2023年《安全技术》之电力设备的状态监测技术的研究现状及发展.docx

电力设备的状态监测技术的研究现状及开展 电力设备的状态监测技术的研究现状及开展 添加日期：2023-11-16 作者或来源：中国电力设备管理网 20世纪90年代以来，在发电厂中应用状态监测技术以及开展新的状态监测技术已成了发电厂最重要的任务之一。两方面原因促成了这种需要：首先，发电厂电气设备的平安运行非常重要，任何意外故障都可能造成重大事故，停电会带来巨大的经济损失，这在当前竞争日趋剧烈的环境下尤为显著，而设备本身是发电厂的贵重资产并消耗大量维护费用。应用状态监测技术可以防止意外停机，最大限度缩短停机时间，减少维护费用，延长机器寿命，它为最优使用机器提供了大量有价值的信息，有很大的经济效益。其次，计算机技术、传感器技术、信号处理技术以及人工智能技术的开展使得对电气设备实施有效的状态监测成为可能。随着状态监测系统在可靠性!智能化和经济性方面的进一步提高，状态监测技术将在电力系统中获得广泛应用。 然而，状态监测在很多方面仍处开展之中，当前的研究工作主要集中在监测系统的灵敏性、可靠性和自动化方面，同时希望系统的本钱不致太高。 一、状态监测的根本概念 状态监测可定义为一种监测机器运行特性的技术或过程，通过提取故障特征信号（故障先兆），被监测特性的变化或趋势可用于在严重故障发生前预知维护需要，或者评估机器的“健康〞状况。状态监测利用了整个设备或者设备的某些重要部件的寿命特征，开发应用一些具有特殊用途的设备，并通过数据采集以及数据分析来预测设备状态开展的趋势。状态监测是为基于状态的维护或预知性维护效劳的一种技术。在应用状态监测技术以前，一直采用基于时间的维护策略。基于时间的维护根据检修时间表或运行时间离线检修设备，可以防止许多故障，然而在检修间隔期内仍会发生意外故障。由于没有设备当前状态的任何信息，维护活动的安排具有盲目性，浪费了大量人力、时间和金钱。要构成一个状态监测系统，必须首先考虑监测及诊断对象的故障机理，这有赖于监测对象物理模型的建立。例如，大型发电机的定子温度监测、振动监测，首先要考虑物理模型，由模型分析确定出适宜的特征量，为故障检测和诊断提供根底。状态监测系统借助于电气接口，监控运行中的设备，在故障发生前预知维护需要，判定并详细定位故障，甚至估计设备寿命。 二、主要电气设备的状态监测（一）电力变压器的状态监测 确保变压器正常运行的主要部件包括：绕组、铁心、绝缘油、冷却器及有载调节器（OLTC）。故障统计说明，OLTC故障和绕组故障最常见。因此，监控的关键参数包括OLTC故障、油/纸绝缘（包括绕组和变压器）的老化、负载和运行状态。OLTC故障主要由机械故障（轴承、转轴和驱动机构）引起，然后是电气故障，比方触点烧损、转换电阻燃烧和绝缘问题。OLTC的振动监测是有效的在线监测方法，并且本钱适中。绕组绝缘和主绝缘是影响变压器寿命的最大的问题之一，可通过温度、油中气体分析（DGA），局部放电（PD）和湿度分析来监测。负载和运行状态的根本信息可通过电压、电流互感器监测。振动监测是检测OLTC故障的最正确方法通过加速度计获取变压器铁心和绕组的振动数据，并同电流和热数据一起用于在线确定变压器的运行状态。 （二）发电机的状态监测（1）定子绕组故障：包括绝缘故障、绕组导体故障和绕组端部故障。由于大多数定子绕组故障是电气绝缘逐渐劣化的结果，绝缘故障便成了主要关注对象。定子绕组绝缘故障的主要早期特征便是机器内局部放电行为的增加，因此，对局部放电的监测成为实施定子绕组状态监测的主要工具。（2）转子体故障：它主要由巨大的转子离心力、大的负序暂态电流和转子不同心引起。在转子旋转时由于自身重力的作用，转子材料外表的裂缝将扩散，这将引起灾难性的转子故障。