發電機和干式變壓器等電力設備的狀態監測和故障診斷
針對發電機和干式變壓器常用的預防性定期維護方式的弊端，分析了發展狀態監測和故障診斷技術的意義，介紹了該技術在國內外的發展現狀和存在的問題。較后指出，發電機、干式變壓器等電力設備的狀態監測和故障診斷技術能夠快速、連續地反映設備的運行狀態，指示運行設備的潛在故障，是保證電力設備安全、經濟運行的有力措施，應大力推廣。關鍵詞：發電機；干式變壓器；狀態監控；故障診斷
發電機、變壓器等電力設備的狀態監測和故障診斷
劉向平1、MENG玉蟾2
(1.廣東電力測試研究所，廣州510600；2.西安熱電研究所，陜西西安710032)
針對發電機、變壓器等電力設備普遍采用的預防性維修方式的弊端，分析了發展狀態監測與故障診斷技術的意義，介紹了該技術的現狀和存在的問題。結果表明，該技術能快速、連續地反映設備的運行狀態，預測設備的潛在故障；因此，它對保證電力設備的安全經濟運行是有效的，值得推廣。關鍵詞Keywords:generator變壓器；狀態監控；故障診斷
發電機、干式變壓器等電力設備的狀態監測和故障診斷技術越來越受到重視，越來越多的單位和部門已經或正在積極應用和發展這項技術，并將得到廣泛推廣。在這種情況下，全面、客觀地了解這項技術及其目前的技術狀況，比較和了解這項技術與目前的預防性維修制度的優缺點及其相互關系，對于正確開發、應用和推廣這項新技術，更好地保障電力生產的可靠性和安全性，具有一定的意義。
發展狀態監測與故障診斷技術的意義發電機和干式變壓器被稱為發電和輸電的心臟，其運行可靠性直接影響到工業電力的正常生產。然而，這些設備不可避免地受到電、熱、機械和環境等各種因素的影響，性能不斷惡化，導致運行狀態不佳，甚至出現各種故障，造成局部甚至大面積停電，造成巨大的直接和間接經濟損失和社會影響。據國外報道，電氣設備在服役期內，故障率與運行時間和方式之間存在宏觀規律。將設備故障率與使用壽命的關系繪制成曲線，其形狀為兩邊高中間低，形成一個浴缸，稱為設備故障的“浴缸”曲線，如圖1所示。
從圖1可以看出，在電氣設備的整個使用壽命期間，設備故障率可分為初始故障率、穩定故障率和退化故障率。對于發電機、干式變壓器等大型電氣設備，在運行初期，由于各部件磨合不良，制造、安裝、調試過程中遺留的一些問題逐漸暴露出來。同時運維有一個適應期，所以故障率略高。發電機試運行168 h后，經過4 ~ 30天至半年，隨著暴露問題的處理和運行人員對設備性能的逐漸熟悉和掌握，設備故障率將逐漸降低，事故率將進入穩定期。這個周期一般在15到20年左右。在服役后期，由于絕緣老化明顯、泄漏電流增大、絕緣電阻降低、油中溶解氣體成分變化、局部放電增加等原因，故障率會明顯增加。為了及時發現和排除故障，減少和避免事故的發生，長期以來，電力系統工作者一直在不斷地研究和總結，改變過去的事故檢修模式，定期實施各種可行有效的預防性試驗和檢修方法。與事故維修相比，這一制度適應了我國生產力的發展，發揮了積極的作用，無論是思想上還是效果上都有了很大的進步。但經常被設備運行中的突發事故打個措手不及，損失慘重。而且計劃維護在一定程度上具有盲目性和強制性，缺乏針對性和科學性，往往會干擾設備的穩定性。由于大多數預防性試驗都是離線進行的，因此在試驗過程中必須停機斷電，造成巨大的經濟損失。然而，一些重要設備不能輕易關閉，導致定期測試無法按計劃進行。即使被檢設備可以停機，由于運行和停機時設備狀態的差異，測試結果的準確性也會受到不同程度的影響。另一方面，對于正常的設備，如果按計劃采取定期檢查維護，會造成不必要的人力物力的極大浪費。更有甚者，過度保養可能是檢查保養造成的。
