电气设备状态监测与故障诊断

原晟淇

摘 要：目前电力市场的竞争环境对电气设备安全可靠的经济运行提出了更高的要求。本文主要介绍当前先进的电气设备监控技术，及其在变电站中主要设备如变压器，电容器，断路器，组合补偿设备，避雷器中的实际应用，可以降低設备的运行和维护成本，并改善供电效果，并对提高设备可靠性和市场竞争力有一定的指导和参考意义。

1.背景

目前，国内已经投入大量的变压器在线监测装置。但据统计，许多已安装的在线监控设备没有起到作用。 许多设备自身具有较高的故障率，且其对于被测设备的故障监测准确率也很低，对变压器的在线监测带来了许多负面影响。 因此，提高变压器在线监测设备的可靠性，及其故障诊断的准确性已成为变压器在线监测系统的主要任务。

随着电力系统向超高压、大容量方向发展，确保电气设备的安全运行越来越重要。停电事故对工业生产和居民生活的影响和损失也在增加。因此，需要对电气设备的运行状态进行实时在线监测，及时反映其绝缘劣化程度，以便采取预防措施，避免停电或事故。同时，状态监测也是设备维护中的一项在国内外推广和实施的关键支持技术。变电站是电力系统的重要组成部分，通过各类方法和设备，对变电站内外设备进行在线状态监测，能提高设备的运行可靠性，降低设备的运维成本，对延长设备的使用寿命具有现实意义。

2.变压器的状态监测和故障诊断方法

随着电力需求的快速增长和电力系统的快速发展，电力行业面临着提高设备利用率，降低设备运行成本，提高电力系统安全稳定运行的挑战。 这要求操作者更准确地掌握电力设备的操作。 而变压器作为电力系统的主要运行设备，能够正确监测其运行状况，在早期准确诊断其潜在故障，对电力输配电中的电能传输至关重要。由于变压器的故障，油中气体的成分与变压器故障的类型和严重程度密切相关。因此，对变压器油中的气体变化及其发展趋势进行监测是常用的变压器状态监测方法。

图1.变压器的状态监控

2.1变压器状态监测

为了实现电气设备的可靠维护，最基本的是实现对其的状态监控，有必要实时，全面，真实地掌握电气设备的运行状态，及时获得其运行时的各种状态参数，以及它的变化趋势。通过这种方式，可以对设备的潜在缺陷和故障进行准确的分析和判断。状态监测包括离线监测和在线监测。所谓的离线检测是在电气设备停电后中进行各种测试，如传统的预防性测试。在线监测通过各种传感器、计算机和通信技术，能够在电气设备通电时进行实时监控。由于离线检测需要停电，且测试周期较长，不能实时监控电气设备状态参数的发展趋势，并避免可能的故障，离线检测不是状态监测维护的理想选择，因而在线监控成为首选。

2.2变压器故障诊断

变压器故障诊断的正确性直接决定变压器是否需要维修。因此，研究变压器故障诊断技术非常重要。变压器故障诊断的主要任务是根据变压器的内部绝缘情况，分析和确定变压器是否有缺陷或故障。

常见的变压器故障有许多测试诊断方法。常见方法有：直流电阻测量，油色谱分析，绝缘性能测试，局部放电测试，边缘电阻和吸收比测量，介质损耗角正切测量，直流漏电流测量，绕组变形测试，低压短路阻抗测试等。变压器的故障诊断主要分为三个阶段：传感器诊断，实验测试和智能检测。

2.3意义

变压器在线监测系统可以实时掌握变压器的实际情况，使变压器大修从“一刀切”式的定期维护变为通过预测进行维护状态。但在实际应用中，变压器在线监测系统仍存在许多问题。与传统和离线维护方法相比，在线监测设备不够成熟和完善，运行环境差，操作上有较多问题。

在此背景下，本文主要研究新的故障诊断方法，并结合已有、成熟的传统故障诊断方法来诊断变压器故障，提高变压器故障诊断的准确性。对故障状态的预测也进行了研究，提出了一些新的方法，使变压器状态监测更加健康，为电力系统带来更大的社会效益和经济效益。

3.电气设备的红外诊断技术

随着现代红外技术的不断成熟和完善，电气设备的红外监测技术发展出了远距离，非接触，准确，实时，快速等优点。它不存在电源故障，不需采样，不会崩溃，可以实时在线快速监控和诊断电力设备的大多数故障，因此它受到国内外电气公司的高度重视，并得到了迅速的发展。它的渐渐成为各个工厂设备运行的基础，成为以确保设备的正常运行的一个重要的技术手段。

3.1红外辐射的基本定律

3.1.1黑体辐射-普朗克定律的谱分布规律

一个黑体在温度为T（K）附近的单位波长区间内，单位表面区域向整个半球空间发射的辐射功率受波长 和 影响，其中 （T），波长 与温度T 满足以下关系：

式中， C1 为第一辐射常数， ， C2为第二辐射常数， 。

式 （1） 显示了普朗克黑体辐射定律的数学关系，它给出了黑体在温度T（K）下的光谱分布。

3.1.2黑体辐射光谱运动规律

黑体辐射光谱的运动规律。Wien一维位移定律揭示了黑体辐射光谱分布的峰值波长 与其绝对温度T成反比。

从上式可以计算出，室温下的黑体通常具有9.7 的辐射峰，分布在8-12 之间。

3.1.3辐射功率随温度的变化 - Stephen Boltzmann定律

Stephen-Boltzmann定律描述了黑体单位表面区域发射到整个半球空间的所有波长的总辐射功率随其温度的变化。

式中， ， 被称为Stephen- Boltzmann常数。

Stephen-Boltzmann定律指出，温度高于绝对零度的物体会自发地进行红外热辐射，并且黑体的单位表面区域发射的总辐射功率与其开尔文温度的四次方成正比。 因此，物体的温度稍微的变化将引起物体发射的辐射功率的大范围变化。

4结论

变电站电气设备的在线监测和故障诊断是变电站状态维护的主要配套技术措施，非常重要。同时，它还需要与其它技术手段结合，实现从定期维护到在线状态监测的完全过渡。另外，由于没有系统的测量数据和经验，在全国范围内实现各变电站在线监测数据的共享，更好地促进状态监测和故障诊断技术的发展是未来的研究方向。

在线监测和故障诊断是国内外输配电设备维护方式的主要发展趋势。然而，配电设备在线监测和状态维护的研究与实践是一项复杂的系统工程，需要在理论和技术上不断创新。在国内外众多学者的共同努力下，在线监测和故障诊断手段将广泛应用于输配电工程。

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