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品
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北极星电力网技术频道 作者:刘湘平1，孟玉禅2 2005/3/14 0:00:00
摘 要：针对发电机、变压器类电力设备普遍采用的预防性定期检修方式所存在的弊端，分析了发展状态监测和故障诊断技术的意义，并对该技术在国内外的发展现状和存在问题进行了介绍。最后指出，发电机、变压器类电力设备的状态监测和故障诊断技术，可以迅速、连续地反映设备的运行状态，预示运行设备存在的潜伏性故障，是保障电力设备安全经济运行的有力措施，应大力推广。
关键词：发电机；变压器；状态监测；故障诊断
State monitoring and fault diagnosis for electric power equipments such as generators and transformers
LIU Xiangping1, MENG Yuchan2
(1.Guangdong PowerTest & Research Institute,
2.Xian Thermal Power Research Institute, Xian,
Abstract:In view of the disadvantages of the commonly used prophylactic repair mode for such power equipments as generators and transformers, the significance of developing state monitoring and fault diagnosis technique is analyzed, and the stateoftheart and existing problems of the technique are described. It is concluded that this technique can rapidly and continuously reflect the operation status of equipments and predict the latent faults in them; hence it is effective in ensuring the safe and economic operation of power equipments and worth spreading.
Keywords:generator;transformer;state monitoring;fault diagnosis
发电机、变压器类电力设备的状态监测和故障诊断技术日益受到普遍关注，越来越多的单位和部门已在或正在积极应用和开发该项技术，并有全面推广之势。在这种情况下，全面、客观地认识该技术，了解其目前技术状态，比较、认识该技术和现行预防性检修体系的优劣性及关系，对正确开发、应用和推广这一新技术，更好地保障电力生产的可靠安全性将具有一定意义。
1发展状态监测和故障诊断技术的意义
发电机、变压器类电力设备素有发、输电心脏之称，其运行可靠性直接影响电力工业的正常生产。但是，这些设备在运行中，由于不可避免地受到电、热、机械和环境等各种因素的影响，其性能不断劣化，使运行状态不佳，甚至发生各种故障，引起局部乃至大面积停电，造成巨大的直接和间接经济损失和社会影响。
据国外报道，电气设备在服役期内，其故障发生率和运行时间、方式之间有着宏观规律。将设备故障率和使用寿命的关系绘制成曲线，其形状为两边高，中间低，形成一浴盆状，称为设备故障发生的“浴盆”曲线，见图1。
从图1可见，在电力设备的整个服役期内，设备故障率分为初期故障率、稳定期故障率、劣化期故障率。对于发电机、变压器等大型电气设备，投运初期，由于各部件磨合不善，一些制造、安装和调试过程中遗留的问题逐渐暴露，同时，操作和维护也有一个适应期，所以故障率略高。发电机通过168 h试运行，变压器经过4～30 d至半年后，随着对暴露问题的处理及运行人员对设备性能的逐步熟悉和掌握，设备故障率会逐渐降低，事故率进入稳定期。该期间一般约15～20年。在设备服役后期，由于绝缘老化现象明显，泄漏电流增加，绝缘电阻下降，油中溶解气体组分变化，局部放电增加等原因，故障率会明显增加。
为了及时发现和排除故障，减少和避免事故的发生，长期以来，电力系统工作者不断地研究、总结，改变了过去的事故维修模式，实施各种可行、有效的定期预防性试验和检修方式。与事故维修相比，这种体制曾经适应了我国生产力的发展，发挥过积极作用，不管是在思维还是在效果上都取得了很大进步。但它对设备运行中的突发性事故常常措手不及，造成惨重损失。而且定期计划维修也存在一定程度的盲目性和强制性，缺少针对性和科学性，常对设备的稳定造成干扰。
