20131101-大型电力主设备故障分析与健康预警-(河海大学-马宏忠)

大型电力主设备故障分析与健康预警河海大学能源与电气马宏忠2020/6/23河海大学2要点2、状态监测、故障诊断与健康预警3、大型电力变压器故障分析与健康预警5、状态监测的关键技术6、故障诊断与健康预警的现代技术7、总结1、序4、其他电力主设备故障分析与健康预警1.绪论(Introduction)2020/6/23河海大学41.Introduction电力主设备对电力系统安全稳定运行具有非常重要的作用。电力主设备主要包括哪些:发电机变压器高压并联电抗器断路器母线、输电线路等（有时包括大型电动机）其中对电网来说，变压器最重要。国家电网公司近年来高度重视2020/6/23河海大学51.Introduction对电力设备故障的产生、发展、影响进行分析；对电力设备进行监测与故障预警；及时准确地诊断出电气设备潜在的和现有的故障，是保证生产安全运行的重要措施。由于种种原因,目前状态监测与故障诊断的应用水平不平衡，还存在种种问题,包括一些认识上的误区。2.状态监测、故障诊断与健康预警2020/6/23河海大学72.1状态监测、故障诊断与健康预警状态检修是我国即将面临的先进的设备管理体制开展状态检修的研究一般从两个方面进行一类是对设备进行不间断实时动态的在线监测,用在线的数据来判别设备状态。另一类是以离线检测为主,通过各种离线数据分析对设备状态进行综合诊断。实现状态检修的前提：必须进行可靠的状态监测与准确的故障诊断以及有效的故障预报。2020/6/23河海大学82.1状态监测、故障诊断与健康预警故障预报、故障诊断和状态监测的本质区别：。故障预报——根据故障征兆,对可能发生故障的时间、位置和程度进行预测。故障诊断——根据故障特征,对已发生的故障进行定位和对故障发展程度进行判断。状态监测——对设备的运行状态进行记录、分类和评估,为设备维护、维修提供决策。关系如图(按故障发展的时间进程进行分类)2020/6/23河海大学9图1故障预报、故障诊断和状态监测之间的关系（按时间进程）2020/6/23河海大学102.1状态监测、故障诊断与健康预警如果不能对未发生的故障时间、位置进行预测和不能对已发生故障的位置、程度进行准确判断,则不能称为故障预报和故障诊断,其结论应该属于状态监测范围。2020/6/23河海大学112.1状态监测、故障诊断与健康预警对故障的预测或预报必须建模和仿真.故障诊断需要对故障的机理进行分析和研究,因而存在较大的难度。状态监测主要依据信号处理和模式识别对设备进行评估和判断,相对容易实现。也不能认为预测或预报是最好的方法,而状态监测只是一种初级的手段。每一种方法必须适合具体的对象,关键在于准确,要得到准确的结论都是不容易的。2020/6/23河海大学122.1状态监测、故障诊断与健康预警状态监测适合电力系统主设备的现状。主设备的主要故障,例如绝缘故障、机械故障等的一些故障机理还不清楚,全系统的故障建模和仿真更难,而作为一个产品,其生存期有限,也没有必要进行大量的研究工作。如果强调对主设备故障的“预报”和“定位”,不仅现有条件下很难达到预期效果,而且容易产生过分的期望和误解,并将影响监测技术的推广和发展。2020/6/23河海大学132.1状态监测、故障诊断与健康预警状态监测应该包括以下任务:a.为设备的运行情况积累资料和数据,建立设备运行的历史档案。b.对设备运行状态处于正常还是异常做出判断根据历史档案、运行状态等级和已出现的故障特征或征兆,判断故障的性质和程度。c.对设备的运行状态进行评估,为状态检修的实施提供依据。2020/6/23河海大学142.2状态监测与继电保护状态监测、故障诊断与继电保护有很多共性之处，但其任务与功能是不同的，必须根据故障特点进行定位。不存在谁比谁好，或谁可完全代替谁的问题。对不同的设备和不同的故障类型,采用的监测的方法可能完全不一样。