電力設(shè)備的缺陷及診斷技術(shù)

鄭建欣，呂俊霞

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動化工程學(xué)院，河南 南陽 473009）

1 變電站二次系統(tǒng)

在電力系統(tǒng)中，將直接參與發(fā)、輸、變、配電能的電氣一次設(shè)備，如發(fā)電機(jī)、變壓器、電力電纜、輸電線、斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器及其相互連接的電氣回路稱為一次系統(tǒng)。

變電站二次系統(tǒng)是相對一次系統(tǒng)而言的，由二次設(shè)備及其相互連接的電氣回路構(gòu)成，是對一次系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測、控制、調(diào)節(jié)和保護(hù)的系統(tǒng)。

2 缺陷概述

任何設(shè)備都不可能完全避免缺陷的存在，關(guān)鍵在于缺陷能否被及時地檢測和處理，或以某種方式防范以維持設(shè)備的健康狀態(tài)，變電站二次系統(tǒng)也不例外。在實際運行過程中，值班人員發(fā)現(xiàn)缺陷時只看到了現(xiàn)象，并不能反映缺陷的本質(zhì)。因此，檢修人員在消除缺陷后有必要對缺陷重新定性，規(guī)范缺陷術(shù)語，包括缺陷部位、原因、責(zé)任單位、消除缺陷方式等。只有這樣才能真正掌握設(shè)備運行規(guī)律，科學(xué)購置備品備件，客觀評價設(shè)備運行質(zhì)量，優(yōu)化維護(hù)策略。

2.1 基本概念

繼電保護(hù)危急缺陷為直接影響主保護(hù)功能或?qū)е卤Ｗo(hù)誤動作的缺陷，重要缺陷為影響保護(hù)功能的缺陷，一般缺陷為影響保護(hù)輔助功能的缺陷。

2.2 缺陷術(shù)語

2.2.1 缺陷部位

變電站二次系統(tǒng)是由裝置本體和二次回路構(gòu)成的系統(tǒng)，其中裝置本體由大量微電子元器件、高集成電路組成，二次回路由空氣開關(guān)、切換把手、按鈕、壓板、密封繼電器、控制電纜組成。各個模塊和器件之間沒有冗余，從可靠性模型來看，是一個串聯(lián)模型。任何一個模塊失效，都會引起繼電保護(hù)故障。此外，線路縱聯(lián)保護(hù)還包括通道相關(guān)設(shè)備。

檢修人員在檢修設(shè)備時要填寫缺陷記錄。當(dāng)缺陷記錄的樣本積累到一定數(shù)量后，可以統(tǒng)計繼電保護(hù)系統(tǒng)各個部件損壞的比率。這是運行維護(hù)部門編制備品備件采購策略的依據(jù)，在實際檢修作業(yè)過程中可更多關(guān)注薄弱環(huán)節(jié)，同時對制造廠家改進(jìn)裝置性能也有參考價值。

2.2.2 缺陷原因

根據(jù)零部件材質(zhì)特性和統(tǒng)計分析結(jié)果，二次系統(tǒng)缺陷主要可分為偶發(fā)性缺陷、老化性缺陷和先天性缺陷。

偶發(fā)性缺陷是指非常方式下偶爾出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，因為其觸發(fā)條件不可預(yù)測，故障現(xiàn)象也不能長時間保持，一般難以通過給定外部條件使故障再現(xiàn)，故障發(fā)生的時機(jī)難以捕捉。我們常把偶發(fā)性缺陷稱為內(nèi)傷或隱性故障。一般要通過全程連續(xù)跟蹤方式捕捉異常過程，或通過原理分析、理論推測等比較理性的手段來排查故障原因，并通過重復(fù)實驗長期監(jiān)測的方式來驗證故障處理效果。偶發(fā)性缺陷的發(fā)生具有隨機(jī)性、突變性，故障前沒有明顯的征兆，不可預(yù)見，比較典型的是存儲器、CPU和A／D轉(zhuǎn)換器等器件的失效。

偶發(fā)性缺陷往往由外界惡劣環(huán)境，如電磁干擾、超高溫、超低溫、過電壓、振動引起，或器件本身的質(zhì)量問題導(dǎo)致，如EEPROM出錯。偶發(fā)性缺陷有些是可逆的，在外界環(huán)境恢復(fù)常態(tài)后，缺陷隨之消失，有些是永久性的，直接導(dǎo)致元器件損壞。偶發(fā)性缺陷發(fā)生概率與運行環(huán)境有關(guān)，與運行時間無關(guān)。在計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中偶發(fā)性缺陷越來越頻繁出現(xiàn)，因為監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用的不平衡性，有些新型的自動化產(chǎn)品不夠成熟，使監(jiān)控缺陷數(shù)量居高不下，缺陷特性呈現(xiàn)復(fù)雜性和偶發(fā)性，給故障的排查和處理帶來不小的難度。

