南理工-电气设备故障诊断课程-第1章绪论

电气设备故障诊断技术单梁南京理工大学自动化学院电气工程系1

单梁办公室电话：84315147办公室地点：基础实验楼338E-mail：shanliang@课件下载邮箱：shanliangnjust@163.comKey:sl100823课程任务和性质☆

本课程为电气工程及其自动化专业的一门专业选修课程。☆

基础课程：电路、模电、电力电子技术☆

课程任务：以电气设备的设计和应用为目标，介绍各类电气设备故障的诊断方法。

《电气设备故障诊断技术》.张建文.北京：中国水利水电出版社，2006.《电气绝缘在线检测技术》.严璋.北京：高等教育出版社，1998.《电气设备状态检测与故障诊断技术》.朱德恒.北京：中国电力出版社，2009.4参考书目5☆

考查形式：平时40％考试（开卷）60％1、绪论2、电气绝缘基础理论3、电力设备绝缘预防性试验4、电气设备在线检测与故障诊断5、红外紫外及激光成像技术的应用6、故障诊断新理论新方法7、笼型异步电机故障的信息融合诊断方法6主要内容及安排1.1、故障诊断技术的产生及作用1.2、故障诊断技术在国内外的发展简况1.3、故障诊断技术的构成与发展趋势1.4、电气设备故障诊断技术71、绪论1绪论第一节故障诊断技术的产生及其作用故障诊断：根据设备运行状态信息查找故障源,并确定相应决策的一门综合性的新兴科学。功能：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劣化趋势等，以确定合理的检修时间和方案。8电力系统的稳定性问题电厂电力网用户系统瞬间改变发电、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。

第一节故障诊断技术的产生及其作用历史上的大停电事故1965年由于保护继电器动作失灵导致的美国纽约大停电，造成近30亿美元经济损失，50多万人被困在地下和地铁的车厢里。1989年3月6日太阳出现过一次强度达的X15级耀斑，伴随产生的太阳风暴导致加拿大电力输送中断，600万人断电9小时之久，经济损失达10亿美元。第一节故障诊断技术的产生及其作用美国旧金山1998年2月8日，太平洋天然气电力公司(PGE)变电站发生停电事故，所有从圣马特欧变电站至旧金山的5条115kV输电线全部跳开，旧金山地区2个发电厂解列，456000多个用户停电。旧金山大停电第一节故障诊断技术的产生及其作用巴西大停电巴西圣保罗

1999年，由于闪电击中圣保罗的一个变电站，变压器跳闸导致电网解列，引起巴西南部地区停电长达4小时之久。停电波及巴西27个州的11个州，停电地区是巴西人口和工商业最密集的地区，直接影响1.7亿人的正常工作与生活，经济损失非常严重。由于停电发生在午间交通高峰时间，交通灯熄灭，引起严重交通堵塞。

第一节故障诊断技术的产生及其作用

美国纽约2002年3月位于曼哈顿东区的爱迪生联合电厂突然失火，并引燃了用于发电的燃油。这起事故造成纽约第14大街以南的6.3万户居民住宅停电，附近的格林尼治和索霍等地区也受到影响。居住在世贸中心遗址附近的居民又一次感受到了“９·１１”时的恐怖气氛。驾车者在昏暗的高速公路上小心翼翼地行驶，高大建筑内的人们在漆黑的楼道里摸索着前行，耳边不时传来阵阵警笛声。

纽约大停电（II）第一节故障诊断技术的产生及其作用菲律宾主岛吕宋岛2002年5月21日由于海底电缆损坏，引发大面积停电事故，全国人口一半以上受到影响。首都马尼拉和广泛地区四千多万人没有电力供应。

这次停电对菲律宾的商业运作造成重大打击。受停电影响，铁路系统停顿，数以千计的乘客被困车厢内；菲律宾股票市场也被迫中断交易。

菲律宾大停电第一节故障诊断技术的产生及其作用加州大停电

美国加州2002年1月以及3月连续两次发生全州停电事故。为防止整个系统瘫痪，加州实行了二战后的首次灯火管制，以避免对电力设备造成损害，引发更大面积的不能控制的断电事故。电力官员称用电高峰再次对该州设备严重老化的电力系统带来完全瘫痪的威胁，加州已宣布进入3级紧急状态。

