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1、摘 要针对我国电力系统状态监测和诊断技术研究及应用中存在的问题,对状态监测和故障诊断的任务、电力系统设备故障的特点、状态监测的实现条件及关键技术等进行了讨论和分析。对状态监测中的数据处理和分析技术进行了说明,指出“状态分类”和“处理决策”是数据分析的核心技术。介绍了国内外状态监测技术的现状和发展,指出只有国内设备管理体制改变和状态检修实施以后,状态监测的应用才会开展起来。关键词：状态监测 状态检修 故障诊断 在线监测AbstractIn view of our country power system state monitoring and fault diagnosis technolog
2、y and its application in the problem of existence, the condition monitoring and fault diagnosis task, power system equipment fault characteristic, condition monitoring realization condition and key technology are discussed and analysis. On condition monitoring data processing and analysis techniques
3、 are introduced, pointed out that the state classification and decision making data analysis is the core technique. Introduced the domestic and foreign status monitoring technology status and development, and points out that only the domestic equipment management system change and condition based ma
4、intenance after the implementation, monitoring applications will not carry out.KEY WORD ：Condition monitoring State maintenance Fault diagnosis On line monitoring目录引 言1第一章状态监测的概念和任务4第一节状态监测与故障诊断技术的含义4第二节状态监测适合电力系统主设备的现状5第二章 电力系统设备状态监测工业实用化条件7第一节 被监测设备和故障的种类及特点7第二节计算机和网络技术的状态监测系统8第三节状态监测的实施与管理体制9第四节
5、电力系统常见电气故障的特征量及其诊断10第三章 状态监测的基本组成13第一节传感器技术状态监测系统输入的信号13第二节 数据分析技术13第四章 结论17谢辞18参考文献19引 言电力系统设备的状态监测与故障诊断是近10年来发展较快的新技术,具有良好的发展和应用前景。在国内,状态监测与故障诊断技术已经发展了十几年,一些厂家已经能生产各种检测装置。但是,目前状态监测与故障诊断的应用还不普遍,还存在种种问题,包括一些认识上的误区。本文将从电力系统设备状态监测与故障诊断的内容和任务的讨论开始,对目前存在的问题和未来的发展提出看法。国外对电气设备状态监测与故障诊断技术的研究，始于60年代。各发达国家都很
6、重视。但直到7080年代，随着传感、计算机、光纤等高新技术的发展与应用，设备在线诊断技术才真正得到迅速发展。加拿大、日本、前苏联等国陆续研制了油中溶解气体，变压器、发电机、气体绝缘封闭组合电器（GIS）等的局部放电，电容型设备的介质损耗因数（tg）等特性，交链聚乙烯电缆的泄漏电流等等的在线监测系统。其中少数已发展成为正式产品。国际大电网会议于1990年发表了关于电气绝缘诊断技术的综述性报告，对这一领域截止80年代未的研究成果作了系统的总结。 我国对电气设备状态监测与故障诊断技术的重要性也早已认识。60年代就提出过不少带电试验的方法，但由于操作复杂，测量结果分散性大，没有得到推广。80年代以来，
