高压电力设备在线监测技术第1章 概论.ppt
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4
本章内容
• 电气设备的绝缘故障及其危害性
• 在线监测与状态维修的必要性及意义 • 在线监测技术的国内外发展概况及趋势 • 在线监测系统的技术要求
5
§1.1 电气设备的绝缘故障及其危害性
世界电力之现状
全球截止到2030年仍将有1/5的人口，根本的不到电力供应。 美国在未来20年中需要建设1300个发电厂（平均每年65个）
4. 增大不安全因素
易发生人身和设备安全事故。
发生在检修、试验人员身上的伤亡事故占全部供电伤亡事故的77.8%。
停送电过程易造成误操作。
20
大连局的预试统计
• 1983~1991年，共检测111万片线路绝缘子， 测出零值414片，且同一串无2片零值的。 ——要否每1~3年普测？
• 1982~1998年，继保及自动化装置不正确动 作率：10kV及220kV电压级分别为0.02%及 6.2%。 ——要否每年同样要整定？
Benifits(million)
37
4
3
2
1
0 Utility 1 Utility 2 Utility 3 Utility 4 Utility 5 Utility 6 Utility 7 Utility 8
Schematic of Transformer Condition Assessment and Condition Based Loading Analysis
30
§1.3 在线监测技术的国内外发展概况及趋势
运行现场的两种检测方法
带电测量 (On-site detection)：对在运行电压 下的设备，采用专用仪器，由人员参与进行 的测量。
在线监测 (On-line monitoring)：在不影响设 备运行的条件下，对设备状况连续或定时进 行的监测，通常是自动进行的。
在线监测
故障诊断
维修决策
27
电力设备维修方式分类原则
故障模式特征
后果轻微？
N
Y
渐变？
Y
N
事故维修
数据分散？
N
Y
数据可测？
Y
N
定期维修
状态维修
多 种 维 修 方 式 并 非 对 立
28
合理维修以延长寿命
29
状态维修与监测是一个铜板的两面
维修方式决定了所要采用的监测技术； 监测与诊断的结果将指导维修策略的建立。
PTLOAD
Loss of life estimation
才能保证充足的发电能力。否则，加州停电问题就肯定会在 全国范围内出现。能源短缺将对美国所有的地区造成影响。
发展中国家和不发达国家严重的能源短缺和电力工
业的落后状态，已成为影响其经济发展的瓶颈。
6
中国电力之现状
到2010年底: 发电装机容量 9.62 亿千瓦 发电量完成 41413 亿千瓦时
直流超高压线路7085公里，输送能力1856万千瓦
31
设备状态维修管理流程
任务管理
设备台帐 人力资源
查 询 /返 回
已处理的 检修工单
!
执行
各种在线检测仪(介损,全电流,阻性电流...)
诊断
!
触发 信 (手动 号 )
修正
信息
在 线
...
数
工作单管理 各种管理信息 的存储与提取
存 离线 储 数 及 据 提 取
...
设备检修管理 SQL Server 7.0
中国超高压交直流输电工程的设计建设、运行管 理和设备制造水平已处于国际领先地位
7
电力系统的构成
电厂
输电网
配电网
用户
8
瞬间平衡的电力系统
电力系统是世界上最大的“瞬间动态平衡系统” 。
发电和用电是同时发生的，基本没有存储环节。
电力系统的所有问题都是围绕这个特点展开的。
9
电力系统的稳定性问题
18
定期维修制的种种弊端
1. 维修周期频繁
设备
小修周期（年） 大修周期（年）
发电机
1 3
变压器
1 5~10
电力电缆
1 5
GIS
1 5
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
19
3. 经济性差
大修一台30万kVA的发电机需要大约3个月的时间，耗费资 金近百万元。 大修一台12万kVA的变压器需投入300多个工作人日，资金 10万元。 大修一台220 kV开关需投入100多个工作人日，资金2万元。 长时间停电检修，将造成大量的电量损失。300MW机组 停运一天，少发电720万度，直接损失150万元。
Data collection and analysis Condition assessment Determination of loading limits Analysis on loading applicable condition Onsite testing and survey
XVisor Risk of failure analysis
M a in te n a n c e M ix
(as o f 6/03)
70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 1998
65%
64% 57% 51% 42% P reventive 39% P redic tive Correc tive
28%
29%
28% 15%
30% 19% 19%
64 19
Oil UT Noise
Vibration Total
64 96
32 1355
5 7
2 100
892,049 946,020
134,640 *11,735,760
8 8
1 100
36
EPRI SPDM Program Implementation Project -Resulting UTILITY BENEFITS
建立完善的维修计划
