电气设备故障诊断技术

第一章绪论为什么需要故障诊断技术？全球截止到2030年仍将有1/5的人口，根本得不到电力供应。美国在未来20年中需要建设1300个发电厂（平均每年65个）才能保证充足的发电能力。否则，加州停电问题就肯定会在全国范围内出现。能源短缺将对美国所有的地区造成影响。发展中国家和不发达国家严重的能源短缺和电力工业的落后状态，已成为影响其经济发展的瓶颈。我国的发电一次能源主要分布西部地区，而电力消费主要集中在中、东部和南部地区。西电东送、南北互供，发展全国联网是解决我国能源分布与电力消费矛盾的重要措施。并将形成北、中、南三个输电通道。中国电力工业分为7个跨省(区)电力集团:东北、华北、华东、华中、西北、南方和川渝，5个独立省级电网:山东、福建、新疆、海南、西藏(未包括台湾和港澳地区)。电力系统是世界上最大的“瞬间动态平衡系统”。发电和用电是同时发生的，基本没有存储环节。电力系统的所有问题都是围绕这个特点展开的。电力系统的稳定性问题发电、输电和用电过程构成了不可分割的整体，任何环节发生故障都有可能引起链式反应，导致整个系统的崩溃。1981～1990年间，我国主要电网有近1/3的电网事故的直接起因是设备故障损坏所造成的，而在“八五”期间，由设备故障直接引发的电网事故占事故总量的26.3%，可见提高设备的运行可靠性是保证电力系统安全运行的关键。现代电力设备的可靠性在很大程度上取决于其绝缘的可靠性。安全第一“不求有功，但求无过”是电力运行单位的宗旨。但要实现这一消极的目的，需要非常积极的态度。现行维修体制—定期维修:预防性试验是电力设备运行和维护工作中的一个重要环节，是保证电力系统安全运行的有效手段之一。在我国已有40年的使用经验。预防性试验、大修和小修构成了定期维修制的基本内容。定期维修制的种种弊端:1.维修周期频繁2.预防性试验项目过多3.经济性差4.增大不安全因素5.过度维修6.维修不足7.预防性试验条件与实际运行工况不同。第一节故障诊断技术的产生及其作用作用：它能实现设备在带负载、不停机的情况下，通过使用先进的技术手段，对设备状态参数进行监测和分析，判断设备是否存在异常或故障、故障的部位和原因以及故障的恶劣趋势等，以确定合理的检修时间和方案。一、产生与发展背景二十世纪60年代首先在美国出现，其最初的目的是用于航天、核能、军事装备等进行早期异常检测。随着计算机和电子技术等的发展，生产设备不断向着大型化、高速化、连续化和自动化方向发展，因而设备复杂性加剧，成本昂贵，出现事故损失大，影响大。即使正常维修，维修量和费用也很大。二、设备维修方式的变革1.事后维修：等到设备无法正常工作时再进行维修。2.预防维修：预先制定计划，定期进行检修和更换。3.状态维修：根据设备状态来确定维修工作的内容和时间、制定维修方案。三、延长了设备服役寿命•1.初期阶段：故障率较高。原因：1、必然会暴露出制造、安装和调试中的遗留问题；2、相关人员对设备的操作和维护还需要有一个适应和熟悉的过程。•2稳定期：初期遗留问题得到解决，故障率很低，一般是突发性故障。•3.劣化期：设备逐渐老化，故障率开始上升。第二节故障诊断技术在国内外的发展简况随着计算机和电子技术等的发展，生产设备不断向着大型化、高速化、连续化和自动化方向发展，因而设备复杂性加剧，成本昂贵，出现事故损失大，影响大。即使正常维修，维修量和费用也很大。生产设备的这些特点和要求有力的促进了故障诊断技术的发展。一、国外发展概况1967年由美国宇航局创导，成立了美国机械故障预防小组；随后英国及欧洲其他国家也相继开展了此项工作；亚洲的日本也积极开展故障诊断方面的研究工作，许多技术得到了成功的应用。二、国内发展概况我国的故障诊断技术研究始于二十世纪70年代末，在政府的大力支持下，我国的故障诊断技术经过20多年的发展，故障诊断技术也趋于成熟。第三节故障诊断技术的构成与发展趋势一、故障诊断技术的构成它以可靠性理论、信息论、控制理论和系统论为理论为基础，以现代测试仪器和计算机为技术手段，结合各种诊断对象的特殊规律而逐步形成为一门新兴学科三部分组成（1）故障诊断机理的研究：即故障诊断物理、化学过程的研究。