7、随着高新技术的发展与应用，我国的电气设备在线诊断技术也得到了迅猛发展。由于我国工业发展迅速，用电一直紧张，加之部分设备故障率较高，因此，对于推行在线诊断技术以提高电力系统的运行可靠性更为迫切。我国高等院校和电力部门科研院所的不少有关专业都相继开展了这方面的研究。自1985年以来，由电力部主持，先后三次（分别在安徽、湖北、广东三省）召开了全国电力设备绝缘带电测试、诊断技术交流会，不仅进行了学术交流，而且就如何发展和推广在线诊断技术开展了讨论。可以认为，我国电气设备状态监测与故障诊断技术的研究和国际上是同步发展的，处于几乎相同的水平。 由于状态监测与故障诊断技术的难度，不论是国内，还是国外，除个别
8、项目以外，大多还不很成熟，仍处于研究发展阶段。由于客观的需要，相信这门技术一定能迅速发展成长，从而对提高电力系统的运行水平发挥巨大的作用。国内外设备状态监测发展状况美国等发达国家从20世纪80年代起就在电力系统各领域开展了各种关于设备状态监测的研究和应用,十几年来有了较大的发展,与我国相比,有两个主要特征:已经能生产多种传感器产品,传感器质量好,性能稳定;状态监测应用比较普遍,有经济效益。国外传感器产品的性能和可靠性都达到了较高的水平,产品监测范围逐渐覆盖包括温度、压力、振动和绝缘状态等各种物理量,以及变压器、断路器和发电机机组等各种主要设备。国外传感器技术的全面发展可以从近几年国内一些发电厂
9、和变电站引进的进口传感器产品情况看出。例如,美国齐成公司的变电站状态监测系统包括了对变压器的油中气体和水分分析、顶层油温和有载调压开关的运行监测,以及对套管绝缘、SF6密度、断路器电流、避雷器泄漏电流等物理量的监测。状态监测应用较普遍的地区主要是北美和欧洲。美国电力科学院(EPRI)非常重视对现场技术人员有关状态监测和状态检修方面的技术培训和技术服务。在美国,实现了变电站无人值班和状态检修的管理。状态监测和故障诊断的应用取得了良好的经济效益。据日本一些工厂统计,事故率可减少75%,维修费用可降低25%50%。英国经过对2 000个大型工厂的调查表明,采用状态监测技术后,每年节约维修费用3亿英镑
10、,而监测系统的成本为0.5亿英镑,收益为投入的6倍7。尽管一些进口的传感器装置或系统功能全面,但是,数据分析处理技术也还未达到较高水平,一般装置仅仅对数据进行简单的统计分析或频谱分析。一些仅能够对个别故障进行诊断的软件,其售价也高得惊人。因此,还需要用人工处理数据,并得出最后结论。国内电力系统设备状态监测科研工作也开始于20世纪80年代,起步并不晚。近10年来,已经研制成功很多传感器装置,并安装在现场。很多发电厂和变电站已经采用了在线监测技术,加强了对设备运行进行实时监测和管理的手段。近几年,国内一些大型发电厂较全面地安装了成套进口的先进传感器装置,通过计算机网络形成一定规模的状态监测系统,并
11、达到了先进水平,而这些成套软件系统全部由我国技术人员开发。例如,一台300 MW发电机组的锅炉、汽机和发电机的模拟量和开关量的测点多达5 000个6 000个(其中发电机的测点有300个400个),从测点得到的数据通过数据库管理起来,在控制室的终端可以任意调用各点实时的和历史的数据,并显示出来。这充分说明我国技术人员已经掌握了状态监测系统的网络和数据库技术。但是,到目前为止,国产传感器装置的生产和国内状态监测的应用情况还落后于国外先进水平。一方面,还有很多发电厂和变电站的状态监测没有开展起来;另一方面,一些状态监测系统已具备规模的发电厂在软环境和管理体制上还不能适应发展要求。这主要表现在两方面
12、:在很多现场,状态监测并没有成为必要的部分。由于没有实施状态检修,维修管理还是沿用过去的旧体制,运行和设备管理维修脱节,因而,没有形成对状态监测的需求,已有的状态监测装置也没有发挥应有的作用。已具有状态监测系统的工厂,其现场技术人员还没有技术能力处理和分析状态监测的数据,因而不能合理分析和利用数据。由于无论对进口的还是国产的硬件监测系统,人工进行数据分析还是必要的,而且目前对现场技术人员的培训和技术服务还没有到位。在国内要推广状态监测技术,除了要解决国产传感器装置的生产和设备管理体制的改革等问题外,现场技术人员的培训和技术服务也是必须解决的问题。其中,进一步开发高层次的数据分析软件也是一项重要
