電氣設備故障診斷技術單梁南京理工大學自動化學院電氣工程系1

單梁辦公室電話：84315147辦公室地點：基礎實驗樓338E-mail：shanliang@課件下載郵箱：shanliangnjust@163.comKey:sl100823課程任務和性質☆

本課程為電氣工程及其自動化專業的一門專業選修課程。☆

基礎課程：電路、模電、電力電子技術☆

課程任務：以電氣設備的設計和應用為目標，介紹各類電氣設備故障的診斷方法。

《電氣設備故障診斷技術》.張建文.北京：中國水利水電出版社，2006.《電氣絕緣在線檢測技術》.嚴璋.北京：高等教育出版社，1998.《電氣設備狀態檢測與故障診斷技術》.朱德恒.北京：中國電力出版社，2009.4參考書目5☆

考查形式：平時40％考試（開卷）60％1、緒論2、電氣絕緣基礎理論3、電力設備絕緣預防性試驗4、電氣設備在線檢測與故障診斷5、紅外紫外及激光成像技術的應用6、故障診斷新理論新方法7、籠型異步電機故障的信息融合診斷方法6主要內容及安排1.1、故障診斷技術的產生及作用1.2、故障診斷技術在國內外的發展簡況1.3、故障診斷技術的構成與發展趨勢1.4、電氣設備故障診斷技術71、緒論1緒論第一節故障診斷技術的產生及其作用故障診斷：根據設備運行狀態信息查找故障源,并確定相應決策的一門綜合性的新興科學。功能：能實現設備在帶負載、不停機的情況下，通過使用先進的技術手段，對設備狀態參數進行監測和分析，判斷設備是否存在異常或故障、故障的部位和原因以及故障的劣化趨勢等，以確定合理的檢修時間和方案。8電力系統的穩定性問題電廠電力網用戶系統瞬間改變發電、輸電和用電過程構成了不可分割的整體，任何環節發生故障都有可能引起鏈式反應，導致整個系統的崩潰。

第一節故障診斷技術的產生及其作用歷史上的大停電事故1965年由于保護繼電器動作失靈導致的美國紐約大停電，造成近30億美元經濟損失，50多萬人被困在地下和地鐵的車廂里。1989年3月6日太陽出現過一次強度達的X15級耀斑，伴隨產生的太陽風暴導致加拿大電力輸送中斷，600萬人斷電9小時之久，經濟損失達10億美元。第一節故障診斷技術的產生及其作用美國舊金山1998年2月8日，太平洋天然氣電力公司(PGE)變電站發生停電事故，所有從圣馬特歐變電站至舊金山的5條115kV輸電線全部跳開，舊金山地區2個發電廠解列，456000多個用戶停電。舊金山大停電第一節故障診斷技術的產生及其作用巴西大停電巴西圣保羅

1999年，由于閃電擊中圣保羅的一個變電站，變壓器跳閘導致電網解列，引起巴西南部地區停電長達4小時之久。停電波及巴西27個州的11個州，停電地區是巴西人口和工商業最密集的地區，直接影響1.7億人的正常工作與生活，經濟損失非常嚴重。由于停電發生在午間交通高峰時間，交通燈熄滅，引起嚴重交通堵塞。

第一節故障診斷技術的產生及其作用

美國紐約2002年3月位于曼哈頓東區的愛迪生聯合電廠突然失火，并引燃了用于發電的燃油。這起事故造成紐約第14大街以南的6.3萬戶居民住宅停電，附近的格林尼治和索霍等地區也受到影響。居住在世貿中心遺址附近的居民又一次感受到了“９·１１”時的恐怖氣氛。駕車者在昏暗的高速公路上小心翼翼地行駛，高大建筑內的人們在漆黑的樓道里摸索著前行，耳邊不時傳來陣陣警笛聲。

紐約大停電（II）第一節故障診斷技術的產生及其作用菲律賓主島呂宋島2002年5月21日由于海底電纜損壞，引發大面積停電事故，全國人口一半以上受到影響。首都馬尼拉和廣泛地區四千多萬人沒有電力供應。

這次停電對菲律賓的商業運作造成重大打擊。受停電影響，鐵路系統停頓，數以千計的乘客被困車廂內；菲律賓股票市場也被迫中斷交易。

菲律賓大停電第一節故障診斷技術的產生及其作用加州大停電

美國加州2002年1月以及3月連續兩次發生全州停電事故。為防止整個系統癱瘓，加州實行了二戰后的首次燈火管制，以避免對電力設備造成損害，引發更大面積的不能控制的斷電事故。電力官員稱用電高峰再次對該州設備嚴重老化的電力系統帶來完全癱瘓的威脅，加州已宣布進入3級緊急狀態。

