Диагностика оборудования систем электроснабжения

ФГБОУ ВО

СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Е. Е. ПРИВАЛОВ, А.В. ЕФАНОВ, С.С. ЯСТРЕБОВ,

В.А. ЯРОШ 

ДИАГНОСТИКА 

ОБОРУДОВАНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 

Под редакцией 

доцента Е.Е. Привалова 

Учебное пособие 

Ставрополь

2020

УДК 621.311 

Рецензенты:

кандидаты технических наук, доцент В. Н. Шемякин;

кандидат технических наук, доцент В. Г. Жданов

(кафедра Электроснабжения и эксплуатации электрооборудования)

Диагностика
оборудования систем электроснабжения: учебное пособие. / Е.Е. 

Привалов, А.В. Ефанов, С.С. Ястребов, В.А. Ярош, под ред. Е.Е. Привалова. –
Ставрополь: Изд-во ПАРАГРАФ, 2020. - 236с.

В учебном пособии изложены вопросы технической диагностики оборудования 

систем электроснабжения сельскохозяйственных предприятий. Пособие содержит 
часть теоретического и практического материала лекций и лабораторного практикума 
учебной дисциплины «Диагностика электроэнергетического оборудования».

Пособие предназначено для студентов высших и средних учебных заведений, 

обучающихся 
по 
направлениям 
«Агроинженерия» 
и 
«Электроэнергетика 
и 

электротехника».

УДК 621.311 

 Е.Е. Привалов, А.В. Ефанов, С.С. 

Ястребов, В.А. Ярош 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение 
3

ГЛАВА 1 

КОНТРОЛЬ РАБОТСПОСОБНОСТИ 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

1.1
Методология контроля работоспособности
электроэнергетического оборудования 
5

1.2 Диагностические признаки электроэнергетического 

оборудования 
9

1.3 Методы контроля работоспособности 

электроэнергетического оборудования 
12

1.3 Датчики контроля работоспособности объектов диагностики 22
1.4 Средства контроля работоспособности 

электроэнергетического оборудования 
29 

ГЛАВА 2 

ПОИСК ДЕФЕКТОВ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

2.1 Метод поиска дефектов по частичным разрядам 
36

2.2 Электроакустический метод диагностики изоляции 
44

2.3 Метод поиска дефектов в изоляции по изменению частотных

характеристик 
46

2.4 Метод диагностики изоляции по параметрам 

волновых процессов 
47

2.5 Метод поиска дефектов с применением инфракрасного 

и тепловизионного контроля 
49

2.6 Метод диагностики на базе изменения 

электромагнитного поля и проникающих излучений 
52

2.7 Метод выявления дефектов в изоляции по анализу газов,

растворенных в масле 
55

2.8 Средства поиска дефектов в электрооборудовании 
59

2.8.1 Классификация технических средств диагностирования 
59 

2.9 Состав, принцип действия и показатели технических

средств диагностирования 
63

2.10 Устройства для поиска дефектов 
68

2.11 Прогнозирование технического состояния 

электрооборудования 
78 

2.11.1 Техническая характеристика задачи прогнозирования 
79

2.12 Методы прогнозирования состояния изоляции 

электроэнергетического оборудования 
84

2.13 Прогнозирование остаточного ресурса изоляции

трансформатора по тепловому износу 
91

ГЛАВА 3 

СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

3.1 Структурные схемы системы диагностирования 
96

3.2 Электроустановка как объект диагностирования 
101

3.3 Системные средства технического диагностирования 
105

ГЛАВА 4 

ПОСТРОЕНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ 

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

4.1 Классификация непрерывных диагностических моделей 
118

4.2 Схемы замещения электроэнергетического оборудования 
122

4.3 Способы построения диагностических моделей 
129

4.4 Непрерывные диагностические модели 
136

4.4.1 Диагностические модели распределительных сетей 
137

4.4.2 Диагностическая модель трансформатора 
142

4.5 Анализ диагностических моделей электрооборудования 
150

4.6 Специальные диагностические модели электрооборудования 157
4.7 Диагностика трехфазного выпрямителя автоматики

электроустановок 
163

4.8 Диагностика инвертора напряжения блока питания 

автоматики
168

ГЛАВА 5 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СРЕДСТВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

