【课件】电力系统状态检修精编版

1、电力系统故障诊断与状态监测自动化 主讲 武汉大学 舒乃秋 一、故障诊断与状态监测技术简介设备维修的发展历史三个阶段 事后维修模式 1950年前设备维修的发展阶段预防性维修模式1950年1970年计划预修体制（前苏联）预防维修 制（美国）现行维修模式1970年至今预知维修和状态维修以利用率为中心的维修可靠性维修以可靠性为中心的维修适应性维修全面计划质量维修费用有效维修检修人员的失误模式失 误有意识的破坏知识性错误规则性错误错 误忘 记漏 掉潜意识中的错误习惯不正确无意识滑 过没注意 状态监测的概念和任务 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

2、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。 三者内容相近、采用的方法大多一样、在线检测数据和分析、目标一致（防患于未然） 差别如图： 设备状态检修的依据（1）诊断预测（故障率）设备运行寿命危险水平注意水平初期阶段稳定阶段劣化阶段注意阶段危险阶段实施修复破坏点简易诊断设备状态检修的依据（2）故障预报故障诊断状态监测建立故障物理、化学模型和仿真对故障物理、化学 过程的机理分析信号处理模式识别设备故障发生的物理、化学过程设备故障的外在表现关键技术 （1）传感器 （2）计算机网络和数据库 （3）数据分析 传感器技术和数据

3、分析技术是状态监测系统所特有的关键技术。涉及学科 传感器技术、电子、机械、化学、物理、数学、 光学、计算机及通信等。电力设备故障诊断与状态监测的研究与应用现状状态检修作为一种较定期检修方式更能降低维修成本、缩短检修停电 时间、延长设备寿命的检修方式。状态检修是一种比较新的检修体 制，但成功的实例并不多，鉴于此，作为状态检修依据的设备健康状态评估系统的研究尚处于摸索阶段。以在线监测数据为基础的设备健康状态评估，既要按照设备巡视检测、 定期检测和带电（在线）检测的结果进行故障诊断，还要结合运用传 感技术、光电子技术及计算机技术等先进的手段，适时反映设备状态。对不同的电力设备，表示设备整体状态的参数

4、可能是不同的，需视具 体情况确定。而以预防性试验数据为基础的设备状态评估，则是根据 设备的历次试验数据（交接性、预防性），运行电压下的各种参数变 化，承受负荷及经受短路的情况，并与同类设备比较，综合分析设备 的健康状况，作为判断设备是否需要检修的依据。电力设备故障诊断与状态监测的研究与应用现状国外应用与研究 美国国家电力研究院所 英国 日本发电检修协会 加拿大 德国（斯蒂亚克电力公司、汉堡电力公司）国内电力设备状态维修的应用 传感器装置的生产和在线监测的应用情况还落后于国外先进水平，基本上还是实施以离线的预防性试验为基础的变压器运行状态评估比 电力设备故障诊断与状态监测的研究与应用现状 主要原

5、因： 在线监测的硬件缺乏 需运用传感技术、光电子技术及计算机技术等先进的手段来实时反映设备状态，对相当一部分变电站来说，在经济及硬件设施等方面存在着或多或少的困难，在在线监测没有成为必要成分的情况下，维修管理仍沿用旧体制 现场专门人才的缺乏 在线监测系统已具备规模的变电站，在技术力量上也还不能适应发展要求，其现场技术人员分析态监测数据的能力较差，因而不能合理分析利用在线监测的数据 现有基础 预防性试验的很多“判据” 是根据大量实践的总结，多年电网运行维修经验的积累。基于离线的预防性试验数据的变压器运行状态评估，是目前分析和判断变压器健康水平的主要依据。电力设备故障诊断与状态监测的研究与应用现状

6、 鉴于上述现状，开展以离线的预防性试验数据为主、以带电或在线监测数为辅的电力变压器运行状态评估具有重要意义。关键在于如何将预防性试验与线监测两者的测试数据有机地结合起来，并通过严谨的、科学的评估过程，取得正确的变压器健康状态评估结果。电力设备故障诊断与状态监测的研究与应用现状应用现状（34家电力公司情况统计） 目前检修模式统计 检 修 模 式 比 例/ 对主设备全采用定期检测、定期维修的策略 26.0 对某些设备的检测及维修周期已开始有所调整 37.2 对主要设备正逐步按实际情况选择检测和维修 的内容及周期 27.0 对主要设备已全部按实际情况选择相应的检测 及维修内容及周期 9.8电力设备故