由于故障发展速度的差别,形成了瞬变故障和缓变故障两个类型。以大型发电机和变压器为例,如表1所示。表1.变压器、发电机故障按处理时间分类2020/6/23河海大学152.2状态监测与继电保护(Conditionmonitoringandrelayprotection)瞬变故障例如相间短路等,发展很快。继电保护装置必须在10ms～20ms内处理这类故障,以避免损失扩大。瞬变故障发生时需要解决的问题是故障保护和避免事故扩大,不是诊断和监测的问题。2020/6/23河海大学162.2状态监测与继电保护(Conditionmonitoringandrelayprotection)缓变故障是从出现故障征兆发展到故障灾害进程较慢的一类故障现象,例如绝缘故障、机械系统故障等。当出现故障征兆时,需要对故障进行定位,或对故障的程度和发展进行监测,采取措施,防止故障状态的进一步发展和造成重大损失。因此,缓变故障是状态监测和故障诊断的对象。2020/6/23河海大学172.2状态监测与继电保护(Conditionmonitoringandrelayprotection)对于瞬变故障,继电保护可以发挥巨大的作用,大大减少可能造成的危害。但并不是所有的瞬变故障都是由缓变故障发展形成的,同时,很多缓变故障其发展造成的损害也不在继电保护所能保护的范围内。有人认为状态监测和故障诊断能防止故障发生,是比继电保护更先进的技术,可以取而代之,这是一种误解。两种技术互相补充,缺一不可。2020/6/23河海大学18表1.变压器、发电机故障按处理时间分类10mS1min瞬变故障缓变故障发生时间电力变压器绕组匝间、相间短路局部放电partialdischarge(PD)油中气体色谱分析(PDA)油中水分Waterinoil油温oiltemperature调压分接开关tapswitch大型发电机定子绕组匝间、相间短路statorwindingturntoturnshort,phaseshort负序negativesequence逆功率reverse-power定子绕组一点接地statorwindingground?转子一点接地rotorground失磁Lossoffield转子绕组匝间短路rotorwindingturntoturnshort局部放电PD轴电压不正常shaftvoltageabnormal冷却系统故障coolingsystemfault机械振动mechanicalvibrating轴系振动shaftingvibrating主要检测方法继电保护relayprotection状态监测conditionmonitoring3.大型电力变压器故障分析与健康预警2020/6/23河海大学20一、电力变压器常见故障的划分按变压器本体可分为：内部故障和外部故障内部故障：油箱内发生的各相绕组间的相间短路、匝间短路、绕组或引线与箱体接地等外部故障：油箱外部发生的套管闪络、引出线间的相间短路；按变压器结构分：绕组故障、铁芯故障、油纸故障、附件故障；按回路可分为：电路故障、磁路故障、油路故障；按故障部位：绝缘故障、铁芯故障、分接开关故障、套管故障等；按性质又可分为热故障和放电故障。3.1、变压器的故障2020/6/23河海大学212008年本体非计划停电原因分布2020/6/23河海大学222008年变压器跳闸本体原因分布2020/6/23河海大学23二、常见故障1.绕组故障各部分绝缘老化绕组受潮绕组层间、匝间、相间、高低压绕组间发生接地、短路、断路、击穿或烧毁故障系统短路造成绕组机械损伤3.1、变压器的故障2020/6/23河海大学242)相间短路在大型变压器内，若偶然有金属丝之类的导体，会将两相线匝绝缘划破而构成短路;当分接开关错位严重时，将导致两相分接开关短路而烧坏，引起两相绕组相间短路。