由于预防性试验大多是离线进行的，试验时需停机、停电，造成较大的经济损失。而一些重要设备轻易不能停运，致使定期试验无法按照计划进行；即使可停运待检设备，也往往因为运行中与停运后的设备状态差异，不同程度地影响到试验结果的准确性。另一方面，对于正常的设备，若按计划采用定期检测和维修，又造成不必要的人力和物力的极大浪费。甚者，可能因检查维修，造成维修过度，即造成“维修干扰”。如某厂的1台300 MW水-氢-氢发电机，维修前绝缘状态良好，维修后，绝缘水平明显降低。经查，是由于进行耐压试验，使绝缘受到损害。泄漏电流的测试，也可造成绝缘恶化或损伤。又如某局进行变压器的例行检查维修，由于工作人员的疏忽，将工具遗留在变压器内，造成重大事故。同时，定期检测和维修，不是连续和实时监测，无法避免设备在两次试验间隔期可能发生的故障。
状态监测与故障诊断技术，采取对潜伏性故障的早期、连续监测，与离线检测相结合，应用现代分析、电子和计算机等技术，进行综合分析，预测设备可能发生的故障，以期做到预知维修和有效维修，将对电力设备的运行起到重要的安全保障作用。
2状态监测和故障诊断技术的发展
在20世纪60年代至70年代，一些工业发达国家即开始状态监测和故障诊断技术的研究。因受到当时工业技术水平的限制，加之电力设备潜伏性故障初期发展速度慢，征兆信号微弱，生产运行环境中又存在许多电磁干扰，能够监测的特征量与设备状态不完全吻合，可变因素和影响因素太多等原因，使状态监测和故障诊断技术的发展和应用受到阻碍。到20世纪80年代至90年代，传感技术、计算机技术和光纤等高新技术的发展和应用，使电力设备的状态监测和故障诊断技术得到迅速发展。加拿大、日本、德国、美国等陆续研制了油中溶解气体在线监测系统，变压器、发电机和GIS等的局部放电、泄露电流的在线监测系统，这些技术得到了国际大电网会议的系统总结。
近年来，随着光电技术的发展，加拿大、美国等国家相继研制出不同类型的在线监测装置，更加促进了设备的状态监测和故障诊断技术的实施和有效发展。
早在20世纪60年代，我国已认识到电气设备状态监测和故障诊断技术的重要性，在70年代，就进行过一些带电试验和在线监测技术的研究和应用，但由于当时技术不完善，测量结果分散性大，加上操作复杂和误报等原因，使该技术没有得到大力推广。随着大容量、高电压等级电气设备的迅速增加，一些设备的故障率偏高，使状态监测和故障诊断技术的开发更加迫切。为发展状态监测和故障诊断技术，电力主管部门多次召开全国电力设备绝缘带电测试和故障诊断技术研讨会，研究如何发展和推广状态监测与诊断技术。可以说，我国电气设备状态监测与故障诊断技术和国际上几乎处于相同水平。
2.1发电机的状态监测和故障诊断
发电机的状态监测和故障诊断目的是在初始阶段，检测出发电机缺陷，以有计划地安排检修，减少停机，避免事故发生；在服役期延长发电机平均无故障时间和缩短平均修理时间，降低发电机维修费用，提高可用性。
多年来，发电机运行所采用的监视和控制方法，大多用来进行机组运行工况的调整以及非正常或事故状态的控制。大型发电机都有继电保护系统，从表面上看，继电保护功能很完善，但是，继电保护系统只是当被监视参数达到或超过继电器设定值时才起作用，即只有当故障已经发生时才动作，并没有预防功能。由于继电保护与设备诊断技术功能不同，所以其对潜伏性故障的早期发现或诊断无能为力。
目前，国内外发电机的状态监测，主要是通过发电机光纤测漏仪（FOVM）、发电机状态监视器（GCM）、发电机射频监视仪（RFM）进行。在运行中，这些监视系统可以对发电机内部的故障进行监测和报警，引起工作人员重视，指导操作人员适当调整负荷，确定是否停机，预知维修。对氢冷发电机，国内外也在开展研究，利用化学痕量分析方法检测氢气中杂质组分从而诊断设备故障。
发电机状态监测与诊断系统需要观测和采集运行状态下许多电气、机械和物理化学的数据与特性，建立正确的数据处理系统，给出运行异常和存在缺陷的信息，根据早期征兆进行故障预报，采用计算机故障模糊专家系统进行诊断和趋势分析，并提出检修方案。
结合我国电力工业发展现状、发电机制造水平及多年大型发电机运行多发性故障的特点，有关专家认为，在大型汽轮和水轮发电机组上，可有选择地采用不同的监测和诊断系统。这些系统包括：定子绕组绝缘监测系统；发电机内过热监测与诊断系统；定子绕组端部振动监测系统；转子绕组匝间短路监测系统；汽轮发电机组扭振监测与诊断系统；氢冷发电机氢气湿度及漏氢监测系统；气体杂质组分监测与诊断系统。
发电机故障诊断系统拟诊断的故障包括：定子线圈及引出线类故障；定子引出线套管类故障；定子绝缘类故障；定子绕组振动类故障；定子铁心类故障；转子绕组类故障；转子绝缘类故障；转子本体及护环类故障；氢系统故障；油系统故障；水系统故障。
