Диагностика электрооборудования электрических станций и подстанций

Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Диагностика электрооборуДования 
электрических станций и поДстанций

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом УрФУ 
для студентов, обучающихся по направлению  
140400 — Электроэнергетика и электротехника

2-е издание, стереотипное

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2017

УДК 621.311:658.562(075.8)
ББК 31.277-7я73
          Д44

Авторы: А. И. Хальясмаа, С. А. Дмитриев, С. Е. Кокин, Д. А. Глушков

Рецензенты: директор ООО «Единая инжиниринговая компания» А. А. Костин, 
канд. экон. наук, проф. А. С. Семериков (директор ОАО «Екатеринбургская электросетевая компания»)
Научный редактор — канд. техн. наук, доц. А. А. Суворов

Д44

Диагностика электрооборудования электрических станций и подстанций
[Электронный ресурс]  : учебное пособие / А. И. Хальясмаа [и др.]. — 2-е
изд., стер. — М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал. ун-та, 2017. —  64 с.

ISBN 978-5-9765-3264-9 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1493-5 (Изд-во Урал. ун-та)

В современных условиях высокого износа электросетевого оборудования 
оценка его технического состояния является обязательным и неотъемлемым 
требованием организации его надежной эксплуатации. Учебное пособие 
предназначено для изучения методов неразрушающего контроля и технического 
диагностирования в электроэнергетической области для оценки технического 
состояния электросетевого оборудования.
Библиогр.: 11 назв. Рис. 19. Табл. 4.

УДК 621.311:658.562(075.8)
ББК 31.277-7я73

ISBN 978-5-9765-3264-9 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1493-5 (Изд-во Урал. ун-та)

© Уральский федеральный 
университет, 2015

Введение

На сегодняшний день экономическое состояние энергетики России 
вынуждает принимать меры по увеличению сроков эксплуатации различного электротехнического оборудования.
В России в настоящее время общая протяженность электрических сетей 
напряжением 0,4–110 кВ превышает 3 млн км, а трансформаторная мощность подстанций (ПС) и трансформаторных пунктов (ТП) — 520 млн кВА. 
Стоимость основных фондов сетей составляет около 200 млрд руб., а степень их износа — около 40%. За 90-е годы резко сократились объемы строительства, технического перевооружения и реконструкции ПС [1], и только 
последние несколько лет вновь наметилась некоторая активность в этих направлениях.
Решение задачи по оценке технического состояния электротехнического оборудования электрических сетей в значительной мере связано 
с внедрением эффективных методов инструментального контроля и технической диагностики. Кроме того, оно необходимо и обязательно для безопасной и надежной работы электрооборудования.

1. Основные понятия и положения 
технической диагностики

Экономическая ситуация, сложившаяся в последние годы в энергетике, заставляет принимать меры, направленные на увеличение сроков эксплуатации различного оборудования. Решение задачи по оценке технического состояния электротехнического оборудования электрических сетей 
в значительной мере связано с внедрением эффективных методов инструментального контроля и технической диагностики [2].
Техническое диагностирование (с греч. «распознавание») — это аппарат мероприятий, который позволяет изучать и устанавливать признаки 
неисправности (работоспособности) оборудования, устанавливать методы и средства, при помощи которых дается заключение (ставится диагноз) 
о наличии (отсутствии) неисправности (дефекта). Другими словами, техническая диагностика позволяет дать оценку состояния исследуемого объекта. 
Такая диагностика направлена в основном на поиск и анализ внутренних 
причин неисправности оборудования. Наружные причины определяются 
визуально [3].
Согласно ГОСТ 20911–89, техническая диагностика определяется как 
«область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения 
технического состояния объектов». Объект, состояние которого определяется, называется объектом диагностирования (ОД), а процесс исследования 
ОД — диагностированием.
Основной целью технической диагностики являются в первую очередь распознавание состояния технической системы в условиях ограниченной 
информации, и как следствие, повышение надежности и оценка остаточного 
ресурса системы (оборудования). В связи с тем, что различные технические 
системы имеют различные структуры и назначения, нельзя ко всем системам применять один и тот же вид технической диагностики.
Условно структура технической диагностики для любого типа и назначения оборудования представлена на рис. 1. Она характеризуется двумя взаимопроникающими и взаимосвязанными направлениями: теорией 
распознавания и теорией контролеспособности. Теория распознавания 
изучает алгоритмы распознавания применительно к задачам диагностики, 
которые обычно могут рассматриваться как задачи классификации. Алгоритмы распознавания в технической диагностике частично основываются 

1. Основные понятия и положения технической диагностики

на диагностических моделях, устанавливающих связь между состояниями 
технической системы и их отображениями в пространстве диагностических 
сигналов. Важной частью проблемы распознавания являются правила принятия решений.
Контролеспособностью называется свойство изделия обеспечивать достоверную оценку его технического состояния и раннее обнаружение неисправностей и отказов. Основной задачей теории контролеспособности 
является изучение средств и методов получения диагностической информации [4].

