电气设备故障监测与诊断

王永强电气设备故障监测与诊断电气故障的主要原因制造工艺存在缺陷恶劣的环境和苛刻的运行条件材料的劣化缺乏良好的管理及维护

电气设备的特征

电气设备——发电机、变压器、高压电机、电压与电流互感器、高压断路器、电力电缆等。主要针对高电压等级设备进行研究和探讨。

处于高电压（强电场）作用下，电气绝缘是主要问题；对于旋转电气设备，振动、磨损、疲劳等都是必须严格注意的；

由于实现着能量的转换或传递作用，发热的因素在电气设备中起着关键的破坏性作用；电气设备的可靠性是多种因素共同作用的结果，必须综合进行考虑。故障的分类

按产生的原因分类按工程技术的安全性分类按系统功能丧失的程度分类按发生的速度和发展进程分类

磨损性故障----机器或系统正常运行时磨损引起的故障，实际上反映了机器的寿命。

错用性故障----运行中操作不当或以外情况引起机器中某些某些零件应力超过设计允许值而产生的故障。

薄弱性故障——机器运行中应力没有超过设计规定值，但由于设计和制造不恰当造成机器中存在某些薄弱环节形成的故障。故障的分类

按产生的原因分类按工程技术的安全性分类

按系统功能丧失的程度分类按发生的速度和发展进程分类

危险性故障——故障发生后会对人身、生产和环境产生危险安全性故障故障的分类

按产生的原因分类按工程技术的安全性分类按系统功能丧失的程度分类

按发生的速度和发展进程分类

永久性故障——必须更换某些零件后，机器才能恢复其功能。永久性故障又包括：全部丧失功能的完全性故障和丧失局部功能的部分性故障。

非永久性故障——或称间断性故障，故障使部件丧失某些功能，但不需更换零件就可以排除故障使机器恢复其全部功能。

故障的分类

按产生的原因分类按工程技术的安全性分类按系统功能丧失的程度分类按发生的速度和发展进程分类

发生速度： 突发性故障 渐发性故障发生进程： 初期故障 偶发故障 磨损故障设备的故障模式

故障模式是按故障状态进行的分类，是故障现象的综合表征，与设备本身的特性和运行环境都有一定的关系。设备常见故障模式

运动设备部件的磨损、声音异常、振动异常、晃动、温升异常、泄漏等；

静止设备部件的松动、变形、断裂、龟裂、腐蚀、材质变化等；

电气设备的绝缘击穿、温度异常、绝缘裂化或烧损、短路、断线等。设备故障模式[据日本统计]现代电气设备的造价及运行可靠性在很大程度上取决于设备的绝缘结构。电力设备金属材料绝缘材料绝缘介质紧固支撑冷却媒介绝缘结构的作用

绝缘材料液体绝缘:绝缘油固体绝缘：绝缘纸、电瓷、云母交联聚乙烯等气体绝缘:空气、SF6

真空绝缘实际绝缘结构通常是由几种电介质联合构成的组合绝缘。

固-液绝缘固-气绝缘绝缘劣化及其影响因素

电气因素机械因素温度和热稳定性受潮化学稳定性和抗生物特性为了使设备的外形尺寸保持在可以接受的水平，现代变压器相对于以往的设计采用了更为紧凑的绝缘方式，因此在运行中其内部各组件间的绝缘所需承受的热和电应力水平显著提高。

