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電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展

　　評論：　更新日期：2008年10月29日

添加日期：2006-11-16 作者或來源：中國電力設(shè)備管理網(wǎng)

20世紀(jì)90年代以來，在發(fā)電廠中應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)以及發(fā)展新的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)已成了發(fā)電廠最重要的任務(wù)之一。兩方面原因促成了這種需要：首先，發(fā)電廠電氣設(shè)備的安全運(yùn)行非常重要，任何意外故障都可能造成重大事故，停電會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，這在當(dāng)前競爭日趨激烈的環(huán)境下尤為顯著，而設(shè)備本身是發(fā)電廠的貴重資產(chǎn)并消耗大量維護(hù)費(fèi)用。應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)可以避免意外停機(jī)，最大限度縮短停機(jī)時間，減少維護(hù)費(fèi)用，延長機(jī)器壽命，它為最優(yōu)使用機(jī)器提供了大量有價值的信息，有很大的經(jīng)濟(jì)效益。其次，計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展使得對電氣設(shè)備實施有效的狀態(tài)監(jiān)測成為可能。隨著狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在可靠性!智能化和經(jīng)濟(jì)性方面的進(jìn)一步提高，狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)將在電力系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。

然而，狀態(tài)監(jiān)測在很多方面仍處發(fā)展之中，當(dāng)前的研究工作主要集中在監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏性、可靠性和自動化方面，同時希望系統(tǒng)的成本不致太高。

一、狀態(tài)監(jiān)測的基本概念

狀態(tài)監(jiān)測可定義為一種監(jiān)測機(jī)器運(yùn)行特性的技術(shù)或過程，通過提取故障特征信號（故障先兆），被監(jiān)測特性的變化或趨勢可用于在嚴(yán)重故障發(fā)生前預(yù)知維護(hù)需要，或者評估機(jī)器的“健康”狀況。狀態(tài)監(jiān)測利用了整個設(shè)備或者設(shè)備的某些重要部件的壽命特征，開發(fā)應(yīng)用一些具有特殊用途的設(shè)備，并通過數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)分析來預(yù)測設(shè)備狀態(tài)發(fā)展的趨勢。狀態(tài)監(jiān)測是為基于狀態(tài)的維護(hù)或預(yù)知性維護(hù)服務(wù)的一種技術(shù)。在應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)以前，一直采用基于時間的維護(hù)策略?；跁r間的維護(hù)根據(jù)檢修時間表或運(yùn)行時間離線檢修設(shè)備，可以防止許多故障，然而在檢修間隔期內(nèi)仍會發(fā)生意外故障。由于沒有設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的任何信息，維護(hù)活動的安排具有盲目性，浪費(fèi)了大量人力、時間和金錢。

要構(gòu)成一個狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，必須首先考慮監(jiān)測及診斷對象的故障機(jī)理，這有賴于監(jiān)測對象物理模型的建立。例如，大型發(fā)電機(jī)的定子溫度監(jiān)測、振動監(jiān)測，首先要考慮物理模型，由模型分析確定出合適的特征量，為故障檢測和診斷提供基礎(chǔ)。狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)借助于電氣接口，監(jiān)控運(yùn)行中的設(shè)備，在故障發(fā)生前預(yù)知維護(hù)需要，判定并詳細(xì)定位故障，甚至估計設(shè)備壽命。

二、主要電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測

（一）電力變壓器的狀態(tài)監(jiān)測

確保變壓器正常運(yùn)行的主要部件包括：繞組、鐵心、絕緣油、冷卻器及有載調(diào)節(jié)器（OLTC）。故障統(tǒng)計表明，OLTC故障和繞組故障最常見。因此，監(jiān)控的關(guān)鍵參數(shù)包括OLTC故障、油/紙絕緣（包括繞組和變壓器）的老化、負(fù)載和運(yùn)行狀態(tài)。

OLTC故障主要由機(jī)械故障（軸承、轉(zhuǎn)軸和驅(qū)動機(jī)構(gòu)）引起，然后是電氣故障，比如觸點(diǎn)燒損、轉(zhuǎn)換電阻燃燒和絕緣問題。OLTC的振動監(jiān)測是有效的在線監(jiān)測方法，并且成本適中。

繞組絕緣和主絕緣是影響變壓器壽命的最大的問題之一，可通過溫度、油中氣體分析（DGA），局部放電（PD）和濕度分析來監(jiān)測。

負(fù)載和運(yùn)行狀態(tài)的基本信息可通過電壓、電流互感器監(jiān)測。振動監(jiān)測是檢測OLTC故障的最佳方法通過加速度計獲取變壓器鐵心和繞組的振動數(shù)據(jù)，并同電流和熱數(shù)據(jù)一起用于在線確定變壓器的運(yùn)行狀態(tài)。
（二）發(fā)電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測

（1）定子繞組故障：包括絕緣故障、繞組導(dǎo)體故障和繞組端部故障。由于大多數(shù)定子繞組故障是電氣絕緣逐漸劣化的結(jié)果，絕緣故障便成了主要關(guān)注對象。定子繞組絕緣故障的主要早期特征便是機(jī)器內(nèi)局部放電行為的增加，因此，對局部放電的監(jiān)測成為實施定子繞組狀態(tài)監(jiān)測的主要工具。

（2）轉(zhuǎn)子體故障：它主要由巨大的轉(zhuǎn)子離心力、大的負(fù)序暫態(tài)電流和轉(zhuǎn)子不同心引起。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時由于自身重力的作用，轉(zhuǎn)子材料表面的裂縫將擴(kuò)散，這將引起災(zāi)難性的轉(zhuǎn)子故障。在負(fù)序電流作用下，轉(zhuǎn)子渦流損耗會造成過熱并導(dǎo)致疲勞裂紋的出現(xiàn)。如果發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)之間滿足諧振條件，突然的暫態(tài)過程可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子扭振，從而引起轉(zhuǎn)子故障。轉(zhuǎn)子不同心會引起振動，并出現(xiàn)不平衡的磁拉力。對轉(zhuǎn)子體故障的早期檢測可通過振動監(jiān)測和氣隙磁密監(jiān)測來實現(xiàn)。

