浅谈“电力设备在线监测、故障诊断、状态检修及寿命评估”

【摘 要】目前，设备在线监测和故障诊断技术作为现代化设备管理的重要组成部分，是设备管理与维修管理必不可少的手段。运用状态监测及故障诊断技术，可以更方便地把握设备运行状况，提高设备维修水平。电力设备检修技术的研究将更具有经济效益和社会效益，电力设备的维修由过去的计划检修向状态检修发展势在必行。状态检修以当前的实际工作状况为依据，通过高科技状态监测手段，识别故障的早期征兆，对故障部位严重程度及发展趋势作出判断，从而确定最佳维修时机。为了有效延长电力设备的使用寿命，让投资和回报有一个最佳平衡，还必须进行寿命评估。

【关键词】电力设备；在线监测；故障诊断技术；状态检修；寿命评估

0 引言

在线检测的推广和应用有利于从定期维修制过渡到更合理的状态维修制。运用状态监测及故障诊断技术，可以更方便、更快捷、更有效地把握设备运行状况，提高设备维修水平。电力设备状态检修技术的应用必须以对设备的全面监测为基础。但目前有关电力设备运行状态在线监测系统仍然存在监测点少、功能单一、缺乏系统性和综合性，尤其缺乏监测的层次化和网络化等问题，妨碍了设备状态信息的集中和综合；另外，变压器、发电机、电动机等大型电力设备经数万小时的运行，老化问题日益突出，延长寿命使用依据不足，风险性很大，设备寿命管理与预测也需要解决一些诸如设备寿命计算中复杂边界条件的提出、材料在不同温度和应力条件下的寿命损耗特性以及剩余寿命评价等问题。

1 电力设备在线监测

1.1 开展电力设备在线检测及故障诊断技术应用的必要性

采用在线检测的方法可以根据设备绝缘状况的好坏来选择不同的试验周期，使试验的有效程度明显提高。在线检测可以积累大量的数据，将被试验设备的当前试验数据（包括停电及带点检测）和以往的监测数据相结合，用各种数值分析方法进行及时、全面地综合分析判断，就可以发现和捕捉早期缺陷、确保安全运行，从而减小由于预防性试验间隔长所带来误差。

在线检测的推广和应用有利于从定期维修制过渡到更合理的状态维修制。按事先制订的检修周期进行停机检修，虽对设备可靠性起了一定作用，但由于未考虑设备的具体状况，且制定的周期往往比较保守，以至于出现过多的不必要的停机及维修，甚至因拆卸、组装过多而出现过早损坏。我国目前执行的大多是定期维修制，没有考虑设备实际状态如何，以致超量维修，造成了人力物力的大量浪费。状态维修的基础就在于绝缘监测及诊断技术，既要通过各种检测手段来正确诊断被试验设备的目前状况，又要根据其本身特点及变化趋势等来确定能否继续运行或停电检修。

目前，设备状态监测和故障诊断技术作为现代化设备管理的重要组成部分，是设备管理与维修管理必不可少的手段。尤其是在市场竞争日益激烈的今天，设备维修成本的控制和降低是企业最可挖掘的潜力之一。因此，应用在线检测与诊断技术，使预知维修取代传统而落后的事后维修和定期预防维修是历史的必然。

1.2 电力设备在线检测与诊断技术的应用

电力设备在线检测技术是一种利用运行电压设备的状况进行试验的方法，它可以大大提高试验的真实性与灵敏度，及时发现绝缘缺陷。通常，一种电力设备的在线检测仪器和系统，由传感器系统、信号采集系统、分析诊断系统组成。传感器系统用于感知所需要的电气参量或非电器参量，目前常用的传感器有电磁传感器、力学量传感器、声参数传感器、热参数传感器、化学量传感器等；信号采集系统是将传感器得到的模拟量轉化为数字量进行传输，应用数字滤波技术对采集到的信号进行滤波处理，抑制和消除外界干扰和背景噪声，提取真实信号，并进行信号的还原，光电转换和光纤传输的引入有效地解决了高压隔离的问题；分析诊断系统利用小波分析技术、神经网络技术、模糊诊断技术、专家分析技术等方法对所采集的信号进行分析、处理诊断，得到所测电力设备绝缘的当前状况，并根据需要进行绝缘诊断和寿命评估。