Техническая диагностика

Теория распознавания
Теория контролеспособности

Алгоритмы 
распозна
вания

Правила 
решения 

Диагности
ческие 
модели

Диагности
ческая 

информация

Контроль 
состояния 

Поиск 

неисправ
ностей

Рис. 1. Структура технической диагностики

Применение (выбор) вида технической диагностики определяется следующими условиями:
1)
назначением контролируемого объекта (сфера использования, условия эксплуатации и т. д.);
2)
сложностью контролируемого объекта (сложностью конструкции, 
количеством контролируемых параметров и т. д.);
3)
экономической целесообразностью;
4)
степенью опасности развития аварийной ситуации и последствий 
отказа контролируемого объекта.
Состояние системы описывается совокупностью определяющих ее 
параметров (признаков), при диагностировании системы они называются 
диагностическими параметрами. При выборе диагностических параметров 
приоритет отдается тем, которые удовлетворяют требованиям достоверности и избыточности информации о техническом состоянии системы в реальных условиях эксплуатации. На практике обычно используют несколько 
диагностических параметров одновременно. Диагностическими параметрами могут являться параметры рабочих процессов (мощность, напряжение, ток и др.), сопутствующих процессов (вибрация, шум, температура 
и др.) и геометрические величины (зазор, люфт, биение и др.). Количество 
измеряемых диагностических параметров также зависит от типов приборов 

Диагностика электрооборудования электрических станций и подстанций

для диагностики системы (которыми производится сам процесс получения 
данных) и степени развитости методов диагностирования. Так, например, 
число измеряемых диагностических параметров силовых трансформаторов 
и шунтирующих реакторов может достигать 38, масляных выключателей — 
29, элегазовых выключателей — 25, ограничителей перенапряжения и разрядников — 10, разъединителей (с приводом) — 14, маслонаполненных измерительных трансформаторов и конденсаторов связи — 9 [5].
В свою очередь диагностические параметры должны обладать следующими свойствами:
1) чувствительностью;
2) широтой изменения;
3) однозначностью;
4) стабильностью;
5) информативностью;
6) периодичностью регистрации;
7) доступностью и удобством измерения.
Чувствительность диагностического параметра — это степень изменения диагностического параметра при варьировании функционального 
параметра, т. е. чем больше значение этой величины, тем чувствительнее 
диагностический параметр к изменению функционального параметра.
Однозначность диагностического параметра определяется монотонно возрастающей или убывающей зависимостью его от функционального параметра в диапазоне от начального до предельного изменения 
функционального параметра, т. е. каждому значению функционального 
параметра соответствует одно-единственное значение диагностического параметра, а, в свою очередь, каждому значению диагностического 
параметра соответствует одно-единственное значение функционального 
параметра.
Стабильность устанавливает возможную величину отклонения диагностического параметра от своего среднего значения при многократных 
измерениях в неизменных условиях.
Широта изменения — диапазон изменения диагностического параметра, соответствующий заданной величине изменения функционального параметра; таким образом, чем больше диапазон изменения диагностического параметра, тем выше его информативность.
Информативность — это свойство диагностического параметра, которое при недостаточности или избыточности может снизить эффективность 
самого процесса диагностики (достоверность диагноза).
Периодичность регистрации диагностического параметра определяется, исходя из требований технической эксплуатации и инструкций заводаизготовителя, и зависит от скорости возможного образования и развития 
дефекта.

1. Основные понятия и положения технической диагностики

Доступность и удобство измерения диагностического параметра на прямую зависят от конструкции объекта диагностирования и диагностического средства (прибора).
В различной литературе можно найти разные классификации диагностических параметров, в нашем случае для диагностики электрооборудования мы будем придерживаться типов диагностических параметров, представленных в источнике [6].
Диагностические параметры подразделяются на три типа:
1. Параметры информационного вида, представляющие объектную 
характеристику;
2. Параметры, представляющие текущую техническую характеристику 
элементов (узлов) объекта;
3. Параметры, представляющие собой производные нескольких параметров.
К диагностическим параметрам информационного вида относятся:
1. Тип объекта;
2. Время ввода в эксплуатацию и период эксплуатации;
3. Ремонтные работы, проводимые на объекте;
4. Технические характеристики объекта, полученные при испытании 
на заводе-изготовителе и/или при вводе в эксплуатацию.
Диагностическими параметрами, представляющими текущую техническую характеристику элементов (узлов) объекта, чаще всего являются параметры рабочих (иногда сопутствующих) процессов.
К диагностическим параметрам, представляющим собой производные 
нескольких параметров, относятся, прежде всего, такие как:
1. Максимальная температура наиболее нагретой точки трансформатора при любой нагрузке;
2. Динамические характеристики или их производные.
Во многом выбор диагностических параметров зависит от каждого 
конкретного типа оборудования и метода диагностирования, используемого для этого оборудования.