13、工作。第一章 状态监测的概念和任务 状态监测的概念和任务在实际应用中,有故障预报、故障诊断和状态监测等几个在内容上相近但存在差别的概念。一般来讲,它们在内容上没有严格的界限,采用的方法很多是一样的,都要进行在线检测和数据分析,而且最终目标也是一致的,即防患于未然。但是,它们的任务不尽相同,这里指出它们的区别,是为了进一步明确状态监测的任务,避免一些误解。故障预报根据故障征兆,对可能发生故障的时间、位置和程度进行预测。故障诊断根据故障特征,对已发生的故障进行定位和对故障发展程度进行判断。状态监测对设备的运行状态进行记录、分类和评估,为设备维护、维修提供决策。以上几个概念的关系,它们是按故障发展的
14、时间进程进行分类的。如果不能对未发生的故障时间、位置进行预测和不能对已发生故障的位置、程度进行准确判断,则不能称为故障预报和故障诊断,其结论应该属于状态监测范围。 对故障的预测或预报必须建模和仿真,而故障诊断也需要对故障的机理进行分析和研究,不能仅仅依靠信号处理的方法,只分析故障的外在表现,因而存在较大的难度。状态监测主要依据信号处理和模式识别对设备进行评估和判断,相对容易实现。但是,也不能认为预测或预报是最好的方法,而状态监测只是一种初级的手段。每一种方法必须适合具体的对象,关键在于准确,要得到准确的结论都是不容易的。第一节 状态监测与故障诊断技术的含义电气设备在运行中受到电、热、机械、环境
15、等各种因素的作用，其性能逐渐劣化，最终导致故障。特别是电气设备中的绝缘介质，大多为有机材料，如矿物油、绝缘纸、各种有机合成材料等，容易在外界因素作用下发生老化。电气设备是组成电力系统的基本元件，一旦失效，必将引起局部甚至广大地区的停电，造成巨大的经济损失和社会影响。 “监测”一词的含义是为了特殊的目的而进行的注视、观察与校核。设备的状态监测是利用各种传感器和测量手段对反映设备运行状态的物理、化学量进行检测，其目的是为了判明设备是否处于正常状态。“诊断”一词原是一医学名词，指医生对收集到的病人症状（包括医生的感观所感觉到的、病人自身主观陈述以及各种化验检测所得到的结果）进行分析处理、寻求患者的病
16、因、了解疾病的严重程度及制订治疗措施与方案的过程。设备的“故障诊断”借用了上述概念，其含义是指这样的过程：专家根据状态监测所得到的各测量值及其运算处理结果所提供的信息，采用所掌握的关于设备的知识和经验，进行推理判断，找出设备故障的类型、部位及严重程度，从而提出对设备的维修处理建议。简言之，“状态监测”是特征量的收集过程，而“故障诊断”是特征量收集后的分析判断过程。 广义而言，“诊断”的含义概括了“状态监测”和“故障诊断”：前者是“诊”；后者是“断”。第二节 状态监测适合电力系统主设备的现状状态监测适合电力系统主设备的现状。主设备的主要故障,例如绝缘故障、机械故障等的一些故障机理还不清楚,全系统
17、的故障建模和仿真更难,而作为一个产品,其生存期有限,也没有必要进行大量的研究工作。如果强调对主设备故障的“预报”和“定位”,不仅现有条件下很难达到预期效果,而且容易产生过分的期望和误解,并将影响监测技术的推广和发展。同时,生产现场也没有“预报”和“定位”的急需,现场人员首先需要知道主设备是否存在异常和是否需要检修;对于主设备,如果需要打开机盖检修,进一步查找故障点,就比在线监测时的定位容易得多。另一方面,有些情况需要具体对待,例如对于输电线和电缆的接地故障,用户首先要对故障点定位,这就需要采用故障诊断的方法,而不是状态监测的方法。状态监测应该包括以下任务:a.为设备的运行情况积累资料和数据,建
18、立设备运行的历史档案。b.对设备运行状态处于正常还是异常做出判断,根据历史档案、运行状态等级和已出现的故障特征或征兆,判断故障的性质和程度。c.对设备的运行状态进行评估,并对这种评估进行分类。当一定的标准形成后,为状态检修的实施提供依据。当然,状态监测的评估也应该包含对设备异常(或故障)状态的估计及对未来变化的预测,并不断创造条件,使这种评估水平逐步接近理想境界。状态监测可以为设备积累完整和科学的运行记录资料,这在过去的管理体制下是很难实现的。因此,状态监测系统对现代设备管理是必要的。对设备运行状态的分类可以作为设备维护管理的根据。这样,可以从根本上改变目前“定期维修”的旧的管理体制,避免“过
