电力设备的缺陷及诊断技术

郑建欣，吕俊霞

（河南工业职业技术学院 自动化工程学院，河南 南阳 473009）

1 变电站二次系统

在电力系统中，将直接参与发、输、变、配电能的电气一次设备，如发电机、变压器、电力电缆、输电线、断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器及其相互连接的电气回路称为一次系统。

变电站二次系统是相对一次系统而言的，由二次设备及其相互连接的电气回路构成，是对一次系统进行监测、控制、调节和保护的系统。

2 缺陷概述

任何设备都不可能完全避免缺陷的存在，关键在于缺陷能否被及时地检测和处理，或以某种方式防范以维持设备的健康状态，变电站二次系统也不例外。在实际运行过程中，值班人员发现缺陷时只看到了现象，并不能反映缺陷的本质。因此，检修人员在消除缺陷后有必要对缺陷重新定性，规范缺陷术语，包括缺陷部位、原因、责任单位、消除缺陷方式等。只有这样才能真正掌握设备运行规律，科学购置备品备件，客观评价设备运行质量，优化维护策略。

2.1 基本概念

继电保护危急缺陷为直接影响主保护功能或导致保护误动作的缺陷，重要缺陷为影响保护功能的缺陷，一般缺陷为影响保护辅助功能的缺陷。

2.2 缺陷术语

2.2.1 缺陷部位

变电站二次系统是由装置本体和二次回路构成的系统，其中装置本体由大量微电子元器件、高集成电路组成，二次回路由空气开关、切换把手、按钮、压板、密封继电器、控制电缆组成。各个模块和器件之间没有冗余，从可靠性模型来看，是一个串联模型。任何一个模块失效，都会引起继电保护故障。此外，线路纵联保护还包括通道相关设备。

检修人员在检修设备时要填写缺陷记录。当缺陷记录的样本积累到一定数量后，可以统计继电保护系统各个部件损坏的比率。这是运行维护部门编制备品备件采购策略的依据，在实际检修作业过程中可更多关注薄弱环节，同时对制造厂家改进装置性能也有参考价值。

2.2.2 缺陷原因

根据零部件材质特性和统计分析结果，二次系统缺陷主要可分为偶发性缺陷、老化性缺陷和先天性缺陷。

偶发性缺陷是指非常方式下偶尔出现的异常现象，因为其触发条件不可预测，故障现象也不能长时间保持，一般难以通过给定外部条件使故障再现，故障发生的时机难以捕捉。我们常把偶发性缺陷称为内伤或隐性故障。一般要通过全程连续跟踪方式捕捉异常过程，或通过原理分析、理论推测等比较理性的手段来排查故障原因，并通过重复实验长期监测的方式来验证故障处理效果。偶发性缺陷的发生具有随机性、突变性，故障前没有明显的征兆，不可预见，比较典型的是存储器、CPU和A／D转换器等器件的失效。

偶发性缺陷往往由外界恶劣环境，如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、振动引起，或器件本身的质量问题导致，如EEPROM出错。偶发性缺陷有些是可逆的，在外界环境恢复常态后，缺陷随之消失，有些是永久性的，直接导致元器件损坏。偶发性缺陷发生概率与运行环境有关，与运行时间无关。在计算机监控系统中偶发性缺陷越来越频繁出现，因为监控技术应用的不平衡性，有些新型的自动化产品不够成熟，使监控缺陷数量居高不下，缺陷特性呈现复杂性和偶发性，给故障的排查和处理带来不小的难度。

老化性缺陷的发生具有渐变性，故障前持续时间较长。逆变电源、出口继电线圈或触点、液晶显示屏、控制电缆等部件均易发生老化性缺陷。老化性失效是由老化或疲劳引起性能或特性逐渐劣化，到一定程度后引起故障，如直流接地。老化性缺陷发生概率与运行环境、运行时间都有关系。处于某些恶劣条件下，如高温环境，或运行时间接近设计寿命时，老化性缺陷会明显增多。

先天性缺陷的发生具有渐变性，故障前持续时间较长，其诱因在投运前存在，发生在投运过程中，容易被误认为偶发性缺陷。大部分先天性缺陷由器件选型不当、制造工艺不当、回路设计不当和使用不当等因素引起，如软件存在BUG、芯片脱焊、接线错误等。先天性故障发生概率和继电保护材质、工艺、设计、安装、调试质量相关。制造厂家的质量控制水平不同，其生产的保护装置先天性缺陷率也存在明显差异。

