淺談“電力設備在線監測、故障診斷、狀態檢修及壽命評估”

孫立浩

（國網山東省電力公司 煙臺供電公司，山東 煙臺 264001）

0 引言

在線檢測的推廣和應用有利于從定期維修制過渡到更合理的狀態維修制。運用狀態監測及故障診斷技術，可以更方便、更快捷、更有效地把握設備運行狀況，提高設備維修水平。電力設備狀態檢修技術的應用必須以對設備的全面監測為基礎。但目前有關電力設備運行狀態在線監測系統仍然存在監測點少、功能單一、缺乏系統性和綜合性，尤其缺乏監測的層次化和網絡化等問題，妨礙了設備狀態信息的集中和綜合；另外，變壓器、發電機、電動機等大型電力設備經數萬小時的運行，老化問題日益突出，延長壽命使用依據不足，風險性很大，設備壽命管理與預測也需要解決一些諸如設備壽命計算中復雜邊界條件的提出、材料在不同溫度和應力條件下的壽命損耗特性以及剩余壽命評價等問題。

1 電力設備在線監測

1.1 開展電力設備在線檢測及故障診斷技術應用的必要性

采用在線檢測的方法可以根據設備絕緣狀況的好壞來選擇不同的試驗周期，使試驗的有效程度明顯提高。在線檢測可以積累大量的數據，將被試驗設備的當前試驗數據（包括停電及帶點檢測）和以往的監測數據相結合，用各種數值分析方法進行及時、全面地綜合分析判斷，就可以發現和捕捉早期缺陷、確保安全運行，從而減小由于預防性試驗間隔長所帶來誤差。

在線檢測的推廣和應用有利于從定期維修制過渡到更合理的狀態維修制。按事先制訂的檢修周期進行停機檢修，雖對設備可靠性起了一定作用，但由于未考慮設備的具體狀況，且制定的周期往往比較保守，以至于出現過多的不必要的停機及維修，甚至因拆卸、組裝過多而出現過早損壞。我國目前執行的大多是定期維修制，沒有考慮設備實際狀態如何，以致超量維修，造成了人力物力的大量浪費。狀態維修的基礎就在于絕緣監測及診斷技術，既要通過各種檢測手段來正確診斷被試驗設備的目前狀況，又要根據其本身特點及變化趨勢等來確定能否繼續運行或停電檢修。

目前，設備狀態監測和故障診斷技術作為現代化設備管理的重要組成部分，是設備管理與維修管理必不可少的手段。尤其是在市場競爭日益激烈的今天，設備維修成本的控制和降低是企業最可挖掘的潛力之一。因此，應用在線檢測與診斷技術，使預知維修取代傳統而落后的事后維修和定期預防維修是歷史的必然。

1.2 電力設備在線檢測與診斷技術的應用

電力設備在線檢測技術是一種利用運行電壓設備的狀況進行試驗的方法，它可以大大提高試驗的真實性與靈敏度，及時發現絕緣缺陷。通常，一種電力設備的在線檢測儀器和系統，由傳感器系統、信號采集系統、分析診斷系統組成。傳感器系統用于感知所需要的電氣參量或非電器參量，目前常用的傳感器有電磁傳感器、力學量傳感器、聲參數傳感器、熱參數傳感器、化學量傳感器等；信號采集系統是將傳感器得到的模擬量轉化為數字量進行傳輸，應用數字濾波技術對采集到的信號進行濾波處理，抑制和消除外界干擾和背景噪聲，提取真實信號，并進行信號的還原，光電轉換和光纖傳輸的引入有效地解決了高壓隔離的問題；分析診斷系統利用小波分析技術、神經網絡技術、模糊診斷技術、專家分析技術等方法對所采集的信號進行分析、處理診斷，得到所測電力設備絕緣的當前狀況，并根據需要進行絕緣診斷和壽命評估。

