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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目：电气设备在线监测与故障诊断
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层 次： 专科起点本科
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完成日期： 2021 年9月17日
文中分析了电气设备的在线监测和故障诊断，论述了高压断路器、变压器、金属氧化物避雷器、电容型设备在线监测技术，探讨了电气设备在线监测的意义与维修意义，在线监测技术是在被测设备处于运行的条件下，对电气设备的状况进行连续或定时的监测，电气设备的故障诊断的方法，探讨了电气设备的状态监测和故障诊断技术的发展概况和电气设备的在线监测的发出趋势和存在的不足。
关键词：电气设备；在线监测；故障诊断；发展趋势；技术不足
目 录
1.1 课题的背景及意义
随着我国工业化水平的不断提高，工业生产中的电气设备的数量也呈现出井喷式发展，电气设备的质量也得到极大的提升，并持续进行着更新换代。电气设备已经成为工业生产领域提升产品质量、扩大生产规模的关键因素。在工业生产领域，一条完整的生产线往往由多个不同功能的电气设备构成，一旦电气设备出现故障，将会降低产品质量，出现经济损失，甚至会酿成生产事故。因此，如何对电气设备进行监测与故障诊断，已经成为工业领域需要研究的重点课题。当前阶段，主要的电气设备在线监测与故障诊断方法包括基于贝叶斯算法的在线监测与故障诊断方法、基于小波变换算法的在线监测与故障诊断方法和基于分布式算法的在线监测与故障诊断方法。其中，最常用的是基于小波变换算法的电气设备在线监测与故障诊断方法。由于电气设备在线监测与故障诊断方法在工业生产领域具有重要的应用价值，因此发展前景十分广阔，并成为很多专家学者研究的重点课题。
国内外电网大面积停电事故时有发生，原因大多与电网设备存在问题和电网运行问题有关。为防止电气设备自身故障导致电网事故采用在线监测与故障诊断技术来对电气设备运行状态进行监测和诊断，已成为发展方向，并引起各方面的重视。加强电气设备状态在线监测及故障诊断技术的研究及开发，在应用中不断完整，使之真正成为防止电网事故大面积停电的第一道防线。
电气设备的状态检测与故障诊断对电力系统的安全、经济运行有着十分重要的意义。通过对电气设备进行在线状态监测，可对设备的可靠性随时作出判断，从而能早期发现潜伏的故障。因此对电气设备绝缘早期和突发性故障进行在线检测和诊断，对设备安全运行状态进行综合评估具有现实意义。
但是，电气设备之间往往存在着强烈的电磁干扰，这些电磁干扰信号的变化会在瞬间完成，具有强烈的非线性和无序性。由于传统的方法是通过采集到的电气设备运行信号完成电气设备在线监测与故障诊断的，难以克服电磁干扰信号造成的影响，从而降低了故障诊断的准确性。
为了保证电力设备质量，在设备投入运行前都要进行严格的质量检查，基本消除了由于质量而引发的事故，为了发挥电气设备的最大生产能力，常常需要进行日常的科学管理和维护。
目前，在线监测技术已经成为了电气设备运行中不可缺少的一种技术之一，因此分析电气设备在线监测和故障诊断要点非常有必要，这是提高电气设备运行效果的必要工作
1.2 国内外研究和发展动态
1.2.1 在线监测与故障诊断技术发展概况
国外对电气设备状态监测与故障诊断技术的研究，始于20世纪60年代。各发达国家都很重视，但直到70～80年代，随着传感器、计算机、光纤等高新技术的发展与应用，设备在线诊断技术才真正得到迅速发展。
我国对电气设备状态监测与故障诊断技术的重要性也早已认识。60年代就提出过不少带电试验的方法，但由于操作复杂，测量结果分散性大，没有得到推广。80年代以来，随着高新技术的发展与应用，我国的电气设备在线诊断技术也得到了迅猛发展。由于我国工业发展迅速，用电一直紧张，加之部分设备故障率较高，因此，对于推行在线诊断技术以提高电力系统的运行可靠性更为迫切。
1.2.2 在线监测与故障诊断技术发展方向