图1有机绝缘的伏秒特性及运行中各种电压下的场强

1

油纸电气强度；

2

胶纸电气强度；

3

运行中各种电压下的场强；

E0

长期工作场强1.电气影响长期工作电压

短时的过电压

2.机械影响机械负荷长时间振动短路应力图2不同耐热等级的绝缘材料在各种运行温度下长期运行的寿命3.温度影响季节变化长期过负荷热老化表1电介质的耐热等级耐热等级工作温度(℃)电介质O90木材、纸、纸板、棉纤维、天然丝；聚乙烯；聚氯乙烯；天然橡胶A105油性树脂漆及其漆包线；矿物油及浸入其中的纤维材料E120酚醛树脂塑料；胶纸板、胶布板；聚酯薄膜；聚乙烯醇缩甲醛漆B130沥青油漆制成的云母带、玻璃漆布、玻璃胶布板；聚酯漆；环氧树脂F155聚酰亚胺漆及其漆包线；改性硅有机漆及其云母制品及玻璃漆布H180聚酰胺聚酰亚胺漆及其漆包线；硅有机漆及制品；硅橡胶及玻璃漆布C>180聚酰亚胺漆及薄膜；云母；陶瓷；玻璃及其纤维；聚四氟乙烯热老化规律——6度规则试验表明，对于常用的A级绝缘，如油纸绝缘，则温度每超过6℃，则寿命约缩短一半。而对于

B、H级绝缘则分别约为10℃及12℃。

水分被吸收到电介质内部或吸附到电介质的表面以后，它能溶解离子类杂质或使强极性的物质解离，严重影响介质内部或沿面的电气性能：在外施电压下，或者在电极间构成通路，或者在高温下汽化形成“汽桥”而使击穿电压显著降低。

4.受潮局部电弧水带绝缘介质5.化学稳定性及抗生物特性

在户外工作的绝缘应能长期耐受日照、风沙、雨雾冰雪等大气因素的侵蚀。在含有化学腐蚀气体等环境中工作时，选用的材料应具有更强的化学稳定性，如耐油性等。工作在湿热带和亚湿热带地区的绝缘还要注意材料的抗生物（霉菌、昆虫）特性，如有的在电缆护层材料中加入合适的防霉剂和除虫涂料等。

绝缘介质的电气特性可以将不同电场强度下，电介质中所呈现的电气现象分为两类：1.在强电场下（当外施场强大于该介质的击穿强度时），将出现放电、闪络、击穿等现象，这在气体中表现最为明显。2.在弱电场下（当外施场强比该介质的击穿场强小得多时），主要是介质中的极化、电导、介质损耗等。以下将分析气体放电及液、固体介质的电气性能。

气体放电的基本过程

放电（Discharge)击穿(Breakdown)闪络(Flashover)火花放电(Sparkover)

电弧(Arc)汤逊放电理论外界电离因子阴极表面电离气体空间电离气体中的自由电子电场中加速碰撞电离电子崩（α过程）正离子阳极表面二次发射（γ过程）巴申曲线图3棒-棒及棒-板空气间隙的工频击穿电压Ub与间距d的关系的试验曲线（1,2,4为棒-棒；3,5为棒-板）

气隙击穿的三个必要条件足够高的电压。在气隙中存在能引起电子崩并导致击穿的有效电子。需要一定的时间让放电得以逐步发展直至击穿。冲击电压下的击穿电压与直流或工频电压下的击穿电压不同。当外施电压快速升高，于时t1虽已达在持续作用电压下的击穿电压Us，但击穿过程并不立即开始，要过ts（统计时延）才出现第一个有效电子；再经过碰撞电离、电子崩到完成击穿，还须tf（放电形成时延）。

图4放电时间的组成冲击击穿电压及过电压保护ut0s1s2图550%伏秒特性

1.0%伏秒特性；2.100%伏秒特性；

3.50%伏秒特性；图6伏秒特性间的配合因为ts和tf都带有统计性，所以冲击下击穿电压与放电时间的关系——伏秒特性具有较大的分散性，工程上常用50%伏秒特性来表征。以避雷器保护变压器为例，就必须根据伏秒特性进行绝缘（强度）配合，如在图2中S2就能较好地保护S1。

气体中的沿面放电(cm)图7不同材料的工频下沿面闪络电压（峰值）

1—纯气隙；2—石蜡；3—胶纸筒；4—电瓷沿着固体介质表面的闪络电压不但远低于固体介质的击穿电压，而且也比相同极间距离的纯气隙的击穿电压低。如果表面潮湿、脏污时，沿面闪络电压更低。这是选择输电线路和变电所外绝缘时的关键因素。