虽然设备的质量和可靠性主要取决于设计和制造阶段，但为了保 证设备的正常运行，在很大程度上也需要借助于投运后的维护工 作，即在运行过程中通过对设备进行必要的巡视检查、监测和试 验，建立完善的维修计划，以减少事故的发生，提高运行可靠性。
14
§1.2 在线监测与状态维修的必要性及意义
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
10
历史上的大停电事故
1965年由于保护继电器动作失灵导致的美国纽约大停 电，造成近30亿美元经济损失，50多万人被困在地下 和地铁的车厢里。 1989年3月6日太阳出现过一次强度达的X15级耀斑，伴 随产生的太阳风暴导致加拿大电力输送中断，600万人 断电9小时之久，经济损失达10亿美元。
11
停电原因
(%)
城 市 上海 太原 长春 杭州 广州 西宁 电网结构 管理不善 设备故障 0.06 1.63 0.40 2.97 0.00 0.04 2.12 3.04 1.82 4.82 19.45 3.78 45.31 16.76 14.66 18.44 28.69 49.50 检 修 电源不足 外部因素 气象影响 0.00 0.53 0.00 0.00 0.00 0.00 10.78 10.31 8.02 5.34 0.00 17.49 2.56 3.02 5.84 1.25 0.90 0.00 39.17 64.71 69.26 67.18 50.96 29.19
25
状态维修的技术可行性
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。
26
状态维修的基础 设备状态
21
5. 过度维修
对110台高压变压器进行的162台次定期吊检大修结果进行统 计。共发现缺陷24项，其中一般性缺陷23项，危及安全运行 的仅1项。 对110kV及以上油开关大修统计表明，95%以上未发现部件 损坏。 定期检修虽有成效，但过于保守。实践证明，频繁检修 非但不能改善设备性能，反而常常会引入新的故障因素。
第一章 概论
Overview
1
电气设备界定
变压器 电容性设备 电力电缆
发电机
GIS · · ·
2
课程涉及的领域
高电压工程 电磁兼容
电子测试技术
传感技术
人工智能
可靠性工程
3
主要参考书目
1. 《电气绝缘在线检测技术》，严璋 编 北京，中国电力出版社，1995.11 2. 《电绝缘诊断技术》，朱德恒、谈克雄主编 北京，中国电力出版社，1999.04 3. 《电工高新技术丛书》第五分册 (电气设备状态监测与故障诊断技术) 朱德恒、谈克雄编 北京，机械工业出版社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。
17
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。
7% 1999
8% 2000 2001 2002 2003 2004
35
Technologies/Benefits – US Utilities
技术方法 异常情况 比例(%) 避免损失 效益(%)
Thermography Visual/Ops.
860 303
64 22
7,560,697 2,202,354
在
是否生成新的 检修工单?
离线信息
据 转 换 接 口
状态检测/综合诊断 在线数据 存储及提取
线 信 息
SCADA
试验数据(离线)
OS
沪南供电所服务器
SQL Server 7.0
OS
迎勋变电站服务器
录入历次 试验数据
32
EPRI PDM Program的年收益
Operation Enhancement 1%- 2% HR Availability Improvements 30% - 50%
Equipment Life Enhancements
$1.5 to 4.0百万/年
Maintenance Savings 5% - 15%
33
美国优化维修收益
34
HECO性能提高程度
已节省 $4.5M用于提高系统可靠性 降低非计划维修约50%，更有利于合理利用资源以提 高维修效率及系统稳定性
6. 维修不足
由于采用周期性定期检查，很难预防由于随机因素引 起的偶发事故。设备仍可能在试验间隔期间内由于微小缺 陷的持续发展导致发生故障。
22
7. 预防性试验条件与实际运行工况不同
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。
12
电气设备典型灾难性事故举例
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。
13
保证设备安全的基本途径
制造100%可靠的设备
制造这样的大型电力设备，在技术上是极其复杂的，尤其是对于 电压等级较高的设备，多数情况下这样的设计在经济上也是不合 理的。
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。
23
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”
24
状态维修的必要性
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。
无在线 监测 有在线 监测
事故率 %
运行 早期
稳定期
运行晚期
可接受的事故速率
更 换
0
10
20 无在线监测
30
40
50
60
（年）
有在线监测
15
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）。
本章内容