7、障诊断与状态监测的研究与应用现状 已按实际情况选择维修周期及方法的设备设备类型比例/主变压器断路器及GIS互感器电容型设备（电容式套管及TA、耦合电容器等）金属氧化物避雷器（MOA）50.047.038.232.452.9电力设备故障诊断与状态监测的研究与应用现状 31家供电公司在线监测设备运行情况的综合分析项目监测电容型设备的介损和电容（或可兼用MOA的监测）专用于监测金属氧化物避雷器（MOA）监测油中溶解气体监测断路器特性监测变压器分接开关特性固定式便携式仅全电流全电流和阻性电流仅H2、CO读数监测各组分含量油断路器SF6断路器运行正常国产76471713692263510660进口201

8、7012817004运行不正常国产8832063470进口4100032000已退出或报废国产28521399181000进口0000110000总计国产105772713737125591410130进口43017014219004 二、故障诊断与状态监测系统故障诊断与状态监测系统的硬件构成故障诊断与状态监测系统的软件构成三、电力变压器故障诊断与状态监测变压器故障诊断与状态监测的现状变压器故障诊断与状态监测的主要方法变压器故障诊断与状态监测的主要技术变压器状态评估体系变压器故障诊断与状态监测的现状国外现状与研究动态 瑞士现状与研究动态 美国现状与研究动态 英国现状与研究动态 比利时现状与研究

9、动态 德国现状与研究动态变压器故障诊断与状态监测的现状 国内现状与研究动态开始关注变压器状态监测的研究和应用 开展状态维修的层次及内容: (l)在线监测是状态维修的前提和基础，通过在线监测，在不影响设 备运行的前提下提取各种状态参数信息; (2)故障诊断是状态维修的核心，根据在线监测数据诊断其绝缘状 况，识别故障种类和程度; (3)维修策略的制订是状态维修的目标。随着电力系统自动化水平的 提高，越来越多的变电站引入了变压器在线监测装置。采取的方法 综合在线的、离线的多种检测手段进行电力变压器故障诊断，研究变压器故障现象与故障原因之间 密切的、复杂的模糊联系，判断变压器状态。引用模糊逻辑和多参数

10、、多层逐步推理方法评估。研究结合模糊数学工具构成模糊专家系统对变压器运行状况进行综合分析，判断变压器的运行状况、故障类型、故障可能部位并向运行人员作出合适的建议。变压器故障诊断与状态监测的主要方法理论基础 现代控制理论 信号处理 模式识别 最优化方法 决策论 统计数学 变压器故障诊断与状态监测的主要方法 参数估计方法 基于解析模型的方法 状态估计方法 等价空间方法 谱分析方法 基于信号处理的方法 概率密度法 小波分析法 专家系统的方法 基于案例的方法 基于知识处理的方法 基于人工神经网络的方法 基于模糊数学的方法 基于故障树的方法 故障诊断方法变压器故障诊断与状态监测的主要方法基于解析模型的方

11、法最早发展，需要建立被诊断对象的较为准确的数学模型参数估计方法、状态估计方法和等价空间方法之间存在着一定的联系，证明了基于观测器的状态估计方法与等价空间方法是等价的解析模型的方法的缺点 非线性系统的故障诊断的难点在于数学模型很难建立，相比之下，参数估计方法比状态估计方法更适应非线性系统，因为非线性系统的状态观测器的设计有很大的困难。变压器故障诊断与状态监测的主要方法信号处理的方法 回避了抽取被诊对象的数学模型的难点，当难于建立诊断对象的解析数学模型时，这种方法而直接利用信号模型，如相关函数、高阶统计量、频错和自回归滑动平均过程，以及现在的小波分析技术，对于线性系统和非线性系统都是适应的。但是避