19、剩维修”,对有故障隐患的设备及时检修,提高设备运行的安全性和可靠性。据报道,国外有的企业因为采用了状态检修的管理方法,已经能做到一些设备可以十几年内不进行常规的检修,其经济效益十分可观。状态检修是我国即将面临的先进的设备管理体制,而状态监测是这一管理体制的技术保证和实施的依据。促进在线监测技术发展的几点意见：（1）认识在线监测是状态检修的必要条件。因为只有及时、准确地掌握设备的真实状态，并结合该设备在系统中的重要程度等因素，才能确定何时检修及如何检修。但是实现电力设备的状态检修，不能完全依靠在线监测，必须充分地利用一切可以掌握设备状况的检测手段，如设备巡视和定期试验项目，诊断性试验项目等。只有
20、充分利用现有手段，并将其与在线监测紧密结合，才能更全面真实反映设备的状态，为实施正确的状态检修提供数据资源。（2）加强基础理论工作，努力培训员工在线监测方面的技能水平。在线监测只是提供了一种掌握电气设备的技术手段，但最终的决策判断离不开人，工作人员除了熟悉在线监测相关原理，更应提高判断决策的能力，深刻理解状态量及状态量变化与电气设备状态的关系，这样才能更有效指导在线监测工作。我们不能仅仅停留在在线监测所提供的表面数据的上，更需要的是总结出有规律的东西，明确在线监测状态量与电气设备故障、绝缘老化的关系。同时对于现行的在线监测的数据不能过度依赖，许多测量数据可能并不准确。例如在介损在线测量中，其测
21、量的稳定性和重复性不是很理想，测量误差较大。而在信号采集过程中也存在传感器失效，信号由于外界干扰出现畸变，最终导致在线监测系统失灵。（3）拓宽思路，积极推动在线监测技术发展。虽然在国内外对电力设备进行在线监测已在许多方面取得了成绩，但还有不少问题需要进一步解决研究，需要在实际运行中考验各种检测方法的可行性。目前对在线监测的要求不应过高，只要检测系统的抗干扰性较好，且监测数据能够真实准确地分辨出电气设备状态的变化，对监测系统的总体设计、传感器和信号传输等要求可适当放宽。第二章 电力系统设备状态监测工业实用化条件第一节 被监测设备和故障的种类及特点 被监测设备和故障的种类及特点对不同的设备和不同的
22、故障类型,采用的状态监测的方法可能完全不一样。一些机械装置和控制系统常用的故障诊断方法并不适合于电力系统设备的特定情况。因此,必须首先认识电力系统设备故障的类型和特点。以下两方面的问题是电力系统设备故障所特有的。a.由于故障发展速度的差别,形成了瞬变故障和缓变故障两个类型。以大型发电机和变压器为例, 瞬变故障例如相间短路等,发展很快。继电保护装置必须在10 ms20 ms内处理这类故障,以避免损失扩大。瞬变故障发生时需要解决的问题是故障保护和避免事故扩大,不是诊断和监测的问题。缓变故障是从出现故障征兆发展到故障灾害进程较慢的一类故障现象,例如绝缘故障、冷却系统故障(氢冷和水冷系统)、机械系统故
23、障、部分转子故障等。当出现故障征兆时,需要对故障进行定位,或对故障的程度和发展进行监测,采取措施,防止故障状态的进一步发展和造成重大损失。因此,缓变故障是状态监测和故障诊断的对象。对于瞬变故障,继电保护可以发挥巨大的作用,大大减少可能造成的危害。但并不是所有的瞬变故障都是由缓变故障发展形成的,同时,很多缓变故障及其发展造成的损害也不在继电保护所能保护的范围内。有人认为状态监测和故障诊断能防止故障发生,是比继电保护更先进的技术,可以取而代之,这是一种误解。两种技术互相补充,缺一不可。b.绝缘故障是电力系统设备的主要故障之一。很多故障现象都直接或间接地与绝缘有关,可以说,绝缘的寿命就是设备的寿命4
24、,5。电力系统设备绝缘故障特征表现在多个方面, 不仅表现在很多电参数上,而且还有力、热、声、光等物理方面和气体、油等化学方面的特征变化。绝缘故障与设备的绝缘结构、分布、环境都有关,形成机理复杂。另一方面,对设备绝缘故障的定位和绝缘损坏程度的诊断还存在很大的困难。这也正是电力系统设备故障的特点和难点之一。由于绝缘故障的特点,很多绝缘在线和离线检测技术,如局部发电、油色谱分析、超声监测等近几年已经有了较大的发展,可以逐步开展对绝缘状态的评估工作。第二节 计算机和网络技术的状态监测系统采用计算机和网络技术的状态监测系统十几年来,已经有很多监测装置应用于工业现场,但是,大多数的现场装置没有形成系统,记