電力設備的狀態監測按其檢測的作用可分為保護性監測和維護性監測兩類。保護性監測也就是故障監測，通常對常規運行參數（如電流、電壓、功率、溫度、流量、壓力等）的檢測，提供電力設備的正常運行工況。同時，還在故障敏感的部件設置一些專用監測器，通過對反應異常現象的特征量的檢測，幫助運行人員及時了解這些部件的狀態，在故障發生之前發出報警，以便采取必要的措施，避免嚴重事故的發生。維護性監測是通過再現檢測、離線檢查和試驗，發現缺陷、監視缺陷的發展趨勢并預測發展的后果，以指導制定維修策略。維護性監測需要在運行和停機時完成一系列的周期性或連續性試驗，當發現有異常現象時，進行原因分析和適當維護，以消除異常現象的根源。

2 電力設備故障診斷

2.1 電力設備狀態量及監測

2.1.1 設備狀態量

設備狀態量：是設備運行中出現的各種正常或異常特征信號量的總稱。

設備狀態量大致可以劃分為運行狀態量和生產過程狀態量兩類。

設備運行狀態量信號大體有三種：

1）機械量信號：振動、聲音、軸承——與生產功能無直接關系；

汽壓、汽溫、轉速——與生產功能直接有關系。

2）電磁信號：電壓、電流、頻率、局部放電電荷、磁力線密度等。

3）化學信號：絕緣油含烴量、潤滑油酸價等。

生產過程狀態量指與生產過程參數常呈固定的比例關系的參量。當這種比例關系失常，就可表征設備內部有缺陷。

2.1.2 狀態量監測

在運行中對設備的某些狀態量進行定期地或連續地測量，并以測出的量值作為設備評價的依據。

通常監測的狀態量參數有兩種：

1）監測輸入量

廣義的輸入量泛指作用于設備、推動設備運行或是導致設備劣化的各種輸入量。

2）監測運行狀態量

機器設備發出運行狀態量信號的方式兩種：

（1）主動發出信號的設備：主要是具有轉動部件的設備，在運行中常會發出振動、熱量或聲音、光等信號，統稱為一次信號。

（2）被動發信號的設備：靜止的或沒有運動部件的設備，在運行使用中不能主動發出信號，或是在設備運行中發出的信號不易采集而必須在停止狀態下采集信號的設備。為查明設備的健康狀態，必須采取預加一定量的輸入，迫使設備發出信號(即二次信號)，借以診斷設備的內部狀態。

2.2 診斷技術的主要內容

設備診斷的四大步驟：

1）信號檢測（狀態量監測）：是設備診斷的基礎，也是設備診斷技術中“診”的活動。

2）特征提取（信號處理）：把采集到的信號（設備運行中經常發出的聲音、振動、溫度等多種信號）加工處理，使之成為有用的信息。

3）狀態識別（識別和判斷）：識別和判斷出設備故障和異常的部位、原因和程度。

4）預報決策（預測和對策）：就是預測設備故障或異常可能發展的速度和后果，提出臨時處理的意見和根本治理的建議。

2.3 設備診斷技術基礎[1]

2.3.1 檢測技術

根據不同的診斷目的，選用適用的檢查測量技術手段，選擇最便于診斷的狀態信號。

2.3.2 信號處理技術

是從伴有環境噪聲和其他干擾的綜合信號中，把能反映設備狀態的特征信號提取出來的一項基本技術。

2.3.3 識別技術

是把經過處理的狀態信號對其特征進行識別和判斷，對其是否存在故障、故障部位、原因、嚴重程度予以確定的一項基本技術。

識別技術種類：

設備診斷常用的識別方法有兩種：

（1）決定論的識別方法。根據被診斷設備的物理、結構特征和故障機理，從理論和試驗上尋求故障和征兆之間的關系，進而判別故障類別、地點、原因。這是現今診斷技術的中心，電力設備和系統也都采用此方法。

（2）統計論的識別方法。這是從設備的數理統計方法得出的數學方面特征，并予以故障分類的方法。如均值、方差、協方差函數及線性預測模型參數等。

2.3.4 預測技術

它是對尚未發生的或目前還不明確的事物進行預先估計推測，以此判斷故障的趨勢，以及何時將進入危險范圍的一項基本技術。決定論預測技術可以正確地測定現狀的劣化水平和設備的附加應力，并將其輸入到各種理論模型中，根據計算，預測壽命和可靠性。而概率論預測技術是時間系列的預測問題，由過去的征兆X、故障數據f、按信息理論方法預測未來。