老化性缺陷的發(fā)生具有漸變性，故障前持續(xù)時間較長。逆變電源、出口繼電線圈或觸點、液晶顯示屏、控制電纜等部件均易發(fā)生老化性缺陷。老化性失效是由老化或疲勞引起性能或特性逐漸劣化，到一定程度后引起故障，如直流接地。老化性缺陷發(fā)生概率與運行環(huán)境、運行時間都有關(guān)系。處于某些惡劣條件下，如高溫環(huán)境，或運行時間接近設(shè)計壽命時，老化性缺陷會明顯增多。

先天性缺陷的發(fā)生具有漸變性，故障前持續(xù)時間較長，其誘因在投運前存在，發(fā)生在投運過程中，容易被誤認(rèn)為偶發(fā)性缺陷。大部分先天性缺陷由器件選型不當(dāng)、制造工藝不當(dāng)、回路設(shè)計不當(dāng)和使用不當(dāng)?shù)纫蛩匾?，如軟件存在BUG、芯片脫焊、接線錯誤等。先天性故障發(fā)生概率和繼電保護(hù)材質(zhì)、工藝、設(shè)計、安裝、調(diào)試質(zhì)量相關(guān)。制造廠家的質(zhì)量控制水平不同，其生產(chǎn)的保護(hù)裝置先天性缺陷率也存在明顯差異。

檢修人員在填寫缺陷記錄時，缺陷原因可選擇元器件損壞、回路松動、接觸不良、性能老化、原理缺陷、參數(shù)設(shè)置錯誤、接線錯誤、運行操作不當(dāng)、電纜絕緣不良、絕緣子受潮、版本錯誤、環(huán)境異常、外界干擾、通道中斷、反措施未實施、其他。

2.2.3 缺陷責(zé)任單位

從全壽命周期的角度，二次系統(tǒng)質(zhì)量保證和控制涵蓋制造階段、建設(shè)階段和運維階段。制造階段的責(zé)任單位主要涉及保護(hù)裝置的生產(chǎn)廠家，建設(shè)階段的責(zé)任單位涉及設(shè)計院、送變電等設(shè)計、施工、調(diào)試單位，運維階段的責(zé)任單位涉及調(diào)度、運檢、信通等單位和部門。確定缺陷責(zé)任單位的主要目的并非追究責(zé)任，而是督促相關(guān)單位分析原因，制定對策。

3 缺陷診斷技術(shù)

電力設(shè)備缺陷診斷技術(shù)大致經(jīng)歷了3個階段。

1）停電試驗階段。這個階段始于20世紀(jì)50年代，主要是一些普遍的預(yù)防性方法，這些試驗方法對電力設(shè)備的安全運行有積極作用。

2）帶電測試階段。這一階段始于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時帶電測試這一方法僅僅是為了在不停電情況下對電力設(shè)備直接測量，主要是對泄漏電流及介質(zhì)損耗因數(shù)進(jìn)行處理。因此，測量的項目較少，應(yīng)用范圍較窄。

3）在線監(jiān)測階段。這一階段始于20世紀(jì)90年代，隨著現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號采集技術(shù)的發(fā)展，在線監(jiān)測技術(shù)向更高層次發(fā)展。

缺陷發(fā)生主體的不同及缺陷現(xiàn)象的差異會造成缺陷診斷方法的不同，比如，裝置告警、閉鎖等類型的缺陷可通過微機(jī)保護(hù)裝置的自檢技術(shù)診斷；自動化系統(tǒng)發(fā)生的缺陷可以通過抓取報文，對報文分析解讀進(jìn)行診斷；二次回路發(fā)生的缺陷，可以通過各種離線或在線的檢測技術(shù)診斷。

3.1 微機(jī)保護(hù)裝置自檢技術(shù)

微機(jī)保護(hù)裝置通?？煞譃槟M量采集系統(tǒng)、微機(jī)處理系統(tǒng)、開關(guān)量輸入／輸出系統(tǒng)、人機(jī)界面、電源系統(tǒng)等間隔部分。保護(hù)裝置中的微處理器可對大部分電子元器件進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)器件異?？杉皶r報警，即微機(jī)保護(hù)裝置自檢技術(shù)，主要包括看門狗自檢、CPU及存儲器自檢、開關(guān)量及采集系統(tǒng)自檢等方式。

