月累”的过程，可谓“冰冻三尺非一日之寒”。刷形树枝丛林状树枝变压器中局部放电类型气隙放电（1）密封于固体内的气泡。例如：铁芯环氧绑扎带内的气泡。（2）油和固体包围的气泡。例如：纸板夹层的气泡。悬浮放电（1）悬浮导体处于电场中，按电容分压取得一定电位，当体积足够大时积聚一定的能量。（2）悬浮导体的存在引起电场畸变，使局部绝缘上的作用场强超过耐受电场强度。例如：套管均压球悬浮放电、金属异物悬浮放电变压器中局部放电类型尖端放电位于电场中的尖端,不论其本身的电位高低,包括处于地电位,都会引起电场畸变,使尖端附近的电场强度增大,这种作用称为尖端效应。由尖端效应引起的局部放电,简称尖端放电。夹层放电变压器局部放电监测方法介质迁移过程—脉冲电流法机械振动—声发射法电磁辐射—特高频法化学分解—色谱法脉冲电流法监测变压器局部放电脉冲电流法监测变压器局部放电脉冲电流法监测变压器局部放电声发射方法监测变压器局部放电声发射方法监测变压器局部放电特高频方法监测变压器局部放电特高频方法监测变压器局部放电宽带脉冲电流法局部放电监测现场局放检测的核心要求：取得最多的放电信息，排除现场干扰从信息量来说，脉冲电流法为首选，但在其频段内各种干扰杂波较多固体和气体内放电的波长为几十到几百纳秒，主要能量频率为几十兆到几兆，故采样频率取100MHz，此时可以比较准确地记录信号波形在此频段下，各种干扰及不同种类局放的波形上有较大差别，从而可以根据波形特征首先分离分类所测信号及干扰对分离后“干净”的局放信号，已有大量识别和诊断经验，此方法是目前最好的。宽带脉冲电流法局部放电监测常规局放测量的相位谱图不能分离噪声与信号，不能分离不同种类的信号，从而不能准确识别放电类型。宽带脉冲电流法局部放电监测基于脉冲信号分离分类技术的局放检测则可根据信号特征将每一类局放的相位谱图分离出来a)局放相位谱图b1)b2)簇A簇B脉冲B脉冲A局放Bd1)d2)c)局放特征谱图局放A波形数据sFsT#1#2sFsT特征提取特征谱图分类sFsT模式#1局放种类识别（专家系统）干扰识别宽带脉冲电流法局部放电监测波形数据(相位谱图)模式#2变压器油中溶解气体分析气体的产生多数电气设备选用油纸或油和纸板组成的绝缘结构，当设备内部发生热故障、放电性故障或者油、纸老化时均会产生各种气体。这些气体会溶解于油中，不同类型的气体及其浓度可以反映不同类型的故障。所以对油中溶解气体的检测和分析是充油电气设备绝缘诊断的重要内容。不同故障类型产生的气体组分故障类型主要气体成分次要气体成分油过热CH4、C2H4H2、C2H6油和纸过热CH4、C2H4、CO、CO2H2、C2H6油纸绝缘中局部放电H2、CH4、C2H2、COC2H6、CO2油中火花放电C2H2、H2油中电弧H2、C2H2CH4、C2H4、C2H6油和纸中电弧H2、C2H2、CO、CO2CH4、C2H4、C2H6变压器油中溶解气体分析气相色谱的分析流程取油样—脱气—检测—数据处理色谱分析的基本原理变压器油中溶解气体分析检测器：热导池（TCD）、氢火焰离子化（FID）谱峰变压器油中溶解气体分析脱气方法离线溶解平衡法（机械振荡法）真空法（变径活塞泵全脱法）现场检测鼓泡脱气法在线监测高分子渗透膜法真空脱气法顶空脱气法其他方法油中溶解气体分析检测器热导池（TCD）氢离子火焰（FID）半导体气敏传感器热线形气体传感器电化学检测器半导体微桥式检测器光谱技术油中溶解气体分析变压器油中溶解气体分析诊断方法变压器油中溶解气体分析变压器油中溶解气体分析变压器油中溶解气体分析人工神经网络方法模糊聚类方法变压器油中溶解气体监测装置型号生产厂家脱气方式气体分离及检测器检测气体种类及指标特色TAM_VI加拿大BravTech铂睿克超声一体化气室+膜渗透平衡脱气气敏传感器H2,CO,CH4,C2H6,C2H4,C2H2单一色谱柱，单一传感器空气做载气（部分型号）TRANSFIX英国Kelman凯尔曼动态顶空平衡光声光谱技术（PAS）H2,CO,CH4,C2H6,C2H4,C2H2,CO2,O2,八种气体加水分无载气，无色谱柱，无半导体传感器TM8美国Serveron公司半透膜，采样间隔4小时He做载气，双柱，热导H2,CO,CH4,C2H6,C2H4,C2H2,CO2,O2,八种气体加水分和油温技术文档很全面MGA2000宁波理工毛细管平衡渗透纳米晶半导体检测器压缩空气作载气H2,CO,CH4,C2H6,C2H4,C2H2,CO2,七种气体加水分分析周期最小1小时膜渗透平衡时间大大缩短GTCA-3600珠海原铭电磁激振与平板膜渗透气敏传感器七种气体加微水单一色谱柱单一气敏传感器中分3000河南中分动态顶空（吹扫-捕集）微桥式检测器氮气做载气七种气体分析周期短TROM-600上海思源真空脱气气敏传感器七种气体油中溶解气体分析发现220kV变压器过热缺陷油中溶解气体分析发现220kV变压器过热缺陷35kVB相套管温度高于其他两相，B相低压绕组直流电阻明显偏大打开35kV手孔法兰检查，发现B相套管导电板与引线连接部分过热灼伤形成焦炭，下部紧固螺栓用手可轻松转动，引线与导电板之间有1mm左右间隙。