3 狀態檢修

3.1 狀態檢修的含義

狀態檢修是企業以安全、環境、效益等為基礎，通過設備的狀態評價、風險分析、檢修決策等手段開展設備檢修工作，達到設備運行可靠、檢修成本合理的一種設備檢修策略。

3.2 狀態檢修的可行性[2]

3.2.1 多年來，國產電氣設備積累了大量的運行經驗，其運行和維護技術日臻完善，這為實施狀態檢修工作奠定了技術基礎。同時，國產設備的質量有了很大提高，為狀態檢修提供了一定的物質基礎。

3.2.2 新型設備投入運行及新技術的應用，監測手段的不斷提高，使設備的安全運行有了很好的基礎。如紅外線成像技術在電力生產中的應用，大型變壓器油色譜分析在線系統的研制成功，變壓器繞組變形探測技術的發展，電容型帶電設備集中在線測試技術的投入使用等，使正確診斷設備狀態有了可能。

3.2.3 隨著傳感技術、微電子、計算機軟、硬件和數字信號處理技術、人工神經網絡、專家系統、模糊集理論等綜合智能系統在狀態監測及故障診斷中應用，使基于設備狀態監測和先進診斷技術的狀態檢修研究得到發展，成為電力系統中的一個重要研究領域。

3.3 狀態檢修工作的環節

狀態檢修工作的基本流程包括設備信息收集、設備狀態評價、風險評估、檢修策略、檢修計劃、檢修實施及績效評價等七個環節。

3.4 電力設備的狀態檢修的作用[3]

3.4.1 提高電力設備的質量和運行維護水平。我們以在以后的工作中，對新增設備或技術改造從選型、監造、安裝、調試方面把好質量關，不能依賴預防性試驗來發現隱患或事故暴露缺陷。同時抓好運行維護工作，通過常規巡檢或離線探察掌握設備的狀態，以減少整體的試驗項目和試驗周期。

3.4.2 提高常規測試技術水平。電氣預防性試驗、油化驗、油色譜分析等是常規性測試手段，是目前掌握設備狀態的主要方法。對于初始狀態良好的運行穩定的設備，可適當延長常規測試周期；對于狀態異常設備，適當延長常規測試周期；對于狀態異常設備，適當提高常規測試頻度；對于有明顯缺陷的設備，要跟蹤進行測試，避免在測試工作中的盲目性。通過歷次試驗檢修情況進行綜合分析，根據設備運行的可靠性和安全狀況對預防性試驗和檢修的項目和周期進行調整。

3.4.3 推廣使用先進的測量儀器和試驗設備，改進試驗方法。近幾年來，許多測量儀器和試驗設備逐步走向數字化、微機化、自動化，提高了測量精度和工作效率。

3.4.4 采用信息管理的決策技術。近30年來，管理決策作為一門獨立學科，有了很大發展。狀態檢修作為一種先進的檢修體制，是與多方面的管理工作分不開的。

4 電力設備壽命評估

變壓器、發電機、電動機的壽命評估：

4.1 變壓器的壽命評估

通常有兩種方法用于粗略估計變壓器的壽命：第一種，是統計法，它對運行中的變壓器進行統計，然后評估壽命，這種方法成本低，但對新開發的變壓器很難在出廠前獲得壽命數據；第二種，是整機加速壽命試驗法，該法用變壓器試品或模擬試品進行加速壽命試驗來評估壽命，這種方法成本高，難以描述元器件損壞的內在機理。

針對這兩種方法存在的缺陷，還有一種新的方法來評估變壓器的壽命[4]，該方法是基于變壓器絕緣紙聚合度的測定，從而依據絕緣紙聚合度計算出變壓器壽命，該方法可以為制造廠在出廠前向用戶提供變壓器的預期壽命，還可以估計運行中的變壓器殘余壽命。

