1、本科毕业论文（20 届）电气设备绝缘状态的检测和诊断所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文I电气设备绝缘状态的检测和诊断摘 要随着电力事业的迅速发展，对供电可靠性和用电安全性的要求在进一步的提高，电力设备绝缘状况检测和诊断技术的发展日益得到重视，新的检测设备和新的检测技术不断在推出。电力绝缘性能的优劣直接影响电气设备及材料的正常运行，因此电气设备绝缘性能的检测和故障诊断在电气工程施工中是极为重要的环节。多年来，由于电力设备的绝缘性能不符合设计要求或是电力设备的绝缘结构在工作中出现隐患而发生的安全事故不计其数。这些问题
2、可能引起设备的损坏，电网系统的非正常运行甚至威胁作业人员的生命安全。所以研究电力设备绝缘检测与诊断技术对提高电力设备运行可靠性、安全性具有极其重要的意义。本文的主要工作是对电气设备绝缘状态的检测和故障诊断技术进行了简单介绍，主要包括其经历的几个发展阶段、国内外的发展现状和其主要运用的主要技术。同时给出了电气设备绝缘检测的几个主要参数并对这几个参数的测量给出测量方法。介绍了整个检测和诊断系统的主要结构和组成部分，并对其中最为重要的传感器、采集系统、传输系统和诊断系统进行了系统的介绍。最后，介绍了现在在检测系统和诊断系统中运用的最新技术，即模糊人工神经元网络和专家系统的组成、工作原理和其在系统中的
3、具体运用情况作了简单介绍。关键词：电力设备；绝缘监测和诊断；带电作业；人工神经元网络；专家系统哈尔滨理工大学学士学位论文IIAbstractDetection and diagnosis of the insulation state for electrical equipmentAs the rapid development of the electric utilities, the requirements of the reliability of power supply and the safety for electricity are further improved. N
4、owadays the technology of insulating state detects and fault diagnoses at the electrical equipment are fully receiving attention, new technology and equipments are constantly released. The quality of insulating properties of the electrical equipment is a direct affection with the run of material and
5、 equipment; therefore it is a very important link that detecting insulation with power construction. For many years, many incidents involving electricity are caused by wrong-design insulation properties or wrong structure designed. These problems may lead damage of a equipment, unmoral grid system r
6、unning or even worselife-threatening to the operating personnel. So the study in the technology of insulating state detects and fault diagnoses have a significant meaning to improve both the reliability and the security of the equipment. The main purpose of this paper is to show how we setting and m
7、easuring insulation parameters for a electrical equipment; basic information of online monitoring and diagnosing as well as the rising techartificial neural network and expert system.Keyword: electrical equipment insulation monitoring and diagnoses live working artificial neural network expert syste
8、m哈尔滨理工大学学士学位论文III目录摘 要 .IAbstract .II第一章 绪论 .11.1 概述 .11.2 国内外电气设备绝缘状态检测的研究现状 .21.3 电力设备绝缘状态检测诊断技术的发展 .31.3.1 现代传感技术在电力设备监测中的应用 .31.3.2 信号处理技术在电力设备诊断中的应用 .4第二章 电气设备绝缘材料特性 .52.1 绝缘材料的种类 .52.2 电气设备的绝缘缺陷 .62.3 绝缘老化 .72.3.1 热老化 .72.3.2 机械老化 .82.3.3 电老化 .82.3.4 电树枝 .92.3.5 水树枝 .92.3.6 化学树枝 .102.4 电气设备绝缘参