12、开对象数学模型，既是优点，也是它的缺点。变压器故障诊断与状态监测的主要方法基于知识处理的方法 与基于信号处理的方法类似，也不需要系统的定量数学模型，但它克服了后者的缺点，引入了诊断对象的许多信息，特别是可以充分地利用专家诊断知识等，所以是一种很有前途的方法，尤其是在非线性系统领域 基于知识的方法还可以分为基于症状的方法和基于定性模型的方法。基于症状的方法包括专家系统方法、模糊推理方法、模式识别方法和神经网络方法等;基于定性模型的方法包括定性观测器、定性仿真和知识观测器等，其中每类又包含若干具体的诊断方法， 变压器故障诊断与状态监测的主要方法信息融合技术（多传感器融合技术） 基于系统不确定性因素

13、基础上提出的一整套理论，在理论的形成与实现技术的提出的主要偏重于不确定方法 信息融合诊断技术具有以下优点: (l)容错性: 在单个诊断方法出现误差或失效的情况下，系统仍能正常可靠工作 (2)互补性: 各诊断方法除提供故障征兆信息的共性反映外，还提供与各诊断方法本身有关的特性反映，因而利用信息融合就能实现不同诊断方法信息的互补，从而提高信息的利用率，减少系统诊断的不确定性 (3)实时性:能以较小的时间获得更多的信息，大大提高系统的识别效率。变压器故障诊断与状态监测的主要方法信息融合技术（多传感器融合技术） 对于故障监测、报警与诊断系统，数据融合的级别按照数据抽象的三个层次可分为三级:数据层、特征

14、层和决策层。 数 据 库 系 统决策层融合特征层融合数据层融合多 传 感 器 信 息变压器故障诊断与状态监测的主要方法 1.数据层信息融合与故障检测传感器系统(或分布式传感器系统)获得的信息存入数据库，进行数据采掘，并进行检测层的数据融合，实现故障监测、报警等初级诊断功能。 2.特征层信息融合与故障诊断特征层融合需要检测层的融合结果及变压器诊断知识的融合结果。诊断知识包括各种先验知识及数据采掘系统得到的有关对象运行的新知识。结合诊断知识融合结果和检测层的数据融合结果，进行特征层数据融合，实现故障诊断系统中的诊断功能。 3.决策层信息融合与故障隔离决策层融合的信息来源是特征层的数据融合结果和对策

15、知识融合的结果，根据决策层数据融合的结果，采取相应的故障隔离策略，实现故障检测、故障诊断等。故障诊断系统的最终目的就是故障状态下的对策。变压器故障诊断与状态监测的主要技术主要监测技术频率响应分析法绕组温度指示恢复电压法其它状态检测法油中溶解性气体分析技术局部放电在线监测技术振动分析法红外测温技术变压器故障诊断与状态监测的主要技术 油中溶解性气体分析技术 (Dissolved gas-in-oil analysis , DGA) 变压器内部不同故障产生不同的气体，分析油中气体成分、含量、产气率、相对百分比，实现对变压器绝缘的诊断，典型油中溶解气体氢气（H2）,一氧化碳（ CO）, 甲烷（CH4）

16、 ,乙炔（C2H2）, 乙烯（C2H4）, 甲烷（C2H6） , 二氧化碳（CO2）作为分析用的特征气体，通过检测各气体成分及含量后，用特征气体法或比值法来判断变压器内部故障变压器故障诊断与状态监测的主要技术局部放电在线监测技术（Partial Discharge，PD） 变压器在内部出现故障或运行条件恶化时，局部场强过高而产生局部放电，局放水平及其增长速率的明显变化，表明变压器内部正在发生变化或反映绝缘中由于某些缺陷状态而产生的固体绝缘的空洞，金属粒子和气泡等，此时局放产生电气信息，同时还伴随有声信号以及其它非电量信息。局部放电监测通常采用电气测量方法和非电量测量方法，如超声波法，光学法以及