人們通常認為變壓器的壽命，即油紙絕緣的壽命是由絕緣紙（板）纖維素的熱老化決定的。這里有兩種方法可以判斷絕緣壽命[5]：一是，測定老化絕緣紙的抗拉強度，并將其強度損失50%作為材料的壽命終點。二是，測定紙纖維素分子聚合度（DP）值。當聚合度下降到DP=200時，認為材料壽命達到終點。此外，還可以用人工神經網絡來判斷變壓器絕緣老化程度和評估剩余壽命[6]。人工神經網絡實質是模擬人腦信息處理的功能，能映射高度非線性的輸入、輸出關系。

人們在研究油的含烴量、紙樣的DP值與變壓器壽命的內在聯系，以期找出絕緣材料的固有壽命及其殘余壽命的最有效辦法。

4.2 發電機的壽命評估

目前確定電機絕緣系統剩余壽命有兩種方法：一是，監視導致劣化的應力，該方法不是定量地確定剩余壽命，由此確定的剩余壽命是很保守的，有些縮短絕緣壽命的應力不是很容易監測。二是，通過監測和試驗，觀察各種征兆，然后根據經驗判斷剩余壽命。但是該方法要求有豐富的經驗和多次停機檢修，針對這一問題，可以用馬爾可夫模型就可以用離散型變量法和連續型變量法較快的計算出電機的剩余壽命[7]。高壓成型線圈及低壓嵌套線圈的絕緣結構耐熱等級評定符合老化壽命公式：（式中L為絕緣壽命，T為絕對溫度，A、B為待定常數），這里絕緣材料的老化速率B可以用逸氣分析-氣相色譜技術(EGA-GC)求得[8]，由此就可以求出大電機的絕緣壽命。

對于大電機定子繞組絕緣剩余壽命的估計，可以定期對介電測量結果（介電損耗因素）進行數學處理[9]。在不同溫度下得到的介電測量結果要變換到參數溫度上來。可能的擊穿電壓在原理上等于一個電壓值，在這個電壓下介電性能與電壓的變化函數符合通常的界限點。這種現象可以根據二次多項式函數通過最小二乘法來分析模擬。最后維持壽命的時間用決定于測量次數的某些置信度來確定。

4.3 電動機壽命評估簡介

其中μ為對數均值，σ為對數標準差。用該正態分布公式評估電動機的壽命很難實施，可對F級絕緣的電動機在加大應力的作用下進行加速試驗[10]，結果很好地評估出了電動機的平均壽命。提高電動機的絕緣電阻最低要求值對于延長電動機繞組絕緣壽命具有一定的意義。為了對一臺新購置的F級絕緣隔爆型電動機的絕緣壽命進行評估，可以用KRS法進行了評估[11]，

5 結論

運用狀態監測及故障診斷技術，可以更方便、有效地提高設備維修水平。設備故障診斷技術是一門新興綜合性學科，還需要在實踐中進一步探討與提高。電力設備狀態檢修技術的應用必須以對設備的全面監測為基礎。但目前有關電力設備運行狀態在線監測系統中存在缺乏監測的層次化和網絡化等問題，妨礙了設備狀態信息的集中和綜合；另外，設備壽命管理與預測也需要解決一些諸如設備壽命計算中復雜邊界條件的提出、材料在不同溫度和應力條件下的壽命損耗特性以及剩余壽命評價等問題。如何建立準確的設備可靠性模型，以期實現設備狀態的在線監測，從而開發出可較好應用于設備故障診斷的專家系統，仍然有許多問題需要解決。變壓器、電動機、發電機等電力設備，由于長期處于高強度負荷的運行，材料絕緣老化等將使其壽命難以精確估計，因此，應充分采用各種新技術，新理論對其壽命進行準確的評估。此外，電力設備的壽命也不只是一項純技術工作，而是一件在經濟分析指導下具有企業規模的有序和整體的活動，是一種企業行為。它不但要引起中國技術人員的重視，而且更應該引起中國企業領導的重視。

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