25、录数据仍然依靠人工观测和抄表的方式,这对于突发的故障很难及时反映,也不利于综合分析和查阅历史资料。采用计算机和网络技术的状态监测系统的结构。 集站,通过局域网连接起来。在网上建立数据库和分析中心,对状态监测数据进行处理。局域网可以通过一个服务器与Internet相联。由于有数据库和分析中心的支持,可以建立设备运行的历史数据档案和进行实时运行状态分析。 计算机网络控制系统的结构一般分为现场设备层、网络控制层、信息管理层三层其中现场设备层主要负责底层现场设备的模拟量参数的采集与AD转换，网络控制层负责数字信号的传输，通过信息层的组态，对底层现场设备实现实时监测与控制。由于以太网支持的传输介质为粗同
26、轴电缆、细同轴电缆、双绞线和光纤等，其最大的优点就是简单、经济实用、易于掌握。与现场总线控制系统相比，计算机网络的优势主要体现在以下几个方面：通信协议透明，兼容性好，有广泛的技术支持；为了更好地发挥各种监测控制系统的作用，协调生产过程中各系统间的关系，提高安全生产和管理水平，必须对上述系统整合，进行综合自动化系统的集成建设。基于计算机网络的变电站远程监控系统总体上划分为三层：信息管理层、中间层、设备控制层。信息管理层的主要目的是利用设备控制层提供的大量生产信息使变电站各个实体部门将能够不受地域的限制进行监视与控制变电站局域网里的各种数据，并对这些数据进行进一步的分析和整理，为相关的各种管理、经
27、营决策提供支持，实现管控一体化。信息管理层实现的途径是通过企业外部网(Internet)和企业内部网(Intranet)，由于涉及实际的生产过程，必须保证网络安全。中间层即所搭建的计算机网络，具体由DCS现场控制分站、远程IO分站、现场操作员站、中央控制站和交换机设备及控制总线等组成。中间层为整个变电站远程监控网络系统的综合业务提供实时数据采集和传输、IO控制以及编程下载等功能。通过该网络平台往下能对变电站内各控制子系统发布调用、监测和控制命令，并能见各子系统内设备的运行状态，收集所需的生产和安全参数。设备控制层是通过采用传感器对底层生产设备的状态信息进行实时采集并发送传输，以完成各种控制、运
28、行参数的监测、报警和趋势分析等功能。设备控制层是面向变电站的电气设备及自动控制要求的远程监控体系的最底层，主要包括现场的各种监测、控制子系统等。第三节 状态监测的实施与管理体制状态监测的实施与管理体制的变革状态监测技术的推广和应用将会对现有的发电厂和变电所的管理体制产生影响。状态监测和电力系统测控自动化技术的应用将会取代现有的运行人员值班的体制,逐步实现运行的无人值班。状态监测的应用和状态检修的实现也需要国产设备质量的进一步提高作为支持和保证。发展以状态监测（通常是在线监测）和故障诊断为基础的状态维修。其基本原理可简述如下。设备的劣化、缺陷的发展虽然具有统计性，发展的速度也有快慢，但大多具有一
29、定的发展期。在这期间，会产生各种前期征兆，表现为其电气、物理、化学等特性发生少量渐进的变化。随着电子技术、计算机技术、光电技术、信号处理技术和各种传感技术的发展，可以对电气设备进行在线的状态监测，及时取得各种即使是微弱的信息。对这些信息进行处理和综合分析后，根据其数值的大小及变化趋势，可对设备的可靠性随时作出判断和对设备的剩余寿命作出预测，从而能早期发现潜伏的故障，必要时可提供预警或规定的操作。状态监测（在线监测）与故障诊断技术的特点是可以对电气设备在运行状态下进行连续或随时的监测与判断，故可避免上述预防性试验的缺点。 在线监测和离线试验也不是对立的，而是相辅相成的。如在线监测中发现事故隐患后
30、，必要时在离线状态下进行更为彻底的全面检查。 采用状态监测与故障诊断技术后，可以使预防性维修向预知性维修即状态维修过渡，从“到期必修”过渡到“该修则修”。状态监测与故障诊断技术有很大的难度。潜伏性故障前期征兆的信号通常极为微弱，而运行条件下现场又存在强烈的电磁干扰。因此，抑制各种干扰，提高信噪比是在线监测中首先必须解决的难题。此外，监测到的各种特征量和设备的状态通常也不是一一对应的，而具有错综复杂的关系。如果说离线的预防性试验结果的分析，已经积累了大量经验，据此可以制订出相应的规程推广施行（当然也需要根据科学技术的发展，不断加以修订补充）；那么对于在线诊断现在则仍处于研究试行、积累经验的阶段。