变压器油中微水含量的监测水分含量是变压器油绝缘强度的重要影响因素之一。离线测量采用气体法、库仑法和色谱法，一般采用库伦法。在线监测一般采用电容式湿敏传感器（例如：聚酰亚胺薄膜）。0rSCD变压器油中微水含量的监测变压器绕组变形的监测绕组变形产生的主要原因设计制造原因（1）设计时短路强度不够（2）制造中存在缺陷（如压紧件、支撑件强度刚度不够）（3）装配时线圈不同心、压紧不良等出口短路（1）短路过程中绕组出现由固有和强迫振荡所构成的复杂振动。（2）绕组变形具有累积效应。运输中的冲击变压器绕组变形的监测变压器绕组变形的监测离线检测方法：短路阻抗测量法、频响分析法、低压脉冲法、径向漏磁场测试法在线监测方法：短路电抗法、振动信号分析法、频响分析法短路电抗法振动法变压器本体振动来源硅钢片磁滞伸缩引起铁芯振动硅钢片接缝处和叠片之间存在因漏磁引起的电磁吸引力，从而引起铁芯振动绕组中负载电流与漏磁场之间的作用引起绕组振动高压开关监测机械特性分、合闸时间、速度分、合闸线圈电流行程、超行程、弹跳同期性振动累计操作次数高压开关监测储能系统储能电机工作时间、工作电压、电流压缩泵的启动频率储能弹簧的位置或拉力、液压油的压力绝缘状态局部放电泄漏电流SF6气体压力、温度、密度、组分、微水真空灭弧室真空度高压开关监测电寿命开断电流燃弧时间、预击穿时间发热触头和导电连接处的温度分、合闸线圈电流的监测操作线圈的电流波形与电磁铁运动过程相对应，可以反映电磁铁的状态。操作线圈为断路器二次元件，电流不超过几安培，通过穿心式电流互感器可以进行测量。合闸弹簧状态监测对于弹簧操动机构来说，储能电机工作电流波形可以反映储能时间、储能大小和弹簧强度等参数和状态。储能电机电流也可以通过穿心式电流互感器进行测量。动触头行程、速度的检测动触头的行程信号，可以反映分合闸操作中触头的运动过程。与分合闸线圈电流波形结合，可以得出分合闸时间、速度等重要的操作参数。动触头的行程可以通过旋转编码器进行监测。旋转光电编码器高压断路器的操作时的机械振动高压开关设备的操作起始于分、合闸电磁铁线圈的上电，之后通过一些列的机械联动实现储能机构中能量的释放，进而通过力的传递和方向控制，带动动触头运动。整个操作过程中，零部件之间的机械撞击、摩擦，以及机械力、电动力等的作用均可以激发机械振动。机械振动通过设备零部件之间的连接向外传播，可以在传播路径和开关的机座、外壳上测得。机械振动的监测机械振动按频率可分为三种类型：低频振动，f10Hz。主要通过位移进行测量。在低频范围造成破坏的主要因素是应力的强度，位移量与应变和应力直接相关。中频振动，f=10~1000Hz。主要通过速度进行测量。振动部件的疲劳进程与振动速度成正比，振动能量与振动速度的平方成正比。零件主要表现为疲劳破坏。高频振动，f1000Hz。主要通过加速度进行测量。加速度表征振动部件所受冲击力的强度。冲击力的大小与冲击的频率和角速度值正相关。对于高压断路器来说，操作过程中振动信号的主要频率在1kHz以上。机械振动监测高压导体、触头温度监测主要问题：绝缘、供电方法：无线（射频、红外）、光纤①母线电流②磁场③组件。a温度传感器，b感应线圈，c电子线路④红外发光二极管⑤红外光接收器⑥温度信息接收器高压开关柜局部放电的监测暂态地电压（TransientEarthVoltages，TEV）声发射（AE）高压母线电磁波电磁波电磁波间隙局部放电PDM金属表面TEV传感器超声传感器外部传感器键盘充电指示充电接口耳机接口电源开关液晶屏高压开关柜局部放电的监测高压开关柜局部放电的监测GIS局部放电在线监测声发射（AE）法：检测局部放电产生的超声振动信号。良好的抗电磁干扰能力。良好的局部放电定位能力。传感范围较小。特高频（UHF）法：检测局部放电的UHF频段电磁波信号抗电磁干扰能力较强。能够实现局部放电定位检测灵敏度较高传感范围较大GIS主要放电类型UHF传感的信号体内耦合体内耦合UHF传感的信号体外耦合不同类型局部放电的波形和相位不同类型局部放电的频谱GIS局部放电检测案例GIS局部放电检测案例电容型设备绝缘结构由多个电容元件串联而成包括的类型：耦合电容器高压电容式套管电容式电流互感器电容型设备电容型套管结构电容型套管等效电路图电容型设备监测的参数介质损耗角正切tanδ等效电容量Cx三相不平衡信号电流信号的电压信号的获取Φ=2π(t2-t1)/T=2πΔt/Tδ=π/2–Φ=π/2-2πΔt/TΔt=n/f过零点时差比较法u1=A1sinωtu2=A2sin(ωt+φ)u3=u2–u1=A2sin(ωt+φ)-A1sinωt若A1＝A2＝A，则u3=A（sin(ωt+φ)–sinω