• 电气设备的绝缘故障及其危害性
• 在线监测与状态维修的必要性及意义 • 在线监测技术的国内外发展概况及趋势 • 在线监测系统的技术要求
5
§1.1 电气设备的绝缘故障及其危害性
世界电力之现状
全球截止到2030年仍将有1/5的人口，根本的不到电力供应。 美国在未来20年中需要建设1300个发电厂（平均每年65个）
4. 增大不安全因素
易发生人身和设备安全事故。
发生在检修、试验人员身上的伤亡事故占全部供电伤亡事故的77.8%。
停送电过程易造成误操作。
20
大连局的预试统计
• 1983~1991年，共检测111万片线路绝缘子， 测出零值414片，且同一串无2片零值的。 ——要否每1~3年普测？
• 1982~1998年，继保及自动化装置不正确动 作率：10kV及220kV电压级分别为0.02%及 6.2%。 ——要否每年同样要整定？
Benifits(million)
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4
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1
0 Utility 1 Utility 2 Utility 3 Utility 4 Utility 5 Utility 6 Utility 7 Utility 8
Schematic of Transformer Condition Assessment and Condition Based Loading Analysis
30
§1.3 在线监测技术的国内外发展概况及趋势
运行现场的两种检测方法
带电测量 (On-site detection)：对在运行电压 下的设备，采用专用仪器，由人员参与进行 的测量。
在线监测 (On-line monitoring)：在不影响设 备运行的条件下，对设备状况连续或定时进 行的监测，通常是自动进行的。
在线监测
故障诊断
维修决策
27
电力设备维修方式分类原则
故障模式特征
后果轻微？
N
Y
渐变？
Y
N
事故维修
数据分散？
N
Y
数据可测？
Y
N
定期维修
状态维修
多 种 维 修 方 式 并 非 对 立
28
合理维修以延长寿命
29
状态维修与监测是一个铜板的两面
维修方式决定了所要采用的监测技术； 监测与诊断的结果将指导维修策略的建立。
PTLOAD
Loss of life estimation
才能保证充足的发电能力。否则，加州停电问题就肯定会在 全国范围内出现。能源短缺将对美国所有的地区造成影响。
发展中国家和不发达国家严重的能源短缺和电力工
业的落后状态，已成为影响其经济发展的瓶颈。
6
中国电力之现状
到2010年底: 发电装机容量 9.62 亿千瓦 发电量完成 41413 亿千瓦时
直流超高压线路7085公里，输送能力1856万千瓦
31
设备状态维修管理流程
任务管理
设备台帐 人力资源
查 询 /返 回
已处理的 检修工单
!
执行
各种在线检测仪(介损,全电流,阻性电流...)
诊断
!
触发 信 (手动 号 )
修正
信息
在 线
...
数
工作单管理 各种管理信息 的存储与提取
存 离线 储 数 及 据 提 取
...
设备检修管理 SQL Server 7.0
中国超高压交直流输电工程的设计建设、运行管 理和设备制造水平已处于国际领先地位
7
电力系统的构成
电厂
输电网
配电网
用户
8
瞬间平衡的电力系统
电力系统是世界上最大的“瞬间动态平衡系统” 。
发电和用电是同时发生的，基本没有存储环节。
电力系统的所有问题都是围绕这个特点展开的。
9
电力系统的稳定性问题
18
定期维修制的种种弊端
1. 维修周期频繁
设备
小修周期（年） 大修周期（年）
发电机
1 3
变压器
1 5~10
电力电缆
1 5
GIS
1 5
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
19
3. 经济性差
大修一台30万kVA的发电机需要大约3个月的时间，耗费资 金近百万元。 大修一台12万kVA的变压器需投入300多个工作人日，资金 10万元。 大修一台220 kV开关需投入100多个工作人日，资金2万元。 长时间停电检修，将造成大量的电量损失。300MW机组 停运一天，少发电720万度，直接损失150万元。
Data collection and analysis Condition assessment Determination of loading limits Analysis on loading applicable condition Onsite testing and survey
XVisor Risk of failure analysis
M a in te n a n c e M ix
(as o f 6/03)
70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 1998
65%
64% 57% 51% 42% P reventive 39% P redic tive Correc tive
28%
29%
28% 15%
30% 19% 19%
64 19
Oil UT Noise
Vibration Total
64 96
32 1355
5 7
2 100
892,049 946,020
134,640 *11,735,760
8 8
1 100
36
EPRI SPDM Program Implementation Project -Resulting UTILITY BENEFITS
建立完善的维修计划