31、发展在线诊断技术，既需对设备结构及其老化机理有深入的了解，也需应用传感、微电子等高新技术。它是具有交叉学科性质的一门新兴技术，有重大的学术意义，也有显著的经济价值。第四节 电力系统常见电气故障的特征量及其诊断故障诊断的目的及产生故障的原因：1.故障诊断的目的是“识别现状、预测未来”。2.故障包括:使设备立刻丧失其功能的破坏性故障;降低设备功能的但没有完全丧失功能的功能性故障;人为的误操作停车故障。设备状态量及监测状态量的分类及采集：1运行状态量: 电气运行中的各种状态量。2状态量的采集方法:检查、测量、检测 、监测 3.常用于诊断的监测技术 3.1电流分析法:监测负载电流幅值、波形并进行频谱分
32、析,可诊断出电机的转子绕组断条、气隙偏心、定子绕组故障、转子不平衡等缺陷。定子电流检测诊断断条的原理:理论上,定子电流的频率是单一的,即电源频率。特征:边频分量随负载增加而增加;随故障程度加重而加重。3.2振动诊断:对振动信号进行信号处理和分析3.3绝缘诊断:对设备的绝缘结构、工作性能和是否存在缺陷做出判断,并对绝缘剩余寿命作出预测3.4温度诊断:对设备各部分温度进行检测或红外测试3.5振声诊断:对诊断的对象同时采集振动信号和噪声信号。4.各种电力设备可用于诊断的输入/输出的电量。4.1避雷器:工作电压下流过避雷器的电流及其变化。4.2电磁式电压互感器:工作电压下的励磁电流及其变化4.3耦合电
33、容器:工作电压下流过绝缘的电流I0及工作电压下的噪音干扰。4.4三相电容型设备:工作电压下每相流过绝缘的电流I0和三相选频电压U0值4.5电力变压器及电机:电压、电流(空载励磁电流、负载电流、不对称电流等)、频率、有功及无功功率等一些特殊电磁量及诊断方法：1.轴电压:运行时转轴两端的电位差。设计和正常运行的电机设备其值很小。当电机设计、调整存在问题,电机出现故障的情况时,电机往往会出现较高的轴电压,轴电压产生的原因通常有:磁通脉动,通常由磁路不对称或磁场畸变引起;单极效应;电容电流等因素。轴电压含有交流分量、直流分量和高频分量,必须进行频谱分析。2.负序不对称电流 :出现可能原因有:三相负荷不
34、对称;发生不对称故障;3.电气试验测量结果:对试验结果的分析与判断能发现可能存在的电气故障隐患。 4.感应电势的微分探测采用微分探测线圈,安装在定转子间气隙或固定于定子槽内,由于探测线圈的感应电势正比于转子各槽漏磁密波的微分,从感应电势波形图可以判断对应各槽有无匝间短路。声音与故障的关系：1.电力变压器的异常声响根据异常情况的不同,发生异常的原因主要有:1.1声音均匀持续,但比平时明显增大。电网发生单相接地或谐振过电压、变压器过负荷,使变压器电流超过额定值。1.2声音比平时增大,且有明显杂音。转贴紧固部件如内部夹件、铁芯压紧螺钉松动,在电磁应力下引起硅钢片共振,使振动增强。声音中夹杂“劈啪”的
35、放电声或不均匀的爆裂声。多是由于绕组或引出线对外壳闪络放电,接地不良或未接地的金属部件发生静电放电,变压器内部绝缘击穿,产生严重放电。此时应立即停运并通知检查。声音中有像水沸腾的“咕嘟”声。变压器内部发生匝间短路或分接开关接触不良,造成局部严重过热,使油温急剧升高沸腾。必须立即退出运行进行检修。电压互感器的声音异常电压互感器中有游离放电、静电放电等原因引起听得见的“噼啪、咝”之类声音;因螺栓、螺帽等的松动引起的共振声,等。电流互感器的声音异常当电流互感器开路时,会发出比正常时大得多的“嗡嗡”声。绝缘子的电晕放电声端子金具上突出部分的电晕放电,被污染的绝缘表面产生的沿面放电会发出可听得见的声音,
36、还有其它如绝缘子、套管的龟裂和内部缺陷等原因温度与故障的关系当电气设备内部存在短路性故障时,就会在局部产生温度的急剧升高,形成所谓的局部异常温升。1.铁心过热点1.1早期特征是铁心的涡流和局部区域的温度过高。1.2可通过红外热成像准确测量。2.绕组局部过热点2.1电机和变压器的绕组由于匝间短路、股线断裂造成内部放电,因绝缘磨损造成局部漏电流增大,导致局部过热是较常见的故障。其先兆是局部温升高,出现绝缘分解的异味等。2.2局部过热的测量主要有:分布测点温度测量(如热电偶、光纤温度传感器)、红外热成像、绝缘分解物监测等手段。3.变压器绝缘油油温异常3.1导致变压器油温异常的原因主要有:3.1.1变
