發(fā)電機(jī)和干式變壓器等電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷

針對(duì)發(fā)電機(jī)和干式變壓器常用的預(yù)防性定期維護(hù)方式的弊端，分析了發(fā)展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的意義，介紹了該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題。較后指出，發(fā)電機(jī)、干式變壓器等電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)能夠快速、連續(xù)地反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，指示運(yùn)行設(shè)備的潛在故障，是保證電力設(shè)備安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的有力措施，應(yīng)大力推廣。關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；干式變壓器；狀態(tài)監(jiān)控；故障診斷

發(fā)電機(jī)、變壓器等電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷

劉向平1、MENG玉蟾2

(1.廣東電力測(cè)試研究所，廣州510600；2.西安熱電研究所，陜西西安710032)

針對(duì)發(fā)電機(jī)、變壓器等電力設(shè)備普遍采用的預(yù)防性維修方式的弊端，分析了發(fā)展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的意義，介紹了該技術(shù)的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題。結(jié)果表明，該技術(shù)能快速、連續(xù)地反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)設(shè)備的潛在故障；因此，它對(duì)保證電力設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是有效的，值得推廣。關(guān)鍵詞Keywords:generator變壓器；狀態(tài)監(jiān)控；故障診斷

發(fā)電機(jī)、干式變壓器等電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)越來(lái)越受到重視，越來(lái)越多的單位和部門(mén)已經(jīng)或正在積極應(yīng)用和發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)，并將得到廣泛推廣。在這種情況下，全面、客觀地了解這項(xiàng)技術(shù)及其目前的技術(shù)狀況，比較和了解這項(xiàng)技術(shù)與目前的預(yù)防性維修制度的優(yōu)缺點(diǎn)及其相互關(guān)系，對(duì)于正確開(kāi)發(fā)、應(yīng)用和推廣這項(xiàng)新技術(shù)，更好地保障電力生產(chǎn)的可靠性和安全性，具有一定的意義。

發(fā)展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的意義發(fā)電機(jī)和干式變壓器被稱為發(fā)電和輸電的心臟，其運(yùn)行可靠性直接影響到工業(yè)電力的正常生產(chǎn)。然而，這些設(shè)備不可避免地受到電、熱、機(jī)械和環(huán)境等各種因素的影響，性能不斷惡化，導(dǎo)致運(yùn)行狀態(tài)不佳，甚至出現(xiàn)各種故障，造成局部甚至大面積停電，造成巨大的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。據(jù)國(guó)外報(bào)道，電氣設(shè)備在服役期內(nèi)，故障率與運(yùn)行時(shí)間和方式之間存在宏觀規(guī)律。將設(shè)備故障率與使用壽命的關(guān)系繪制成曲線，其形狀為兩邊高中間低，形成一個(gè)浴缸，稱為設(shè)備故障的“浴缸”曲線，如圖1所示。