（2）故障诊断信息学的研究：主要研究故障信号的采集、选择、处理和分析过程。（3）诊断逻辑和数学原理方面的研究：主要是通过逻辑方法、模型方法、推论方法及人工智能方法等。四项技术（1）检测技术：准确采集反映设备状态的信号和参数。（2）信号处理技术：将现场采集到的各种信号，进过各种变换，把反映设备状态的真正信息提取出来。（3）识别技术：根据掌握的故障征兆和状态参数，判断各种并找出原因。（4）预测技术：对以识别出来的故障进行预测，预测故障的发展趋势和设备的剩余寿命。二、故障诊断与状态监测的关系根据故障诊断的功能和作用，要实现有效而灵敏的故障诊断，就必须对反应设备或系统工作状态的信息进行全面监测和分析，实时掌握设备的基本工作状态，即进行工况监测，实际上就是状态监测。状态监测和故障诊断构成了设备诊断的两个阶段，状态监测是故障诊断的基础，故障诊断是状态监测的深化和提升，二者紧密相连。三、故障诊断技术的发展趋势实现故障诊断：以故障信息源和所采用的诊断方法为前提。故障诊断技术的发展，呈现出一种与当代前沿科学相融合的发展趋势。例如：与人工智能、数学、信息融合技术相结合。一、电气设备什么是电气设备？主要指电力系统中承担发电、变电、输电及用电作用的高压设备，如发电机、变压器、断路器、电压互感器、电容器、高压管套、避雷器以及各种发电机。电气设备一般由电路、磁路、绝缘、机械、通风和散热等多个部分组成。第四节电气设备故障诊断技术二、故障诊断系统与继电保护的区别电气设备的状态可以简单分为以下情况：（1）正常：设备具备其应有的功能，没有缺陷或缺陷不明显，缺陷严重程度仍处于容限范围内。（2）异常：缺陷有了进一步的发展，设备状态发生变化，性能恶化，但仍能维持工作。（3）故障：缺陷发展到使设备性能和功能都有所丧失的程度。（4）事故：功能完全丧失，无法进行工作的状态。三、电气设备故障诊断技术的发展趋势随着这项技术的不断实施、推广以及逐步成熟和完善，故障诊断技术将成为电力系统综合自动化的一个重要组成部分。2.1.9气体中沿固体绝缘表面的放电2.1.9.1界面电场分布的典型情况2.1.9.2均匀电场中的沿面放电2.1.9.3极不均匀电场中的沿面放电2.1.9.4受潮表面的沿面放电1.表面凝露对沿面放电的影响2.表面淋雨对沿面放电的影响2.1.9.5脏污绝缘表面的沿面放电污闪：户外绝缘子常会受到工业污秽或自然界盐碱、飞尘等污染。干燥情况下，对闪络电压没多大影响。但当绝缘子表面污层被湿润，其表面电导剧增使绝缘子泄漏电流急剧增加。绝缘子的闪络电压（污闪电压）大大降低，甚至有可能在工作电压下发生闪络。线路和发电厂、变电所污秽等级污秽等级污湿特征盐密(mg/cm2)线路发电厂变电所0大气清洁地区及离海岸盐场50km以上无明显污染地区≤0.03－Ⅰ大气轻度污染地区，工业区和人口低密集区，离海岸盐场10km～50km地区，在污闪季节中干燥少雾（含毛毛雨）或雨量较多时0.03~0.06≤0.06Ⅱ大气中等污染地区，轻盐碱和炉烟污秽地区，离海岸盐场3km～10km地区，在污闪季节中潮湿多雾（含毛毛雨）但雨量较少时0.06~0.100.06~0.10Ⅲ大气污染较严重地区，重雾和重盐碱地区，近海岸盐场1～3km地区，工业与人口密度较大地区，离化学污源和炉烟污秽300m～1500m的较严重污秽地区0.10~0.250.10~0.25Ⅳ大气特别严重污染地区，离海岸盐场1km以内，离化学污源和炉烟污秽300m以内的地区0.25~0.350.25~0.352.1.9.5.4防止污闪的措施•（1）定期或不定期的清扫••（2）使用防污闪涂料或进行表面处理•（3）加强绝缘和采用耐污绝缘子•（4）使用其他材质的绝缘子第二节液体介质的击穿纯净液体介质的击穿理论工程用变压器油的击穿过程及其特点变压器油击穿电压的影响因素及其提高的方法一旦作用于固体和液体介质的电场强度增大到一定程度时，在介质中出现的电气现象就不再限于前面介绍的极化、电导和介质损耗了。