針對發(fā)電機和干式變壓器常用的預(yù)防性定期維護方式的弊端，分析了發(fā)展狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的意義，介紹了該技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問題。較后指出，發(fā)電機、干式變壓器等電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)能夠快速、連續(xù)地反映設(shè)備的運行狀態(tài)，指示運行設(shè)備的潛在故障，是保證電力設(shè)備安全、經(jīng)濟運行的有力措施，應(yīng)大力推廣。關(guān)鍵詞：發(fā)電機；干式變壓器；狀態(tài)監(jiān)控；故障診斷

發(fā)電機、變壓器等電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷

劉向平1、MENG玉蟾2

(1.廣東電力測試研究所，廣州510600；2.西安熱電研究所，陜西西安710032)

針對發(fā)電機、變壓器等電力設(shè)備普遍采用的預(yù)防性維修方式的弊端，分析了發(fā)展狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的意義，介紹了該技術(shù)的現(xiàn)狀和存在的問題。結(jié)果表明，該技術(shù)能快速、連續(xù)地反映設(shè)備的運行狀態(tài)，預(yù)測設(shè)備的潛在故障；因此，它對保證電力設(shè)備的安全經(jīng)濟運行是有效的，值得推廣。關(guān)鍵詞Keywords:generator變壓器；狀態(tài)監(jiān)控；故障診斷

發(fā)電機、干式變壓器等電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)越來越受到重視，越來越多的單位和部門已經(jīng)或正在積極應(yīng)用和發(fā)展這項技術(shù)，并將得到廣泛推廣。在這種情況下，全面、客觀地了解這項技術(shù)及其目前的技術(shù)狀況，比較和了解這項技術(shù)與目前的預(yù)防性維修制度的優(yōu)缺點及其相互關(guān)系，對于正確開發(fā)、應(yīng)用和推廣這項新技術(shù)，更好地保障電力生產(chǎn)的可靠性和安全性，具有一定的意義。

發(fā)展狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的意義發(fā)電機和干式變壓器被稱為發(fā)電和輸電的心臟，其運行可靠性直接影響到工業(yè)電力的正常生產(chǎn)。然而，這些設(shè)備不可避免地受到電、熱、機械和環(huán)境等各種因素的影響，性能不斷惡化，導(dǎo)致運行狀態(tài)不佳，甚至出現(xiàn)各種故障，造成局部甚至大面積停電，造成巨大的直接和間接經(jīng)濟損失和社會影響。據(jù)國外報道，電氣設(shè)備在服役期內(nèi)，故障率與運行時間和方式之間存在宏觀規(guī)律。將設(shè)備故障率與使用壽命的關(guān)系繪制成曲線，其形狀為兩邊高中間低，形成一個浴缸，稱為設(shè)備故障的“浴缸”曲線，如圖1所示。

從圖1可以看出，在電氣設(shè)備的整個使用壽命期間，設(shè)備故障率可分為初始故障率、穩(wěn)定故障率和退化故障率。對于發(fā)電機、干式變壓器等大型電氣設(shè)備，在運行初期，由于各部件磨合不良，制造、安裝、調(diào)試過程中遺留的一些問題逐漸暴露出來。同時運維有一個適應(yīng)期，所以故障率略高。發(fā)電機試運行168 h后，經(jīng)過4 ~ 30天至半年，隨著暴露問題的處理和運行人員對設(shè)備性能的逐漸熟悉和掌握，設(shè)備故障率將逐漸降低，事故率將進入穩(wěn)定期。這個周期一般在15到20年左右。在服役后期，由于絕緣老化明顯、泄漏電流增大、絕緣電阻降低、油中溶解氣體成分變化、局部放電增加等原因，故障率會明顯增加。為了及時發(fā)現(xiàn)和排除故障，減少和避免事故的發(fā)生，長期以來，電力系統(tǒng)工作者一直在不斷地研究和總結(jié)，改變過去的事故檢修模式，定期實施各種可行有效的預(yù)防性試驗和檢修方法。與事故維修相比，這一制度適應(yīng)了我國生產(chǎn)力的發(fā)展，發(fā)揮了積極的作用，無論是思想上還是效果上都有了很大的進步。但經(jīng)常被設(shè)備運行中的突發(fā)事故打個措手不及，損失慘重。而且計劃維護在一定程度上具有盲目性和強制性，缺乏針對性和科學(xué)性，往往會干擾設(shè)備的穩(wěn)定性。由于大多數(shù)預(yù)防性試驗都是離線進行的，因此在試驗過程中必須停機斷電，造成巨大的經(jīng)濟損失。然而，一些重要設(shè)備不能輕易關(guān)閉，導(dǎo)致定期測試無法按計劃進行。即使被檢設(shè)備可以停機，由于運行和停機時設(shè)備狀態(tài)的差異，測試結(jié)果的準確性也會受到不同程度的影響。另一方面，對于正常的設(shè)備，如果按計劃采取定期檢查維護，會造成不必要的人力物力的極大浪費。更有甚者，過度保養(yǎng)可能是檢查保養(yǎng)造成的。