5.1 Процедура проектирования средств диагностирования 
173

5.2 Встраиваемые средства диагностирования оборудования 
180

5.3 Обоснование степени автоматизации диагностирования 
189

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 
195

ПРИЛОЖЕНИЯ 

ПРИЛОЖЕНИЕ А 

ПРИМЕРНЫЙ ПОРЯДОК 
ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ 
ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК ПОТРЕБИТЕЛЕЙ 
200

ПРИЛОЖЕНИЕ Б 

ТРАДИЦИОННАЯ ДИАГНОСТИКА. 
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ 
ТРАНСФОРМАТОРА ТДН-10000/110 
204

ПРИЛОЖЕНИЕ В 

РАННЯЯ ДИАГНОСТИКА. ТЕПЛОВИЗИОННЫЙ КОНТРОЛЬ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 
218

ПРИЛОЖЕНИЕ Г 

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ЦИФРОВОЙ 
РЕГИСТРАТОР (ЦР) 
220

ПРИЛОЖЕНИЕ Д 

ИНТРОДИАГНОСТИКА ОБОРУДОВАНИЯ СИЛОВОГО 
ТРАНСФОРМАТОРА С РПН ТИПА РС-4 
222

Введение 

Объекты электроэнергетики в России имеют ряд особенностей, 

важных 
для 
понимания 
роди 
и 
места 
диагностирования 

электроэнергетического оборудования как процесса и как способа 

организации процессов их эффективной эксплуатации.

В настоящее время уровень электроэнергетического оборудования 

электрических станций, региональных, районных и других электрических

сетей, а также средства их диагностики в процессе эксплуатации отстают 

от мировых стандартов. 

Современная 
продукция 
ведущих 
мировых 
производителей 

электротехнического оборудования отличается повышенной надежностью,

износоустойчивостью, контролепригодностью и простотой обслуживания, 

что определяет другой уровень эксплуатации электроэнергетического 

оборудования объектов и его стоимость.

В 
процессе 
эксплуатации 
различных 
энергосистем 
страны 

увеличивается 
номенклатура
электроэнергетического оборудования, 

отработавшего нормативный срок, заданный заводами-изготовителями. 

Степень морального и физического износа эксплуатируемого 

оборудования 
увеличивается. 
Это 
обусловлено 
отсутствием 
у 

энергетических компаний России достаточных финансовых средств для 

своевременной замены стареющего электроэнергетического оборудования.

В результате, электрооборудование, отработавшее нормативный 

срок, имеет повышенную степень износа. что ухудшает эксплуатационные 

характеристики и повышает вероятность аварийных отключений (отказов). 

Для поддержания стареющего оборудования в работоспособном состоянии 

(обеспечения надежного электроснабжения) необходимо увеличивать 

ежегодные затраты на техническое обслуживание и ремонты.

Действующая нормативная система планово-предупредительных

ремонтов 
(ППР)
электроэнергетического оборудования 
наряду 
с 

положительными качествами обладает рядом недостатков, главным из 

которых является производство ремонтов по истечении фиксированного 

межремонтного периода. 

Такой подход к эксплуатации электрооборудования приводит к 

необоснованному завышению объемов ремонтно-восстановительныхработ 

и величины ремонтного фонда компаний. 

Альтернативой действующей системе ППР является ремонт по 

текущему техническому состоянию электроэнергетического оборудования, 

при котором назначается определенная периодичность и 
объем 

диагностического контроля, устанавливаются межремонтный ресурс 

оборудования и объем ремонтных работ по устранению выявленных 

дефектов.

Состояние электроэнергетического оборудования определяется не 

только 
его
сроком 
службы, 
по 
и 
условиями 
эксплуатации

электроэнергетических систем нашей страны. 

Одной из ключевых задач в обеспечении надежного и экономичного 

функционирования 
объектов 
электроэнергетики 
является 
задача 

постоянного управления жизненным циклом всего эксплуатируемого 

оборудования. 

Мировой опыт решения этой первостепенной задачи предлагает 

выбор, для определенной возрастной категории электроэнергетического 

оборудования, стратегии его эксплуатации на основе контроля и оценки 

текущего состояния с выводом групп и единиц оборудования в ремонт по 

мере возникающей производственной необходимости.