电力设备的状态监测按其检测的作用可分为保护性监测和维护性监测两类。保护性监测也就是故障监测，通常对常规运行参数（如电流、电压、功率、温度、流量、压力等）的检测，提供电力设备的正常运行工况。同时，还在故障敏感的部件设置一些专用监测器，通过对反应异常现象的特征量的检测，帮助运行人员及时了解这些部件的状态，在故障发生之前发出报警，以便采取必要的措施，避免严重事故的发生。维护性监测是通过再现检测、离线检查和试验，发现缺陷、监视缺陷的发展趋势并预测发展的后果，以指导制定维修策略。维护性监测需要在运行和停机时完成一系列的周期性或连续性试验，当发现有异常现象时，进行原因分析和适当维护，以消除异常现象的根源。

2 电力设备故障诊断

2.1 电力设备状态量及监测

2.1.1 设备状态量

设备状态量：是设备运行中出现的各种正常或异常特征信号量的总称。

设备状态量大致可以划分为运行状态量和生产过程状态量两类。

设备运行状态量信号大体有三种：

1）机械量信号：振动、声音、轴承——与生产功能无直接关系；

汽压、汽温、转速——与生产功能直接有关系。

2）电磁信号：电压、电流、频率、局部放电电荷、磁力线密度等。

3）化学信号：绝缘油含烃量、润滑油酸价等。

生产过程状态量指与生产过程参数常呈固定的比例关系的参量。当这种比例关系失常，就可表征设备内部有缺陷。

2.1.2 状态量监测

在运行中对设备的某些状态量进行定期地或连续地测量，并以测出的量值作为设备评价的依据。

通常监测的状态量参数有两种：

1）监测输入量

广义的输入量泛指作用于设备、推动设备运行或是导致设备劣化的各种输入量。

2）监测运行状态量

机器设备发出运行状态量信号的方式两种：

（1）主动发出信号的设备：主要是具有转动部件的设备，在运行中常会发出振动、热量或声音、光等信号，统称为一次信号。

（2）被動发信号的设备：静止的或没有运动部件的设备，在运行使用中不能主动发出信号，或是在设备运行中发出的信号不易采集而必须在停止状态下采集信号的设备。为查明设备的健康状态，必须采取预加一定量的输入，迫使设备发出信号（即二次信号），借以诊断设备的内部状态。

2.2 诊断技术的主要内容

设备诊断的四大步骤：

1）信号检测（状态量监测）：是设备诊断的基础，也是设备诊断技术中“诊”的活动。

2）特征提取（信号处理）：把采集到的信号（设备运行中经常发出的声音、振动、温度等多种信号）加工处理，使之成为有用的信息。

3）状态识别（识别和判断）：识别和判断出设备故障和异常的部位、原因和程度。

4）预报决策（预测和对策）：就是预测设备故障或异常可能发展的速度和后果，提出临时处理的意见和根本治理的建议。

2.3 设备诊断技术基础[1]

2.3.1 检测技术

根据不同的诊断目的，选用适用的检查测量技术手段，选择最便于诊断的状态信号。

2.3.2 信号处理技术

是从伴有环境噪声和其他干扰的综合信号中，把能反映设备状态的特征信号提取出来的一项基本技术。

2.3.3 识别技术

是把经过处理的状态信号对其特征进行识别和判断，对其是否存在故障、故障部位、原因、严重程度予以确定的一项基本技术。

识别技术种类：

设备诊断常用的识别方法有两种：

（1）决定论的识别方法。根据被诊断设备的物理、结构特征和故障机理，从理论和试验上寻求故障和征兆之间的关系，进而判别故障类别、地点、原因。这是现今诊断技术的中心，电力设备和系统也都采用此方法。