，即造成“維修干擾”。如某廠的1臺300 MW水-氫-氫發(fā)電機，維修前絕緣狀態(tài)良好，維修后，絕緣水平明顯降低。經(jīng)查，是由于進行耐壓試驗，使絕緣受到損害。泄漏電流的測試，也可造成絕緣惡化或損傷。又如某局進行干式變壓器的例行檢查維修，由于工作人員的疏忽，將工具遺留在干式變壓器內(nèi)，造成重大事故。同時，定期檢測和維修，不是連續(xù)和實時監(jiān)測，無法避免設(shè)備在兩次試驗間隔期可能發(fā)生的故障。 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，采取對潛伏性故障的早期、連續(xù)監(jiān)測，與離線檢測相結(jié)合，應(yīng)用現(xiàn)代分析、電子和計算機等技術(shù)，進行綜合分析，預(yù)測設(shè)備可能發(fā)生的故障，以期做到預(yù)知維修和有效維修，將對電力設(shè)備的運行起到重要的安全保障作用。

2狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的發(fā)展 在20世紀60年代至70年代，一些工業(yè)發(fā)達國家即開始狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的研究。因受到當時工業(yè)技術(shù)水平的限制，加之電力設(shè)備潛伏性故障初期發(fā)展速度慢，征兆信號微弱，生產(chǎn)運行環(huán)境中又存在許多電磁干擾，能夠監(jiān)測的特征量與設(shè)備狀態(tài)不完全吻合，可變因素和影響因素太多等原因，使狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用受到阻礙。到20世紀80年代至90年代，傳感技術(shù)、計算機技術(shù)和光纖等高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)得到迅速發(fā)展。加拿大、日本、德國、美國等陸續(xù)研制了油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)，干式變壓器、發(fā)電機和GIS等的局部放電、泄露電流的在線監(jiān)測系統(tǒng)，這些技術(shù)得到了國際大電網(wǎng)會議的系統(tǒng)總結(jié)。 近年來，隨著光電技術(shù)的發(fā)展，加拿大、美國等國家相繼研制出不同類型的在線監(jiān)測裝置，更加促進了設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的實施和有效發(fā)展。 早在20世紀60年代，我國已認識到電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的重要性，在70年代，就進行過一些帶電試驗和在線監(jiān)測技術(shù)的研究和應(yīng)用，但由于當時技術(shù)不完善，測量結(jié)果分散性大，加上操作復(fù)雜和誤報等原因，使該技術(shù)沒有得到大力推廣。隨著大容量、高電壓等級電氣設(shè)備的迅速增加，一些設(shè)備的故障率偏高，使狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的開發(fā)更加迫切。為發(fā)展狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)，電力主管部門多次召開全國電力設(shè)備絕緣帶電測試和故障診斷技術(shù)研討會，研究如何發(fā)展和推廣狀態(tài)監(jiān)測與診斷技術(shù)。可以說，我國電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)和國際上幾乎處于相同水平。2.1發(fā)電機的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷 發(fā)電機的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷目的是在初始階段，檢測出發(fā)電機缺陷，以有計劃地安排檢修，減少停機，避免事故發(fā)生；在服役期延長發(fā)電機平均無故障時間和縮短平均修理時間，降低發(fā)電機維修費用，提高可用性。 多年來，發(fā)電機運行所采用的監(jiān)視和控制方法，大多用來進行機組運行工況的調(diào)整以及非正?；蚴鹿薁顟B(tài)的控制。大型發(fā)電機都有繼電保護系統(tǒng)，從表面上看，繼電保護功能很完善，但是，繼電保護系統(tǒng)只是當被監(jiān)視參數(shù)達到或超過繼電器設(shè)定值時才起作用，即只有當故障已經(jīng)發(fā)生時才動作，并沒有預(yù)防功能。由于繼電保護與設(shè)備診斷技術(shù)功能不同，所以其對潛伏性故障的早期發(fā)現(xiàn)或診斷無能為力。 