ГЛАВА 1 

КОНТРОЛЬ РАБОТСПОСОБНОСТИ 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Общим понятием теории надежности и технической диагностики 

является работоспособность. Это понятие используется для обозначения 

класса состояний объекта диагноза (ОД), находясь в котором он выполняет 

свойственную ему работу. 

Состояние, при котором значения всех диагностических признаков

(ДП), характеризующих способность ОД выполнять заданные функции, 

соответствуют 
установленным 
требованиям, 
называется 

работоспособным.

В результате, оборудование электроустановок (ЭУ) функционирует 

штатно и образует область работоспособности (ОР).

Неработоспособное состояние - состояние, при котором значение 

хотя бы одного диагностического признака электроэнергетического 

оборудования, характеризующего выполнение заданной функции, не 

соответствует установленным требованиям. 

Если ОД неработоспособен и выполняет часть функций, то он 

функционирует не штатно.

1.1 Методология контроля работоспособности

электроэнергетического оборудования

В 
основу 
методологии
диагностики 
электроэнергетического 

оборудования положены следующие исходные положения.

1. Допущение о том, что объект (ЭУ) может находиться в конечном 

множестве 
состояний 
S, 
которое 
определяется 
ограниченными 

возможностями измерительных средств (рисунок 1.1). 

Рисунок 1.1 – Схема конечности множества состояний объекта диагноза 

В рассматриваемом множестве S выделяются два непересекающихся 

подмножества - 𝑆𝑝 и 𝑆𝐻, где 𝑆𝑝 - подмножество работоспособных состояний; 

𝑆𝐻 - подмножество неработоспособных состояний.

Подмножество 𝑆𝑝 = {𝑠𝑖 },   i = 1,𝑛
̅̅̅̅̅ включает все состояния, которые 

позволяют ОД выполнить возложенные на него функции или решить 

поставленные задачи, т.е. когда ОД работоспособен. Каждое состояние в 

этом подмножестве различается запасом работоспособности, который 

характеризуется 
приближением 
состояния 
объекта 
к 
предельно 

допустимому.

Состояние ЭУ оценивается путем измерения и контроля параметров 𝜉

(рисунок 1.2) или характеристик.

Рисунок 1.2 – Временные зависимости множеств работоспособных и 

неработоспособных состояний ЭУ 

Подмножество 𝑆𝐻
= {𝑠𝑗}, j=1,𝑛
̅̅̅̅̅
включает все состояния, 

соответствующие возникновению в объекте дефектов, приводящих к 

потере его работоспособности. Мощность подмножества 𝑆𝐻 определяется 

количеством различимых дефектов или глубиной поиска дефектов.

При допусковом контроле работоспособности i=1, j=1. Если дается 

заключение «не годен меньше – годен - не годен больше» i=1, j=2.

2. Решение задач по оценке состояния объекта (ЭУ) сводится к анализу 

множества S, если отсутствует информация о состоянии ОД;

подмножества 𝑆𝐻 или 𝑆𝑝 ,если информация о состоянии ОД имеется.

При 
контроле 
работоспособности 
проверяются 
условия 

работоспособности и полученные результаты относят к одному из 

подмножеств 𝑆𝑝 или 𝑆𝐻. Условия работоспособности определяются как 

ограничения на диагностические признаки, при выполнении которых ОД 

может выполнить поставленные задачи или возложенные на него функции.

При поиске возникшего дефекта, когда установлено, что объект 

неработоспособен, осуществляется анализ подмножества состояний 𝑆𝐻 и 

устанавливается, какому именно состоянию 𝑠𝑗 соответствует его текущее 

состояние. В случае резкого снижения запаса работоспособности поиск 

дефекта возможен в подмножестве работоспособных состояний 𝑆𝑝. 

Необходимость поиска дефектов определяется ремонтопригодностью 

объекта
и требованием минимизации времени его технического 

обслуживания и восстановления.

При 
прогнозировании 
работоспособного 
состояния 
объекта 

осуществляется анализ подмножества 𝑆𝑝 состояний, причем каждому 

состоянию 𝑠𝑖 ∈ 𝑆𝑝 соответствует определенный запас работоспособности 

объекта. Анализ состояний объекта в подмножестве 𝑆𝑝
позволяет 

установить характер изменения запаса его работоспособности и в ряде 

случаев предсказать моменты перехода объекта в подмножество состояний 

𝑆𝐻 и, следовательно, спрогнозировать состояние объекта.