17、测分解物法等变压器故障诊断与状态监测的主要技术振动分析法 短路、绝缘老化等造成变压器绕组变形或引线结构的偏移、扰动，出现机械缺陷，导致灾难性的后果-变压器内部绝缘失效。振动分析法可用于监测此类变压器故障，即通过监测和分析变压器的振动信号，进行变压器状态监测变压器故障诊断与状态监测的主要技术红外测温技术 红外热成像技术借助于红外传感器接受被测对象辐射的红外信号，经信号调理并转换成标准的视频信号有监视器显示红外热像图，监测变压器引线接触不良、过负荷等引起的导电回路局部过热以及铁芯多点接地引起的铁芯过热变压器故障诊断与状态监测的主要技术频率响应分析法 (Frequency Response Anal

18、ysis, FRA ) 频率响应分析法用于检测由于短路或其它原因引起的变压器绕组偏移、机械变形，通过比测正常变压器与故障变压器的频响特性曲线判断变压器绕组的变形情况，实现变压器绕组状态的监测变压器故障诊断与状态监测的主要技术绕组温度指示 (Winding Temperature Indicator, WTI) 用于监测变压器绕组温度，变压器绕组温度超限时，发温度越限报警或必要时启动保护跳闸 将光纤嵌入大型电力变压器绕组直接实时地测量绕组温度，对变压器绕组的温度状态进行监测 变压器故障诊断与状态监测的主要技术恢复电压法 (Recovery Voltage Method） 基于总的绝缘系统状态评估

19、变压器寿命的监测方法，即利用一个直流电压绝缘系统（变压器）进行充电，到预定的充电时间后将电路短路，进行部分放电，短路时间为充电时间的一半，然后再开路，在电极两端会建立一个恢复电压，该恢复电压的最大值直接正比于绝缘材料的极化能力，而初始斜率则正比于绝缘材料的传导率，即材料使用时间越长，退化越严重，其响应的初始斜率就越高变压器故障诊断与状态监测的主要技术其它状态检测法 低压脉冲响应测试（用于确定变压器是否能通过短路试验的方法） 变压器调压开关监测 绕组间的漏感测试 油的相对湿度测试 绝缘电阻测试变压器故障诊断与状态监测的主要技术主要检测装置简介 * 变压器油色谱在线监测系统 * 变压器局部放电监测

20、系统 * 变压器绕组变形超声检测系统（在研） * 其它变压器监/检测系统（略）变压器状态评估电气试 验参量绝缘油试验参量运行工况其他信息历史状况变压器综合状态信息变压器故障预测变压器故障征兆、故障前期发展过程变压器状态评估可能发生故障的位置、时间、程度变压器故障发生（故障特征）变压器故障诊断故障定位和程度形成变压器维修决策评估体系四、断路器故障诊断与状态监测断路器故障诊断与状态监测的现状 国外的开关设备制造厂商将状态在线监测技术应用于产品中 德国西门子公司在高压断路器和GSI中采用了在线检测子系统 ABB公司在其开发的新型中压开关柜中，采用了温度传感器和感应式位移传感器来实现对断路器状态的检测

21、。 新技术和方法还在不断的引入，在信号传感方面新的技术，如光学技术已被用在断路器的状态监测上。 20世纪 90年代出现了微机型高压开关机械特性测试仪 断路器的检测技术大体上经历了从离线测试、周期性在线检测、长期在线监测的发展过程。断路器故障诊断与状态监测的现状 国内一些科研单位和厂家也在断路器机械特性监测和故障诊断方面进行了有益的探索，但尚没有成熟的断路器状态监测产品。 基于单片机的高压开关柜状态监测系统，能够检测断路器的行程和速度以及分合闸弹簧的状态等参数。 采用霍尔器件监测分合闸线圈电压特性，利用光电编码器监测分合闸速度特性的高压断路器机械特性在线监测系统也是实现方法之一。 断路器在线监测

22、的实质性进展缓慢，其原因为： 断路器结构复杂 如最重要的一个部件灭弧室，由于其封闭性强，电弧燃烧的不确定性，测量方式很难确定，测量效果不能证; 传感技术 限制了监测的发展;最后，断路器部件繁多，如操动机构，很难判断哪些部件容易发生故障，以便对其进行监测，造成了监测的盲目性，缺乏监测经验。断路器在正常运行时很少发生动作，造成关键数据的缺乏，不利于经验的累计。断路器故障的性质 国际大电网会议第13研究委员会对高压断路器的可靠性作过两次世界范围的调查： 第一次调查（1974一1977年） 调查对象：63kV及以上电压等级的高压断路器； 第二次调查（19881991年） 调查对象为72.5kV及以上电

