電氣設備狀態監測與故障診斷技術淺析

安博　肖輝　張皓

當今社會正處于科技高速發展的時代，隨著人們日常生活和社會需求的不斷提高，高層樓宇不斷增加以及工業廠房不斷擴大等，越來越多的電氣設備應用到生產和生活中。與此同時，規模不斷擴大的電氣系統，其功能也在日益完善，復雜程度也越來越高。電氣結構的日益大規模化以及其各子系統之前的錯綜復雜，使得電氣設備出現故障的幾率成倍增長。而電力系統的基本元件就是電氣設備，其一旦失效將造成巨大的經濟損失和社會影響。提高設備的可靠性，除應提高設備質量，還必須對設備進行必要的檢查和維修。

早期實行的是事后維修，即設備故障后再維修，但是隨著電力系統的不斷擴大，設備故障所造成的停電損失也越來越大，事后維修無法滿足系統對運行穩定性的需求。其后，發展成定期試驗和維修，即計劃維修。這種維修方式已在電力部門形成規范的體系和制度，產生了良好的效果。其不足之處在于：①需停電；②預防性試驗項目過多；③經濟性差；④增大了不安全因素；⑤設備狀態和運行中不符；⑥維修不足，設備可能在試驗間隔期間發生故障；⑦維修過度，即使設備良好，仍需試驗和維修，由此造成浪費甚至損壞設備。

為了改善上述情況，發展一種以全面清晰地把握設備運行狀態、發現設備潛伏故障為目的的電氣設備狀態監測與故障診斷技術就成為電力工業的一個迫切的需要。

一、狀態監測與故障診斷技術概述

電氣設備的狀態監測與故障診斷技術可概括為以下三部分：第一，狀態監測。在電氣設備的正常運行過程中，通過傳感器等設備監測、變換以及記錄特定的特征信號，并進行分析處理，同時做好分析結果的記錄，進而為設備故障診斷提供基礎數據；第二，分析診斷。通過信號分析處理，提取出最有效、最直接以及最敏感的特征信息，為故障診斷提供依據；信號分析處理結束之后，就需要進行故障診斷，主要目的在于診斷設備的故障問題、程度、發生的原因以及具體的部位等，同時還要起到預測設備的性能以及故障的發展趨勢的重要作用。第三，預防和處置措施。通過以上兩個環節的分析，查明故障所在以及原因之后，就需要針對具體的故障類型以及原因，采取對應的措施進行處置，并對故障的發展趨勢進行合理有效的預防，進而降低故障的發生率，最終確保設備的安全正常運行。

二、狀態監測與故障診斷技術的具體實施

（一）變壓器的狀態監測與故障診斷技術

目前，電力行業主要采用充油式變壓器，在特殊場合也會采用于式變壓器或六氟化硫變壓器。國內外對于變壓器的狀態監測，現多采用局部放電監測、超聲定位技術、紅外技術等，對于充油式變壓器，除離線、定期有效的色譜分析油中溶解氣體外，主要研究在線油中溶解氣體和微水分析技術。對于變壓器的高壓套管，則通常采用介質損耗因數的數字化在線測量技術，對于故障較多的有載調壓開關，多采用有載故障診斷在線裝置，測量觸點磨損及機械和電氣回路等。除此之外，油溫、線匝繞組溫度、負載電流及電壓、冷卻泵、風扇運行等參數也在監測之列。變壓器狀態監測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等。擬診斷的故障為：過熱性故障、放電性故障、過熱兼放電故障、機械故障和進水受潮等。常用的局部放電監測與診斷，多采用電脈沖信號法和超聲法。油中溶解氣體組分含量的分析（DGA），首先依據溶解平衡原理，采用各種不同原理脫氣方法，如：真空、滲透膜、氣體洗脫等，將油中氣體脫出，再用分離柱進行分離，再經檢測器檢測（如TCD、FID等），或用不同原理的傳感器對不同組分氣體進行檢測，最后依據國內外通用的組分比值法或多維圖視法，結合電氣試驗和離線定期試驗結果，綜合分析診斷出潛伏性故障。

（二）紅外診斷技術

電氣設備的紅外診斷技術是一種新興技術。它是利用帶電設備的致熱效應，采用專用設備獲取從設備表面發出的紅外輻射信息，進而判斷設備狀況和缺陷性質的一門綜合技術。紅外檢測技術集光電成像技術、計算機技術、圖像處理技術于一體，通過接收物體發出的紅外線（紅外輻射），將其熱像顯示在熒光屏上，從而準確判斷物體表面的溫度分布情況。紅外診斷技術對電氣設備的早期故障缺陷及絕緣性能可作出可靠的預測，使傳統電氣設備的預防性試驗維修提高到預知狀態檢修，這也是現代電力企業發展的方向。利用紅外狀態監測和診斷技術既具有遠距離、不接觸、不取樣、不解體的優勢，又具有準確、快速、直觀和實時等特點，對提高電氣設備的可靠性與有效性，提高運行經濟效益，降低維修成本都有很重要的意義，是目前在預知檢修領域中普遍推廣的一種很好的手段，可使維修水平和設備的健康水平上一個臺階。

三、發展現狀和存在的問題

近十幾年間，在電氣設備狀態監測與故障診斷領域中，圍繞著信息的獲取和信息的分析利用兩個核心問題，國內外均進行了大量的研究，但是，從總體上看，對信息的獲取和利用目前仍然停留在比較低的層次上。這主要表現在：①信息來源渠道少，普遍的是局限于單個傳感器監測，即對一種設備或一類故障，選擇一種對故障反映比較靈敏的狀態量進行監測；②對同一類設備，即使針對不同類型的故障選定了多個狀態變量作為監測對象，從信息來源的渠道看是豐富了，但由于各監測狀態量之間缺乏有機聯系，信息有序度低，不能實現融合處理和綜合分析，影響了對信息的分析和利用。③由于單個信息的抗干擾能力弱，容易受噪聲干擾，傳輸過程中容易產生失真，也成為影響其現場使用效果的主要制約因素。④單傳感器監測完全沒有容錯和糾錯能力，一旦傳感器出現故障，整個監測系統就失去作用。這些客觀上都影響了電氣設備狀態監測與故障診斷技術的發展與推廣應用。但是，隨著科學技術的不斷發展和研究的不斷深入，能夠解決上述問題的多傳感器技術、信息融合處理技術、人工智能技術等已取得很大的進展，相信在不久的將來，上述問題一定能夠得到妥善的解決。

四、結語

隨著人們對電氣設備的使用要求逐年增高，電氣設備的可靠性與安全性愈發被重視。要想實現電氣設備的信息化、自動化和智能化，提高電氣設備的安全性和可靠性，電氣在線監測與設備故障診斷技術必不可少。