Cisco、IBM和Intel等公司擔心加州能源危機惡化，正考慮撤離硅谷。加州議會曾擬定一項4億美元的電力拯救計劃。第一節故障診斷技術的產生及其作用

希臘北部地區2002年6月12日下午由于氣溫過高，希臘北部最大城市薩洛尼卡附近一座變電站內的變壓器突然發生爆炸，造成包括該市在內的大部分希臘北部地區供電中斷。發生長達一個多小時的嚴重停電事故，造成許多城市交通癱瘓，通訊系統無法正常工作。

瑞典首都斯德哥爾摩于2002年3月11日開始，由于地下隧道的輸電電纜被燒毀，連續兩天發生大面積停電事件，造成許多工廠停產，嚴重影響了當地居民的正常生活。英國南部萊斯特郡5月11日發生大面積停電。2萬多戶家庭連續幾天生活在黑暗中。附近的肯特郡、薩塞克斯郡和薩里郡的3.1萬戶家庭的斷電現象則持續了更長一段時間。

第一節故障診斷技術的產生及其作用

在我國，近20年來各大電網中規模較大的停電事故約有140余起，每次損失數以億計。近幾年事故次數雖有所下降。但其規模和造成的損失卻大幅度擴大和上升。隨著全國電網的形成，電力系統重大事故也更將危及到我國國家安全。第一節故障診斷技術的產生及其作用臺灣1999年7月29日全島發生五十年來最大的一起停電事故，南北兩條超高壓輸電線路損壞，進而引發連鎖反應，造成臺中電廠、通霄電廠、林口電廠、協和電廠、深澳電廠以及核能一、二、三廠全部跳閘，總跳機電量高達1000萬千瓦，全臺灣停電用戶高達900萬戶。包括機場、醫院、科學園等敏感地區，都一度陷入停電狀態。直接經濟損失在150億新臺幣以上。新竹科學園的26座晶片廠生產線因此停頓1至2天，每座晶片廠的損失估計超過5000萬元，由于適逢月底出貨高峰，總計這次大停電造成新竹科園區的損失約新臺幣100億元以上。臺灣大停電第一節故障診斷技術的產生及其作用

遼沈地區2001年2月22日遭遇最嚴重大面積停電事故，沈陽市區停電面積已經超過70%。遼沈停電事故是從高壓輸電線路的燃弧放電開始的。遼沈為我國重工業區，含鹽的空氣污染物附著在絕緣瓷瓶上，大霧濕氣使瓷瓶絕緣能力降低，電流沿著瓷瓶表面爬升，出現閃烙放電現象。遼沈停電事故中，幾乎所有的高壓輸電線路都“火冒三丈”，停電事故最厲害的就是工業集中、污染嚴重的鐵西區，該區全部停止了電力供應，損失巨大。遼沈大停電第一節故障診斷技術的產生及其作用停電原因城市電網結構

管理不善設備故障

檢修

電源不足

外部因素氣象影響

上海0.06

2.12

45.31

39.17

0.00

10.78

2.56

太原1.63

3.04

16.76

64.710.53

10.31

3.02

長春0.40

1.82

14.66

69.26

0.00

8.02

5.84杭州2.97

4.82

18.44

67.18

0.00

5.34

1.25

廣州0.00

19.4528.6950.96

0.00

0.00

0.90

西寧0.04

3.78

49.50

29.19

0.00

17.490.00(%)第一節故障診斷技術的產生及其作用視頻1視頻2

1981～1990年間，我國主要電網有近1/3的電網事故的直接起因是設備故障損壞所造成的，而在“八五”期間，由設備故障直接引發的電網事故占事故總量的26.3%，可見提高設備的運行可靠性是保證電力系統安全運行的關鍵。現代電力設備的可靠性在很大程度上取決于其絕緣的可靠性。

第一節故障診斷技術的產生及其作用2122第一節故障診斷技術的產生及其作用長期以來，由于人們無法準確掌握設備運行情況，因而不能預知事故的發生，所以不得不采取兩種維修對策：1）等設備壞了再維修，稱為事后維修這種辦法的問題是經濟損失很大。因為等設備運行到破壞為止，往往需要昂貴的維修費用；災難性的損壞需要更換設備，還可能造成人員傷亡。2）定期檢修設備，稱為預防維修有一定的計劃性和預防性，但其缺點是如無故障，則經濟消耗較大。

因此合理的維修應是預知性維修。即在設備故障出現的早期就監測隱患，提早預報，以便適時、合理地采取措施。故障在線診斷技術也應運而生。23第一節故障診斷技術的產生及其作用

故障診斷的作用主要有：1）早期預報，防止事故發生；2）預知性維修，提高設備管理水平；3）方便檢修，縮短了維修時間，提高設備利用率；4）對提高設備地設計制造水平，改善產品質量有指導意義。作用：減少了事故停機損失；提高了設備運行的可靠性和經濟效益；降低了維修費用。其優越性已為越來越多的所共識，進而得到重視。