高压电气设备是电力系统的重要也是主要的组成部分，与输电线路一同构成了电力系统的主要构成，而电气设备在电力系统中又有着核心和关键的地位，高压电力设备运行的可靠性对整个电力系统运行的可靠性和安全性具有重要的影响，而在以往的高压电力设备故障中，电气设备绝缘故障占据了很大的部分，如何对高压电气设备的绝缘故障进行处理，是一个重要的研究课题。解决这一问题的重要方法之一即是采用在线监测技术，建立高压绝缘在线监测系统对高压电气设备的绝缘进行不间断监视，从而能够及时的发现潜在故障危险，便于工作人员及时采取措施，防止故障的发生，确保电力系统更加可靠、安全的运行。这即是电力系统状态检修的基本原理，与传统的预防性检修不同，预防性检修主要是定期的对电力设备进行检修试验，从而发现和解决问题，而状态检修则包括俩个方面的内容，一是在线监测，另一个是故障诊断，在线监测是故障诊断的前提和依据，据此，可以对电力设备随时发现问题并解决问题，大大提高了电力设备的检修效率。
20世纪60年代，国外就已经开始了对水电厂电气设备状态监测与故障诊断技术的研究，随着传感器、计算机、光纤等高新技术的发展及应用，设备的在线检测技术也得到了迅速的发展，对于水电厂电气设备的监测与故障检修的重要性，60年代就已经提出过不少带电监测方法，但遗憾的是，这些方法由于操作复杂，测量结果分散性很大没有推广下去。随着高新技术的发展与应用，进入到80年代以来，我国的电气设备在线监测技术也得到了迅猛发展。再加上，我国现在处于发展阶段，工业发展迅速，用电一直很紧张，我国现在目前的设备并不是很先进，有些设备很容易出现故障，这就造成了我国对于推行在线监测技术和提高电力系统运行可靠性的要求更加迫切。
由于在线监测技术中的状态监测与故障诊断技术的难度，目前，不论国内还是国外，多数的监测系统的功能还比较单一，不能全面对水电厂电气设备进行监测。在线监测技术将朝着以下的方向发展：
1、多功能多参数的综合监测和诊断，在线监测技术必须能同时监测能够反映电气设备的状态的多个特征的参数。
2、形成一套完整的分布式在线监测系统，能够对水电厂整个电气设备进行集中监测和诊断，以便于更好的省时、省力和省钱。
3、由于目前的在线监测系统的可靠性和灵敏度不是很高，因此，在未来的发展中，在线检测技术必须不断的提高检测系统的可靠性和灵敏度。
1.3 本文的主要内容
本文研究的是电气设备在线监测与故障诊断。
全文共分为四章，各章内容简介如下：
第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；
第二章电气设备的在线监测，电气设备在线监测的概述、论述高压断路器、变压器、金属氧化物避雷器、电容型设备的在线监测；
第三章电气设备的故障诊断，电气系统的基本框架、故障诊断方法、远程故障诊断系统；
第四章在线监测和故障诊断技术的不足，在线监测装置的稳定性、在线监测和诊断系统的标准化、电气设备剩余寿命的预测技术
本文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。
针对电力设备故障的多样性以及一个故障多种征兆，介绍几种诊断方法:
1)利用多传感技术和信息融合处理技术诊断某种故障不同的故障表象。多传感技术利用多个传感器从多侧面、多角度观测同一对象，即针对同一故障的多种故障表征，多层次多领域(时域、空间域、频域)采集不同的特征量，选择故障反映灵敏度高的状态信息量，从而较全面的分析诊断故障。
信息融合技术是将来自多传感器的数据按照一定的准则加以分析和综合的数据处理过程。因同一设备故障在不同特征空间的不同反映之间存在着内在的关联关系，利用融合技术“求同去异”可提高电力设备状态检测和故障诊断的准确性。但信息融合基本理论尚不完善，该诊断方法还有待研究。
2)基于特征空间矢量的故障诊断方法，可通过对故障误差的学习实时修正故障特征量。这种诊断方法具有一定的自适应能力，适合于具有不确定性和慢时变性的复杂对象的故障诊断。其实质是将每次的故障征兆矢量作为原先验征兆矢量集中的一个新的先验征兆矢量，并根据自适应算法修正故障特征矢量。故障先验征兆矢量不确定时，则需要人工判断第一次故障。
2 电气设备的在线监测
2.1 概述
电力设备在线监测系统是指在设备使用期内连续不断检查和判断设备状态，预测设备状态发展趋势的系统。通常通过设备运行状态量反映设备运行情况，首先获取诊断对象的状态信息，采集电力设备的电压、电流、频率、局部放电量以及磁力线密度等信号(包括正常信号和异常信号)。根据表征设备状态量的各种信号的不同特性而采用不同的信号采集方法，常用的采样方法有：
1）一次性采样，每次只采集一个足够数据处理所需长度的信号样本。
2）定时采样，按事前整定的周期进行采样。
3）利用发生随机故障时的信号突变进行自动采样。
4）根据故障诊断的特殊要求采取转速跟踪采样、峰值采样等特殊采样方式。
针对不同的电力设备和任务要求其状态监测方法也不同。
