電氣設備的故障診斷技術與發(fā)展趨勢

袁 鑄 范 樂 呂俊霞

（河南工業(yè)職業(yè)技術學院 河南南陽473000）

1 電氣設備的分類及其故障特征

隨著科學技術的進步和生產(chǎn)力的發(fā)展，現(xiàn)代化工業(yè)呈現(xiàn)出設備大型化、生產(chǎn)高速化、連續(xù)化、自動化等特點，影響工業(yè)設備可靠性、安全性的因素也越來越多。電力、冶金、汽車制造、電子、石油化工等產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)設備不只是單臺機器高度地自動化，而是有機地構成一個生產(chǎn)系統(tǒng)。在生產(chǎn)設備的自動化和系統(tǒng)化中，起核心作用的是變壓器等供電設備、電力電纜等配電設備、主要動力源的工業(yè)用電機，已經(jīng)用于控制機械的控制電機、檢測控制系統(tǒng)等。在生產(chǎn)現(xiàn)場中，一個微小的電氣故障導致整臺設備甚至整條生產(chǎn)線停產(chǎn)的例子屢見不鮮。因此，如果供配電設備、電動機、電力電纜、控制電機、檢測控制系統(tǒng)等電氣設備發(fā)生故障或者狀態(tài)劣化，那么，將對企業(yè)生產(chǎn)安全和經(jīng)濟效益造成巨大損失。為將這些重要的電氣設備故障控制在發(fā)生之前，做到防患于未然，降低維修成本，采用以設備故障診斷技術為基礎的設備檢修和維護方式已成為發(fā)展方向，并引起工業(yè)現(xiàn)場技術人員、管理人員和科研人員等方面的高度重視。

設備狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷技術是企業(yè)推進設備管理現(xiàn)代化的核心技術。但是，由于設備構成和技術方面的原因，多年來，設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術基本上是以設備的機械系統(tǒng)為主，進行如振動、油液、無損檢測等。而作為設備組成系統(tǒng)的另一個重要方面，即電氣設備的故障檢測和診斷的方法和手段，卻少之又少。因此，無論在產(chǎn)品技術方面，還是在科研開發(fā)方面，作為設備診斷工程的重要組成部分的電氣設備的故障診斷技術，都遠遠落后于機械設備的故障診斷技術。

電氣設備的故障診斷技術是指通過對電氣絕緣的試驗和各種特性的測量，來了解及評估它們在運行過程中的狀態(tài)，從而能在早期發(fā)現(xiàn)故障的技術。電氣設備故障診斷大致經(jīng)歷了三個階段：停電試驗階段、帶電測量階段和在線監(jiān)測階段。電氣設備的許多故障，如導線的虛接等，往往是很難捕捉、查找的，它不像機械設備具有直觀的可視性和故障的確定性，而且有些故障也不像機械零部件的缺陷那樣具有持續(xù)的漸近性。同時，由于電氣設備檢查手段還比較簡單，在面對大量國內外各種先進電氣設備和過程控制裝置的故障時，往往只能憑經(jīng)驗處理，并經(jīng)常束手無策，這是電氣故障檢測的困難性之一。另一方面，由于絕大多數(shù)故障必須在帶電運行狀態(tài)下檢測，在獲取信號時，在安全方面所做的工作要比機械檢測困難得多。此外，電氣設備的故障受環(huán)境因素影響干擾比較多，如濕度、溫度、周圍的電磁場等，都在很大程度上影響著故障的發(fā)生、發(fā)展或者消失。雖然有些機械故障也受外界因素干擾，如氣溫對轉子對中程度的影響等，但這畢竟是少數(shù)，而且程度也有限。電氣設備故障難以檢測的另一個重要原因，是電氣設備缺陷的微小變化就可以導致設備整體性能發(fā)生巨大變化，使設備無法正常運行。

1.1 電氣設備的分類

工況企業(yè)中的電氣設備一般分成以下四類。

（1）變電設備。主要指企業(yè)受電后，通過自身的變電所將能量轉變?yōu)闈M足需要的電壓、電流、頻率所使用的設備。

（2）電纜線。包括動力電纜及控制線路，它們起到傳輸能量的作用。

（3）電動機。設備的原動機，包括直流、交流、同步、異步電動機。

（4）控制設備。完成對電動機或其他電力設備的檢測、控制的各種裝置。

對電氣設備故障的檢測和診斷，根據(jù)不同的對象，有各種不同的方法。有檢測、診斷電機的電流法、振動法、倍頻法；檢測變壓器的匝比法、絕緣油分析；電纜的脈沖反射法、聲強法、時差法等。

1.2 電氣設備故障的分類

電氣故障是電能在傳遞、分配、轉換過程中失去控制而產(chǎn)生的。斷線、短路、異常接地、漏電、電氣設備或電氣元件損壞、電子設備受電磁干擾而發(fā)生誤動作等都屬于電路故障。系統(tǒng)中電氣線路或電氣設備的故障還會導致人員傷亡及重大財產(chǎn)損失。電氣系統(tǒng)故障引發(fā)的事故主要包括異常停電、異常帶電、電氣火災等。