3)股间短路故障在用多股导线并绕的绕组中常发生股间短路主要原因：因导线质量问题导致绝缘层包绕不均，甚至导线裸露;在绕制过程中因弯曲、毛刺等使匝间绝缘受损伤，卡线过紧或换位不当导致线拧绞或刮伤导线绝缘;在压装及整形过程中，挤伤并绕导线间的绝缘层。3.1、变压器的故障2020/6/23河海大学253.1、变压器的故障2.铁心故障主要原因:铁心组件中铁质夹件松动或损伤而碰接铁心，压铁松动引起铁心振动和噪声，铁心接地不良或夹件烧坏，铁心片间绝缘老化，铁心安装不正或不齐铁心片间叠装不良造成铁损增大而使铁心发热等。2020/6/23河海大学263.1、变压器的故障主要类型:1）铁心松动坚固件松动、绝缘老化松动2）铁心多点接地故障当出现两点及以上的接地为多点接地。2）铁心过热故障绕组短路、过载运行、铁心本身接地不良及异常接地、铁心片间短路或铁心局部短路、铁扼螺杆接地、铁心漏磁、铁心局部短路、电源电压高、铁心冷却油道堵塞等。2020/6/23河海大学273.1、变压器的故障3.有载分接开关故障切换触头故障烧损松动脱落绝缘故障：密封不严雨水等侵入，导致绝缘油性能降低；过渡电抗或电阻故障：在切换过程中被击穿或烧断拒动、误动故障大轴断裂操作机构故障2020/6/23河海大学283.1、变压器的故障4.油和油纸绝缘故障在充油变压器中，主要绝缘材料是变压器油和绝缘纸、纸板、木块等，主要成分为纤维素的固体绝缘材料。绝缘材料受环境因素的影响将发生分解而老化，甚至丧失绝缘强度，造成绝缘故障。受潮、高温固体绝缘的老化特性不可逆转2020/6/23河海大学293.1、变压器的故障5.放电故障放电是高压电气设备的常见故障按放电的能量密度将变压器内部放电故障分为：局部放电火花放电电弧放电其中：局部放电故障是引起火花放电或电弧放电故障的前兆。火花放电一般是低能量放电，即一种间隙性放电。电弧放电又称高能放电，特点：产气急剧而且量大。3.2变压器油的色谱分析（DGA）2020/6/23河海大学313.2变压器油的气相色谱分析（DGA）一、概述电力变压器故障诊断方法有多种，但目前研究最多、相对最成熟的是油中气体分析（DissolvedGasesAnalysis,DGA）DGA对发现变压器内部的潜伏性故障非常有效，1996年修订的《电力设备预防性试验规程》就将其列为电力变压器预防性故障试验的首位。油中气体分析不受各种电磁干扰的影响（这对高电压、大电流、强电磁场的变压器很重要）2020/6/23河海大学323.2变压器油的气相色谱分析（DGA）1、基本原理变压器绝缘材料主要是绝缘油、油浸纸；长期运行受热作用会产生少量气体；内部故障,如局部过热、放电、绝缘纸老化等都会导致绝缘劣化：•（1）产生气体增加；•（2）故障气体速率；•（2）不同故障产生气体成分不同。2、要解决的问题：怎样从油中析出气体；怎样根据气体性质（数量、速度、比例等）诊断变压器故障。2020/6/23河海大学333.2变压器油的气相色谱分析（DGA）3、气体：7~12种H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2（O2、N2…）4、产气与温度关系：2020/6/23河海大学343.2变压器油的气相色谱分析（DGA）5、典型故障条不同气体组分比例2020/6/23河海大学353.2变压器油的气相色谱分析（DGA）二、DGA诊断的主要故障类型两大类：过热故障放电故障2020/6/23河海大学363.2变压器油的气相色谱分析（DGA）1、过热性故障按温度高低分为：低温过热(150℃以下)、中低温过热(150℃～300℃)、中温过热(300℃～700℃)高温过热(700℃以上)150℃以下的低温过热通常是由应急性过负荷造成绝缘导线过热引起的150℃以上的中低温、中温、高温过热的表现形式是局部过热现象：分接开关触头间接触不良铁心存在两点或多点接地载流裸电导体的连接或焊接不良铁心片间短路铁心被异物短路紧固件松动冷却油道阻塞等。2020/6/23河海大学373.2