9、数 .102.4.1 绝缘电阻 .102.4.2 局部放电 .122.4.3 漏电流 .122.4.4 相对介电常数和介质损耗因数 .132.5 本章小结 .15第三章 在线检测和状态维修技术 .163.1 概述 .163.2 在线检测状态维修综述 .173.3 在线检测和故障诊断系统的结构 .193.3.1 系统的组成 .193.3.2 系统分类 .203.4 系统各组成部分 .213.4.1 传感器 .21哈尔滨理工大学学士学位论文IV3.4.2 数据采集系统 .243.4.3 数据处理系统 .253.4.4 诊断系统 .273.5 本章小结 .29第四章 基于模糊人工神经元网络的故障诊断
10、方法 .304.1 模糊人工神经元网络的概念 .304.1.1 神经元的概念 .314.1.2 神经网络的概念 .314.2 前馈神经网络拓扑结构 .314.3 工作原理 .324.4 BP 网络学习过程 .324.5 本章小结 .34第五章 专家系统在电力设备故障诊断中的应用 .355.1 专家系统概述 .355.2 采用模糊神经网络的方法来建立专家数据库 .355.2.1 庞大复杂的在线检测数据处理需要建立专家处理系统.355.2.2 专家系统的基本结构 .365.2.3 专家系统中的模糊化应用 .385.2.4 基于模糊神经网络的电力在线监测的专家系统 .395.2.5 电力在线检测专家
11、系统的任务和功能 .405.3 本章小结 .41第六章 总结 .43致 谢 .45参考文献 .46附录 .48哈尔滨理工大学学士学位论文-1-第一章 绪论1.1 概述电力设备（electrical equipment）主要包括以发电设备和供电设备两大类，发电设备主要是电站锅炉、蒸汽轮机、燃气轮机、水轮机、发电机、变压器等等，供电设备主要是各种电压等级的输电线路、互感器、接触器等。早期电力设备采取的是事后维修的方式，在使用设备直到它发生故障后进行维修。因此，对于大型设备，发生突发性事故将造成巨大损失。其后，发展为对电力设备进行定期的预防性试验和维修。电气设备检修都是根据运行规程、一定的检修周期进
12、行设备的大修或常规检修，以发现设备潜在缺陷。现在，定期预防性试验和维修己在各级电力部门形成制度，对减少和防止事故的发生起到了很好的作用。但预防性试验是离线进行的，有很多不足之处:(l)需停电进行试验，而不少重要电力设备，轻易不能停止运行。(2)停电后设备状态(如作用电压、温度等)和运行中状态不一致，影响判断准确性。(3)由于是周期性定期检查，而不是连续地随时监测，绝缘仍可能在试验间隔期内发生故障。(4)由于是定期检查和维修，设备状态即使良好时，按计划也需进行试验和维修，造成人力物力浪费，甚至可能因拆卸组装过多而造成对设备的损坏，即过度维修。但是近些年来由于用电负荷的提高和电力主设备的增多，对电
13、气设备的可靠性的要求也在提高。对于之前的周期性的离线检测甚至是事故后的维修已经逐渐不能满足人们的要求，不能满足当今电网运行的实际情况。所以现在一种新型的电力设备绝缘状态的检测方法正在为大家所熟知，即以在线状态检测和故障诊断维修为基础的状态维修技术。这种方法简单来说就是当电网内的某电气设备在运行时在线对其进行状态诊断和维修。当然我们通过这种技术也能实现对在线设备的实时监控。在线检测维修技术避免了早期预防性实验和事后维修技术的种种弊端。电网内设备的检测和维护现在正在从过去的预防性维护向预知性维护即状态维护的方向发展。虽然预防性实验和事后维护存在着很多弊端，但现阶段电气哈尔滨理工大学学士学位论文-2
14、-设备绝缘状态检测和诊断方面还是必不可少的。无论是使用何种方法进行检测，只要能有效地监测设备的状况都能受到欢迎。总之，在电气设备的绝缘状态的检测和诊断技术方面，必须推陈出新，不断实践才能做到最高效、最经济、最安全地对电气设备进行绝缘检测。本文的研究方向主要围绕现阶段主要的在线检测方法，对比各种在线检测方法的优缺点以及讨论在线检测今后的发展趋势。电力设备的状态检测的目的就是为了及时发现设备缺陷，避免事故发生，同时也为状态检修提供实验依据。1.2 国内外电气设备绝缘状态检测的研究现状国外，特别是西方国家对电气设备的状态检测和诊断技术很重视，早在 60 年代就已经提出了在线状态检测这一概念。在 20
15、世纪 70 年代美国杜邦公司首先提出了状态检修(C. B. M. Condition based maintenance)。这是从预防性检修发展而来的更高层次的检修体制，是一种以设备状态为基础、以预测设备状态发展趋势为依据的检修方式。这种方式就是现代在线检测诊断的雏形。这种检测方式能对电气设备及时而有针对性的进行检测和维护，这不仅能极大提高设备使用率，也大大降低了维护费用，同时能够很好的排除安全隐患。这是一项技术革新，与之前的预防性实验相比，其更具有主动性。欧洲一些工业国家的电力设备诊断技术研究和开发都有了进展，而且各具自己地专长、领域和特色。如丹麦 B华北电力科学院利用美国 ENTEK公司电