異常停電是指在正常生產(chǎn)過程中，由于供電系統(tǒng)故障導致生產(chǎn)過程的突然中斷，使生產(chǎn)過程陷于混亂，造成經(jīng)濟損失，還可能造成事故和人身傷亡。異常帶電是指在正常情況下不應當帶電的生產(chǎn)設施或其中的某部分意外帶電，俗稱“漏電”，從而造成人員傷害。適當安裝漏電保護器等安全裝置，可使工作人員免受異常帶電的傷害。例如電氣設備因絕緣不良產(chǎn)生漏電，使其金屬外殼帶電。

電氣設備在運行時，由于電壓、熱、化學、機械振動以及其他因素的影響，其性能會持續(xù)劣化，甚至失去應有的功能，造成事故。在電氣設備設計和制造過程中可能存在一些潛伏性故障。根據(jù)電氣設備的構成特點，從查找電氣設備故障的觀點出發(fā)，常見的電氣故障分類如下。

1）設備絕緣故障

由于電氣設備長期處于高電壓和強電場作用下，電氣絕緣是一項重大問題，這也是電氣設備故障診斷的重中之重，因為一旦絕緣出現(xiàn)隱患，不僅影響正常的供電用電，而且極容易引發(fā)重大事故。引發(fā)絕緣故障的主要因素是設備老化、密封不嚴。絕緣故障主要分為以下幾種：變壓器絕緣故障，高壓電流互感器絕緣故障，電力電纜絕緣故障。其中又以高壓電流互感器絕緣故障最為關鍵，因為高壓電流互感器屬于電氣設備的核心部位，承受負載最大，老化速度快。而高壓電流互感器的絕緣材料為電容均勻結構，高壓引出部件，特別是60KV及以上的高壓套管的絕緣材料均采用油浸材料和膠紙材料電容型結構，密封效果不是很好，運行時進水受潮這種事故約占總數(shù)百分之三十。

2）設備機械故障

設備機械故障主要有電氣設備的振動、磨損、疲勞等，特別是電機的故障。我們知道，電機是有定子、轉子和軸承裝置構成的。其工作系統(tǒng)中存在相互獨立的電路和一個耦合電路的磁場，電機內不同絕緣結構又構成了獨立的等級絕緣系統(tǒng)，還有保障給各部位運轉的基本機械系統(tǒng)和通風散熱系統(tǒng)。這類故障的特點是隱蔽性強，對檢修技術要求比較高，既需要具備靈活操作設備的技術，還需要具備豐富的電氣設備檢修經(jīng)驗。

3）設備發(fā)熱故障

由于電氣設備進行的是能量轉換和傳遞程序，發(fā)熱因素對電氣設備的破壞性極大，熱故障在電氣設備故障診斷中也有重要作用。

1.3 電氣設備故障的特征

電氣設備故障與其他設備故障相比，具有許多特征。

（1）電的不可見性。一個物體是否帶電，雖然可以從電轉換聲、光、機械運動等宏觀現(xiàn)象看到，但在許多情況下，物體是否帶電，肉眼是分辨不清的。這樣，電氣設備出了故障，其故障具有較大的隱蔽性，這也為查找故障帶來了很大的困難。

（2）電的傳播速度極快。眾所周知，電流或信號在導線中的傳播速度接近于光速。因此，電氣設備發(fā)生故障后，電能釋放極快。大多數(shù)電氣設備故障往往在瞬間發(fā)生、發(fā)展，并釀成火災。這種突然性為故障的預防帶來了困難。

（3）電氣設備的故障形式集中，原因多樣。無論是什么情況，最集中的表現(xiàn)是電動機不能工作，但故障處不一定在電動機，可能是電源故障，也可能是電路或控制系統(tǒng)故障等。這樣，也給查找故障帶來困難。

（4）故障區(qū)域性廣。影響一種電氣設備功能的實現(xiàn)的元器件的分布區(qū)域可能很廣。例如，某水泵電動機的安裝地點在水源附近的水泵房，但供電電源在配電室，而其控制則在遠離水泵房的控制室。這就決定了水泵電動機的故障區(qū)域在一個較廣的范圍內，給故障查找?guī)砹死щy。

2 電氣設備故障診斷的內容和過程

電氣設備故障診斷的內容包括狀態(tài)監(jiān)測、分析診斷和故障預測三個方面。其具體實施過程可以歸納為以下四個方面。

2.1 信號采集

開關設備在運行過程中必然會有力、熱、振動及能量等各種量的變化，由此會產(chǎn)生各種不同信息。根據(jù)不同的診斷需要，選擇能表征設備工作狀態(tài)的不同信號，如振動、力、溫度等十分必要的。這些信號一般是用不同的傳感器來拾取的。