在负序电流作用下，转子涡流损耗会造成过热并导致疲劳裂纹的出现。如果发电机和系统之间满足谐振条件，突然的暂态过程可能导致转子扭振，从而引起转子故障。转子不同心会引起振动，并出现不平衡的磁拉力。对转子体故障的早期检测可通过振动监测和气隙磁密监测来实现。 （3）转子绕组故障：主要是匝间短路故障。匝间短路可能由于发电机在低速启动或停车时，槽中导体外表的污物引起了电弧，或者是巨大的离心力和高温影响了绕组和绕组绝缘。匝间短路故障可引起局部过热甚至导致转子接地。通用的监测方法是采用气隙磁密监测，通过探测气隙磁密，可以确定匝间短路的数量和位置。（4）定子铁心故障：主要是铁心深处的过热问题。热监测技术（包括热成像技术、热模型等）已被用于变压器和电动机定子绕组的监测中，但很少有用于定子铁心监测的报道。 （三）感应电动机状态监测 （1）定子故障：感应电动机定子故障主要是由于绝缘破坏引起绕组匝间短路造成的。当前，定子电流信号分析是确定定子绕组故障的常用工具，具有本钱低、易操作和功能多的优点。感应电动机的定子绕组匝间故障将引起气隙磁密畸变，从而在定子电流中产生谐波，因此定子电流可用于故障的检测。由于电动机和发电机在定子绕组上的相似性，用于发电机的PD在线监测也可用于电动机中，它比电流监测能更早地检测到绕组故障。 （2）转子故障：感应电动机转子故障主要有转子导条断裂，这将引起转矩跳动，转速波动，转子振动以及过热等。最常见的检测方法是上面提到的定子电流监测。另外可采用振动和气隙监测方法。 （3）轴承故障：电动机可靠性研究说明，轴承故障占所有机器故障的40%以上。潜在的轴承故障通常采用振动和定子电流监测的方法来检测，而定子电流监测具有非侵入式的优点（不需在电机内装设传感器）。 （4）气隙不均匀：气隙不均匀必须控制在一个可接受的水平上，例如10%。有两种类型的气隙不均：动态和静态。对静态不均，最小的气隙位置在空间上是固定的；而对于动态气隙不均，转子的中心和旋转中心不一致，因此最小气隙位置是旋转的。气隙不均可通过定子铁心振动监测和定子电流监测来检测。 （四）高压断路器状态监测 1．故障及监测内容 高压断路器是电力系统中最重要的开关设备，开关状态的好坏直接影响着电力系统的平安运行。高压断路器的故障包括机械故障和电气故障两大类，调查说明，80%的高压断路器故障是由于机械特性不良造成的，因此对机械特性的监测尤为重要。目前高压断路器的监测主要分为两大类：机械寿命在线监测和触头电寿命监测，监测的内容包括泄漏电流监测、气体密度监测、开断次数监测、累积开断电流监测、振动波型监测、断路器红外成像监测、分合闸线圈电流波型监测等。 2．常用监测技术 （1）断路器机械性能监测及最新进展断路器机械状态监测主要有行程和速度的监测，操作过程中振动信号的监测等。机械性能稳定的断路器，其分、合闸振动波形的各峰值大小和各峰值间的时间差是相对稳定的。将振动信号监测的波形与该断路器的特征波形/指纹0比较，即可判别断路器机械特性是否正常。文献根据径向基函数网络理论，将健康振动信号和断路器实际振动信号波峰值之差形成的残差以及冲击事件发生的时间作为断路器故障诊断的特征参数，以此判断是否故障及故障类型。除通用的振动监测法外，还有一种评估断路器状态的方法，即跳闸线圈轮廓法（TCP法），它通过考察断路器动作时，流过跳闸/闭合线圈里的电流波形来获得断路器的状态信息。 （2）断路器触头电寿命监测影响真空断路器和某些SF6断路器触头寿命的因素，包括灭弧室、灭弧介质和触头三个方面，其中起决定作用的通常是触头的电磨损。目前对触头电磨损的监测普遍采用基于断路器的电寿命曲线（N2Ib）的开断电流加权累积法。由于该方法没有考虑断路器运行时三相之间的差异和燃弧时间的因素，误差会较大。