2. Концепция и результаты 
диагностики

Современную диагностику электрооборудования (по назначению) условно можно разделить на три основных направления:
1. Параметрическая диагностика;
2. Диагностика неисправностей;
3. Превентивная диагностика.
Параметрическая диагностика — это контроль нормируемых параметров оборудования, обнаружение и идентификация их опасных изменений. 
Используется она для аварийной защиты и управления оборудованием, 
а диагностическая информация содержится в совокупности отклонений 
величин этих параметров от номинальных значений.
Диагностика неисправностей — это определение вида и величины дефекта после регистрации факта появления неисправности. Такая диагностика является частью работ по обслуживанию или ремонту оборудования 
и выполняется по результатам контроля его параметров.
Превентивная диагностика — это обнаружение всех потенциально 
опасных дефектов на ранней стадии развития, наблюдение за их развитием 
и на этой основе долгосрочный прогноз состояния оборудования [7].
Современные системы диагностирования включают в себя все три направления технической диагностики, чтобы сформировать наиболее полную и достоверную оценку состояния оборудования.
Таким образом, к результатам диагностики можно отнести:
1. Определение состояния диагностируемого оборудования (оценка 
состояния оборудования);
2. Выявление вида дефекта, его масштабы, место расположения, причин появления, что служит основой для принятия решения о последующей 
эксплуатации оборудовании (выводе в ремонт, дополнительном обследовании, продолжении эксплуатации и т. п.) или о полной замене оборудования;
3. Прогноз о сроках последующей эксплуатации — оценка остаточного 
ресурса работы электрооборудования.
Следовательно, можно сделать вывод, что для предупреждения образования дефектов (или выявления на ранних стадиях образования) и поддержания 
эксплуатационной надежности оборудования необходимо применять контроль 
оборудования в виде системы диагностики.

2. Концепция и результаты диагностики

По общей классификации, все методы диагностирования электрооборудования можно разделить на две группы, также называемые методами 
контроля: методы неразрушающего и разрушающего контроля. Методы неразрушающего контроля (МНК) — методы контроля материалов (изделий), 
не требующие разрушения образцов материала (изделия). Соответственно, 
методы разрушающего контроля — методы контроля материалов (изделий), 
требующие разрушения образцов материала (изделия).
Все МНК в свою очередь также подразделяются на методы, но уже в зависимости от принципа работы (физических явлений, на которых они основаны). Ниже представлены основные МНК, согласно ГОСТ 18353–79, 
наиболее часто применяемые для электротехнического оборудования:
1) магнитный,
2) электрический,
3) вихретоковый,
4) радиоволновой,
5) тепловой,
6) оптический,
7) радиационный,
8) акустический,
9) проникающими веществами (капиллярный и течеискания).
Внутри каждого вида методы также классифицируют по дополнительным признакам.
Дадим каждому методу МНК четкие определения, используемые 
в нормативной документации.
Магнитные методы контроля, согласно ГОСТ 24450–80, основаны 
на регистрации магнитных полей рассеяния, возникающих над дефектами, 
или на определении магнитных свойств контролируемых изделий.
Электрические методы контроля, согласно ГОСТ 25315–82, основаны на регистрации параметров электрического поля, взаимодействующего 
с контрольным объектом, или поля, возникающего в контрольном объекте 
в результате внешнего воздействия.
По ГОСТ 24289–80, вихретоковый метод контроля основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным 
полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля этим полем.
Радиоволновой метод контроля — метод неразрушающего контроля, основанный на анализе взаимодействия электромагнитного излучения радиоволнового диапазона с объектом контроля (ГОСТ 25313–82).
Тепловые методы контроля, согласно ГОСТ 53689–2009, основаны 
на регистрации тепловых или температурных полей объекта контроля.
Визуально-оптические методы контроля, согласно ГОСТ 24521–80, основаны на взаимодействии оптического излучения с объектом контроля.

Диагностика электрооборудования электрических станций и подстанций

Радиационные методы контроля основаны на регистрации и анализе 
проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия с контролируемым объектом (ГОСТ 18353–79).
Акустические методы контроля основаны на применении упругих 
колебаний, возбуждаемых или возникающих в объекте контроля (ГОСТ 
23829–85).
Капиллярные методы контроля, согласно ГОСТ 24521–80, основаны 
на капиллярном проникновении индикаторных жидкостей в полости поверхностных и сквозных несплошностей материала объектов контроля 
и регистрации образующихся индикаторных следов визуальным способом 
или с помощью преобразователя.