16、动机诊断软件开发了电动机诊断专家系统，在电厂实测哈尔滨理工大学学士学位论文-3-55 台电动机，准确度高;东北电力科学研究院研制成功 BZS 变压器油色谱在线监测装置，武汉高压研究所研制成功变压器局部放电诊断装置，都获得广泛运用;红外线监测技术在全国电力系统获得了广泛运用。国内外这项技术的发展和应用实践证明，状态监测与故障诊断系统能实时掌握电气设备的运行状况、电气参数的特性，减少突发性故障的发生，提高设备的安全可靠性和运行效益，降低设备强迫停运率、维修成本和寿命周期费用，延长设备的使用寿命，从而增加电力系统的经济效益。但是由于状态监测与故障诊断技术的难度，不论是国内还是国外，除个别项目外，大都
17、还不成熟，仍处于研究发展阶段。1.3 电力设备绝缘状态检测诊断技术的发展随着传感器、计算机、光纤等高新技术以及数学理论应用，人工智能技术的发展，为监测和诊断提供了进一步发展的空间。监测与诊断过程分为信号检测、信号处理及其特征提取、状态判别与分类、趋势预测等几项基本内容。在监测过程中，状态判别主要关心的是设备系统的整体状况，而在故障诊断中，状态分类则是在发现设备异常后，对故障进行深入的分析，已确定故障发生的部位、严重程度及其原因，为诊断决策提供依据。1.3.1 现代传感技术在电力设备监测中的应用现代测试技术是以信号采集、信号传输、信号处理为主干，传感是测量与检测的第一步。随着科技的发展，新的测量
18、传感技术在电力设备监测中有了更为广泛的应用，由此发展的光纤传感技术、噪声监测技术、红外测温技术、声发射技术，无损探伤技术等拓宽了传统的电力设备的测量范围，提高了测量的准确性，使电力设备监测与诊断技术得到了重要发展。例如一种基于单片机的高压断路器综合在线监测系统。通过采用了绝缘泄漏电流传感器准确测量微安级泄漏电流;直线位移传感器来监测断路器动触头速度和行程:跟踪性霍尔电流传感器分合闸线圈回路电流、储能电机电流及短路电流:实现多参量的综合监测来判断断路器的机械性能的系统，全面地了解断路器的运行状态。又如一种利用光纤温度传感器来测量真空断路器触头温度，不仅能够直接诊断真空断路器的长期稳定温升，还可以
19、估计触头的接触压力。根据监测结果进行“ 状态维修 ”，对提高设备的不停电率和节省检修哈尔滨理工大学学士学位论文-4-人力、物力有着重要的实际意义。例如一种六氟化硫气体密度的在线数字式监测装置，它通过压力、温度变送器采集断路器中SF6 气体压力值和温度值，经过 AID 变换送至单片机，通过数字运算获得在线监测的 SF6 气体。1.3.2 信号处理技术在电力设备诊断中的应用通过信号处理，能够抑止干扰、保留或增加有用的信号，提炼信号特征，从中获得与故障相关地征兆，利用征兆进行故障诊断。时域分析、快速傅立叶变换(FFT)频域分析、小波分析、小波包分析等信号处理提取技术的发展为进行诊断提供了前提条件。此
20、处对小波分析在电气设备故障诊断中的应用作了简要的介绍，利用小波变换的多分辨率性质，基于信号和随机噪声在小波变换域中不同的模极大值系特征，提取信号和噪声在多尺度分辨空间中的波形特征，而且根据表征该特征的小波系数模极大值传播特性的不同，来实现对信号波形的有效检测。小波分析能准确的反映故障发生的时间、位置等信息，并能对电气设备进行实时有效的状监视和故障诊断。基于小波包原理的振动信号处理方法，小波包变换能将己知信号按任意时频分辨率分解到更加精细频带，且提高了信号处理的频率分辨率，小波包正交分解后的信号具有各频带信号独立、能量守衡的特点。小波包分析继承了小波变换所有的时频局部化优点，能够为振动信号提供一
21、种更精细的分析方法! 它对多分辨分析没有细分的高频部分进一步分解，从而高了信号的时频分辨率，是提取振动信号特征的一种很好的方法。基于小波变换的信号奇异性检测理论，对断路器合闸时的振动信号首先进行小波去噪处理，提纯有用信号。然后利用 Hilbert 变换提取信号包络，对包络进行小波变换取得各尺度上的信号波形。最后根据小波变换各尺度上模极大值的传递性来计算信号包络波峰的奇异性指数，以此作为断路器故障诊断的一种特征参数，取得了较好的效果。哈尔滨理工大学学士学位论文-5-第二章 电气设备绝缘材料特性2.1 绝缘材料的种类电力设备由导电材料、导磁材料、结构材料和绝缘材料等组成。在电力设备实际运行过程中，
22、绝缘结构的电气和机械性能往往决定着整个电力设备的寿命。所以电力设备的绝缘状态对电网的安全运行至关重要。电力设备的绝缘材料大致可以分为固体、液体、气体三大类。如果进一步细分，则固体绝缘可分为注射绝缘和挤出绝缘，液体绝缘可分为绝缘油和纤维纸构成的油浸绝缘，气体绝缘中采用的绝缘气体有空气和 SF6 等。不同设备，不同电压等级和不同容量的电力设备应选用不同的绝缘材料，以满足绝缘要求。表 2-1 电气设备的主要绝缘材料绝缘材料 主要构成材料 特性 用途云母绝缘物云母（片状与集层云母）热固性树脂（以环氧树脂为主） ；带材（玻璃纤维，聚芳酰胺纸，聚酯薄膜）固体绝缘，高强度，高耐热，高耐局部放电电机油浸绝缘物绝缘油：矿物油、合成油；固体绝缘物：绝缘纸，半合成纸， 薄膜，层压纸液体绝缘，高电压绝缘，高压电场，无气孔变压器，电容器，OF 油浸纸电缆注塑型绝缘物热固性树脂（主要是环氧树脂） ，填充物（氧化铝、氧化硅等）固体绝缘，阻燃性，高强度，高耐热变压器，变流器，气体绝缘设备支撑物气体绝缘物 SF气体绝缘， 充气变