37、压器内部故障引起的发热剧增,发热不平衡,油循环死角。变压器绕组的匝间短路、线圈的放电、铁芯及夹件的环流、内部引线接头发热乃至铁芯起火等都引起变压器温度异常增高。3.1.2冷却装置散热不正常。冷却装置运行不正常或发生故障,如潜油泵停运、风扇损坏、散热管道积垢不畅、散热器冷却效果差等都引起温度升高。3.2监测手段:变压器顶层油温计指示变压器。第三章状态监测的基本组成状态监测的关键技术传感器、计算机网络和数据库、数据分析等3部分是状态监测的基本组成。其中,传感器技术和数据分析技术是状态监测系统所特有的关键技术,以下将分别加以说明。 第一节 传感器技术状态监测系统输入的信号传感器技术状态监测系统输入的
38、信号包括电、热、声、振动等物理量,还有油、气体经化学分析得到的分解物含量,各种来源的信号都要通过传感器转换为电信号。传感器是监测系统的输入端,直接影响监测系统的精度和准确性,也是控制和测量技术的难点和瓶颈。国产传感器的性能和质量与国际先进水平相比还有差距。传感器作为一个装置,由变换元件、单片机系统和通信接口等组成, 基于对无线传感器网络监测系统特性的分析，设计了基于无线传感器网络的电机运行状态监测系统，系统结构如图2所示。该系统由现场采集单元与远程控制单元两部分组成。现场采集单元包括精简功能节点（RFD）、汇聚节点（Sink）以及网关。其中，RFD只采集数据，不进行路由，不同的RFD之间不能通
39、信；汇聚节点负责收集RFD发送的数据，并选择最适合的路由将数据发送出去；网关将接收到的无线信号通过有线网络发送给远程控制单元。远程控制由路由器、数据存储服务器和远程控制终端组成。路由器协调不同现场采集单元与远程控制终端的通信；数据存储服务器不仅收集和存储不同网络的数据，而且为各个单独网络的数据提供备份，加强了网络体系的可靠性；远程控制终端则为工程技术人员提供实时的数据，并对网络发出控制命令。现场采集单元与远程控制单元采用现有的光纤网络进行连接，保证了网络的可靠性与及时性。通常无线传感器网络的工作环境非常恶劣、节点数量庞大、维护困难且大部分区域人力无法靠近，因此在其设计上首要考虑的因素就是能够尽
40、量节省能耗，延长每个节点的工作寿命。第二节 数据分析技术数据分析技术在状态监测系统中,数据分析的任务是从采集到的数据中得到设备运行的有关信息。数据分析过程分为数据预处理、特征提取、状态分类和处理决策等4个部分。数据分析（DA）是以得到有关信息的一些结论为目的而对原始数据进行研究的一门科学。数据分析用于许多行业，使各企业及组织能够做出更佳的业务决策；而在科学研究方面，可以用以验证或否定现有的模型或理论。数据分析与数据挖掘的区别在于所分析的范围、目的及重点。数据挖掘采用先进的软件对大量数据进行整理分类，以识别其中所隐藏的规律，并确定其中所隐藏的关系。数据预处理包括数据选取、消除噪声等前期处理过程。
41、特征提取是指采用数理统计、信号处理(FFT、小波分析、分形和混沌)等方法提取信号的特征。状态分类和处理决策是数据分析的核心部分,也是难度较大的部分。其中,处理决策是得出最后结论,例如确定设备是否存在故障,存在何种故障,故障部位和程度等,以及确定是否进行检查和维修。很多情况还需要人工处理,计算机只能对少数故障进行分析和决策。因为涉及设备的具体问题,准确结论完全依据对设备故障机理的了解和经验的积累,这是一个复杂的过程,一般很难通过建模或仿真来解决。状态分类是一个模式识别问题。例如,一个一维的状态分类问题,设x为特征指数,x0为特征指数的阈值,则:xx0为故障状态。对于多维问题,特征指数不止1个,状
42、态分类在多维空间中不是一个简单的区域划分问题。这个过程一般都采用了人工智能技术,如模式识别、人工神经网络、模糊数学、专家系统等。无论采用哪种方法,推理过程都可分为归纳推理和演绎推理。一个完整的认识过程应包括归纳推理和演绎推理两个阶段。归纳推理阶段为样本学习过程,而状态分类过程就是演绎推理。因此,分类的知识不会超过样本提供的范围,样本提供的知识又称为先验知识。在专家系统中,这种先验知识由知识库组成。 知识库的知识来源是一个问题。虽然,从理论上可以通过很多渠道获得知识,但在实际操作过程中建立专家知识库是很难的。其基本原因在于设备状态监测分类问题不同于文字识别之类的分类问题。文字识别的样本不成问题,