与气体介质相似，液体和固体介质在强电场(高电压)的作用下，也会出现由介质转变为导体的击穿过程。液体介质主要有天然的矿物油和人工合成油及蓖麻油等植物油。工程中使用的油含有水分、气体、固体微粒和纤维等杂质，它们对液体介质的击穿有很大的影响。一、纯净液体介质的击穿理论(一)电子碰撞电离理论（电击穿理论）在外电场足够强时，电子在碰撞液体分子可引起电离，使电子数倍增，形成电子崩。同时正离子在阴极附近形成空间电荷层增强了阴极附近的电场，使阴极发射的电子数增多，导致液体介质击穿。纯净液体介质的击穿理论与气体放电汤逊理论中的、作用有些相似。但液体密度比气体密度大得多，电子的平均自由行程很小，必须大大提高场强才开始碰撞电离。(二)气泡击穿理论（小桥理论）液体中出现气泡，在交流电压下，串联介质中电场强度的分布与介质的εr成反比。由于气泡的εr最小，其电气强度又比液体介质低很多，所以气泡必先发生电离。气泡电离后温度上升、体积膨胀、密度减小，这促使电离进一步发展。电离产生的带电粒子撞击油分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩大。许多电离的气泡在电场中排列成气体小桥，击穿就可能在此通道中发生。二、工程用变压器油的击穿过程及其特点可用气泡击穿理论来解释击穿过程，它依赖于气泡的形成、发热膨胀、气泡通道扩大并积聚成小桥，有热的过程，属于热击穿的范畴。由于水和纤维的εr很大，易沿电场方向极化定向，并排列成杂质小桥。发生两种情况：(1)杂质小桥尚未接通电极时，则纤维等杂质与油串联，由于纤维的εr大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中电场强度显著增高并引起电离，于是油分解出气体，气泡扩大，电离增强，这样下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。(2)如果杂质小桥尚未接通电极，因小桥的电导大而导致泄漏电流增大，发热会促使汽化，气泡扩大，发展下去会出现气体小桥，使油隙发生击穿。判断变压器油的质量，主要依靠测量其电气强度、tgδ和含水量。其中最重要的实验项目就是测量油的工频击穿电压。三、变压器油击穿电压的影响因素及其提高的方法(一)水分和其他杂质水在变压器油中有两种状态：①溶解状态:高度分散、且分布非常均匀；②悬浮状态:呈水珠状一滴一滴悬浮在油中。•图3-16表示在常温下油的含水量对均匀电场油间隙工频击穿电压的影响。当油中含水量达十万分之几时，对击穿电压就有明显影响。•当油中还含有其他杂质时，击穿电压的下降程度随杂质的种类和数量而异。(二)油温击穿电压与温度的关系比较复杂，随电场的均匀度、油的品质以及电压类型的不同而异。均匀电场油间隙的工频击穿电压与温度的关系如图3-18所示；在极不均匀电场中，随温度上升，工频击穿电压下降，如图3-19所示：不论在均匀电场中还是不均匀电场中，随温度上升，冲击击穿电压均单调地稍有下降。(三)电场均匀度优质油：保持油不变，而改善电场均匀度，能使工频击穿电压显著增大，也能大大提高其冲击击穿电压。品质差的油：改善电场对于提高其工频击穿电压的效果较差。在冲击电压下，由于杂质来不及形成小桥，故改善电场总是能显著提高油隙的冲击击穿电压，而与油的品质好坏几乎无关。(四)电压作用时间油隙的击穿电压会随电压作用时间的增加而下降，加电压时间还会影响油的击穿性质。从图3—20的两条曲线可以看出：在电压作用时间短至几个微秒时击穿电压很高，击穿有时延特性，属电击穿；电压作用时间为数十到数百微秒时，杂质的影响还不能显示出来，仍为电击穿，这时影响油隙击穿电压的主要因素是电场的均匀程度；电压作用时间更长时，杂质开始聚集，油隙的击穿开始出现热过程，于是击穿电压再度下降，为热击穿。(五)油压的影响不论电场均匀度如何，工业纯变压器油的工频击穿电压总是随油压的增加而增加，这是因为油中气泡的电离电压增高和气体在油中的溶解度增大的缘故经过脱气处理的油，其工频击穿电压几乎与油压无关。从以上讨论中可以