Cisco、IBM和Intel等公司担心加州能源危机恶化，正考虑撤离硅谷。加州议会曾拟定一项4亿美元的电力拯救计划。第一节故障诊断技术的产生及其作用

希腊北部地区2002年6月12日下午由于气温过高，希腊北部最大城市萨洛尼卡附近一座变电站内的变压器突然发生爆炸，造成包括该市在内的大部分希腊北部地区供电中断。发生长达一个多小时的严重停电事故，造成许多城市交通瘫痪，通讯系统无法正常工作。

瑞典首都斯德哥尔摩于2002年3月11日开始，由于地下隧道的输电电缆被烧毁，连续两天发生大面积停电事件，造成许多工厂停产，严重影响了当地居民的正常生活。英国南部莱斯特郡5月11日发生大面积停电。2万多户家庭连续几天生活在黑暗中。附近的肯特郡、萨塞克斯郡和萨里郡的3.1万户家庭的断电现象则持续了更长一段时间。

第一节故障诊断技术的产生及其作用

在我国，近20年来各大电网中规模较大的停电事故约有140余起，每次损失数以亿计。近几年事故次数虽有所下降。但其规模和造成的损失却大幅度扩大和上升。随着全国电网的形成，电力系统重大事故也更将危及到我国国家安全。第一节故障诊断技术的产生及其作用台湾1999年7月29日全岛发生五十年来最大的一起停电事故，南北两条超高压输电线路损坏，进而引发连锁反应，造成台中电厂、通霄电厂、林口电厂、协和电厂、深澳电厂以及核能一、二、三厂全部跳闸，总跳机电量高达1000万千瓦，全台湾停电用户高达900万户。包括机场、医院、科学园等敏感地区，都一度陷入停电状态。直接经济损失在150亿新台币以上。新竹科学园的26座晶片厂生产线因此停顿1至2天，每座晶片厂的损失估计超过5000万元，由于适逢月底出货高峰，总计这次大停电造成新竹科园区的损失约新台币100亿元以上。台湾大停电第一节故障诊断技术的产生及其作用

辽沈地区2001年2月22日遭遇最严重大面积停电事故，沈阳市区停电面积已经超过70%。辽沈停电事故是从高压输电线路的燃弧放电开始的。辽沈为我国重工业区，含盐的空气污染物附着在绝缘瓷瓶上，大雾湿气使瓷瓶绝缘能力降低，电流沿着瓷瓶表面爬升，出现闪烙放电现象。辽沈停电事故中，几乎所有的高压输电线路都“火冒三丈”，停电事故最厉害的就是工业集中、污染严重的铁西区，该区全部停止了电力供应，损失巨大。辽沈大停电第一节故障诊断技术的产生及其作用停电原因城市电网结构

管理不善设备故障

检修

电源不足

外部因素气象影响

上海0.06

2.12

45.31

39.17

0.00

10.78

2.56

太原1.63

3.04

16.76

64.710.53

10.31

3.02

长春0.40

1.82

14.66

69.26

0.00

8.02

5.84杭州2.97

4.82

18.44

67.18

0.00

5.34

1.25

广州0.00

19.4528.6950.96

0.00

0.00

0.90

西宁0.04

3.78

49.50

29.19

0.00

17.490.00(%)第一节故障诊断技术的产生及其作用视频1视频2

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。

第一节故障诊断技术的产生及其作用2122第一节故障诊断技术的产生及其作用长期以来，由于人们无法准确掌握设备运行情况，因而不能预知事故的发生，所以不得不采取两种维修对策：1）等设备坏了再维修，称为事后维修这种办法的问题是经济损失很大。因为等设备运行到破坏为止，往往需要昂贵的维修费用；灾难性的损坏需要更换设备，还可能造成人员伤亡。2）定期检修设备，称为预防维修有一定的计划性和预防性，但其缺点是如无故障，则经济消耗较大。

因此合理的维修应是预知性维修。即在设备故障出现的早期就监测隐患，提早预报，以便适时、合理地采取措施。故障在线诊断技术也应运而生。23第一节故障诊断技术的产生及其作用

故障诊断的作用主要有：1）早期预报，防止事故发生；2）预知性维修，提高设备管理水平；3）方便检修，缩短了维修时间，提高设备利用率；4）对提高设备地设计制造水平，改善产品质量有指导意义。作用：减少了事故停机损失；提高了设备运行的可靠性和经济效益；降低了维修费用。其优越性已为越来越多的所共识，进而得到重视。