输电线和变电站所用的绝缘子大多在户外运行，因此还要考虑湿闪及污闪的情况，这时的放电电压远低于乾闪。

图8沿套管表面放电示意图(a)电晕；(b)辉光；(c)滑闪；(d)套管表面等值电容1—导杆；2—法兰当电压不太高时，接地法兰边缘先出现电晕而形成光圈，随着电压的升高，电晕延伸成火花细线，电流密度仍很小；当外施电压超过某临界值时，很亮、带紫色的火花紧贴介质表面此起彼伏，这时电流密度已较大，电压再增不多常就形成表面闪络。根据电源容量大小，放电转变为火花放电或电弧放电。图9盘形绝缘子串在雨下的可能闪络路径在有污秽的地区，污闪所造成的损失很大，因它可在工作电压下发生，且引起大面积停电。常用的防污措施：增大泄漏距离。定期或不定期的清扫。使用憎水性涂料。改用防污性能好的绝缘子。

防污措施电介质的击穿如是极其纯净的液体及固体介质，发生电击穿的电压将很高。但工程电介质材料中不可避免地会含有一些杂质，如气泡、水分、纤维、炭粒等，它们对介质的击穿过程及击穿电压有很大影响。电击穿：由于电场作用所直接引起。热击穿：仅靠增加绝缘厚度以提高击穿电压已难以奏效。电化学击穿：因长期局部放电而引起。绝缘及其故障

发电机的绝缘故障根据多年来国内外大型发电机的运行、试验以及事故分析表明：由于设计制造、安装和非正常运行造成的缺陷，在电、热、机械、化学等因素作用下逐渐发展并导致绝缘损坏的事故。定子绕组绝缘击穿

约占发电机事故总数的1/3，主要原因是绝缘老化、磨损和受潮。绝缘老化 发生在运行20年以上的中小容量发电机上绝缘磨损 发生在制造工艺不良、端部固定不当的发电机上绕组绝缘受潮主要由冷却因素引起定子绕组绝缘击穿定子绕组导线内堵塞

可致使局部绝缘过热损伤，主要原因在于运行中的化学和电化学腐蚀或氧化引起定子绕组绝缘击穿定子绕组导线内堵塞定子铁心烧损

铁心由叠片组成，片间必须有足够的绝缘电阻，如由于铁心短路、异物落入使绝缘破坏，造成局部的过热或放电现象，可能进一步损伤铁心或损坏绕组绝缘，引发更大的绝缘故障。定子绕组绝缘击穿定子绕组导线内堵塞定子铁心烧损定子绕组端部焊接缺陷转子通风系统堵塞并烧损绝缘转子线圈匝间短路绝缘及其故障

变压器的绝缘故障变压器在运行中绝缘损坏事故，从其结构上可分为纵绝缘和主绝缘事故。其次是套管事故以及因套管顶部裂纹导致的渗水引起的绝缘损伤。此外，还有铁心以及分接开关事故。绕组纵绝缘故障

纵绝缘指绕组匝间绝缘和段间绝缘。纵绝缘事故主要是由于制造中的绝缘裕度不够或工艺缺陷。如对于纠结式绕组变压器，匝间工作电压很高（数千伏），段间可高达近万伏。设计时绝缘厚度不够、材质差，工艺上不均匀、不光洁等都容易导致绝缘事故的发生。绕组纵绝缘故障绕组主绝缘故障

主绝缘指绕组对地和绕组相间的绝缘。破坏：绕组相对地或相间短路，使绕组严重损伤，甚至油箱变形、开裂。故障危害大的主要是绝缘围屏的数枝状放电，其发展有一个较长的过程，初始阶段较缓慢，促使其发生的条件，除局部场强较高和原有局部缺陷外，还与运行状况，如有无过电压、绝缘是否受潮等有关。绕组纵绝缘故障绕组主绝缘故障进水受潮引起的绝缘事故过电压引起绝缘故障异物引起的绝缘事故