24第一節故障診斷技術的產生及其作用可靠性：指設備在規定的時間內、規定的條件下完成規定功能的能力。

可靠性定義的三要素：規定的條件、規定的時間、規定的功能。25第一節故障診斷技術的產生及其作用規定時間：系統的可靠性與規定的時間也密切相關。系統的可靠性將隨時間的推移而降低。規定功能：規定的功能越強，系統的可靠性越低。條件：環境的溫度、濕度、氣壓、加速度等。功能：預定性能和指標。可靠性規定條件：系統的可靠性與規定的條件關系密切，同一系統在不同的運行條件下的可靠性完全不同。第一節故障診斷技術的產生及其作用26串聯系統的可靠性設不可維修系統S由n個獨立子系統串聯組成。任何一個子系統失效都會引起系統S的失效，那么系統S的壽命T為：T＝min(T1,T2,…,Tn)串聯系統概念圖27串聯系統的可靠性串聯系統S的可靠度為：串聯系統S的失效率為：表明：串聯系統的失效率等于所有子系統失效率的總和。28并聯系統的可靠性設系統S由n個獨立子系統并聯組成。并聯系統概念圖29并聯系統的可靠性由n個獨立子系統并聯組成，只有所有部件均失效時系統才會失效。因此系統S的壽命T為：T＝max(T1,T2,…,Tn)并聯系統S的可靠度為：表明：并聯系統隨著子系統的增加，系統的可靠度將單調遞增。30“浴盆”曲線：故障率與使用壽命之間的關系。重新進入穩定期31第一節故障診斷技術的產生及其作用“浴盆”曲線統計表明，多數不可修復設備的故障率與時間的關系呈浴盆曲線，起始故障率呈下降趨勢，之后保持基本恒定，最后呈上升的趨勢。可靠度與時間關系第I階段：早期故障期(初期)，反映了設計或制造工藝的缺陷；第II階段：偶發故障期（穩定期），故障率較低，且近似為常數；第III階段：設備進入老化階段（劣化期），故障率呈上升趨勢。32電氣設備的維修體制：事后維修（breakdownmaintenance）：等到設備無法正常工作時再進行維修預防維修（preventivemaintenance）：預先制訂計劃，定期進行檢修和更換

狀態維修（condition/predictivemaintenance）：根據設備狀態來確定維修工作的內容和時間、制定維修方案當修則修避免了“過渡維修”和當修不修33第一節故障診斷技術的產生及其作用34第二節故障診斷技術在國內外的發展情況20世紀60年代后期首先在美國出現最初的目的是用于對航天、核能、軍事裝備等進行早期異常檢測。

故障診斷技術是人們在社會生產實踐中付出了沉重的經濟代價后的產物。35第二節故障診斷技術在國內外的發展情況一、國外發展概況英國、丹麥、瑞典等國也相繼開展了此項工作。日本在許多產業部門也積極開展這方面的研究和應用工作，許多技術得到了成功的應用。

第二節故障診斷技術在國內外的發展簡況

1967年，成立美國機械故障預防小組（MFPG）。36二、國內發展概況國內的研究始于20世紀70年代末期。1983年，國家在相關條條例中規定：“根據生產需要，逐步采用現代故障診斷和狀態監測技術，發展以狀態維修為基礎的預防性維修。”

80年代初，國內一些大學等相繼成立了故障診斷研究室。目前，國內很多200MW以上的汽輪發電機組，都裝有狀態監測系統。應用領域極其廣泛……37第二節故障診斷技術在國內外的發展簡況

一、故障診斷技術的構成：故障診斷機理的研究：（理化原因等）故障診斷信息學的研究：（數據采集與分析）診斷邏輯和數學原理方面的研究：（診斷與決策）四項技術：

檢測技術(采集信號、參數)

信號處理技術（提取狀態信息）識別技術（分析、判斷）預測技術（決策和預測）38第三節故障診斷技術的構成與發展趨勢

二、故障診斷與狀態監測的關系工況監測：

對反映設備或系統工作狀態的信息進行全面監測和分析，實時掌握設備基本工作狀態。一般所謂的工況監測實際上就是狀態監測。（conditionmonitoring）狀態監測：又稱為簡易診斷，通過監測結果與設定閾值之間的對比，僅對設備運行狀態作出正常、異常或故障的判斷，而對故障的性質、嚴重程度等不予或無法進行更加深入的診斷。39第三節故障診斷技術的構成與發展趨勢

三、故障診斷技術的發展趨勢40第三節故障診斷技術的構成與發展趨勢

故障診斷研究仍有一段艱巨的路程要走。目前和今后的主要研究可歸納為：多傳感器數據融合技術；在線實時故障檢測算法；混合智能故障診斷技術；基于因特網的遠程協作診斷技術；以故障監測及分離為核心的容錯控制、監控系統和可信性系統研究等。多信息量融合，多層次診斷集成

