電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

原晟淇

摘 要：目前電力市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境對(duì)電氣設(shè)備安全可靠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提出了更高的要求。本文主要介紹當(dāng)前先進(jìn)的電氣設(shè)備監(jiān)控技術(shù)，及其在變電站中主要設(shè)備如變壓器，電容器，斷路器，組合補(bǔ)償設(shè)備，避雷器中的實(shí)際應(yīng)用，可以降低設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)成本，并改善供電效果，并對(duì)提高設(shè)備可靠性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力有一定的指導(dǎo)和參考意義。

1.背景

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)投入大量的變壓器在線監(jiān)測(cè)裝置。但據(jù)統(tǒng)計(jì)，許多已安裝的在線監(jiān)控設(shè)備沒有起到作用。 許多設(shè)備自身具有較高的故障率，且其對(duì)于被測(cè)設(shè)備的故障監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率也很低，對(duì)變壓器的在線監(jiān)測(cè)帶來了許多負(fù)面影響。 因此，提高變壓器在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的可靠性，及其故障診斷的準(zhǔn)確性已成為變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要任務(wù)。

隨著電力系統(tǒng)向超高壓、大容量方向發(fā)展，確保電氣設(shè)備的安全運(yùn)行越來越重要。停電事故對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和居民生活的影響和損失也在增加。因此，需要對(duì)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)反映其絕緣劣化程度，以便采取預(yù)防措施，避免停電或事故。同時(shí)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)也是設(shè)備維護(hù)中的一項(xiàng)在國(guó)內(nèi)外推廣和實(shí)施的關(guān)鍵支持技術(shù)。變電站是電力系統(tǒng)的重要組成部分，通過各類方法和設(shè)備，對(duì)變電站內(nèi)外設(shè)備進(jìn)行在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)，能提高設(shè)備的運(yùn)行可靠性，降低設(shè)備的運(yùn)維成本，對(duì)延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命具有現(xiàn)實(shí)意義。

2.變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷方法

隨著電力需求的快速增長(zhǎng)和電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電力行業(yè)面臨著提高設(shè)備利用率，降低設(shè)備運(yùn)行成本，提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的挑戰(zhàn)。 這要求操作者更準(zhǔn)確地掌握電力設(shè)備的操作。 而變壓器作為電力系統(tǒng)的主要運(yùn)行設(shè)備，能夠正確監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀況，在早期準(zhǔn)確診斷其潛在故障，對(duì)電力輸配電中的電能傳輸至關(guān)重要。由于變壓器的故障，油中氣體的成分與變壓器故障的類型和嚴(yán)重程度密切相關(guān)。因此，對(duì)變壓器油中的氣體變化及其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是常用的變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。

圖1.變壓器的狀態(tài)監(jiān)控

2.1變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)

為了實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的可靠維護(hù)，最基本的是實(shí)現(xiàn)對(duì)其的狀態(tài)監(jiān)控，有必要實(shí)時(shí)，全面，真實(shí)地掌握電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)獲得其運(yùn)行時(shí)的各種狀態(tài)參數(shù)，以及它的變化趨勢(shì)。通過這種方式，可以對(duì)設(shè)備的潛在缺陷和故障進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和判斷。狀態(tài)監(jiān)測(cè)包括離線監(jiān)測(cè)和在線監(jiān)測(cè)。所謂的離線檢測(cè)是在電氣設(shè)備停電后中進(jìn)行各種測(cè)試，如傳統(tǒng)的預(yù)防性測(cè)試。在線監(jiān)測(cè)通過各種傳感器、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)，能夠在電氣設(shè)備通電時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于離線檢測(cè)需要停電，且測(cè)試周期較長(zhǎng)，不能實(shí)時(shí)監(jiān)控電氣設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，并避免可能的故障，離線檢測(cè)不是狀態(tài)監(jiān)測(cè)維護(hù)的理想選擇，因而在線監(jiān)控成為首選。

2.2變壓器故障診斷

變壓器故障診斷的正確性直接決定變壓器是否需要維修。因此，研究變壓器故障診斷技術(shù)非常重要。變壓器故障診斷的主要任務(wù)是根據(jù)變壓器的內(nèi)部絕緣情況，分析和確定變壓器是否有缺陷或故障。

常見的變壓器故障有許多測(cè)試診斷方法。常見方法有：直流電阻測(cè)量，油色譜分析，絕緣性能測(cè)試，局部放電測(cè)試，邊緣電阻和吸收比測(cè)量，介質(zhì)損耗角正切測(cè)量，直流漏電流測(cè)量，繞組變形測(cè)試，低壓短路阻抗測(cè)試等。變壓器的故障診斷主要分為三個(gè)階段：傳感器診斷，實(shí)驗(yàn)測(cè)試和智能檢測(cè)。