检修人员在填写缺陷记录时，缺陷原因可选择元器件损坏、回路松动、接触不良、性能老化、原理缺陷、参数设置错误、接线错误、运行操作不当、电缆绝缘不良、绝缘子受潮、版本错误、环境异常、外界干扰、通道中断、反措施未实施、其他。

2.2.3 缺陷责任单位

从全寿命周期的角度，二次系统质量保证和控制涵盖制造阶段、建设阶段和运维阶段。制造阶段的责任单位主要涉及保护装置的生产厂家，建设阶段的责任单位涉及设计院、送变电等设计、施工、调试单位，运维阶段的责任单位涉及调度、运检、信通等单位和部门。确定缺陷责任单位的主要目的并非追究责任，而是督促相关单位分析原因，制定对策。

3 缺陷诊断技术

电力设备缺陷诊断技术大致经历了3个阶段。

1）停电试验阶段。这个阶段始于20世纪50年代，主要是一些普遍的预防性方法，这些试验方法对电力设备的安全运行有积极作用。

2）带电测试阶段。这一阶段始于20世纪70年代，当时带电测试这一方法仅仅是为了在不停电情况下对电力设备直接测量，主要是对泄漏电流及介质损耗因数进行处理。因此，测量的项目较少，应用范围较窄。

3）在线监测阶段。这一阶段始于20世纪90年代，随着现代计算机技术和数字信号采集技术的发展，在线监测技术向更高层次发展。

缺陷发生主体的不同及缺陷现象的差异会造成缺陷诊断方法的不同，比如，装置告警、闭锁等类型的缺陷可通过微机保护装置的自检技术诊断；自动化系统发生的缺陷可以通过抓取报文，对报文分析解读进行诊断；二次回路发生的缺陷，可以通过各种离线或在线的检测技术诊断。

3.1 微机保护装置自检技术

微机保护装置通常可分为模拟量采集系统、微机处理系统、开关量输入／输出系统、人机界面、电源系统等间隔部分。保护装置中的微处理器可对大部分电子元器件进行检测，发现器件异常可及时报警，即微机保护装置自检技术，主要包括看门狗自检、CPU及存储器自检、开关量及采集系统自检等方式。

3.2 报文分析技术

获取通信报文的过程常称为抓包，报文分析技术是通过对监控系统通信接口进行报文抓包、报文分析的一种缺陷诊断技术。常用的工具软件有Windows下的mms-ethereal、WireShark和Solaris下的snoop命令。

变电站监控系统设备串口通信方式主要是RS－485（或RS－422）与RS－232接口。RS－485通信接口主要用于间隔层测控装置、保护装置与站控层总控单元、主机之间的数据传输，大多应用《远动设备及系统 第5部分：传输规约 第103篇：继电保护设备信息接口配套标准》（DL／T 667—1999／IEC 60870－5－103：1997）规约；RS－232通信接口主要用于远动装置与主站端前置机之间的数据传输，大多应用《远动设备及系统 第5－101部分：传输规约基本远动任务配套标准》（DL／T 634.5101—2002／IEC 608－70－5－101：2002）规约。

变电站间隔层保护测控装置一般都具备RS－485接口与DL／T 667规约通信功能，通信的电信号一般可以通过并接的方式直接监听。如果报文记录分析设备只适用RS－232接口，则需要经过RS－485／RS－232转换器进行接口转换。

变电站与主站之间的远动数据串口传输是基于RS－232接口的全双工方式，主要采用CDT规约、DL／T 634.5101—2002规约。远动通信在线监测必须同时获取收发两个方向的信息才能完整记录数据通信的全过程。

以太网通过交换机或集线器连接，交换机工作在数据链路层，实质上是一个多端口的网桥，每个端口都直接与主机相连，采用TCP／IP通信时，每一个通信端口独立传输数据，独占通信通道，其他端口不一定能检测到通信信号。但是，如果传输层采用UDP协议以广播和多播方式传输数据时，其他RJ45端口也能监测到通信信号，数据通信实时监听工具可以直接监听。

3.3 二次系统带电检测技术

带电检测技术主要针对状态检修模式，变电站集中停电检修的机会越来越少，通过带电检测，对设备运行时异常发热、二次负载开展定期检测，对中低压微机保护开展带负荷开关传动试验，主要包括红外测温技术、电流互感器二次负载离线检测技术、中低压微机保护带电整组传动试验。