3.2 報文分析技術(shù)

獲取通信報文的過程常稱為抓包，報文分析技術(shù)是通過對監(jiān)控系統(tǒng)通信接口進(jìn)行報文抓包、報文分析的一種缺陷診斷技術(shù)。常用的工具軟件有Windows下的mms-ethereal、WireShark和Solaris下的snoop命令。

變電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備串口通信方式主要是RS－485（或RS－422）與RS－232接口。RS－485通信接口主要用于間隔層測控裝置、保護(hù)裝置與站控層總控單元、主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，大多應(yīng)用《遠(yuǎn)動設(shè)備及系統(tǒng) 第5部分：傳輸規(guī)約 第103篇：繼電保護(hù)設(shè)備信息接口配套標(biāo)準(zhǔn)》（DL／T 667—1999／IEC 60870－5－103：1997）規(guī)約；RS－232通信接口主要用于遠(yuǎn)動裝置與主站端前置機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，大多應(yīng)用《遠(yuǎn)動設(shè)備及系統(tǒng) 第5－101部分：傳輸規(guī)約基本遠(yuǎn)動任務(wù)配套標(biāo)準(zhǔn)》（DL／T 634.5101—2002／IEC 608－70－5－101：2002）規(guī)約。

變電站間隔層保護(hù)測控裝置一般都具備RS－485接口與DL／T 667規(guī)約通信功能，通信的電信號一般可以通過并接的方式直接監(jiān)聽。如果報文記錄分析設(shè)備只適用RS－232接口，則需要經(jīng)過RS－485／RS－232轉(zhuǎn)換器進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換。

變電站與主站之間的遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)串口傳輸是基于RS－232接口的全雙工方式，主要采用CDT規(guī)約、DL／T 634.5101—2002規(guī)約。遠(yuǎn)動通信在線監(jiān)測必須同時獲取收發(fā)兩個方向的信息才能完整記錄數(shù)據(jù)通信的全過程。

以太網(wǎng)通過交換機(jī)或集線器連接，交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層，實質(zhì)上是一個多端口的網(wǎng)橋，每個端口都直接與主機(jī)相連，采用TCP／IP通信時，每一個通信端口獨立傳輸數(shù)據(jù)，獨占通信通道，其他端口不一定能檢測到通信信號。但是，如果傳輸層采用UDP協(xié)議以廣播和多播方式傳輸數(shù)據(jù)時，其他RJ45端口也能監(jiān)測到通信信號，數(shù)據(jù)通信實時監(jiān)聽工具可以直接監(jiān)聽。

3.3 二次系統(tǒng)帶電檢測技術(shù)

帶電檢測技術(shù)主要針對狀態(tài)檢修模式，變電站集中停電檢修的機(jī)會越來越少，通過帶電檢測，對設(shè)備運行時異常發(fā)熱、二次負(fù)載開展定期檢測，對中低壓微機(jī)保護(hù)開展帶負(fù)荷開關(guān)傳動試驗，主要包括紅外測溫技術(shù)、電流互感器二次負(fù)載離線檢測技術(shù)、中低壓微機(jī)保護(hù)帶電整組傳動試驗。

紅外測溫技術(shù)主要利用設(shè)備的熱故障點來發(fā)現(xiàn)缺陷，這種二次系統(tǒng)中的異常發(fā)熱一般是螺絲虛接造成電阻增大而導(dǎo)致的。

電流互感器二次負(fù)載離線檢測一般結(jié)合二次設(shè)備巡檢開展。通過高精度鉗形電流表、高阻電壓表分別測保護(hù)二次負(fù)荷電流、電流互感器輸出端二次電壓，計算得到電流互感器的二次負(fù)載，正常情況下，保護(hù)三相電流互感器二次負(fù)載應(yīng)基本平衡，與投產(chǎn)時的二次負(fù)載比對，能較快發(fā)現(xiàn)回路中是否存在負(fù)載過大等問題。

中低壓微機(jī)保護(hù)帶電整組傳動試驗是通過校驗裝置直接在運行的電流端子上加交流電流，即在負(fù)荷電流上疊加一個試驗電流，令進(jìn)入保護(hù)裝置的二次電流達(dá)到保護(hù)動作規(guī)定值動作一次，然后利用保護(hù)裝置本身的重合閘功能將開關(guān)合上，以達(dá)到對二次回路中的跳閘、合閘回路檢驗。

3.4 智能診斷技術(shù)

