1. 电气设备的在线监测与故障诊断 Condition Monitoring and Fault Diagnosis of Electrical Equipment 王伟教授：电气与电子工程学院 高电压与电磁兼容研究所 电话： 13366536227 E-mail:wwei@ncepu.edu.cn

2. 变压器 GIS ··· 电力电缆 发电机 电容性设备 电气设备界定

3. 课程涉及的领域 高电压工程 电子测试技术 电磁兼容 人工智能 可靠性工程 传感技术

4. 主要参考书目 1 、《电气设备在线监测与故障诊断》，王昌长 李福祺 高胜友编著，清华大学出版社出版社， 2006 年版。 2 、《电绝缘诊断技术》，朱德恒、谈克雄编著 ， 中国电力出版社， 1999 年版。

5. 课程的主要内容 ( 此处应相对展开，使学生对课程的主线有所了解 ) 在线监测综述 故障诊断概论 电气故障分析 传感技术 电磁兼容及抗干扰 数据采集与处理 故障报警原理 智能诊断方法 可靠性评估及维修策略 电力电缆 电容型设备 电力变压器 实际应用 在线监测系统 基本结构及关键技术 背景知识

6. 我国电网基本框架 新疆 西藏 东北电网 华北电网 西北电网 川渝电网 华中电网 华东电网 南方电网 500kV 220kV 330kV 热电厂 水电站 核电站

7. 我国的发电一次能源主要分布西部地区，而电力消费主要集中在中、东部和南部地区。西电东送、南北互供，发展全国联网是解决我国能源分布与电力消费矛盾的重要措施。并将形成北、中、南三个输电通道。 中国电力工业分为 7 个跨省 ( 区 ) 电力集团 : 东北、华北、华东、华中、西北、南方和川渝， 5 个独立省级电网 : 山东、福建、新疆、海南、西藏 ( 未包括台湾和港澳地区 ) 。

8. 电力系统的稳定性问题 发电、输电和用电过程构成了不可分割的整体，任何环节发生故障都有可能引起链式反应，导致整个系统的崩溃。 电厂 电力网 用户 系统瞬间改变

9. 在我国，近 20 年来各大电网中规模较大的停电事故约有 140 余起，每次损失数以亿计。近几年事故次数虽有所下降。但其规模和造成的损失却大幅度扩大和上升。随着全国电网的形成，电力系统重大事故也更将危及到我国国家安全。

10. 停电原因 ( % ) 0.00 17.49 0.00 29.19 49.50 3.78 0.04 西 宁 0.90 0.00 0.00 50.96 28.69 19.45 0.00 广 州 1.25 5.34 0.00 67.18 18.44 4.82 2.97 杭 州 5.84 8.02 0.00 69.26 14.66 1.82 0.40 长 春 3.02 10.31 0.53 64.71 16.76 3.04 1.63 太 原 2.56 10.78 0.00 39.17 45.31 2.12 0.06 上 海 气象影响 外部因素 电源不足 检 修 设备故障 管理不善 电网结构 城 市

11. 1981 ～ 1990 年间，我国主要电网有近 1/3 的电网事故的直接起因是设备故障损坏所造成的，而在“八五”期间，由设备故障直接引发的电网事故占事故总量的 26.3% ， 可见提高设备的运行可靠性是保证电力系统安全运行的关键。 现代电力设备的可靠性在很大程度上取决于其绝缘的可靠性。

12. 安全第一 “ 不求有功，但求无过” 是电力运行单位的宗旨。 但要实现这一消极的目的，需要非常积极的态度。

14. 电力系统维修方式的演变过程 1. 事后修理 BM （ Breakdown Maintenance ）或故障维修； 2. 定期检修 TBM （ Time Based Maintenance ）或 预防性维修 PM （ Preventive Maintenance ）； 3. 状态维修 CBM （ Condition Based Maintenance ）或 预知性维修 （ Predictive Maintenance ）。

15. 事后维修体制 早期技术及管理水平都很低 ，即使再重要的设备也只能坏了再修。以致工作毫无计划性，供电可靠性很低。 简单方便，对消耗性产品是有效的。 随着电力系统的不断扩大，设备故障所造成的停电损失也越来越大，事后维修无法满足系统对运行稳定性的需求。