红外测温技术主要利用设备的热故障点来发现缺陷，这种二次系统中的异常发热一般是螺丝虚接造成电阻增大而导致的。

电流互感器二次负载离线检测一般结合二次设备巡检开展。通过高精度钳形电流表、高阻电压表分别测保护二次负荷电流、电流互感器输出端二次电压，计算得到电流互感器的二次负载，正常情况下，保护三相电流互感器二次负载应基本平衡，与投产时的二次负载比对，能较快发现回路中是否存在负载过大等问题。

中低压微机保护带电整组传动试验是通过校验装置直接在运行的电流端子上加交流电流，即在负荷电流上叠加一个试验电流，令进入保护装置的二次电流达到保护动作规定值动作一次，然后利用保护装置本身的重合闸功能将开关合上，以达到对二次回路中的跳闸、合闸回路检验。

3.4 智能诊断技术

微机保护装置作为智能装置，不仅能检测装置内部的元器件故障，还能发现外部二次回路的一些不正常现象。装置内部的元器件故障可以通过几个特征来诊断，诊断出故障元件后，故障位置也可确定，解决问题的措施也随即确定。

智能诊断技术提供了一种基于层次分析法的故障排查优化方法，以提高故障排查的快速性与可靠性，包括电流互感器异常的诊断与电压互感器回路异常的诊断。

4 变电站二次系统典型缺陷

4.1 变电站继电保护和自动装置及其二次回路典型故障和缺陷

根据缺陷发生部位和发生原理不同，变电站继电保护和自动装置及其二次回路常见的故障主要为直流系统异常、故障，二次接线异常、故障，电流互感器、电压互感器等异常及故障，继电保护和安全自动装置异常及故障等。

根据缺陷发生部位及现象的不同，继电保护和自动装置及其二次回路典型缺陷可分为装置本体缺陷、二次回路引起的缺陷、通道加工设备故障引起的缺陷。

4.2 变电站监控系统缺陷

根据功能及缺陷发生部位的不同，监控系统典型缺陷主要分为以下几类：

间隔层测控装置的典型缺陷，如遥测采集异常、控制回路异常、同期功能异常、间隔层闭锁异常等；

人机工作站典型缺陷；

远动通信工作站典型缺陷；

监控系统外围设备缺陷。

4.3 变电站直流系统缺陷

根据缺陷发生部位及现象的不同，直流系统的典型缺陷主要分为：逆止二极管散热套件缺陷、监控器至充电模块的通信线缺陷、接地巡检仪主机电源模块故障、放电电流传感器故障、远方通信光电转换器损坏、直流系统压硅链控制板损坏、接件端子氧化、交流接触器故障。

5 电力系统故障诊断发展趋势

随着电网建设的发展、计算机技术和网络技术以及数学和智能科学理论的发展，不断有新的电网故障诊断方法出现，从电力系统故障诊断理论与方法研究和应用的深度广度可以清晰看到，其研究仍停留在理论和模型的探索阶段，基本上没有成型的实用系统，实用化方面一直没有太大的发展。从文献来看，电网故障诊断系统大多依托于调度端或变电站，分别利用调度SCADA系统的实时信息或站内综合自动化系统收集的信息来实现。随着计算机及网络技术的发展，以及故障录波专用网络的建设，发展了基于故障录波信息的故障诊断系统。此系统的建设将诸多信息孤岛纳入系统中，对故障后所有相关信息，如保护装置信息、录波器信息、雷电定位信息、监控装置信息等，进行采集、传输、存储和处理，为电网故障处理提供了信息支持。这些信息为新的电网故障诊断方法提供了基础，拓展了电网故障诊断的研究方向。因此，在电网故障诊断理论的实用化过程中，必须充分重视信息的收集与整理工作，包括用于故障诊断的数据仓库构建、故障综合信息的预处理和诊断知识的提取等。

为更好地研究电力系统故障诊断问题，应重点开展以下五方面的工作：信息不完整情况下的电力系统故障诊断方法研究；融合多种智能技术的综合电力系统故障诊断方法研究；基于MAS的诊断方法研究；电力系统健康诊断研究；电力系统故障诊断的实用化研究。

电力系统故障诊断是关系电力系统安全稳定运行的重要问题，从20世纪80年代起已经开展了大量的研究工作，提出多种故障诊断技术和方法，但实际系统中该问题并未完全解决。随着电力系统规模日趋庞大，结构更加复杂，对电力系统故障诊断提出了更高的要求。