24第一节故障诊断技术的产生及其作用可靠性：指设备在规定的时间内、规定的条件下完成规定功能的能力。

可靠性定义的三要素：规定的条件、规定的时间、规定的功能。25第一节故障诊断技术的产生及其作用规定时间：系统的可靠性与规定的时间也密切相关。系统的可靠性将随时间的推移而降低。规定功能：规定的功能越强，系统的可靠性越低。条件：环境的温度、湿度、气压、加速度等。功能：预定性能和指标。可靠性规定条件：系统的可靠性与规定的条件关系密切，同一系统在不同的运行条件下的可靠性完全不同。第一节故障诊断技术的产生及其作用26串联系统的可靠性设不可维修系统S由n个独立子系统串联组成。任何一个子系统失效都会引起系统S的失效，那么系统S的寿命T为：T＝min(T1,T2,…,Tn)串联系统概念图27串联系统的可靠性串联系统S的可靠度为：串联系统S的失效率为：表明：串联系统的失效率等于所有子系统失效率的总和。28并联系统的可靠性设系统S由n个独立子系统并联组成。并联系统概念图29并联系统的可靠性由n个独立子系统并联组成，只有所有部件均失效时系统才会失效。因此系统S的寿命T为：T＝max(T1,T2,…,Tn)并联系统S的可靠度为：表明：并联系统随着子系统的增加，系统的可靠度将单调递增。30“浴盆”曲线：故障率与使用寿命之间的关系。重新进入稳定期31第一节故障诊断技术的产生及其作用“浴盆”曲线统计表明，多数不可修复设备的故障率与时间的关系呈浴盆曲线，起始故障率呈下降趋势，之后保持基本恒定，最后呈上升的趋势。可靠度与时间关系第I阶段：早期故障期(初期)，反映了设计或制造工艺的缺陷；第II阶段：偶发故障期（稳定期），故障率较低，且近似为常数；第III阶段：设备进入老化阶段（劣化期），故障率呈上升趋势。32电气设备的维修体制：事后维修（breakdownmaintenance）：等到设备无法正常工作时再进行维修预防维修（preventivemaintenance）：预先制订计划，定期进行检修和更换

状态维修（condition/predictivemaintenance）：根据设备状态来确定维修工作的内容和时间、制定维修方案当修则修避免了“过渡维修”和当修不修33第一节故障诊断技术的产生及其作用34第二节故障诊断技术在国内外的发展情况20世纪60年代后期首先在美国出现最初的目的是用于对航天、核能、军事装备等进行早期异常检测。

故障诊断技术是人们在社会生产实践中付出了沉重的经济代价后的产物。35第二节故障诊断技术在国内外的发展情况一、国外发展概况英国、丹麦、瑞典等国也相继开展了此项工作。日本在许多产业部门也积极开展这方面的研究和应用工作，许多技术得到了成功的应用。

第二节故障诊断技术在国内外的发展简况

1967年，成立美国机械故障预防小组（MFPG）。36二、国内发展概况国内的研究始于20世纪70年代末期。1983年，国家在相关条条例中规定：“根据生产需要，逐步采用现代故障诊断和状态监测技术，发展以状态维修为基础的预防性维修。”

80年代初，国内一些大学等相继成立了故障诊断研究室。目前，国内很多200MW以上的汽轮发电机组，都装有状态监测系统。应用领域极其广泛……37第二节故障诊断技术在国内外的发展简况

一、故障诊断技术的构成：故障诊断机理的研究：（理化原因等）故障诊断信息学的研究：（数据采集与分析）诊断逻辑和数学原理方面的研究：（诊断与决策）四项技术：

检测技术(采集信号、参数)

信号处理技术（提取状态信息）识别技术（分析、判断）预测技术（决策和预测）38第三节故障诊断技术的构成与发展趋势

二、故障诊断与状态监测的关系工况监测：

对反映设备或系统工作状态的信息进行全面监测和分析，实时掌握设备基本工作状态。一般所谓的工况监测实际上就是状态监测。（conditionmonitoring）状态监测：又称为简易诊断，通过监测结果与设定阈值之间的对比，仅对设备运行状态作出正常、异常或故障的判断，而对故障的性质、严重程度等不予或无法进行更加深入的诊断。39第三节故障诊断技术的构成与发展趋势

三、故障诊断技术的发展趋势40第三节故障诊断技术的构成与发展趋势

故障诊断研究仍有一段艰巨的路程要走。目前和今后的主要研究可归纳为：多传感器数据融合技术；在线实时故障检测算法；混合智能故障诊断技术；基于因特网的远程协作诊断技术；以故障监测及分离为核心的容错控制、监控系统和可信性系统研究等。多信息量融合，多层次诊断集成