23、压等级的现代单压式SF6断路器； 调查结果显示： 操动机构机械故障和电气控制、辅助回路故障在主要故障中比重占到78%以上，在次要故障中也超过了59%，断路器的主要故障为机械性故障 我国对1989年至1997年间高压断路器发生的4632次故障进行统计： 操动机构引起的故障：66.4%（占全部故障），其中机构故障： 55% （占全部故障）；二次部分故障占全部故障的11.4 % 。 我国对电力系统配电电压等级高压开关设备1990一1999年事故情况的统计分析表明全部故障中的大部分是机械故障。断路器状态监测的主要技术难点 工作状态的多样性 产品结构的差异性 故障发生的随机性 断路器的状态监测存在的主要

24、问题 (1)现有的在线测系统尚须对其设计和功能进行完善，缺乏数据积累，只能简单参照历史数据记录。应该使监测系统实现数据库建立功能； (2)以往人们所关心的是机械参数的计算结果，而对机械运动过程细节关心不多； (3) 系统的设计者将状态监测和故障诊断割裂来看，设计的系统只是采集数据，虽然得到了大量的状态参数但基本上没有数据分析功能，数据的整理、状态特征量的提取、分析仍然要靠人工完成； (4)现场运行人员普遍反映，监测仪器寿命过短(通常不超过10年)，精度不够高； (5) 设备由正常状态到故障的发生都是有一个过程的。但是现有系统对故障机理研究尚不够透彻，监测与诊断的手段不多，获取的信息不够全面，在

25、故障的诊断率和诊断的正确率、系统的稳定性等方面还存在问题。高压断路器故障诊断与状态监测系统 各 类传感器单片机模数转换采样保持测量放大器多路模拟开关信号调理通信模块485总线或其它在线数据采集装置高压断路器故障诊断与状态监测系统系统结构在线数据采集装置1在线数据采集装置2在线数据采集装置N485总线判定断路器状态进行故障诊断的信号故障诊断信号主要有： (1)采用语音识别的方法对断路器动作过程中产生的声学信号进行信号抽取、比较和表达，以发现早期的故障征兆。 (2)选取断路器动作时间、三相分合闸同期性及历史数据进行分析比较来诊断操动系统的故障。 (3)对脱扣线圈电流波形进行分析，与正常状态下的“指

26、纹”电流波形进行比较。 (4)根据振动信号分析来确定断路器的机械故障，采用离线测量接触电阻的方法评估断路器活动接触处的劣化状态及其载流状态。 (5)通过测量断路器动作时触头两端的电压，以及分/合闸线圈的的电流，从这些信号中获取分/合闸时间、燃弧时间、电弧电压、电弧能量等信息，从而判断断路器的状态及寿命期限。断路器故障诊断的主要方法 统计过程控制方法 振动信号判断机械故障法核心：传感器关键：信号处理方法方法：事件时刻提取及幅值分析法、 时频域复合分析法、动态时间 归整法、短时谱法、人工神经网络法、小波分析法 GIS设备故障诊断与状态监测 SF6气体绝缘的全封闭式组合电器特点： （1）占地面积小

27、GIS结构非常紧凑整个装置的占地空间大为缩小其占地面积可小到户 外变电站的30，且随电压升高占地显著减小 （2）运行可靠性高 不受外界环境的影响 （3）检修周期长 国际大电网会议资料：GIS的故障率为0.010.02/站 年约为常规设备 故障的十分之一，GIS的停电检修周期一般定为1020年，有工厂提 出免检修 （4）安装方便 GIS一般都在工厂装配后以整体形式或分成若干部分运往现场，缩短 现场安装工作量和工程建设周期GIS设备的绝缘故障 GIS各类故障中绝缘故障占有较大比例，根据CIGRE 23.10工作组国际调查报告的统计数据：1985年以前日本投运的GIS 562次故障中绝缘 故障占60