（3）轉(zhuǎn)子繞組故障：主要是匝間短路故障。匝間短路可能由于發(fā)電機(jī)在低速啟動或停車時，槽中導(dǎo)體表面的污物引起了電弧，或者是巨大的離心力和高溫影響了繞組和繞組絕緣。匝間短路故障可引起局部過熱甚至導(dǎo)致轉(zhuǎn)子接地。通用的監(jiān)測方法是采用氣隙磁密監(jiān)測，通過探測氣隙磁密，可以確定匝間短路的數(shù)量和位置。

（4）定子鐵心故障：主要是鐵心深處的過熱問題。熱監(jiān)測技術(shù)（包括熱成像技術(shù)、熱模型等）已被用于變壓器和電動機(jī)定子繞組的監(jiān)測中，但很少有用于定子鐵心監(jiān)測的報道。

（三）感應(yīng)電動機(jī)狀態(tài)監(jiān)測

（1）定子故障：感應(yīng)電動機(jī)定子故障主要是由于絕緣破壞引起繞組匝間短路造成的。當(dāng)前，定子電流信號分析是確定定子繞組故障的常用工具，具有成本低、易操作和功能多的優(yōu)點(diǎn)。感應(yīng)電動機(jī)的定子繞組匝間故障將引起氣隙磁密畸變，從而在定子電流中產(chǎn)生諧波，因此定子電流可用于故障的檢測。由于電動機(jī)和發(fā)電機(jī)在定子繞組上的相似性，用于發(fā)電機(jī)的PD在線監(jiān)測也可用于電動機(jī)中，它比電流監(jiān)測能更早地檢測到繞組故障。

（2）轉(zhuǎn)子故障：感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子故障主要有轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂，這將引起轉(zhuǎn)矩跳動，轉(zhuǎn)速波動，轉(zhuǎn)子振動以及過熱等。最常見的檢測方法是上面提到的定子電流監(jiān)測。另外可采用振動和氣隙監(jiān)測方法。

（3）軸承故障：電動機(jī)可靠性研究表明，軸承故障占所有機(jī)器故障的40%以上。潛在的軸承故障通常采用振動和定子電流監(jiān)測的辦法來檢測，而定子電流監(jiān)測具有非侵入式的優(yōu)點(diǎn)（不需在電機(jī)內(nèi)裝設(shè)傳感器）。

（4）氣隙不均勻：氣隙不均勻必須控制在一個可接受的水平上，例如10%。有兩種類型的氣隙不均：動態(tài)和靜態(tài)。對靜態(tài)不均，最小的氣隙位置在空間上是固定的；而對于動態(tài)氣隙不均，轉(zhuǎn)子的中心和旋轉(zhuǎn)中心不一致，因此最小氣隙位置是旋轉(zhuǎn)的。氣隙不均可通過定子鐵心振動監(jiān)測和定子電流監(jiān)測來檢測。

（四）高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測

1．故障及監(jiān)測內(nèi)容

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的開關(guān)設(shè)備，開關(guān)狀態(tài)的好壞直接影響著電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。高壓斷路器的故障包括機(jī)械故障和電氣故障兩大類，調(diào)查表明，80%的高壓斷路器故障是由于機(jī)械特性不良造成的，因此對機(jī)械特性的監(jiān)測尤為重要。目前高壓斷路器的監(jiān)測主要分為兩大類：機(jī)械壽命在線監(jiān)測和觸頭電壽命監(jiān)測，監(jiān)測的內(nèi)容包括泄漏電流監(jiān)測、氣體密度監(jiān)測、開斷次數(shù)監(jiān)測、累積開斷電流監(jiān)測、振動波型監(jiān)測、斷路器紅外成像監(jiān)測、分合閘線圈電流波型監(jiān)測等。

2．常用監(jiān)測技術(shù)

（1）斷路器機(jī)械性能監(jiān)測及最新進(jìn)展斷路器機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測主要有行程和速度的監(jiān)測，操作過程中振動信號的監(jiān)測等。機(jī)械性能穩(wěn)定的斷路器，其分、合閘振動波形的各峰值大小和各峰值間的時間差是相對穩(wěn)定的。將振動信號監(jiān)測的波形與該斷路器的特征波形/指紋0比較，即可判別斷路器機(jī)械特性是否正常。文獻(xiàn)根據(jù)徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)理論，將健康振動信號和斷路器實際振動信號波峰值之差形成的殘差以及沖擊事件發(fā)生的時間作為斷路器故障診斷的特征參數(shù)，以此判斷是否故障及故障類型。除通用的振動監(jiān)測法外，還有一種評估斷路器狀態(tài)的方法，即跳閘線圈輪廓法（TCP法），它通過考察斷路器動作時，流過跳閘/閉合線圈里的電流波形來獲得斷路器的狀態(tài)信息。

（2）斷路器觸頭電壽命監(jiān)測影響真空斷路器和某些SF6斷路器觸頭壽命的因素，包括滅弧室、滅弧介質(zhì)和觸頭三個方面，其中起決定作用的通常是觸頭的電磨損。目前對觸頭電磨損的監(jiān)測普遍采用基于斷路器的電壽命曲線（N2Ib）的開斷電流加權(quán)累積法。由于該方法沒有考慮斷路器運(yùn)行時三相之間的差別和燃弧時間的因素，誤差會較大。