发电机的故障诊断系统，通过对发电机运行过程与状态参数分析及检修、试验的结果，无损探伤、电气绝缘检查结果的分析，综合进行故障诊断。
2.2变压器的状态监测和故障诊断
电力工业主要采用充油式变压器，在特殊场合，也采用干式变压器或六氟化硫变压器。目前，国内外对于变压器的状态监测，多采用局部放电监测、超声定位技术和红外技术。对于充油式变压器，除对油中溶解气体进行离线、定期和有效的色谱分析外，主要研究应用在线油中溶解气体和微水分析技术。对于变压器的高压套管，通常采用介质损耗因数的数字化在线测量技术。对于故障较多的有载调压开关，采用有载故障在线诊断装置，测量触点磨损及机械和电气回路等。除此之外油温、线匝绕组温度、负载电流及电压、冷却泵、风扇运行等参数也在监测之列。
变压器状态监测，涉及到的主体部件为：磁路、绕组及固体绝缘、液体绝缘（气体绝缘）和冷却系统。拟诊断的故障为：过热性故障、放电性故障、过热兼放电故障、机械故障和进水受潮等。
常用的局部放电监测与诊断，多采用电脉冲信号法和超声法。对电信号和声信号联合监测取得理想的定量和定位效果，根据视在放电量、分布图谱和放电源的定位，来判断故障。
油中溶解气体组分含量的分析（DGA），首先依据溶解平衡原理，采用各种不同原理的脱气方法，如：真空、渗透膜、气体洗脱等，将油中气体脱出，再用分离柱进行分离，再经检测器检测（如TCD，FID等），或用各种原理的传感器对不同组分的气体进行检测，最后依据国内外通用的组分比值法或多维图视法，结合电气试验和离线定期试验结果，综合分析诊断出潜伏性故障。近期还发展了复合渗透膜、电化学-燃料电池、红外检测等技术，进行油中溶解气体组分含量的分析。由于DGA分析判断的准确性已被国内外所认可，该技术成为各国研究的热点。目前，国内外已有单组分的、总可燃气体的、四组分、六组分、七组分的在线监测装置投运。
3状态监测和故障诊断技术存在的问题
状态监测、故障诊断技术虽然有其不可替代的优势，但在目前情况下，尚存在很多不足和问题需要解决。已经安装投运了状态监测系统的单位，决不可高枕无忧，不再有安全忧患意识。
由于发电机、变压器有复杂的结构系统，运行参数间并非全部有严格的逻辑和定量关系，其故障现象、故障原理之间具有很大的不确定性，一个故障可表现出多种征兆，监测到的几个故障起因同时反映一个故障征兆，故障与征兆之间关系模糊复杂，因此完全通过建立精确的数学模型来诊断是十分困难的。这种复杂的系统都是模糊的系统，而模糊系统的边界、结构等概念的外延是模糊的，内涵是灰色的。也就是说，此系统中的一些信息是确知的，另一些是非确知的，因此，需要采用将精确性向模糊性逼近的模糊集的数学方法来处理这些模糊现象，并注入人工神经网络系统，才能对发电机、变压器故障诊断这一复杂系统，找出合适的描述方法。同时还要模拟技术专家在进行故障诊断时的经验及将经验、规则模型化，以计算机替代专家，并以远程通信方式进行传输。除此之外，复杂的现场环境也给状态监测和故障诊断技术的应用带来困难。到目前，状态监测和故障诊断技术尚存在以下不足和问题：
a)受技术条件限制，目前发展较成熟的仅有局部放电定位仪和部分组分含量的在线色谱仪，而其他反映设备状态的项目尚无成熟监测。因此，在故障诊断中，很多需采集的信息还必须依赖于离线检测。
b)早期故障的监测信号极弱，设备运行现场均有较强的磁场和电场干扰，信噪比很低，给状态监测带来困难。
c)现有的一些监测系统，只能反映设备故障的发展趋势，很难提供设备故障的类型及故障的危急程度。渗透膜存在渗透率衰减，软件不能适应个案的分析和判定，软、硬件在不同程度上存在缺陷和不稳定性，易引起误报、错报故障。
d)现行规程中没有状态监测的技术要求和指标，使故障诊断时缺乏科学的判据。
e)现有的监测、诊断系统尚不能完全实现连续不断的实时监测，所以对突发性故障不能准确、及时预报。
综上所述，发电机、变压器类电气设备的状态监测和故障诊断技术，可以迅速、连续地反映设备的运行状态，预示运行设备存在的潜伏性故障，提出处理措施，不同程度地延长设备的服役期，减免不必要的维修干扰，大大降低运行成本，易实行自动化和科学化设备管理，是保障电力设备安全经济运行的有力措施，应大力推广。然而，该技术毕竟为新兴的多学科高新技术，其发展和实施还存在许多困难，距离替代预防性定期检修还有较长历程。所以，既要积极开发、推广这一技术，也要客观对待，避免盲从，不断总结经验，完善系统，使该技术为电力生产安全服务。
参考文献
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［2］严璋，朱德恒. 高电压绝缘技术[M]. 北京：中国电力出版社，2002.
［3］朱德恒，谈克雄. 电气设备状态检测与故障诊断技术的现状与展望[J]. 电力设备，2003，4（6）：1—8.
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