集成知识库中的各种诊断知识，结合数据库中的各种故障数据，按照不同的故障情况进行综合分析、判断，定位故障点。主要对状态监测所得到的信息进行融合，结合层次诊断模型，按照深浅结合的推理层次进行诊断。它进一步把状态监测中的信号监测处理集成到诊断系统中，进行在线数据处理与在线诊断推理，实现非实时诊断到实时诊断的转变，也实现信息诊断与智能诊断的统一。41基于集成型智能系统的诊断方法

随着电机设备系统复杂,依靠单一的故障诊断技术已难满足复杂电机设备的故障诊断要求,因此上述各种诊断技术集成起来形成的集成智能诊断系统成为当前电机设备故障诊断研究的热点。主要的集成技术有:基于规则的专家系统与ANN的结合,模糊逻辑与ANN的结合,混沌理论与ANN的结合,模糊神经网络与专家系统的结合。42基于集成型智能系统的诊断方法

如：专家系统与神经网络的结合能充分利用专家系统的专家经验和神经网络强大的非线性映射能力。模糊神经网络技术是把人类的经验和知识进行数字化的模糊处理,把规则和推理转换成神经网络的映射处理和直接从数据样本中提取经验规则,然后把这两种转换结合起来进行智能信息处理的技术。充分利用了神经网络处理数字化知识的特点和模糊逻辑处理结构化知识的特点。43远程协作诊断

基于因特网的设备故障远程协作诊断:是将设备诊断技术与计算机网络技术相结合，用若干台中心计算机作为服务器，在关键设备上建立状态监测点，采集设备状态数据；在技术力量较强的科研院所建立分析诊断中心，为企业提供远程技术支持和保障。44远程协作诊断

应重点研究和解决如下几方面的问题：远程信号采集与分析；实时监测数据的远程传输；基于Ｗｅｂ数据库的开放式诊断专家系统设计；通用标准。45诊断与控制相结合

把诊断系统和控制系统进一步结合，达到集监测、诊断、控制、管理于一身。根据当前设备的健康状况决定设备运行方式或策略，最终预知故障，从而防止故障的发生，是目前诊断技术的最高目标。46第四节电气设备故障诊断技术一、电气设备：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、电流互感器、

电容器、高压套管、避雷器

以及各种电动机等。47第四节电气设备故障诊断技术一、电气设备：电力电子系统中是以满足用电要求为目标，以电力半导体器件为核心，通过合理的电路拓扑和控制方式，采用相关的应用技术对电能实现变换和控制的装置。481）AC/DC变换器又称为整流器。交流电能转换为直流电能。采用自关断器件的高频整流器，能使输入电流波形正弦化，并且跟踪输入电压，做到功率因数接近1，正逐步取代相控整流器。2）DC/DC变换器一种直流电能转换为另一种直流电能。PWM控制的DC/DC变换器，称为直流斩波器，主要用于直流电机驱动和开关电源。新的软开关DC/DC变换器显著减小了功率器件的开关损耗和电磁干扰噪声，提高了开关电源的功率密度，有利于变换器向高效、小型和低噪方向发展。第四节电气设备故障诊断技术一、电气设备：电力电子系统中的电气设备493）DC/AC变换器逆变器。直流电能转换为交流电能。恒压恒频（CVCF）和变压变频（VVVF），前者作为稳压电源，后者用于交流电动机变频调速。逆变器以SPWM（sinusoidalpulse-widthmodulation正弦脉宽调制）控制方式为主。4）AC/AC变换器交流电能转换为另一种规格的交流电能。输入输出频率相同的称为交流调压器，频率变化的称为周波变换器或变频器。主要用于调光、调温及低速大容量交流电机调速系统。第四节电气设备故障诊断技术一、电气设备：电力电子系统中的电气设备505）静态开关（静态转换开关STS）又称为无触点开关，是由电力电子器件组成的可控电力开关，通断没有触点动作，消除了电弧的危害，通断时间快，自动化程度高。第一路出现故障后STS自动切换到第二路给负载供电，第二路故障时STS自动切换到第一路给负载供电。适合用于UPS-UPS，UPS-发电机，UPS-市电，市电-市电等任意两路电源的不断电转换。主要由智能控制板、高速可控硅、断路器构成。第四节电气设备故障诊断技术一、电气设备：电气设备一般由电