2.2 高压断路器的在线监测
高压开关柜的绝缘在线监测也是高压电气设备绝缘在线监测中的一项重要工作内容，高压开关柜在长期的工作过程中，其绝缘通常会因为老化、劣化等导致绝缘放电，进而引发高压开关柜故障。目前绝缘在线监测技术在高压开关柜绝缘监测方面的应用主要是通过测量介质损耗角的正切值以及在线漏电电流值，来判断绝缘状态;对于导电部分接触不良的问题，则主要是采用射频法进行监测，以及时发现和解决问题。
20世纪90年代出现了微机型高压开关机械特性测试仪。国外目前已有功能较齐全，抗干扰性能较高的产品。国内一些单位和厂家也在开展断路器机械特性监测和故障诊断方面的工作。 在高压断路器的操作过程中，机械性能的不正常是引起故障的一个重要因素。外部监测与诊断技术能够在线判断断路器的机械状况，是提高高压断路器可靠性的重要方法。这种监测与诊断方法的成功运用，能够有效地延长高压断路器检修和保养的期限。在高压断路器的分、合闸操作过程中，内部主要机构部件的运动和撞击都会引起表面的振动响应。对于同一高压断路器同种状态下的重复操作过程中，外部振动信号在一定范围内是稳定的。利用高压断路器这方面的特性，以外部振动信号为特征信号，结合计算机和信号处理技术，建立了一个高压断路器机械状态监测系统。
2.3 变压器的在线监测
变压器故障的主要原因是绝缘损坏，在故障前有局部放电产生，且伴随下列信号：电流脉冲，电波、超声波，C2H2，C2H4，C2H6，CH4，H2，CO等气体，光信号，超高频电磁波。对上述五种信号进行测量，可以确定变压器内部局部放电的严重程度。因此五种信号的监测都有人研究。在这些检测方法中，电流脉冲法是最灵敏的。但是变电站现场电信号的干扰也是比较大的，因此采用常规的电流脉冲法，很难进行测量。超声波法及油中气体分析法现场干扰较少，但超声波法灵敏度低，对于那些深藏在绝缘内部的放电往往检测不到。同时超声波信号的传播时延大多是用电流脉冲信号触发计时器来获得。在现场使用时，局部放电产生的脉冲电流信号，往往淹没于高的干扰脉冲之中而无法分辨，难以触发计时器工作，从而导致监测系统作出错误的判断。
2.4 金属氧化物避雷器的在线监测
金属氧化物避雷器(metal oxide arrester，MOA)具有良好的非线性特性和通流能力，广泛应用于电力系统过电压的防护工作中，对电力系统安全运行起着十分重要的作用。 但MOA长期在线运行，受电力系统运行电压、 雷电过电压、 操作过电压及外界使用环境等因素的影响会逐渐发生老化现象，最终丧失保护作用，甚至引起短路接地故障，造成电力系统停电事故[6]。 变压器绝缘状态有可以通过多种指标进行判断，通常来说最常用的指标例如局部放电量、介质损耗、放电位置等等，而变压器的绝缘在线监测技术主要也是通过对这些物理量的实时监测，来对变压器的绝缘状态进行判断，此外，还可以通过变压器在运行过程中变压器油产生的一系列气体进行监测，例如二氧化碳、甲烷等。因此，对MOA老化情况进行在线监测，及时了解其老化情况对于维护电力系统安全运行有着重要作用。
2.5 电容型设备的在线监测
容性电气设备包括很多种，例如电压互感器、电流互感器、电容器、套管等等。对于容性电气设备的绝缘在线监测方法也大同小异，监测的项目几乎一致，主要有三相不平衡电流、漏电电流和电容量等。对于容性设备，由于其电容分布的均匀性具有很强的强制性，对绝缘的利用程度很高，从而容易导致绝缘受潮，一旦出现这一问题，很快就会导致介质损耗的增加，进而击穿绝缘。采用绝缘在线监测技术，可以对绝缘的状态进行实时监测，在绝缘击穿危险发生迹象的初期，便可以灵敏的发现异常情况，从而排除隐患。
电容型设备通常指电流互感器CT、套管BUSHING、耦合电容OY、电容式电压互感器CVT等，其在运行中绝大部分故障均是因绝缘介质损坏而引起的。目前，我国对电容型设备主要是按照《电气设备预防性试验规程》进行定期试验的，周期一般为1～3年，在停电状态下检查设备的绝缘状态，长期以来，它对保证电力设备安全运行起到了很大的作用。但随着电网的发展，这种传统的定期检测方法显得较为局限，表现在：
（1）试验时需要停电，耗费大量的人力物力，影响了电网运行的连续性；
（2）试验电压一般为10kV，远远低于设备的运行电压，由于低电压试验不易发现缺陷，所以曾发生预试合格而重新投运后，设备烧坏爆炸的情况。例如：罗洞站500kV梧罗一回线A相CVT预试合格后，运行不到一年就爆炸；广西平果站一台500kVCT也在预试合格后复运行的情况下发生爆炸。因此，国内从八十年代开始应用了一项在正常运行电压下能连续、真实地监测设备绝缘状态的在线监测技术。