目前，國內(nèi)外發(fā)電機的狀態(tài)監(jiān)測，主要是通過發(fā)電機光纖測漏儀（FOVM）、發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)視器（GCM）、發(fā)電機射頻監(jiān)視儀（RFM）進行。在運行中，這些監(jiān)視系統(tǒng)可以對發(fā)電機內(nèi)部的故障進行監(jiān)測和報警，引起工作人員重視，指導(dǎo)操作人員適當調(diào)整負荷，確定是否停機，預(yù)知維修。對氫冷發(fā)電機，國內(nèi)外也在開展研究，利用化學(xué)痕量分析方法檢測氫氣中雜質(zhì)組分從而診斷設(shè)備故障。 發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)需要觀測和采集運行狀態(tài)下許多電氣、機械和物理化學(xué)的數(shù)據(jù)與特性，建立正確的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，給出運行異常和存在缺陷的信息，根據(jù)早期征兆進行故障預(yù)報，采用計算機故障模糊專家系統(tǒng)進行診斷和趨勢分析，并提出檢修方案。 結(jié)合我國電力工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)電機制造水平及多年大型發(fā)電機運行多發(fā)性故障的特點，有關(guān)專家認為，在大型汽輪和水輪發(fā)電機組上，可有選擇地采用不同的監(jiān)測和診斷系統(tǒng)。這些系統(tǒng)包括：定子繞組絕緣監(jiān)測系統(tǒng)；發(fā)電機內(nèi)過熱監(jiān)測與診斷系統(tǒng)；定子繞組端部振動監(jiān)測系統(tǒng)；轉(zhuǎn)子繞組匝間短路監(jiān)測系統(tǒng)；汽輪發(fā)電機組扭振監(jiān)測與診斷系統(tǒng)；氫冷發(fā)電機氫氣濕度及漏氫監(jiān)測系統(tǒng)；氣體雜質(zhì)組分監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。 發(fā)電機故障診斷系統(tǒng)擬診斷的故障包括：定子線圈及引出線類故障；定子引出線套管類故障；定子絕緣類故障；定子繞組振動類故障；定子鐵心類故障；轉(zhuǎn)子繞組類故障；轉(zhuǎn)子絕緣類故障；轉(zhuǎn)子本體及護環(huán)類故障；氫系統(tǒng)故障；油系統(tǒng)故障；水系統(tǒng)故障。 發(fā)電機的故障診斷系統(tǒng)，通過對發(fā)電機運行過程與狀態(tài)參數(shù)分析及檢修、試驗的結(jié)果，無損探傷、電氣絕緣檢查結(jié)果的分析，綜合進行故障診斷。2.2干式變壓器的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷 電力工業(yè)主要采用充油式干式變壓器，在特殊場合，也采用干式變壓器或六氟化硫干式變壓器。目前，國內(nèi)外對于干式變壓器的狀態(tài)監(jiān)測，多采用局部放電監(jiān)測、超聲定位技術(shù)和紅外技術(shù)。對于充油式干式變壓器，除對油中溶解氣體進行離線、定期和有效的色譜分析外，主要研究應(yīng)用在線油中溶解氣體和微水分析技術(shù)。對于干式變壓器的高壓套管，通常采用介質(zhì)損耗因數(shù)的數(shù)字化在線測量技術(shù)。對于故障較多的有載調(diào)壓開關(guān)，采用有載故障在線診斷裝置，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(shù)也在監(jiān)測之列。 干式變壓器狀態(tài)監(jiān)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(tǒng)。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(jiān)測與診斷，多采用電脈沖信號法和超聲法。對電信號和聲信號聯(lián)合監(jiān)測取得理想的定量和定位效果，根據(jù)視在放電量、分布圖譜和放電源的定位，來判斷故障。 油中溶解氣體組分含量的分析（DGA），首先依據(jù)溶解平衡原理，采用各種不同原理的脫氣方法，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(jīng)檢測器檢測（如TCD，F(xiàn)ID等），或用各種原理的傳感器對不同組分的氣體進行檢測，較后依據(jù)國內(nèi)外通用的組分比值法或多維圖視法，結(jié)合電氣試驗和離線定期試驗結(jié)果，綜合分析診斷出潛伏性故障。近期還發(fā)展了復(fù)合滲透膜、電化學(xué)-燃料電池、紅外檢測等技術(shù)，進行油中溶解氣體組分含量的分析。由于DGA分析判斷的準確性已被國內(nèi)外所認可，該技術(shù)成為各國研究的熱點。目前，國內(nèi)外已有單組分的、總可燃氣體的、四組分、六組分、七組分的在線監(jiān)測裝置投運。

3狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)存在的問題 狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷技術(shù)雖然有其不可替代的優(yōu)勢，但在目前情況下，尚存在很多不足和問題需要解決。已經(jīng)安裝投運了狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的單位，決不可高枕無憂，不再有安全憂患意識。 由于發(fā)電機、干式變壓器有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，運行參數(shù)間并非全部有嚴格的邏輯和定量關(guān)系，其故障現(xiàn)象、故障原理之間具有很大的不確定性，一個故障可表現(xiàn)出多種征兆，監(jiān)測到的幾個故障起因同時反映一個故障征兆，故障與征兆之間關(guān)系模糊復(fù)雜，因此完全通過建立精確的數(shù)學(xué)模型來診斷是十分困難的。這種復(fù)雜的系統(tǒng)都是模糊的系統(tǒng)，而模糊系統(tǒng)的邊界、結(jié)構(gòu)等概念的外延是模糊的，內(nèi)涵是灰色的。也就是說，此系統(tǒng)中的一些信息是確知的，另一些是非確知的，因此，需要采用將精確性向模糊性逼近的模糊集的數(shù)學(xué)方法來處理這些模糊現(xiàn)象，并注入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，才能對發(fā)電機、干式變壓器故障診斷這一復(fù)雜系統(tǒng)，找出合適的描述方法。同時還要模擬技術(shù)專家在進行故障診斷時的經(jīng)驗及將經(jīng)驗、規(guī)則模型化，以計算機替代專家，并以遠程通信方式進行傳輸。除此之外，復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境也給狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的應(yīng)用帶來困難。到目前，狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)尚存在以下不足和問題： a)受技術(shù)條件限制，目前發(fā)展較成熟的僅有局部放電定位儀和部分組分含量的在線色譜儀，而其他反映設(shè)備狀態(tài)的項目尚無成熟監(jiān)測。因此，在故障診斷中，很多需采集的信息還必須依賴于離線檢測。 b)早期故障的監(jiān)測信號極弱，設(shè)備運行現(xiàn)場均有較強的磁場和電場干擾，信噪比很低，給狀態(tài)監(jiān)測帶來困難。 c)現(xiàn)有的一些監(jiān)測系統(tǒng)，只能反映設(shè)備故障的發(fā)展趨勢，很難提供設(shè)備故障的類型及故障的危急程度。滲透膜存在滲透率衰減，軟件不能適應(yīng)個案的分析和判定，軟、硬件在不同程度上存在缺陷和不穩(wěn)定性，易引起誤報、錯報故障。 d)現(xiàn)行規(guī)程中沒有狀態(tài)監(jiān)測的技術(shù)要求和指標，使故障診斷時缺乏科學(xué)的判據(jù)。 e)現(xiàn)有的監(jiān)測、診斷系統(tǒng)尚不能完全實現(xiàn)連續(xù)不斷的實時監(jiān)測，所以對突發(fā)性故障不能準確、及時預(yù)報。 綜上所述，發(fā)電機、干式變壓器類電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)，可以迅速、連續(xù)地反映設(shè)備的運行狀態(tài)，預(yù)示運行設(shè)備存在的潛伏性故障，提出處理措施，不同程度地延長設(shè)備的服役期，減免不必要的維修干擾，大大降低運行成本，易實行自動化和科學(xué)化設(shè)備管理，是保障電力設(shè)備安全經(jīng)濟運行的有力措施，應(yīng)大力推廣。然而，該技術(shù)畢竟為新興的多學(xué)科高新技術(shù)，其發(fā)展和實施還存在許多困難，距離替代預(yù)防性定期檢修還有較長歷程。所以，既要積極開發(fā)、推廣這一技術(shù)，也要客觀對待，避免盲從，不斷總結(jié)經(jīng)驗，完善系統(tǒng)，使該技術(shù)為電力生產(chǎn)安全服務(wù)。

參考文獻

［1］郭維芹.發(fā)電機絕緣潛在故障的早期發(fā)現(xiàn)與診斷——狀態(tài)維修是電力設(shè)備維修管理的趨勢[J].上海第二工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002, 19（1）：20—26.［2］嚴璋，朱德恒. 高電壓絕緣技術(shù)[M]. 北京：中國電力出版社，2002.［3］朱德恒，談克雄. 電氣設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J]. 電力設(shè)備，2003，4（6）：1—8.

來源：廣東電力