，即造成“維修干擾”。如某廠的1臺300 MW水-氫-氫發電機，維修前絕緣狀態良好，維修后，絕緣水平明顯降低。經查，是由于進行耐壓試驗，使絕緣受到損害。泄漏電流的測試，也可造成絕緣惡化或損傷。又如某局進行干式變壓器的例行檢查維修，由于工作人員的疏忽，將工具遺留在干式變壓器內，造成重大事故。同時，定期檢測和維修，不是連續和實時監測，無法避免設備在兩次試驗間隔期可能發生的故障。 狀態監測與故障診斷技術，采取對潛伏性故障的早期、連續監測，與離線檢測相結合，應用現代分析、電子和計算機等技術，進行綜合分析，預測設備可能發生的故障，以期做到預知維修和有效維修，將對電力設備的運行起到重要的安全保障作用。2狀態監測和故障診斷技術的發展 在20世紀60年代至70年代，一些工業發達國家即開始狀態監測和故障診斷技術的研究。因受到當時工業技術水平的限制，加之電力設備潛伏性故障初期發展速度慢，征兆信號微弱，生產運行環境中又存在許多電磁干擾，能夠監測的特征量與設備狀態不完全吻合，可變因素和影響因素太多等原因，使狀態監測和故障診斷技術的發展和應用受到阻礙。到20世紀80年代至90年代，傳感技術、計算機技術和光纖等高新技術的發展和應用，使電力設備的狀態監測和故障診斷技術得到迅速發展。加拿大、日本、德國、美國等陸續研制了油中溶解氣體在線監測系統，干式變壓器、發電機和GIS等的局部放電、泄露電流的在線監測系統，這些技術得到了國際大電網會議的系統總結。 近年來，隨著光電技術的發展，加拿大、美國等國家相繼研制出不同類型的在線監測裝置，更加促進了設備的狀態監測和故障診斷技術的實施和有效發展。 早在20世紀60年代，我國已認識到電氣設備狀態監測和故障診斷技術的重要性，在70年代，就進行過一些帶電試驗和在線監測技術的研究和應用，但由于當時技術不完善，測量結果分散性大，加上操作復雜和誤報等原因，使該技術沒有得到大力推廣。隨著大容量、高電壓等級電氣設備的迅速增加，一些設備的故障率偏高，使狀態監測和故障診斷技術的開發更加迫切。為發展狀態監測和故障診斷技術，電力主管部門多次召開全國電力設備絕緣帶電測試和故障診斷技術研討會，研究如何發展和推廣狀態監測與診斷技術。可以說，我國電氣設備狀態監測與故障診斷技術和國際上幾乎處于相同水平。2.1發電機的狀態監測和故障診斷 發電機的狀態監測和故障診斷目的是在初始階段，檢測出發電機缺陷，以有計劃地安排檢修，減少停機，避免事故發生；在服役期延長發電機平均無故障時間和縮短平均修理時間，降低發電機維修費用，提高可用性。 多年來，發電機運行所采用的監視和控制方法，大多用來進行機組運行工況的調整以及非正常或事故狀態的控制。大型發電機都有繼電保護系統，從表面上看，繼電保護功能很完善，但是，繼電保護系統只是當被監視參數達到或超過繼電器設定值時才起作用，即只有當故障已經發生時才動作，并沒有預防功能。由于繼電保護與設備診斷技術功能不同，所以其對潛伏性故障的早期發現或診斷無能為力。 目前，國內外發電機的狀態監測，主要是通過發電機光纖測漏儀（FOVM）、發電機狀態監視器（GCM）、發電機射頻監視儀（RFM）進行。在運行中，這些監視系統可以對發電機內部的故障進行監測和報警，引起工作人員重視，指導操作人員適當調整負荷，確定是否停機，預知維修。對氫冷發電機，國內外也在開展研究，利用化學痕量分析方法檢測氫氣中雜質組分從而診斷設備故障。 發電機狀態監測與診斷系統需要觀測和采集運行狀態下許多電氣、機械和物理化學的數據與特性，建立正確的數據處理系統，給出運行異常和存在缺陷的信息，根據早期征兆進行故障預報，采用計算機故障模糊專家系統進行診斷和趨勢分析，并提出檢修方案。 結合我國電力工業發展現狀、發電機制造水平及多年大型發電機運行多發性故障的特點，有關專家認為，在大型汽輪和水輪發電機組上，可有選擇地采用不同的監測和診斷系統。這些系統包括：定子繞組絕緣監測系統；發電機內過熱監測與診斷系統；定子繞組端部振動監測系統；轉子繞組匝間短路監測系統；汽輪發電機組扭振監測與診斷系統；氫冷發電機氫氣濕度及漏氫監測系統；氣體雜質組分監測與診斷系統。 發電機故障診斷系統擬診斷的故障包括：定子線圈及引出線類故障；定子引出線套管類故障；定子絕緣類故障；定子繞組振動類故障；定子鐵心類故障；轉子繞組類故障；轉子絕緣類故障；轉子本體及護環類故障；氫系統故障；油系統故障；水系統故障。 發電機的故障診斷系統，通過對發電機運行過程與狀態參數分析及檢修、試驗的結果，無損探傷、電氣絕緣檢查結果的分析，綜合進行故障診斷。2.2干式變壓器的狀態監測和故障診斷 電力工業主要采用充油式干式變壓器，在特殊場合，也采用干式變壓器或六氟化硫干式變壓器。目前，國內外對于干式變壓器的狀態監測，多采用局部放電監測、超聲定位技術和紅外技術。