（2）统计论的识别方法。这是从设备的数理统计方法得出的数学方面特征，并予以故障分类的方法。如均值、方差、协方差函数及线性预测模型参数等。

2.3.4 预测技术

它是对尚未发生的或目前还不明确的事物进行预先估计推测，以此判断故障的趋势，以及何时将进入危险范围的一项基本技术。决定论预测技术可以正确地测定现状的劣化水平和设备的附加应力，并将其输入到各种理论模型中，根据计算，预测寿命和可靠性。而概率论预测技术是时间系列的预测问题，由过去的征兆X、故障数据f、按信息理论方法预测未来。

3 状态检修

3.1 状态检修的含义

状态检修是企业以安全、环境、效益等为基础，通过设备的状态评价、风险分析、检修决策等手段开展设备检修工作，达到设备运行可靠、检修成本合理的一种设备检修策略。

3.2 状态检修的可行性[2]

3.2.1 多年来，国产电气设备积累了大量的运行经验，其运行和维护技术日臻完善，这为实施状态检修工作奠定了技术基础。同时，国产设备的质量有了很大提高，为状态检修提供了一定的物质基础。

3.2.2 新型设备投入运行及新技术的应用，监测手段的不断提高，使设备的安全运行有了很好的基础。如红外线成像技术在电力生产中的应用，大型变压器油色谱分析在线系统的研制成功，变压器绕组变形探测技术的发展，电容型带电设备集中在线测试技术的投入使用等，使正确诊断设备状态有了可能。

3.2.3 随着传感技术、微电子、计算机软、硬件和数字信号处理技术、人工神经网络、专家系统、模糊集理论等综合智能系统在状态监测及故障诊断中应用，使基于设备状态监测和先进诊断技术的状态检修研究得到发展，成为电力系统中的一个重要研究领域。

3.3 状态检修工作的环节

状态检修工作的基本流程包括设备信息收集、设备状态评价、风险评估、检修策略、检修计划、检修实施及绩效评价等七个环节。

3.4 电力设备的状态检修的作用[3]

3.4.1 提高电力设备的质量和运行维护水平。我们以在以后的工作中，对新增设备或技术改造从选型、监造、安装、调试方面把好质量关，不能依赖预防性试验来发现隐患或事故暴露缺陷。同时抓好运行维护工作，通过常规巡检或离线探察掌握设备的状态，以减少整体的试验项目和试验周期。

3.4.2 提高常规测试技术水平。电气预防性试验、油化验、油色谱分析等是常规性测试手段，是目前掌握设备状态的主要方法。对于初始状态良好的运行稳定的设备，可适当延长常规测试周期；对于状态异常设备，适当延长常规测试周期；对于状态异常设备，适当提高常规测试频度；对于有明显缺陷的设备，要跟踪进行测试，避免在测试工作中的盲目性。通过历次试验检修情况进行综合分析，根据设备运行的可靠性和安全状况对预防性试验和检修的项目和周期进行调整。

3.4.3 推广使用先进的测量仪器和试验设备，改进试验方法。近几年来，许多测量仪器和试验设备逐步走向数字化、微机化、自动化，提高了测量精度和工作效率。

3.4.4 采用信息管理的决策技术。近30年来，管理决策作为一门独立学科，有了很大发展。状态检修作为一种先进的检修体制，是与多方面的管理工作分不开的。

4 电力设备寿命评估

变压器、发电机、电动机的寿命评估：

4.1 变压器的寿命评估

通常有两种方法用于粗略估计变压器的寿命：第一种，是统计法，它对运行中的变压器进行统计，然后评估寿命，这种方法成本低，但对新开发的变压器很难在出厂前获得寿命数据；第二种，是整机加速寿命试验法，该法用变压器试品或模拟试品进行加速寿命试验来评估寿命，这种方法成本高，难以描述元器件损坏的内在机理。