3.Возникновение в объекте (ЭУ) дефекта не означает, что он 

неработоспособен.

Появление дефекта приводит к тому, что объект из одного состояния 

𝑠𝑘 переходит в другое состояние 𝑠𝑙. Однако при этом могут не нарушаться 

условия работоспособности. Это происходит в том случае, когда 𝑠𝑘 и 𝑠𝑙, 

относятся к подмножеству состояний 𝑆𝑝 (в случае резервирования). Таким 

образом, работоспособный объект может иметь дефект, так же, как и 

неработоспособный. Следовательно, заключение о том, что 
ОД 

работоспособен, не означает, что в нем отсутствуют дефекты. С другой 

стороны, если ОД неработоспособен, то в нем обязательно имеется дефект.

4. 
В 
процессе 
диагностирования 
участвуют 
объект 

диагностирования (ОД), средства технического диагностирования (СТД) 

и человек оператор (ЧО).

Их 
совокупность 
образует 
систему 
диагностирования 

электроустановки (рисунок 1.3).

Таким образом, рассмотренные положения являются основой, 

позволяющей создавать системы диагностирования электроэнергетических 

объектов. При этом объект (ЭУ) должен иметь диагностическое 

обеспечение - комплекс диагностических признаков, алгоритмы и средства, 

необходимые для осуществления диагностирования на всех
этапах 

жизненного цикла электроустановки.

Рисунок 1.3 – Структурная схема системы диагностирования

электроустановки

1.2 Диагностические признаки электроэнергетического 

оборудования

В процессе длительной эксплуатации ЭУ восстанавливаемые и не

восстанавливаемые 
элементы электроэнергетического оборудования 

подвергаются старению (деструкции), что приводит к изменению ряда 

физических свойств или признаков.

Рассмотрим взаимосвязь основных диагностических признаков и 

дефектов, 
возникающих 
в 
элементах
электроэнергетического 

оборудования различных объектов.

Увлажнение 
или 
старение 
изоляции 
электроэнергетического 

оборудования 
вызывает 
снижение электрической и механической 

прочности, возрастание тока утечки, рост тангенса угла диэлектрических 

потерь, диэлектрической проницаемости и емкости, что, в свою очередь

ведет к перегреву в зоне локального дефекта и дальнейшему старению 

изоляции с последующим ее разрушением.

Появление местных дефектов в изоляции силовых трансформаторов, 

распределительных 
устройств 
и 
изоляции линий электропередач 

напряжением выше 1000В вызывает появление электромагнитных и 

акустических сигналов, электромагнитных высокочастотных переходных 

процессов (изменение уровня высокочастотного электромагнитного поля 

вокруг провода линий электропередач напряжением при появлении 

разрядов в дефектном изоляторе), изменение распределения напряжения на 

изоляционных элементах электроустановки (ЭУ).

При перегреве частей, контактов элементов ЭУ наблюдается 

инфракрасное излучение, а при перегревах изоляционных материалов 

маслонаполненных аппаратов (силовых трансформаторов, масляных 

выключателей) появляются механические примеси в масле, растворенные 

в масле газы СО2, С2Н2, С2Н4, С2Н6, Н, N, изменяются их физико-

химические свойства (изменяется цвет, уменьшается электрическая 

прочность, растет tgδ, проницаемость ε, появляются низкомолекулярные и 

высокомолекулярные кислоты, растворенная вода, изменяется температура 

вспышки масла).

При обрыве провода линий электропередач напряжением 10-35кВ и 

при их замыкании на землю изменяется спектральный состав токов и 

напряжений, 
появляются 
гармоники 
нулевой 
и 
обратной 

последовательности. Одновременно 
в 
широком 
диапазоне частот 

возникают помехи максимального уровня в линиях электропередач.

При старении и увлажнении внутри обмоточной изоляции силовых 

трансформаторов изменяются собственные резонансные частоты обмоток, 

смещаясь по оси частот в сторону их увеличения от степени уменьшения 

увлажнения внутри обмоточной изоляции.