從圖1可以看出，在電氣設(shè)備的整個(gè)使用壽命期間，設(shè)備故障率可分為初始故障率、穩(wěn)定故障率和退化故障率。對(duì)于發(fā)電機(jī)、干式變壓器等大型電氣設(shè)備，在運(yùn)行初期，由于各部件磨合不良，制造、安裝、調(diào)試過(guò)程中遺留的一些問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)。同時(shí)運(yùn)維有一個(gè)適應(yīng)期，所以故障率略高。發(fā)電機(jī)試運(yùn)行168 h后，經(jīng)過(guò)4 ~ 30天至半年，隨著暴露問(wèn)題的處理和運(yùn)行人員對(duì)設(shè)備性能的逐漸熟悉和掌握，設(shè)備故障率將逐漸降低，事故率將進(jìn)入穩(wěn)定期。這個(gè)周期一般在15到20年左右。在服役后期，由于絕緣老化明顯、泄漏電流增大、絕緣電阻降低、油中溶解氣體成分變化、局部放電增加等原因，故障率會(huì)明顯增加。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除故障，減少和避免事故的發(fā)生，長(zhǎng)期以來(lái)，電力系統(tǒng)工作者一直在不斷地研究和總結(jié)，改變過(guò)去的事故檢修模式，定期實(shí)施各種可行有效的預(yù)防性試驗(yàn)和檢修方法。與事故維修相比，這一制度適應(yīng)了我國(guó)生產(chǎn)力的發(fā)展，發(fā)揮了積極的作用，無(wú)論是思想上還是效果上都有了很大的進(jìn)步。但經(jīng)常被設(shè)備運(yùn)行中的突發(fā)事故打個(gè)措手不及，損失慘重。而且計(jì)劃維護(hù)在一定程度上具有盲目性和強(qiáng)制性，缺乏針對(duì)性和科學(xué)性，往往會(huì)干擾設(shè)備的穩(wěn)定性。由于大多數(shù)預(yù)防性試驗(yàn)都是離線進(jìn)行的，因此在試驗(yàn)過(guò)程中必須停機(jī)斷電，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。然而，一些重要設(shè)備不能輕易關(guān)閉，導(dǎo)致定期測(cè)試無(wú)法按計(jì)劃進(jìn)行。即使被檢設(shè)備可以停機(jī)，由于運(yùn)行和停機(jī)時(shí)設(shè)備狀態(tài)的差異，測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性也會(huì)受到不同程度的影響。另一方面，對(duì)于正常的設(shè)備，如果按計(jì)劃采取定期檢查維護(hù)，會(huì)造成不必要的人力物力的極大浪費(fèi)。更有甚者，過(guò)度保養(yǎng)可能是檢查保養(yǎng)造成的。

，即造成“維修干擾”。如某廠的1臺(tái)300 MW水-氫-氫發(fā)電機(jī)，維修前絕緣狀態(tài)良好，維修后，絕緣水平明顯降低。經(jīng)查，是由于進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，使絕緣受到損害。泄漏電流的測(cè)試，也可造成絕緣惡化或損傷。又如某局進(jìn)行干式變壓器的例行檢查維修，由于工作人員的疏忽，將工具遺留在干式變壓器內(nèi)，造成重大事故。同時(shí)，定期檢測(cè)和維修，不是連續(xù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無(wú)法避免設(shè)備在兩次試驗(yàn)間隔期可能發(fā)生的故障。 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)，采取對(duì)潛伏性故障的早期、連續(xù)監(jiān)測(cè)，與離線檢測(cè)相結(jié)合，應(yīng)用現(xiàn)代分析、電子和計(jì)算機(jī)等技術(shù)，進(jìn)行綜合分析，預(yù)測(cè)設(shè)備可能發(fā)生的故障，以期做到預(yù)知維修和有效維修，將對(duì)電力設(shè)備的運(yùn)行起到重要的安全保障作用。

2狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的發(fā)展 在20世紀(jì)60年代至70年代，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家即開(kāi)始狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的研究。因受到當(dāng)時(shí)工業(yè)技術(shù)水平的限制，加之電力設(shè)備潛伏性故障初期發(fā)展速度慢，征兆信號(hào)微弱，生產(chǎn)運(yùn)行環(huán)境中又存在許多電磁干擾，能夠監(jiān)測(cè)的特征量與設(shè)備狀態(tài)不完全吻合，可變因素和影響因素太多等原因，使?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用受到阻礙。到20世紀(jì)80年代至90年代，傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和光纖等高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)得到迅速發(fā)展。加拿大、日本、德國(guó)、美國(guó)等陸續(xù)研制了油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，干式變壓器、發(fā)電機(jī)和GIS等的局部放電、泄露電流的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這些技術(shù)得到了國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議的系統(tǒng)總結(jié)。 近年來(lái)，隨著光電技術(shù)的發(fā)展，加拿大、美國(guó)等國(guó)家相繼研制出不同類(lèi)型的在線監(jiān)測(cè)裝置，更加促進(jìn)了設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的實(shí)施和有效發(fā)展。 早在20世紀(jì)60年代，我國(guó)已認(rèn)識(shí)到電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的重要性，在70年代，就進(jìn)行過(guò)一些帶電試驗(yàn)和在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)不完善，測(cè)量結(jié)果分散性大，加上操作復(fù)雜和誤報(bào)等原因，使該技術(shù)沒(méi)有得到大力推廣。隨著大容量、高電壓等級(jí)電氣設(shè)備的迅速增加，一些設(shè)備的故障率偏高，使?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的開(kāi)發(fā)更加迫切。為發(fā)展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)，電力主管部門(mén)多次召開(kāi)全國(guó)電力設(shè)備絕緣帶電測(cè)試和故障診斷技術(shù)研討會(huì)，研究如何發(fā)展和推廣狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)?？梢哉f(shuō)，我國(guó)電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)和國(guó)際上幾乎處于相同水平。2.1發(fā)電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷 發(fā)電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷目的是在初始階段，檢測(cè)出發(fā)電機(jī)缺陷，以有計(jì)劃地安排檢修，減少停機(jī)，避免事故發(fā)生；在服役期延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)平均無(wú)故障時(shí)間和縮短平均修理時(shí)間，降低發(fā)電機(jī)維修費(fèi)用，提高可用性。 多年來(lái)，發(fā)電機(jī)運(yùn)行所采用的監(jiān)視和控制方法，大多用來(lái)進(jìn)行機(jī)組運(yùn)行工況的調(diào)整以及非正?；蚴鹿薁顟B(tài)的控制。大型發(fā)電機(jī)都有繼電保護(hù)系統(tǒng)，從表面上看，繼電保護(hù)功能很完善，但是，繼電保護(hù)系統(tǒng)只是當(dāng)被監(jiān)視參數(shù)達(dá)到或超過(guò)繼電器設(shè)定值時(shí)才起作用，即只有當(dāng)故障已經(jīng)發(fā)生時(shí)才動(dòng)作，并沒(méi)有預(yù)防功能。由于繼電保護(hù)與設(shè)備診斷技術(shù)功能不同，所以其對(duì)潛伏性故障的早期發(fā)現(xiàn)或診斷無(wú)能為力。 目前，國(guó)內(nèi)外發(fā)電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，主要是通過(guò)發(fā)電機(jī)光纖測(cè)漏儀（FOVM）、發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)視器（GCM）、發(fā)電機(jī)射頻監(jiān)視儀（RFM）進(jìn)行。在運(yùn)行中，這些監(jiān)視系統(tǒng)可以對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部的故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警，引起工作人員重視，指導(dǎo)操作人員適當(dāng)調(diào)整負(fù)荷，確定是否停機(jī)，預(yù)知維修。對(duì)氫冷發(fā)電機(jī)，國(guó)內(nèi)外也在開(kāi)展研究，利用化學(xué)痕量分析方法檢測(cè)氫氣中雜質(zhì)組分從而診斷設(shè)備故障。 