虽然设备的质量和可靠性主要取决于设计和制造阶段，但为了保 证设备的正常运行，在很大程度上也需要借助于投运后的维护工 作，即在运行过程中通过对设备进行必要的巡视检查、监测和试 验，建立完善的维修计划，以减少事故的发生，提高运行可靠性。
14
§1.2 在线监测与状态维修的必要性及意义
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
10
历史上的大停电事故
1965年由于保护继电器动作失灵导致的美国纽约大停 电，造成近30亿美元经济损失，50多万人被困在地下 和地铁的车厢里。 1989年3月6日太阳出现过一次强度达的X15级耀斑，伴 随产生的太阳风暴导致加拿大电力输送中断，600万人 断电9小时之久，经济损失达10亿美元。
11
停电原因
(%)
城 市 上海 太原 长春 杭州 广州 西宁 电网结构 管理不善 设备故障 0.06 1.63 0.40 2.97 0.00 0.04 2.12 3.04 1.82 4.82 19.45 3.78 45.31 16.76 14.66 18.44 28.69 49.50 检 修 电源不足 外部因素 气象影响 0.00 0.53 0.00 0.00 0.00 0.00 10.78 10.31 8.02 5.34 0.00 17.49 2.56 3.02 5.84 1.25 0.90 0.00 39.17 64.71 69.26 67.18 50.96 29.19
25
状态维修的技术可行性
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。
26
状态维修的基础 设备状态
21
5. 过度维修
对110台高压变压器进行的162台次定期吊检大修结果进行统 计。共发现缺陷24项，其中一般性缺陷23项，危及安全运行 的仅1项。 对110kV及以上油开关大修统计表明，95%以上未发现部件 损坏。 定期检修虽有成效，但过于保守。实践证明，频繁检修 非但不能改善设备性能，反而常常会引入新的故障因素。
第一章 概论
Overview
1
电气设备界定
变压器 电容性设备 电力电缆
发电机
GIS · · ·
2
课程涉及的领域
高电压工程 电磁兼容
电子测试技术
传感技术
人工智能
可靠性工程
3
主要参考书目
1. 《电气绝缘在线检测技术》，严璋 编 北京，中国电力出版社，1995.11 2. 《电绝缘诊断技术》，朱德恒、谈克雄主编 北京，中国电力出版社，1999.04 3. 《电工高新技术丛书》第五分册 (电气设备状态监测与故障诊断技术) 朱德恒、谈克雄编 北京，机械工业出版社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。
17
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。
7% 1999
8% 2000 2001 2002 2003 2004
35
Technologies/Benefits – US Utilities
技术方法 异常情况 比例(%) 避免损失 效益(%)
Thermography Visual/Ops.
860 303
64 22
7,560,697 2,202,354
在
是否生成新的 检修工单?
离线信息
据 转 换 接 口
状态检测/综合诊断 在线数据 存储及提取
线 信 息
SCADA
试验数据(离线)
OS
沪南供电所服务器
SQL Server 7.0
OS
迎勋变电站服务器
录入历次 试验数据
32
EPRI PDM Program的年收益
Operation Enhancement 1%- 2% HR Availability Improvements 30% - 50%
Equipment Life Enhancements
$1.5 to 4.0百万/年
Maintenance Savings 5% - 15%
33
美国优化维修收益
34
HECO性能提高程度
已节省 $4.5M用于提高系统可靠性 降低非计划维修约50%，更有利于合理利用资源以提 高维修效率及系统稳定性
6. 维修不足
由于采用周期性定期检查，很难预防由于随机因素引 起的偶发事故。设备仍可能在试验间隔期间内由于微小缺 陷的持续发展导致发生故障。
22
7. 预防性试验条件与实际运行工况不同
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。
12
电气设备典型灾难性事故举例
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。
13
保证设备安全的基本途径
制造100%可靠的设备
制造这样的大型电力设备，在技术上是极其复杂的，尤其是对于 电压等级较高的设备，多数情况下这样的设计在经济上也是不合 理的。
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。
23
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”
24
状态维修的必要性
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。
无在线 监测 有在线 监测
事故率 %
运行 早期
稳定期
运行晚期
可接受的事故速率
更 换
0
10
20 无在线监测
30
40
50
60
（年）
有在线监测
15
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）。