2.3意義

變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)掌握變壓器的實(shí)際情況，使變壓器大修從“一刀切”式的定期維護(hù)變?yōu)橥ㄟ^預(yù)測(cè)進(jìn)行維護(hù)狀態(tài)。但在實(shí)際應(yīng)用中，變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍存在許多問題。與傳統(tǒng)和離線維護(hù)方法相比，在線監(jiān)測(cè)設(shè)備不夠成熟和完善，運(yùn)行環(huán)境差，操作上有較多問題。

在此背景下，本文主要研究新的故障診斷方法，并結(jié)合已有、成熟的傳統(tǒng)故障診斷方法來診斷變壓器故障，提高變壓器故障診斷的準(zhǔn)確性。對(duì)故障狀態(tài)的預(yù)測(cè)也進(jìn)行了研究，提出了一些新的方法，使變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)更加健康，為電力系統(tǒng)帶來更大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3.電氣設(shè)備的紅外診斷技術(shù)

隨著現(xiàn)代紅外技術(shù)的不斷成熟和完善，電氣設(shè)備的紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展出了遠(yuǎn)距離，非接觸，準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)，快速等優(yōu)點(diǎn)。它不存在電源故障，不需采樣，不會(huì)崩潰，可以實(shí)時(shí)在線快速監(jiān)控和診斷電力設(shè)備的大多數(shù)故障，因此它受到國(guó)內(nèi)外電氣公司的高度重視，并得到了迅速的發(fā)展。它的漸漸成為各個(gè)工廠設(shè)備運(yùn)行的基礎(chǔ)，成為以確保設(shè)備的正常運(yùn)行的一個(gè)重要的技術(shù)手段。

3.1紅外輻射的基本定律

3.1.1黑體輻射-普朗克定律的譜分布規(guī)律

一個(gè)黑體在溫度為T（K）附近的單位波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)，單位表面區(qū)域向整個(gè)半球空間發(fā)射的輻射功率受波長(zhǎng) 和 影響，其中 （T），波長(zhǎng) 與溫度T 滿足以下關(guān)系：

式中， C1 為第一輻射常數(shù)， ， C2為第二輻射常數(shù)， 。

式 （1） 顯示了普朗克黑體輻射定律的數(shù)學(xué)關(guān)系，它給出了黑體在溫度T（K）下的光譜分布。

3.1.2黑體輻射光譜運(yùn)動(dòng)規(guī)律

黑體輻射光譜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。Wien一維位移定律揭示了黑體輻射光譜分布的峰值波長(zhǎng) 與其絕對(duì)溫度T成反比。

從上式可以計(jì)算出，室溫下的黑體通常具有9.7 的輻射峰，分布在8-12 之間。

3.1.3輻射功率隨溫度的變化 - Stephen Boltzmann定律

Stephen-Boltzmann定律描述了黑體單位表面區(qū)域發(fā)射到整個(gè)半球空間的所有波長(zhǎng)的總輻射功率隨其溫度的變化。

式中， ， 被稱為Stephen- Boltzmann常數(shù)。

Stephen-Boltzmann定律指出，溫度高于絕對(duì)零度的物體會(huì)自發(fā)地進(jìn)行紅外熱輻射，并且黑體的單位表面區(qū)域發(fā)射的總輻射功率與其開爾文溫度的四次方成正比。 因此，物體的溫度稍微的變化將引起物體發(fā)射的輻射功率的大范圍變化。

4結(jié)論

變電站電氣設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷是變電站狀態(tài)維護(hù)的主要配套技術(shù)措施，非常重要。同時(shí)，它還需要與其它技術(shù)手段結(jié)合，實(shí)現(xiàn)從定期維護(hù)到在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)的完全過渡。另外，由于沒有系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)各變電站在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的共享，更好地促進(jìn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的發(fā)展是未來的研究方向。

在線監(jiān)測(cè)和故障診斷是國(guó)內(nèi)外輸配電設(shè)備維護(hù)方式的主要發(fā)展趨勢(shì)。然而，配電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)和狀態(tài)維護(hù)的研究與實(shí)踐是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要在理論和技術(shù)上不斷創(chuàng)新。在國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的共同努力下，在線監(jiān)測(cè)和故障診斷手段將廣泛應(yīng)用于輸配電工程。

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