16. 现行维修体制—定期维修 预防性试验是电力设备运行和维护工作中的一个重要环节，是保证电力系统安全运行的有效手段之一。在我国已有 40 年的使用经验。 预防性试验、大修和小修构成了定期维修制的基本内容。

17. 1. 维修周期频繁 2. 预防性试验项目过多 电力变压器 32 项 发电机 25 项 互感器 11 项 GIS 达 20 项 定期维修制的种种弊端 设备 发电机 变压器 电力电缆 GIS 小修周期 （年） 1 1 1 1 大修周期 （年） 3 5~10 5 5

20. 预防性试验是在停电情况下，进行的非破坏性试验，试验电压一般不超过 10kV 。而大部分变电设备工作电压为 110~ 500kV 。很难正确反映高压电气设备在运行中存在的缺陷。 7. 预防性试验条件与实际运行工况不同 设备的现代化对设备的维修体制提出了变革的要求，设备运行的高可靠性和维修方式的经济性已成为电力系统降低运行成本的关键。

21. 发展中的维修体制—状态维修 状态维修方式的基本思想 “ 治于未病”

22. 状态维修即根据具体设备的实际情况来确定检修周期和检修内容的维修体制。 通过对设备运行情况的实时监测，随时查明设备可能“存在着什么样的隐患，什么时候会发生故障”，预先得知将要发生事故的部位和时间，设备管理人员因此可以从容地安排停电计划和组织维修人力，采购必须的备件，以便在短时间内完成高质量的维修工作。 实现“无病不修、有病才修、修必修好”的目的。 状态维修的必要性

23. 虽然设备内部缺陷的出现和发展具有很强随机性，但大多都具有一个的较为缓慢的 发展过程 ，在这期间，会产生各种前期征兆，表现为其电气、物理、化学等特性发生渐进的量变。根据这些 特征量值 的大小及变化趋势，即可对设备的可靠性随时做出判断，从而发现早期潜伏性故障。 状态维修的技术可行性

25. 设备状态 在线监测 故障诊断 维修决策 状态维修的基础

32. 电气故障的主要原因 制造工艺存在缺陷 恶劣的环境和苛刻的运行条件 材料的劣化 缺乏良好的管理及维护

33. 绝缘材料 液体绝缘 : 绝缘油 固体绝缘：绝缘纸、电瓷 、云母交联聚乙烯等 气体绝缘 : 空气、 SF 6 真空绝缘

34. 绝缘劣化及其影响因素 电气因素 机械因素 温度和热稳定性 受潮 化学稳定性和抗生物特性 为了使设备的外形尺寸保持在可以接受的水平，现代变压器相对于以往的设计采用了更为紧凑的绝缘方式，因此在运行中其内部各组件间的绝缘所需承受的热和电应力水平显著提高。

38. 表 1 电介质的耐热等级 耐热等级 工作温度 (℃) 电介质 O 90 木材、纸、纸板、棉纤维、天然丝；聚乙烯；聚氯乙烯；天然橡胶 A 105 油性树脂漆及其漆包线；矿物油及浸入其中的纤维材料 E 120 酚醛树脂塑料；胶纸板、胶布板；聚酯薄膜；聚乙烯醇缩甲醛漆 B 130 沥青油漆制成的云母带、玻璃漆布、玻璃胶布板；聚酯漆；环氧树脂 F 155 聚酰亚胺漆及其漆包线；改性硅有机漆及其云母制品及玻璃漆布 H 180 聚酰胺聚酰亚胺漆及其漆包线；硅有机漆及制品；硅橡胶及玻璃漆布 C >180 聚酰亚胺漆及薄膜；云母；陶瓷；玻璃及其纤维；聚四氟乙烯

39. 热老化规律 —— 6 度规则 (A 级 ) —— 10 度规则 (B 级 ) —— 12 度规则 (H 级 ) 试验表明，对于常用的 A 级绝缘，如油纸绝缘，则温度每超过 6℃ ，则寿命约缩短一半。而对于 B 、 H 级绝缘则分别约为 10℃ 及 12℃ 。

40. 水分被吸收到电介质内部或吸附到电介质的表面以后，它能溶解离子类杂质或使强极性的物质解离，严重影响介质内部或沿面的电气性能：在外施电压下，或者在电极间构成通路，或者在高温下汽化形成“汽桥”而使击穿电压显著降低。 4. 受潮 局部电弧 水带 绝缘介质