發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)需要觀測(cè)和采集運(yùn)行狀態(tài)下許多電氣、機(jī)械和物理化學(xué)的數(shù)據(jù)與特性，建立正確的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，給出運(yùn)行異常和存在缺陷的信息，根據(jù)早期征兆進(jìn)行故障預(yù)報(bào)，采用計(jì)算機(jī)故障模糊專家系統(tǒng)進(jìn)行診斷和趨勢(shì)分析，并提出檢修方案。 結(jié)合我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)電機(jī)制造水平及多年大型發(fā)電機(jī)運(yùn)行多發(fā)性故障的特點(diǎn)，有關(guān)專家認(rèn)為，在大型汽輪和水輪發(fā)電機(jī)組上，可有選擇地采用不同的監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)。這些系統(tǒng)包括：定子繞組絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；發(fā)電機(jī)內(nèi)過(guò)熱監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)；定子繞組端部振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；轉(zhuǎn)子繞組匝間短路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；汽輪發(fā)電機(jī)組扭振監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)；氫冷發(fā)電機(jī)氫氣濕度及漏氫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；氣體雜質(zhì)組分監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)。 發(fā)電機(jī)故障診斷系統(tǒng)擬診斷的故障包括：定子線圈及引出線類(lèi)故障；定子引出線套管類(lèi)故障；定子絕緣類(lèi)故障；定子繞組振動(dòng)類(lèi)故障；定子鐵心類(lèi)故障；轉(zhuǎn)子繞組類(lèi)故障；轉(zhuǎn)子絕緣類(lèi)故障；轉(zhuǎn)子本體及護(hù)環(huán)類(lèi)故障；氫系統(tǒng)故障；油系統(tǒng)故障；水系統(tǒng)故障。 發(fā)電機(jī)的故障診斷系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程與狀態(tài)參數(shù)分析及檢修、試驗(yàn)的結(jié)果，無(wú)損探傷、電氣絕緣檢查結(jié)果的分析，綜合進(jìn)行故障診斷。2.2干式變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷 電力工業(yè)主要采用充油式干式變壓器，在特殊場(chǎng)合，也采用干式變壓器或六氟化硫干式變壓器。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于干式變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，多采用局部放電監(jiān)測(cè)、超聲定位技術(shù)和紅外技術(shù)。對(duì)于充油式干式變壓器，除對(duì)油中溶解氣體進(jìn)行離線、定期和有效的色譜分析外，主要研究應(yīng)用在線油中溶解氣體和微水分析技術(shù)。對(duì)于干式變壓器的高壓套管，通常采用介質(zhì)損耗因數(shù)的數(shù)字化在線測(cè)量技術(shù)。對(duì)于故障較多的有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)，采用有載故障在線診斷裝置，測(cè)量觸點(diǎn)磨損及機(jī)械和電氣回路等。除此之外油溫、線匝繞組溫度、負(fù)載電流及電壓、冷卻泵、風(fēng)扇運(yùn)行等參數(shù)也在監(jiān)測(cè)之列。 干式變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)，涉及到的主體部件為：磁路、繞組及固體絕緣、液體絕緣（氣體絕緣）和冷卻系統(tǒng)。擬診斷的故障為：過(guò)熱性故障、放電性故障、過(guò)熱兼放電故障、機(jī)械故障和進(jìn)水受潮等。 常用的局部放電監(jiān)測(cè)與診斷，多采用電脈沖信號(hào)法和超聲法。對(duì)電信號(hào)和聲信號(hào)聯(lián)合監(jiān)測(cè)取得理想的定量和定位效果，根據(jù)視在放電量、分布圖譜和放電源的定位，來(lái)判斷故障。 油中溶解氣體組分含量的分析（DGA），首先依據(jù)溶解平衡原理，采用各種不同原理的脫氣方法，如：真空、滲透膜、氣體洗脫等，將油中氣體脫出，再用分離柱進(jìn)行分離，再經(jīng)檢測(cè)器檢測(cè)（如TCD，F(xiàn)ID等），或用各種原理的傳感器對(duì)不同組分的氣體進(jìn)行檢測(cè)，較后依據(jù)國(guó)內(nèi)外通用的組分比值法或多維圖視法，結(jié)合電氣試驗(yàn)和離線定期試驗(yàn)結(jié)果，綜合分析診斷出潛伏性故障。近期還發(fā)展了復(fù)合滲透膜、電化學(xué)-燃料電池、紅外檢測(cè)等技術(shù)，進(jìn)行油中溶解氣體組分含量的分析。由于DGA分析判斷的準(zhǔn)確性已被國(guó)內(nèi)外所認(rèn)可，該技術(shù)成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外已有單組分的、總可燃?xì)怏w的、四組分、六組分、七組分的在線監(jiān)測(cè)裝置投運(yùn)。

3狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)存在的問(wèn)題 狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷技術(shù)雖然有其不可替代的優(yōu)勢(shì)，但在目前情況下，尚存在很多不足和問(wèn)題需要解決。已經(jīng)安裝投運(yùn)了狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的單位，決不可高枕無(wú)憂，不再有安全憂患意識(shí)。 由于發(fā)電機(jī)、干式變壓器有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，運(yùn)行參數(shù)間并非全部有嚴(yán)格的邏輯和定量關(guān)系，其故障現(xiàn)象、故障原理之間具有很大的不確定性，一個(gè)故障可表現(xiàn)出多種征兆，監(jiān)測(cè)到的幾個(gè)故障起因同時(shí)反映一個(gè)故障征兆，故障與征兆之間關(guān)系模糊復(fù)雜，因此完全通過(guò)建立精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)診斷是十分困難的。這種復(fù)雜的系統(tǒng)都是模糊的系統(tǒng)，而模糊系統(tǒng)的邊界、結(jié)構(gòu)等概念的外延是模糊的，內(nèi)涵是灰色的。也就是說(shuō)，此系統(tǒng)中的一些信息是確知的，另一些是非確知的，因此，需要采用將精確性向模糊性逼近的模糊集的數(shù)學(xué)方法來(lái)處理這些模糊現(xiàn)象，并注入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，才能對(duì)發(fā)電機(jī)、干式變壓器故障診斷這一復(fù)雜系統(tǒng)，找出合適的描述方法。同時(shí)還要模擬技術(shù)專家在進(jìn)行故障診斷時(shí)的經(jīng)驗(yàn)及將經(jīng)驗(yàn)、規(guī)則模型化，以計(jì)算機(jī)替代專家，并以遠(yuǎn)程通信方式進(jìn)行傳輸。除此之外，復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境也給狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)困難。到目前，狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)尚存在以下不足和問(wèn)題： a)受技術(shù)條件限制，目前發(fā)展較成熟的僅有局部放電定位儀和部分組分含量的在線色譜儀，而其他反映設(shè)備狀態(tài)的項(xiàng)目尚無(wú)成熟監(jiān)測(cè)。因此，在故障診斷中，很多需采集的信息還必須依賴于離線檢測(cè)。 b)早期故障的監(jiān)測(cè)信號(hào)極弱，設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)均有較強(qiáng)的磁場(chǎng)和電場(chǎng)干擾，信噪比很低，給狀態(tài)監(jiān)測(cè)帶來(lái)困難。 c)現(xiàn)有的一些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，只能反映設(shè)備故障的發(fā)展趨勢(shì)，很難提供設(shè)備故障的類(lèi)型及故障的危急程度。滲透膜存在滲透率衰減，軟件不能適應(yīng)個(gè)案的分析和判定，軟、硬件在不同程度上存在缺陷和不穩(wěn)定性，易引起誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)故障。 d)現(xiàn)行規(guī)程中沒(méi)有狀態(tài)監(jiān)測(cè)的技術(shù)要求和指標(biāo)，使故障診斷時(shí)缺乏科學(xué)的判據(jù)。 e)現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)、診斷系統(tǒng)尚不能完全實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，所以對(duì)突發(fā)性故障不能準(zhǔn)確、及時(shí)預(yù)報(bào)。 綜上所述，發(fā)電機(jī)、干式變壓器類(lèi)電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)，可以迅速、連續(xù)地反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)示運(yùn)行設(shè)備存在的潛伏性故障，提出處理措施，不同程度地延長(zhǎng)設(shè)備的服役期，減免不必要的維修干擾，大大降低運(yùn)行成本，易實(shí)行自動(dòng)化和科學(xué)化設(shè)備管理，是保障電力設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的有力措施，應(yīng)大力推廣。然而，該技術(shù)畢竟為新興的多學(xué)科高新技術(shù)，其發(fā)展和實(shí)施還存在許多困難，距離替代預(yù)防性定期檢修還有較長(zhǎng)歷程。所以，既要積極開(kāi)發(fā)、推廣這一技術(shù)，也要客觀對(duì)待，避免盲從，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，完善系統(tǒng)，使該技術(shù)為電力生產(chǎn)安全服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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來(lái)源：廣東電力