電氣設備狀態監測與故障診斷

原晟淇

摘 要：目前電力市場的競爭環境對電氣設備安全可靠的經濟運行提出了更高的要求。本文主要介紹當前先進的電氣設備監控技術，及其在變電站中主要設備如變壓器，電容器，斷路器，組合補償設備，避雷器中的實際應用，可以降低設備的運行和維護成本，并改善供電效果，并對提高設備可靠性和市場競爭力有一定的指導和參考意義。

1.背景

目前，國內已經投入大量的變壓器在線監測裝置。但據統計，許多已安裝的在線監控設備沒有起到作用。 許多設備自身具有較高的故障率，且其對于被測設備的故障監測準確率也很低，對變壓器的在線監測帶來了許多負面影響。 因此，提高變壓器在線監測設備的可靠性，及其故障診斷的準確性已成為變壓器在線監測系統的主要任務。

隨著電力系統向超高壓、大容量方向發展，確保電氣設備的安全運行越來越重要。停電事故對工業生產和居民生活的影響和損失也在增加。因此，需要對電氣設備的運行狀態進行實時在線監測，及時反映其絕緣劣化程度，以便采取預防措施，避免停電或事故。同時，狀態監測也是設備維護中的一項在國內外推廣和實施的關鍵支持技術。變電站是電力系統的重要組成部分，通過各類方法和設備，對變電站內外設備進行在線狀態監測，能提高設備的運行可靠性，降低設備的運維成本，對延長設備的使用壽命具有現實意義。

2.變壓器的狀態監測和故障診斷方法

隨著電力需求的快速增長和電力系統的快速發展，電力行業面臨著提高設備利用率，降低設備運行成本，提高電力系統安全穩定運行的挑戰。 這要求操作者更準確地掌握電力設備的操作。 而變壓器作為電力系統的主要運行設備，能夠正確監測其運行狀況，在早期準確診斷其潛在故障，對電力輸配電中的電能傳輸至關重要。由于變壓器的故障，油中氣體的成分與變壓器故障的類型和嚴重程度密切相關。因此，對變壓器油中的氣體變化及其發展趨勢進行監測是常用的變壓器狀態監測方法。

圖1.變壓器的狀態監控

2.1變壓器狀態監測

為了實現電氣設備的可靠維護，最基本的是實現對其的狀態監控，有必要實時，全面，真實地掌握電氣設備的運行狀態，及時獲得其運行時的各種狀態參數，以及它的變化趨勢。通過這種方式，可以對設備的潛在缺陷和故障進行準確的分析和判斷。狀態監測包括離線監測和在線監測。所謂的離線檢測是在電氣設備停電后中進行各種測試，如傳統的預防性測試。在線監測通過各種傳感器、計算機和通信技術，能夠在電氣設備通電時進行實時監控。由于離線檢測需要停電，且測試周期較長，不能實時監控電氣設備狀態參數的發展趨勢，并避免可能的故障，離線檢測不是狀態監測維護的理想選擇，因而在線監控成為首選。

2.2變壓器故障診斷

變壓器故障診斷的正確性直接決定變壓器是否需要維修。因此，研究變壓器故障診斷技術非常重要。變壓器故障診斷的主要任務是根據變壓器的內部絕緣情況，分析和確定變壓器是否有缺陷或故障。

常見的變壓器故障有許多測試診斷方法。常見方法有：直流電阻測量，油色譜分析，絕緣性能測試，局部放電測試，邊緣電阻和吸收比測量，介質損耗角正切測量，直流漏電流測量，繞組變形測試，低壓短路阻抗測試等。變壓器的故障診斷主要分為三個階段：傳感器診斷，實驗測試和智能檢測。

2.3意義

變壓器在線監測系統可以實時掌握變壓器的實際情況，使變壓器大修從“一刀切”式的定期維護變為通過預測進行維護狀態。但在實際應用中，變壓器在線監測系統仍存在許多問題。與傳統和離線維護方法相比，在線監測設備不夠成熟和完善，運行環境差，操作上有較多問題。

在此背景下，本文主要研究新的故障診斷方法，并結合已有、成熟的傳統故障診斷方法來診斷變壓器故障，提高變壓器故障診斷的準確性。對故障狀態的預測也進行了研究，提出了一些新的方法，使變壓器狀態監測更加健康，為電力系統帶來更大的社會效益和經濟效益。

3.電氣設備的紅外診斷技術

隨著現代紅外技術的不斷成熟和完善，電氣設備的紅外監測技術發展出了遠距離，非接觸，準確，實時，快速等優點。它不存在電源故障，不需采樣，不會崩潰，可以實時在線快速監控和診斷電力設備的大多數故障，因此它受到國內外電氣公司的高度重視，并得到了迅速的發展。它的漸漸成為各個工廠設備運行的基礎，成為以確保設備的正常運行的一個重要的技術手段。

3.1紅外輻射的基本定律

3.1.1黑體輻射-普朗克定律的譜分布規律

一個黑體在溫度為T（K）附近的單位波長區間內，單位表面區域向整個半球空間發射的輻射功率受波長 和 影響，其中 （T），波長 與溫度T 滿足以下關系：

式中， C1 為第一輻射常數， ， C2為第二輻射常數， 。

式 （1） 顯示了普朗克黑體輻射定律的數學關系，它給出了黑體在溫度T（K）下的光譜分布。

3.1.2黑體輻射光譜運動規律

黑體輻射光譜的運動規律。Wien一維位移定律揭示了黑體輻射光譜分布的峰值波長 與其絕對溫度T成反比。

從上式可以計算出，室溫下的黑體通常具有9.7 的輻射峰，分布在8-12 之間。

3.1.3輻射功率隨溫度的變化 - Stephen Boltzmann定律

Stephen-Boltzmann定律描述了黑體單位表面區域發射到整個半球空間的所有波長的總輻射功率隨其溫度的變化。

式中， ， 被稱為Stephen- Boltzmann常數。

Stephen-Boltzmann定律指出，溫度高于絕對零度的物體會自發地進行紅外熱輻射，并且黑體的單位表面區域發射的總輻射功率與其開爾文溫度的四次方成正比。 因此，物體的溫度稍微的變化將引起物體發射的輻射功率的大范圍變化。

4結論

變電站電氣設備的在線監測和故障診斷是變電站狀態維護的主要配套技術措施，非常重要。同時，它還需要與其它技術手段結合，實現從定期維護到在線狀態監測的完全過渡。另外，由于沒有系統的測量數據和經驗，在全國范圍內實現各變電站在線監測數據的共享，更好地促進狀態監測和故障診斷技術的發展是未來的研究方向。

在線監測和故障診斷是國內外輸配電設備維護方式的主要發展趨勢。然而，配電設備在線監測和狀態維護的研究與實踐是一項復雜的系統工程，需要在理論和技術上不斷創新。在國內外眾多學者的共同努力下，在線監測和故障診斷手段將廣泛應用于輸配電工程。

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