集成知識庫中的各種診斷知識，結合數據庫中的各種故障數據，按照不同的故障情況進行綜合分析、判斷，定位故障點。主要對狀態監測所得到的信息進行融合，結合層次診斷模型，按照深淺結合的推理層次進行診斷。它進一步把狀態監測中的信號監測處理集成到診斷系統中，進行在線數據處理與在線診斷推理，實現非實時診斷到實時診斷的轉變，也實現信息診斷與智能診斷的統一。41基于集成型智能系統的診斷方法

隨著電機設備系統復雜,依靠單一的故障診斷技術已難滿足復雜電機設備的故障診斷要求,因此上述各種診斷技術集成起來形成的集成智能診斷系統成為當前電機設備故障診斷研究的熱點。主要的集成技術有:基于規則的專家系統與ANN的結合,模糊邏輯與ANN的結合,混沌理論與ANN的結合,模糊神經網絡與專家系統的結合。42基于集成型智能系統的診斷方法

如：專家系統與神經網絡的結合能充分利用專家系統的專家經驗和神經網絡強大的非線性映射能力。模糊神經網絡技術是把人類的經驗和知識進行數字化的模糊處理,把規則和推理轉換成神經網絡的映射處理和直接從數據樣本中提取經驗規則,然后把這兩種轉換結合起來進行智能信息處理的技術。充分利用了神經網絡處理數字化知識的特點和模糊邏輯處理結構化知識的特點。43遠程協作診斷

基于因特網的設備故障遠程協作診斷:是將設備診斷技術與計算機網絡技術相結合，用若干臺中心計算機作為服務器，在關鍵設備上建立狀態監測點，采集設備狀態數據；在技術力量較強的科研院所建立分析診斷中心，為企業提供遠程技術支持和保障。44遠程協作診斷

應重點研究和解決如下幾方面的問題：遠程信號采集與分析；實時監測數據的遠程傳輸；基于Ｗｅｂ數據庫的開放式診斷專家系統設計；通用標準。45診斷與控制相結合

把診斷系統和控制系統進一步結合，達到集監測、診斷、控制、管理于一身。根據當前設備的健康狀況決定設備運行方式或策略，最終預知故障，從而防止故障的發生，是目前診斷技術的最高目標。46第四節電氣設備故障診斷技術一、電氣設備：電力系統中承擔發電、變電、輸電及用電作用的高壓設備。如：發電機、變壓器、斷路器、

電壓互感器、電流互感器、

電容器、高壓套管、避雷器

以及各種電動機等。47第四節電氣設備故障診斷技術一、電氣設備：電力電子系統中是以滿足用電要求為目標，以電力半導體器件為核心，通過合理的電路拓撲和控制方式，采用相關的應用技術對電能實現變換和控制的裝置。481）AC/DC變換器又稱為整流器。交流電能轉換為直流電能。采用自關斷器件的高頻整流器，能使輸入電流波形正弦化，并且跟蹤輸入電壓，做到功率因數接近1，正逐步取代相控整流器。2）DC/DC變換器一種直流電能轉換為另一種直流電能。PWM控制的DC/DC變換器，稱為直流斬波器，主要用于直流電機驅動和開關電源。新的軟開關DC/DC變換器顯著減小了功率器件的開關損耗和電磁干擾噪聲，提高了開關電源的功率密度，有利于變換器向高效、小型和低噪方向發展。第四節電氣設備故障診斷技術一、電氣設備：電力電子系統中的電氣設備493）DC/AC變換器逆變器。直流電能轉換為交流電能。恒壓恒頻（CVCF）和變壓變頻（VVVF），前者作為穩壓電源，后者用于交流電動機變頻調速。逆變器以SPWM（sinusoidalpulse-widthmodulation正弦脈寬調制）控制方式為主。4）AC/AC變換器交流電能轉換為另一種規格的交流電能。輸入輸出頻率相同的稱為交流調壓器，頻率變化的稱為周波變換器或變頻器。主要用于調光、調溫及低速大容量交流電機調速系統。第四節電氣設備故障診斷技術一、電氣設備：電力電子系統中的電氣設備505）靜態開關（靜態轉換開關STS）又稱為無觸點開關，是由電力電子器件組成的可控電力開關，通斷沒有觸點動作，消除了電弧的危害，通斷時間快，自動化程度高。第一路出現故障后STS自動切換到第二路給負載供電，第二路故障時STS自動切換到第一路給負載供電。適合用于UPS-UPS，UPS-發電機，UPS-市電，市電-市電等任意兩路電源的不斷電轉換。主要由智能控制板、高速可控硅、斷路器構成。第四節電氣設備故障診斷技術一、電氣設備：電氣設備一般由電