42. 5. 化学稳定性及抗生物特性 在户外工作的绝缘应能长期耐受日照、风沙、雨雾冰雪等大气因素的侵蚀。在含有化学腐蚀气体等环境中工作时，选用的材料应具有更强的化学稳定性，如耐油性等。工作在湿热带和亚湿热带地区的绝缘还要注意材料的抗生物（霉菌、昆虫）特性，如有的在电缆护层材料中加入合适的防霉剂和除虫涂料等。

43. 绝缘介质的电气特性 可以将不同电场强度下，电介质中所呈现的电气现象分为两类： 1. 在强电场下（当外施场强大于该介质的 击穿强度 时），将出现放电、闪络、 击穿 等现象，这在气体中表现最为明显。 2. 在弱电场下（当外施场强比该介质的击穿场强小得多时），主要是介质中的 极化、电导、介质损耗 等。 以下将分析气体放电及液、固体介质的电气性能。

46. 1. 破坏性试验及非破坏性试验 绝缘试验的分类 如需进行耐压试验，必须在非破坏试验即绝缘特性试验合格后才进行。 绝缘试验 绝缘特性试验 （预防性试验） 绝缘电阻测试 介质损失角正切值 (tgδ) 测验 局部放电测试 绝缘耐压试验 交流电压试验 直流电压试验 雷电冲击电压试验 操作冲击电压试验

49. 但交流设备用直流试验不够真实，例如油纸串联时，交流下电场分布取决于介电常数 ε ，而直流却取决于电阻率 ρ 。因此两者并不等效。

53. 故障诊断的定义： 包括对异常状态的检测、异常状态的识别以及对异常状态预测在内的各种技术总称。 广义的说法：试验、测量是“诊”，识别和评 估是“断”。

54. 狭义而言： 故障诊断指 特征量收集后的分析判断过程 。 通过对电气设备的试验和各种特性的测量 ，分析和掌握（识别）其特征，评估设备 在运行中的状态 ( 老化程度 ) ，从而能早期发现故障的技术 作用  提高电气设备及电力系统的运行可靠性  明显的经济效益和社会效益

56. 1 ）、检测表征设备工作状态的信号 进行信号处理 提取信号特征 2 ）、根据信号特征  分析故障类型、 性质 及严重程度 3 ）、对故障点进行定位 电气设备诊断的功能

57. 电气设备诊断特点 任何诊断问题都是以征兆为线索的，变压器故障诊断的困难在于：一般说来，故障和征兆之间并不存在简单的一一对应关系，一种故障可能对应多种征兆，而一种征兆也可能对应着多种故障。因此仅仅依靠单一的检测项目，对故障的分析是不全面的，需要对各种试验结果进行综合推理。

58. 绝缘诊断技术 在线 离线 连续 周期性 不定期 不定期 周期性 结果 良好？ 结果 良好？ 走势 存档 专门的试验 决定 是 是 否 否 电气设备诊断过程流程图

59. 根据设备特征  推断设备的状态  特征变量 K j ， j = 1, 2, …, n 特征函数 G ( K 1 , K 2 , …, K j , …, K n )  状态变量 D i ， i = 1, 2, …, m 状态函数 F ( D 1 , D 2 , …, D i , …, D m )

62.  f D 1 ( x ) 和 f D 2 ( x ) 分离 在 a ， b 区间中 选择 阈值 x 0

63.  f D 1 ( x ) 和 f D 2 ( x ) 相交 确定 x 0  可能错判 ( 虚报或漏报 ) 增大 x 0  减小虚报 增大漏报 减小 x 0  减小漏报 增大虚报  考虑上述各种因素 选择 合适的诊断规 则 ，可以把 损失 减 小到 最小 。

64. 因 果

66. 随着运行经验的积累，制造工艺逐步得到改进，旧问题将不断被解决，而随着电压等级和容量的不断提高，新技术的广泛应用，新的问题也会不断产生；同时由于监测手段的进步，也将使过去无法发现的故障隐患被挖掘出来，所以一劳永逸的方法是不存在的，故障诊断技术的研究将是一个永无止境的探索过程。

67. Thank you