28、；1985年以后投入的GIS的247次故障中绝缘故障占51，而且绝缘故障又较多发生在较高电压的设备中GIS GIS设备的绝缘故障国内GIS运行情况GIS出现绝缘故障的原因GIS设备的绝缘故障GIS内部可能出现的缺陷类型绝缘子内部缺陷交接面缺陷导电微粒毛刺支撑绝缘子外壳导电杆毛刺GIS设备的绝缘故障 GIS内不同缺陷类型引发的绝缘故障率高压导体上的突出物5隔离开关的绝缘配合10与绝缘无关的缺陷8潮湿7支持绝缘子缺陷10载流接触11屏蔽和静电接触18微粒和外部物体20未知11GIS设备的局部放电检测方法GIS设备局部放电的现象 光现象、声辐射现象以及化学现象GIS设备局部放电的检测方法局放检测方法

29、非电气测试法电气测试法声 测 法化学方法光学方法常规测量方法超高频法 IEC60270标 准推荐的方法外被电极法测量通过地线的电流在绝缘子内预埋电极GIS设备的局部放电检测技术超高频法GIS局放检测原理（内置传感器） 内导体圆板感应电极圆板型传感器耦合输出圆环感应电极圆环型传感器耦合输出外壳真空断路器故障诊断与状态监测 真空断路器真空度检测 真空断路器机械寿命的检测 真空断路器电寿命的检测真空断路器真空度检测真空泡真空度的测试方法主要有: （1）工频耐压法 （2）磁控放电法 （3）声发射法 （4）高频放电法 （5）特斯拉线圈法 （6）吸气膜法 （7）高频电流法 （8）绝缘电阻法等。 定量测量真

30、空度较好的方法是磁控放电法,其测量范围可达10E-110E-5Pa。磁控放电法测量真空度基本原理磁控放电法测试仪组成原理 基于声发射的真空断路器真空度监测基本原理基于声发射的真空断路器真空度监测原理框图 RS/485Bn.cB1.cB1.bB1.a前置处理模块上位机预警信号基于电场测量的真空断路器真空度监测 真空断路器结构及传感器布局电场检测部分光导纤维接地真空断路器表面面板基于电场测量的真空断路器真空度监测电场检测传感器发光二极管光导纤维透镜起偏镜泡克尔斯元件电场检偏镜光导纤维光电转换真空断路器电寿命的检测电寿命计算方法N/次真空断路器电寿命曲线10E210E110E410E310E510E

31、110E010E-110E2真空断路器电寿命的检测影响真空断路器电寿命的主要因素是电磨损。触头的磨损与电流的大小有关，其磨损体积或重量与电流的关系为V: 磨损的体积或重量；K: 与触头材料的特性相关；为开断电流的加权指数， 在12之间变化。真空断路器电寿命的检测系统计算真空断路器电寿命采用的是开断电流加权累计法，可表示为Ib为断路器开断电流的有效值；N为在开断电流有效值为Ib时断路器的允许开断次数；Qg表征允许的电磨损总量。真空断路器电寿命的检测根据相应的真空断路器的电寿命曲线，计算得出其值和Qg值。真空断路器已损耗的电寿命的计算可以表示为 将之与表征允许的电磨损总量（Qg）相比较，可得出损耗

32、的百分比真空断路器电寿命的检测监测系统原理框图电流传感器A电流传感器B电流传感器C通信模块远程计算机信号调理电路模数转换电路单片机接口驱动电路开关量输入时钟电路ROMRAMLCDLCD五、结论研制优良性能、高可靠性的智能传感器研究电气设备故障产生的机理与特征研究电气设备故障诊断的方法研究综合的故障诊断与状态评估系统建立完善的状态检修组织机构和管理体制 谢 谢！运行状态评估、维修决策t状 态 监 测故障前期发展过程 （故障征兆） 故障发生（故障特征）故障灾害故障预报故障诊断可能发生的故障的位置、时间和程度故障定位故障程度t : 故障发展进程按故障发展进程分类的故障处理方法数据分析数据分析的过程数据预处理特征提取状态分类处理决策信号处理技术人工智能技术机理分析与建模计算机处理人工处理数据消噪、选取时域、频域、小波、分形、混沌模式识别神经网络专家系统 故障诊断（部位、程度） 维修决策故障诊断与状态监测系统的硬件构成故障诊断与状态监测系统（1