绝缘及其故障

电压、电流互感器的绝缘故障变压器在运行中绝缘损坏事故，从其结构上可分为纵绝缘和主绝缘事故。其次是套管事故以及因套管顶部裂纹导致的渗水引起的绝缘损伤。此外，还有铁心以及分接开关事故。电流互感器绝缘结构特点高压电流互感器（110KV及以上）的绝缘为电容均压结构。电容型套管高压引出部件，60KV及以上的高压套管均采用电容型结构。按使用的绝缘材料的不同，有油浸套管和胶纸套管。电压互感器与电力变压器相同，有一次高压绕组和低压绕组（二、三次）密封不良，运行时进水受潮约占事故总数的1/3，主要在顶部螺孔或隔膜老化开裂处，可以导致运行中的爆炸。绝缘有缺陷引起爆炸绝缘不均匀、电容屏断裂或皱褶、匝间或层间绝缘薄弱可引起绝缘击穿。其他，典型的有局部放电损坏、绝缘介质热老化、悬浮放电等缺陷。绝缘及其故障

电力电缆的绝缘故障电力电缆由导电线芯、绝缘层和保护层三部分组成。绝缘层必须具有优异的电气绝缘性能，一般以绝缘电阻、介电常数、介质损耗以及电气强度来表征。此外，还应有较好的机械性能、热性能、工艺性能、物理及化学性能。绝缘及其故障

电力电缆的绝缘故障电力电缆有粘性浸渍纸、充油、充气、橡皮塑料等绝缘结构形式。绝缘材料几乎都是高分子有机化合物老化以及绝缘缺陷（材料缺陷、设计不周、工艺不严等）是产生故障的主要原因，电缆施工中受力过大、弯曲过度，电缆内部涨缩等也会造成电缆故障。电机（发电机、高压电动机）的故障

电机的构成和分类定子 输入功率、产生磁场的静止部件。对交流电机，定子磁场是旋转的；对直流电机，定子磁场是静止的。转子 轴上传递机械功率、产生与定子磁场相对运动的磁场。转子上部件承受着机械应力和电磁力。轴承装置其它附属机构如集电环与换向器，接线盒，风扇，端盖，附件等。应用最广泛的四类电机：同步发电机、同步电动机、异步电动机、直流电动机。电机（发电机、高压电动机）的故障

电机的构成和分类

电机故障诊断技术的特点根据电机的工作原理，在它内部存在着几个相互关联而又不可截然分割的工作系统。因而，电机诊断涉及较多技术领域。存在相互独立的电路和一个耦合电路的磁场。电机内不同绝缘结构构成了一个整体，即电机的绝缘系统

结构上实现一个可以相对运动的整体——基本的机械系统

发热和冷却，需要一定的通风散热系统。电力变压器的故障

电力变压器主要由线圈（初级、中级、次级）、铁心、外壳、套管、油枕等组成。根据需要，还设置有分接开关、散热器（冷却装置）、瓦斯继电器等辅助设备。电力变压器运行中的要求音响正常无杂音无严重漏油现象，油位及油色正常油温不超过正常值（相对于运行状况及环境条件而言）外壳完好接地套管良好电力变压器的故障

电力变压器运行中的要求变压器的故障

电路故障 磁路故障 绝缘油故障 结构方面的故障线圈故障绝缘老化制造工艺存在的缺陷线圈层间短路导线表面电晕受潮过电压引起的绝缘击穿系统短路振动和撞击线圈相间短路引线和套管的故障电力变压器的故障

电力变压器运行中的要求变压器的故障 电路故障

磁路故障 绝缘油故障 结构方面的故障穿芯螺栓及轭铁夹件碰接铁心，表现为局部的严重过热硅钢片片间绝缘损坏，引发铁心发热铁心接地不良，形成静电放电系统电压超过分接头的电压，多由于电压中的高次谐波引起铁心安装缺陷

电力变压器的故障

电力变压器运行中的要求变压器的故障 电路故障 磁路故障

绝缘油故障 结构方面的故障电气绝缘的降低油的氧化和变质油的高温分解油箱和散热器漏油

电力变压器的故障

电力变压器运行中的要求变压器的故障 电路故障 磁路故障 绝缘油故障

结构方面的故障分接开关的损坏 表现为动触头和静触头接触面的烧损，多由于结构缺陷、接触压力不足、变换位置时接触不准确或电动力与电弧的作用。有载分接开关的故障瓦斯保护动作高压断路器的故障