對于充油式干式變壓器，除對油中溶解氣體進行離線、定期和有效的色譜分析外，主要研究應用在線油中溶解氣體和微水分析技術。對于干式變壓器的高壓套管，通常采用介質損耗因數的數字化在線測量技術。對于故障較多的有載調壓開關，采用有載故障在線診斷裝置，測量觸點磨損及機械和電氣回路等。除此之外油溫、線匝繞組溫度、負載電流及電壓、冷卻泵、風扇運行等參數也在監測之列。 干式變壓器狀態監測，涉及到的主體部件為：磁路、繞組及固體絕緣、液體絕緣（氣體絕緣）和冷卻系統。擬診斷的故障為：過熱性故障、放電性故障、過熱兼放電故障、機械故障和進水受潮等。 常用的局部放電監測與診斷，多采用電脈沖信號法和超聲法。對電信號和聲信號聯合監測取得理想的定量和定位效果，根據視在放電量、分布圖譜和放電源的定位，來判斷故障。 油中溶解氣體組分含量的分析（DGA），首先依據溶解平衡原理，采用各種不同原理的脫氣方法，如：真空、滲透膜、氣體洗脫等，將油中氣體脫出，再用分離柱進行分離，再經檢測器檢測（如TCD，FID等），或用各種原理的傳感器對不同組分的氣體進行檢測，較后依據國內外通用的組分比值法或多維圖視法，結合電氣試驗和離線定期試驗結果，綜合分析診斷出潛伏性故障。近期還發展了復合滲透膜、電化學-燃料電池、紅外檢測等技術，進行油中溶解氣體組分含量的分析。由于DGA分析判斷的準確性已被國內外所認可，該技術成為各國研究的熱點。目前，國內外已有單組分的、總可燃氣體的、四組分、六組分、七組分的在線監測裝置投運。
3狀態監測和故障診斷技術存在的問題 狀態監測、故障診斷技術雖然有其不可替代的優勢，但在目前情況下，尚存在很多不足和問題需要解決。已經安裝投運了狀態監測系統的單位，決不可高枕無憂，不再有安全憂患意識。 由于發電機、干式變壓器有復雜的結構系統，運行參數間并非全部有嚴格的邏輯和定量關系，其故障現象、故障原理之間具有很大的不確定性，一個故障可表現出多種征兆，監測到的幾個故障起因同時反映一個故障征兆，故障與征兆之間關系模糊復雜，因此完全通過建立精確的數學模型來診斷是十分困難的。這種復雜的系統都是模糊的系統，而模糊系統的邊界、結構等概念的外延是模糊的，內涵是灰色的。也就是說，此系統中的一些信息是確知的，另一些是非確知的，因此，需要采用將精確性向模糊性逼近的模糊集的數學方法來處理這些模糊現象，并注入人工神經網絡系統，才能對發電機、干式變壓器故障診斷這一復雜系統，找出合適的描述方法。同時還要模擬技術專家在進行故障診斷時的經驗及將經驗、規則模型化，以計算機替代專家，并以遠程通信方式進行傳輸。除此之外，復雜的現場環境也給狀態監測和故障診斷技術的應用帶來困難。到目前，狀態監測和故障診斷技術尚存在以下不足和問題： a)受技術條件限制，目前發展較成熟的僅有局部放電定位儀和部分組分含量的在線色譜儀，而其他反映設備狀態的項目尚無成熟監測。因此，在故障診斷中，很多需采集的信息還必須依賴于離線檢測。 b)早期故障的監測信號極弱，設備運行現場均有較強的磁場和電場干擾，信噪比很低，給狀態監測帶來困難。 c)現有的一些監測系統，只能反映設備故障的發展趨勢，很難提供設備故障的類型及故障的危急程度。滲透膜存在滲透率衰減，軟件不能適應個案的分析和判定，軟、硬件在不同程度上存在缺陷和不穩定性，易引起誤報、錯報故障。 d)現行規程中沒有狀態監測的技術要求和指標，使故障診斷時缺乏科學的判據。 e)現有的監測、診斷系統尚不能完全實現連續不斷的實時監測，所以對突發性故障不能準確、及時預報。 綜上所述，發電機、干式變壓器類電氣設備的狀態監測和故障診斷技術，可以迅速、連續地反映設備的運行狀態，預示運行設備存在的潛伏性故障，提出處理措施，不同程度地延長設備的服役期，減免不必要的維修干擾，大大降低運行成本，易實行自動化和科學化設備管理，是保障電力設備安全經濟運行的有力措施，應大力推廣。然而，該技術畢竟為新興的多學科高新技術，其發展和實施還存在許多困難，距離替代預防性定期檢修還有較長歷程。所以，既要積極開發、推廣這一技術，也要客觀對待，避免盲從，不斷總結經驗，完善系統，使該技術為電力生產安全服務。
參考文獻
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來源：廣東電力