针对这两种方法存在的缺陷，还有一种新的方法来评估变压器的寿命[4]，该方法是基于变压器绝缘纸聚合度的测定，从而依据绝缘纸聚合度计算出变压器寿命，该方法可以为制造厂在出厂前向用户提供变压器的预期寿命，还可以估计运行中的变压器残余寿命。

人们通常认为变压器的寿命，即油纸绝缘的寿命是由绝缘纸（板）纤维素的热老化决定的。这里有两种方法可以判断绝缘寿命[5]：一是，测定老化绝缘纸的抗拉强度，并将其强度损失50%作为材料的寿命终点。二是，测定纸纤维素分子聚合度（DP）值。当聚合度下降到DP=200时，认为材料寿命达到终点。此外，还可以用人工神经网络来判断变压器绝缘老化程度和评估剩余寿命[6]。人工神经网络实质是模拟人脑信息处理的功能，能映射高度非线性的输入、输出关系。

人们在研究油的含烃量、纸样的DP值与变压器寿命的内在联系，以期找出绝缘材料的固有寿命及其残余寿命的最有效办法。

4.2 发电机的寿命评估

目前确定电机绝缘系统剩余寿命有两种方法：一是，监视导致劣化的应力，该方法不是定量地确定剩余寿命，由此确定的剩余寿命是很保守的，有些缩短绝缘寿命的应力不是很容易监测。二是，通过监测和试验，观察各种征兆，然后根据经验判断剩余寿命。但是该方法要求有丰富的经验和多次停机检修，针对这一问题，可以用马尔可夫模型就可以用离散型变量法和连续型变量法较快的计算出电机的剩余寿命[7]。高压成型线圈及低压嵌套线圈的绝缘结构耐热等级评定符合老化寿命公式：lgL=A+B×■（式中L为绝缘寿命，T为绝对温度，A、B为待定常数），这里绝缘材料的老化速率B可以用逸气分析-气相色谱技术（EGA-GC）求得[8]，由此就可以求出大电机的绝缘寿命。

对于大电机定子绕组绝缘剩余寿命的估计，可以定期对介电测量结果（介电损耗因素）进行数学处理[9]。在不同温度下得到的介电测量结果要变换到参数温度上来。可能的击穿电压在原理上等于一个电压值，在这个电压下介电性能与电压的变化函数符合通常的界限点。这种现象可以根据二次多项式函数通过最小二乘法来分析模拟。最后维持寿命的时间用决定于测量次数的某些置信度来确定。

4.3 电动机寿命评估简介

5 结论

运用状态监测及故障诊断技术，可以更方便、有效地提高设备维修水平。设备故障诊断技术是一门新兴综合性学科，还需要在实践中进一步探讨与提高。电力设备状态检修技术的应用必须以对设备的全面监测为基础。但目前有关电力设备运行状态在线监测系统中存在缺乏监测的层次化和网络化等问题，妨碍了设备状态信息的集中和综合；另外，设备寿命管理与预测也需要解决一些诸如设备寿命计算中复杂边界条件的提出、材料在不同温度和应力条件下的寿命损耗特性以及剩余寿命评价等问题。如何建立准确的设备可靠性模型，以期实现设备状态的在线监测，从而开发出可较好应用于设备故障诊断的专家系统，仍然有许多问题需要解决。变压器、电动机、发电机等电力设备，由于长期处于高强度负荷的运行，材料绝缘老化等将使其寿命难以精确估计，因此，应充分采用各种新技术，新理论对其寿命进行准确的评估。此外，电力设备的寿命也不只是一项纯技术工作，而是一件在经济分析指导下具有企业规模的有序和整体的活动，是一种企业行为。它不但要引起中國技术人员的重视，而且更应该引起中国企业领导的重视。

【参考文献】

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[8]袁晓红，陆更伟，张东林.P300MW核电主泵电机主绝缘快速老化评定方法的研究[J].大电机技术，1998.

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[责任编辑：王迎迎]