2.2 信號處理

這是將采集到的信號進行分類處理、加工，獲得能表征機器特征的過程，也稱為特征提取過程，如對振動信號從時域變換到頻域性頻譜分析。

2.3 狀態(tài)識別

將經(jīng)過信號處理獲得的開關設備特征參數(shù)與規(guī)定的允許參數(shù)或判別參數(shù)進行比較，對比以確定設備所處的狀態(tài)，是否存在故障及故障的類型和性質等。為此，應正確制定相應的判別準則和診斷策略。

2.4 診斷決策

根據(jù)對開關設備狀態(tài)的判斷，決定應采取的對策和措施，同時根據(jù)當前信號預測狀態(tài)可能發(fā)展的趨勢，進行趨勢分析。

2.5 排除故障的注意事項

在日常生活中很多電氣設備會經(jīng)常發(fā)生各種電氣故障，在對故障排除注意以下幾個方面了。首先，嚴格遵守操作規(guī)范、加強安全文明生產(chǎn)、防止設備故障增加、人生意外事故發(fā)生。其次，在排除故障中體會到理論知識的重要性，改變只重視實踐，不去掌握必要的理論知識的錯誤觀念。電氣控制線路所表現(xiàn)出的故障現(xiàn)象不盡相同，掌握電氣故障基本的檢修步驟、方法及技巧，對于準確查找故障部位、及時快速排除電氣故障，可以達到事半功倍的效果。

3 用人體感官診斷電氣設備異常或故障

3.1 利用手摸診斷電氣設備異?；蚬收?/h3>

用手測定溫度。用手觸摸電氣設備時要采取必要的安全措施。切斷電源，確保無電。對保護接地、接零良好的電動機、發(fā)電機和變壓器等，可以直接用手觸摸其外殼和散熱器。

用手測試振動。日常維護和運行中，常用手摸測試電氣設備的振動，其經(jīng)驗用食指、中指和無名指輕按軸瓦、機身振動部位等。

3.2 其他

在巡視檢查電氣設備時，可通過觀察監(jiān)視儀表、檢查外觀及變色情況發(fā)現(xiàn)故障?？衫寐犛X、嗅覺、觸覺和味覺診斷電氣設備異?；蚬收?。

4 現(xiàn)代電氣設備診斷的發(fā)展趨勢

隨著科學技術的不斷發(fā)展，電氣設備診斷技術也必然會不斷發(fā)展，其方向如下。

4.1 綜合性

信息化對各種產(chǎn)業(yè)最大的影響就是進行產(chǎn)業(yè)整合，采取綜合管理。未來電氣設備診斷納入信息化體系，診斷技術必定走向綜合化，即將各種電氣設備運行情況參數(shù)整合到一個數(shù)據(jù)中心，通過一個遠程終端進行監(jiān)控，無論發(fā)熱故障、絕緣故障或機械故障均能同時進行檢測，只需在電氣設備中按照數(shù)據(jù)終端，并且將各個設備終端數(shù)據(jù)整合到一個個狀態(tài)數(shù)據(jù)服務器，再將各個服務器與監(jiān)控終端進行鏈接，就可以方便快捷、隨時隨地進行檢測、診斷，就好比為電氣設備建設一個遠程診斷醫(yī)院，使電氣設備診斷走向人工智能化。

4.2 針對性

電氣設備診斷的信息化，與之前傳統(tǒng)的診斷方法比起來，針對性更強，而且更加快捷。發(fā)電機組、變壓器、輸電線路等各處的狀態(tài)數(shù)據(jù)除與總控室的數(shù)據(jù)終端相連外，還有各自獨立的數(shù)據(jù)服務器，能夠快速地針對各自不同的故障形態(tài)進行針對性的診斷，形成及整合所有獨立完備的診斷體系。

4.3 快捷性

信息化之后的電氣設備診斷不必事必躬親，一般只需監(jiān)控終端數(shù)據(jù)就行，形成人工智能體系。信息化的最大特點是快捷，各種數(shù)據(jù)終端可以在第一時間上傳到總數(shù)據(jù)庫，同時可以與相關專家建立長期的合作機制，隨時咨詢個別復雜的故障處理問題，方便快捷地進行電氣設備的診斷。

5 結語

電氣設備故障現(xiàn)象是多種多樣的，同一類故障可能有不同的故障現(xiàn)象，不同類故障可能是同種故障現(xiàn)象的同一性和多樣性，會給查找故障帶來復雜性。但是，故障現(xiàn)象是查找電氣故障的基本依據(jù)，是查找電氣故障的起點，因此要對故障現(xiàn)象仔細觀察分析，找出故障現(xiàn)象中最主要的、最典型的方面，搞清故障發(fā)生的時間、地點、環(huán)境等。很多電氣故障的排除，必須依靠專業(yè)理論知識才能真正弄懂弄通。電氣維修人員與其他工種維修人員比較而言，理論性更強，有時候沒有理論的指導很多工作根本無法進行，因此要具有一定的專業(yè)理論知識。應不斷加強自身專業(yè)理論知識的學習和提高操作技能水平，當發(fā)生電氣故障時，能夠準確地查找其故障所在，從而排除故障，使電氣設備能夠正常穩(wěn)定地運行。