断路器是变配电的重要电气设备，不仅可以接通和断开线路电流，而且当线路发生故障时，它和保护装置、自动装置相配合，能迅速切断故障，以减少停电范围，防止事故的扩散。在电力网中的断路器，按其灭弧介质分为液体介质断路器（如多油断路器与少油断路器）、气体介质断路器（如压缩空气断路器和SF6断路器）、真空断路器及磁吹断路器等。断路器的常见故障

断路器烧坏或爆炸 当断路器在缺油情况下切断短路电流，电弧不能熄灭，将引起断路器烧坏甚至爆炸。在断路器切断超过容许短路电流时，会造成断路器触头熔焊。断路器绝缘子破坏，拉杆瓷瓶断裂，橡皮密封垫有缺陷断路器操作机构拒绝跳闸 发生在远方操作断路器时，会延迟事故的消灭，扩大事故影响。断路器操作机构拒绝合闸，动作不灵断路器自动跳闸或自动合闸断路器严重渗油或油变质断路器运行温度不正常SF6单压式断路器故障模式对监测必须集中到一些少量的设备，主要是电力变压器、气体绝缘全金属封闭变电所、仪表用互感器。检测地点的选择：电网中有全局意义的、有过负载危险的、从运行经验中了解到有较高危险的设备类型对检测的要求绝缘试验及检测的特点破坏性试验及非破坏性试验直流耐压及交流耐压离线试验及在线监测电气方法与非电方法1.破坏性试验及非破坏性试验绝缘试验绝缘特性试验绝缘电阻试验介质损失角正切值(tgδ)试验局部放电试验绝缘耐压试验交流电压试验直流电压试验雷电冲击电压试验操作冲击电压试验绝缘试验的分类如需进行耐压试验，必须在非破坏试验即绝缘特性试验合格后才进行。2.交流耐压、直流耐压及冲击试验冲击试验：考核设备在雷电及操作过电压下的特性。比较真实、可靠的，特别对变压器等绕组结构的而言。难于在现场进行。

交流耐压试验：一般仅在交接试验及大修后进行，因为它虽然考验很严格，有利于发现某些缺陷，但可能产生严重的“副作用”。但交流设备用直流试验不够真实，例如油纸串联时，交流下电场分布取决于介电常数ε，而直流却取决于电阻率ρ。因此两者并不等效。

3.离线试验及在线监测在线监测的优点高压设备上所加的是运行电压，比停电试验电压高得多，因此测得的参数更真实、灵敏；可以随时进行检测，能够及时发现缺陷。在线监测的缺点造价高；可测试项目较少；易受环境因素影响。4.电气方法与非电方法绝缘介质的劣化过程，常伴有热、声、化学等参数的变化。而有些参数较易于测到、或外界干扰少，更应充分予以利用。油中气体分析DGA(DissolvedGasAnalysis)对发现油浸电力设备中的电弧放电、局部过热等潜伏性故障相当有效；红外热成象（Thermovision）可用于发现较小尺寸设备，如避雷器、互感器、套管等的热点故障；超声法对测量振动以及放电定位相当有效。

电气诊断特点任何诊断问题都是以征兆为线索的，变压器故障诊断的困难在于：一般说来，故障和征兆之间并不存在简单的一一对应关系，一种故障可能对应多种征兆，而一种征兆也可能对应着多种故障。因此仅仅依靠单一的检测项目，对故障的分析是不全面的，需要对各种试验结果进行综合推理。

运行电气设备

电、热、机械、环境等因素作用

性能逐渐劣化

故障

事故

巨大损失

故障

各种前期征兆

电气、物理、化学特性的少量、渐变

特性变化的大小和趋势

早期发现故障电气诊断定义

通过对电气设备的试验和各种特性的测量，

了解其特征