43、而对一台具体设备的状态监测分类问题,除正常状态样本容易得到外,完整的故障状态样本一般得不到。因此,首先可以做到的事情只能是识别正常和非正常状态。不需要先验知识的分类方法一般称为聚类分析,如二维的特征指数空间。各测点代表每一个运行状态,根据在特征指数状态空间上的分布,可以分为“0”、“1”、“2”等3类。这种分布比较容易区分正常与非正常,如状态“0”为正常,其余为非正常,但是,至于状态“1”和状态“2”对应哪种故障则需进一步分析后确定。比较法和趋势分析法是聚类分析应用到特征指数为一维情况的方法,比较法例如用8台设备的套管泄漏电流I0测值的互相比较来发现问题。第5台设备测值偏大,说明可能存在某种不
44、正常,可以提示运行人员注意。随着运行中积累数据的增多,可以逐步制定合理的偏差极限值(报警值)。这种方法可以用于泄漏电流、温度、局部放电、介质损耗角等物理量的监测。趋势分析法。例如观察一个温度测值的历史和当前值的变化规律。温度值出现了上升的趋势,超过了正常运行的历史平均值,说明存在问题。这种方法需要利用计算机的存储功能来积累历史的记录资料。在线监测的主要技术手段；电力设备在线监测依靠的主要技术有传感器技术，数据处理和分析以及网络通信技术。（1）首先，先进的传感器技术是实现在线监测的重要手段，设备的故障诊断依靠传感器获取的尽可能多的准确的状态量数据。为了满足在线监测的要求，传感器技术不断进行改进，
45、如光传感器、气体传感器以及温度传感器等，他们都可以正确的测量电气设备的状态量，并将它转化成相应的数字信号进行传输。为了对输变电设备绝缘子的盐密进行在线监测，相关研究人员已经提出用光传感器来对绝缘子的污秽程度进行监测，尽管现在并未得到大范围的推广，但却是对电力系统现行等值盐密法的一种突破。（2）对采集的的数据进行处理和分析，是在线监测又一关键步骤。信号的处理和分析是要从现场大量的噪声背景下提取有用的信息量，通过对这些信息量与注意值的分析，从而判断设备是否趋向故障或是已处在故障状态，根据需要确定是否退出运行。从运行中电气设备提取信号，不可避免地会受到现场噪声环境的影响。为了消除噪声的影响，除了应用
46、硬件滤波，往往还需要运用许多的数字滤波技术。比如目前常用的小波变换滤波技术，它可以有效消除稳态干扰信号，把有用信号提取出来进行分析；还有当前广泛受到关注的数学形态滤波，具备比小波滤波更好的滤波效果，它不仅可以消除稳态干扰，而且对暂态干扰也有不错的抑制效果。随着新技术的不断出现，更加有效的数据处理技术必将推陈出新。在对故障的分类方面，大多数的处理思路是寻找某一个或一些特征量来进行模式识别。例如基于傅里叶变换的频谱分析，在故障分类上效果良好，但这种方法很难克服不同类型的故障信号在频谱上重叠的问题。神经网络、专家系统等也被广泛应用于故障诊断系统中。（3）电力设备在线监测技术的发展经历了单片机检测到基
47、于DSP技术的检测，再到基于计算机技术的检测系统阶段，而基于新型总线技术和网络技术的综合监测系统也正在被越来越多的学者认可。目前在线监测的形式多种多样，有集中性在线检测系统，也有分散性在线监测装置；在线监测可以在设备终端进行信号处理后进行传输，也可将数据传输到服务器后对其集中处理。基于变电站高压设备繁多，分布分散，文献1提出利用现场总线技术组建总线型的电气设备在线监测系统。通过把变压器套管泄漏电流、电流互感器泄漏电流、电压互感器电压和环境温湿度等信号采集后进行现场信号提取，经数字化处理，再通过现场总线方式传送到工控机中，在后台实现数据处理和故障诊断。第四章 结论状态监测是从传统管理模式过渡到状态检修的技术支持。状态监测与故障诊断的概念存在差别,状态监测更适合电力系统设备运行和维修的管理现状。状态监测的关键技术是传感器、计算机网络和数据分析。目前,国内的变电站和发电厂已具备实现状态监测技术的初步条件。状态监测技术在现场的实施和推广,有一个积累资料、逐步提高的过程。 谢辞 在此论文撰写过程中，要特别感谢我的导师王教