电力系统设备状态监测与故障诊断技术分析

作者：周德强

来源：《经济技术协作信息》 2018年第8期

一、电力系统设备状态监测的概述

在实际应用中，有故障预报、故障诊断和状态监测等几个在内容上相近但存在差别的概念。

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。

以上几个概念的关系它们是按故障发展的时间进程进行分类的。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。对故障的预测或预报必须建模和仿真，而故障诊断也需要对故障的机理进行分析和研究，不能仅仅依靠信号处理的方法，只分析故障的外在表现，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。但是，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。

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。

另外，有些情况需要具体对待，例如对于输电线和电缆的接地故障，用户首先要对故障点定位，这就需要采用故障诊断的方法，而不是状态监测的方法。状态监测应该包括以下任务：（1）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。（2）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。（3）对设备的运行状态进行评估，并对这种评估进行分类。当一定的标准形成后，为状态检修的实施提供依据。

当然，状态监测的评估也应该包含对设备异常(或故障)状态的估计及对未来变化的预测，并不断创造条件，使这种评估水平逐步接近理想境界。状态监测可以为设备积累完整和科学的运行记录资料，这在过去的管理体制下是很难实现的。因此，状态监测系统对现代设备管理是必要的。对设备运行状态的分类可以作为设备维护管理的根据。这样，可以从根本上改变目前“定期维修”的旧的管理体制，避免“过剩维修”，对有故障隐患的设备及时检修，提高设备运行的安全性和可靠性。状态检修是我国即将面临的先进的设备管理体制，而状态监测是这一管理体制的技术保证和实施的依据。

二、电力系统监测设备和故障分析

1. 被监测设备和故障的种类及特点。对不同的设备和不同的故障类型，采用的状态监测的方法可能完全不一样。一些机械装置和控制系统常用的故障诊断方法并不适合于电力系统设备的特定情况。因此，必须首先认识电力系统设备故障的类型和特点，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，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。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、冷却系统故障(氢冷和水冷系统)、机械系统故障、部分转子故障等。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。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，很多缓变故障及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。

绝缘故障是电力系统设备的主要故障之一。很多故障现象都直接或间接地与绝缘有关，可以说，绝缘的寿命就是设备的寿命。电力系统设备绝缘故障特征表现在多个方面，不仅表现在很多电参数上，而且还有力、热、声、光等物理方面和气体、油等化学方面的特征变化。绝缘故障与设备的绝缘结构、分布、环境都有关，形成机理复杂。另一方面，对设备绝缘故障的定位和绝缘损坏程度的诊断还存在很大的困难。这也正是电力系统设备故障的特点和难点之一。由于绝缘故障的特点，很多绝缘在线和离线检测技术，如局部发电、油色谱分析、超声监测等近几年已经有了较大的发展，可以逐步开展对绝缘状态的评估工作。

2.采用计算机和网络技术的状态监测系统。十几年来，已经有很多监测装置应用于工业现场，但是，大多数的现场装置没有形成系统，记录数据仍然依靠人工观测和抄表的方式，这对于突发的故障很难及时反映，也不利于综合分析和查阅历史资料。采用计算机和网络技术的状态监测系统的结构中，每一个传感器可以看成系统的基层数据采集站，通过局域网连接起来。在网上建立数据库和分析中心，对状态监测数据进行处理。局域网可以通过一个服务器与

Internet 相联。由于有数据库和分析中心的支持，可以建立设备运行的历史数据档案和进行实时运行状态分析。

三、状态监测的关键技术

1.传感器技术。状态监测系统输入的信号包括电、热、声、振动等物理量，还有油、气体经化学分析得到的分解物含量，各种来源的信号都要通过传感器转换为电信号。传感器是监测系统的输入端，直接影响监测系统的精度和准确性，也是控制和测量技术的难点和瓶颈。国产传感器的性能和质量与国际先进水平相比还有差距。传感器作为一个装置，由变换元件、单片机系统和通信接口等组成。

2.数据分析技术。在状态监测系统中，数据分析的任务是从采集到的数据中得到设备运行的有关信息。数据分析过程分为数据预处理、特征提取、状态分类和处理决策等4 个部分。

数据预处理包括数据选取、消除噪声等前期处理过程。特征提取是指采用数理统计、信号处理(FFT、小波分析、分形和混沌)等方法提取信号的特征。状态分类和处理决策是数据分析的核心部分，也是难度较大的部分。其中，处理决策是得出最后结论。

结束语：状态监测是从传统管理模式过渡到状态检修的技术支持。状态监测与故障诊断的概念存在差别，状态监测更适合电力系统设备运行和维修的管理现状。状态监测的关键技术是传感器、计算机网络和数据分析。目前，国内的变电站和发电厂已具备实现状态监测技术的初步条件。状态监测技术在现场的实施和推广，有一个积累资料、逐步提高的过程。