微機(jī)保護(hù)裝置作為智能裝置，不僅能檢測裝置內(nèi)部的元器件故障，還能發(fā)現(xiàn)外部二次回路的一些不正?，F(xiàn)象。裝置內(nèi)部的元器件故障可以通過幾個特征來診斷，診斷出故障元件后，故障位置也可確定，解決問題的措施也隨即確定。

智能診斷技術(shù)提供了一種基于層次分析法的故障排查優(yōu)化方法，以提高故障排查的快速性與可靠性，包括電流互感器異常的診斷與電壓互感器回路異常的診斷。

4 變電站二次系統(tǒng)典型缺陷

4.1 變電站繼電保護(hù)和自動裝置及其二次回路典型故障和缺陷

根據(jù)缺陷發(fā)生部位和發(fā)生原理不同，變電站繼電保護(hù)和自動裝置及其二次回路常見的故障主要為直流系統(tǒng)異常、故障，二次接線異常、故障，電流互感器、電壓互感器等異常及故障，繼電保護(hù)和安全自動裝置異常及故障等。

根據(jù)缺陷發(fā)生部位及現(xiàn)象的不同，繼電保護(hù)和自動裝置及其二次回路典型缺陷可分為裝置本體缺陷、二次回路引起的缺陷、通道加工設(shè)備故障引起的缺陷。

4.2 變電站監(jiān)控系統(tǒng)缺陷

根據(jù)功能及缺陷發(fā)生部位的不同，監(jiān)控系統(tǒng)典型缺陷主要分為以下幾類：

間隔層測控裝置的典型缺陷，如遙測采集異常、控制回路異常、同期功能異常、間隔層閉鎖異常等；

人機(jī)工作站典型缺陷；

遠(yuǎn)動通信工作站典型缺陷；

監(jiān)控系統(tǒng)外圍設(shè)備缺陷。

4.3 變電站直流系統(tǒng)缺陷

根據(jù)缺陷發(fā)生部位及現(xiàn)象的不同，直流系統(tǒng)的典型缺陷主要分為：逆止二極管散熱套件缺陷、監(jiān)控器至充電模塊的通信線缺陷、接地巡檢儀主機(jī)電源模塊故障、放電電流傳感器故障、遠(yuǎn)方通信光電轉(zhuǎn)換器損壞、直流系統(tǒng)壓硅鏈控制板損壞、接件端子氧化、交流接觸器故障。

5 電力系統(tǒng)故障診斷發(fā)展趨勢

隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展、計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及數(shù)學(xué)和智能科學(xué)理論的發(fā)展，不斷有新的電網(wǎng)故障診斷方法出現(xiàn)，從電力系統(tǒng)故障診斷理論與方法研究和應(yīng)用的深度廣度可以清晰看到，其研究仍停留在理論和模型的探索階段，基本上沒有成型的實用系統(tǒng)，實用化方面一直沒有太大的發(fā)展。從文獻(xiàn)來看，電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)大多依托于調(diào)度端或變電站，分別利用調(diào)度SCADA系統(tǒng)的實時信息或站內(nèi)綜合自動化系統(tǒng)收集的信息來實現(xiàn)。隨著計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以及故障錄波專用網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，發(fā)展了基于故障錄波信息的故障診斷系統(tǒng)。此系統(tǒng)的建設(shè)將諸多信息孤島納入系統(tǒng)中，對故障后所有相關(guān)信息，如保護(hù)裝置信息、錄波器信息、雷電定位信息、監(jiān)控裝置信息等，進(jìn)行采集、傳輸、存儲和處理，為電網(wǎng)故障處理提供了信息支持。這些信息為新的電網(wǎng)故障診斷方法提供了基礎(chǔ)，拓展了電網(wǎng)故障診斷的研究方向。因此，在電網(wǎng)故障診斷理論的實用化過程中，必須充分重視信息的收集與整理工作，包括用于故障診斷的數(shù)據(jù)倉庫構(gòu)建、故障綜合信息的預(yù)處理和診斷知識的提取等。

為更好地研究電力系統(tǒng)故障診斷問題，應(yīng)重點開展以下五方面的工作：信息不完整情況下的電力系統(tǒng)故障診斷方法研究；融合多種智能技術(shù)的綜合電力系統(tǒng)故障診斷方法研究；基于MAS的診斷方法研究；電力系統(tǒng)健康診斷研究；電力系統(tǒng)故障診斷的實用化研究。

電力系統(tǒng)故障診斷是關(guān)系電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要問題，從20世紀(jì)80年代起已經(jīng)開展了大量的研究工作，提出多種故障診斷技術(shù)和方法，但實際系統(tǒng)中該問題并未完全解決。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模日趨龐大，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，對電力系統(tǒng)故障診斷提出了更高的要求。