绪论
　　0.1电力设备试验与状态的关系
　　电力设备的范围非常广泛，本书主要是指电力能源的生产、储存、传输、分配和使用五个环节中的主要设备，包括发电机、电容器、输电线及附属设备、电力电缆、变压器、断路器、气体绝缘组合开关(GIS)、避雷器、开关柜、电动机等电力设备。作为构成电力能源发、储、输、配和用等各个环节的组成单元，任何一台(套)电力设备的可靠性都将在不同程度上影响电力能源整体安全性，因此提升电力能源整体的安全性*先要确保每台电力设备的可靠性。
　　影响电力设备的可靠性的因素非常多，从组成每台电力设备的材料、元部件到电力设备结构设计(绝缘结构和机械结构等)，从电力设备的运行条件到运行环境等，都会在一定程度上影响电力设备的可靠运行。为此电力设备从工厂设计、生产、运输、安装到服役的整个期间，需要能对其性能或状态进行有效评估。
　　按照电力设备全寿命周期的不同阶段，如图0-1所示，可以将评估方法分为以下几种：
　　图0-1电力设备全寿命周期的试验
　　(1)产品设计定型阶段，主要是工厂的开发试验，目的是验证设计是否合理，是否能够满足功能需求。
　　(2)产品批量生产之前，为了验证产品能否满足技术规范的全部要求所进行的试验。它是新产品鉴定中必不可少的一个环节。只有通过型式试验，该产品才能正式投入生产。此外针对某些电力设备，往往还要通过预鉴定试验，验证其在长期运行中能否达到预期设计寿命。
　　(3)在产品定型后的批量生产过程中，为了控制产品生产质量的稳定性，一般通过例行试验和产品抽检等。
　　(4)为保证出厂产品达到有关技术标准和用户规定的要求，还需要进行出厂试验，它适用于指导企业生产的所有成品的*终检验工作。
　　(5)产品自出产后，要经过运输和安装的过程，为确保产品不因运输而导致产品性能降低或丧失，验证产品安装过程中不因工艺和安装现场的外界条件的限制而导致产品性能降低或丧失，以及为了验证产品与系统其他设备之间的配合程度，需要开展竣工试验或者交接试验。
　　(6)电力设备完成交接试验投入运行后，在其长期服役过程中，受运行时的各种应力作
　　用，包括电场、热、力学、化学和环境应力等因素以及运行过程中的各种性质的过电压等作用，性能会逐步下降直至完全丧失。为了在电力设备性能完全丧失之前能够及时发现隐患，减少损失，需要通过定期的试验，确定其是否满足设备性能要求，这种定期的试验称为预防性试验，一般来说预防性试验具有两个主要特征，即周期性和不带电。
　　(7)电力设备在运行过程中，根据需要有时在带电情况下，采用特定技术获取电力设备的参数，从而判断电力设备的运行状态，一般将这种检测称为带电检测。
　　(8)此外，还可以通过在电力设备上安装传感器，按照设定的时间周期，实时地测量电力设备的电气、组分、振动和温度等参数，并且根据测量的参数，通过特定的算法等，评估电力设备的状态，一般称此过程为在线监测。
　　带电检测和在线监测具有相似的特点，即检测过程中电力设备都处于运行状态。当电力设备中存在潜伏性故障时，其伴生的声、光、电、磁或其他信息可以通过带电状态下的检测获得，相较于预防性试验方法，能够更真实地反映电力设备的状态。正是由于带电检测和在线监测有这样的优点，因此它们在电力设备状态评估中才越来越受到重视。
　　尽管电力设备的性能评估从开发到服役的整个阶段要承受诸多类型的检测，但是在本书中只涉及预防性试验方法和带电检测或在线监测。电力设备的状态是通过电力设备的各种特征参数进行评价的。选定电力设备的若干特征变量，设为Kj( j=1，2， ，n)，则设备的特征可以用特征变量来描述，即G(K1， K2， ， Kn )；设备的状态可以通过若干的变量来描述，设这若干个变量为Di(i=1， 2， ， m)，则设备的状态描述为F(D1， D2， ， Dm)。电力设备的状态评估的过程即是从其特征参量入手，通过数学的方法获取电力设备的状态信息，具体如图0-2所示。
　　图0-2电力设备的状态评估的方法论
　　从图0-2可以看出，为了获取电力设备的状态，遴选电力设备的特征参量，并通过特定的技术获取参量值，是实现评估的**步；构建设备状态的要素则是确定能够准确描述其状态的参数；如何获得电力设备的状态则需借助数学手段，这个过程称为诊断方法。
　　0.2预防性试验
　　1. 电力设备故障的主要特征
　　组成电力设备的材料大致可以分为以下四种类型。
　　(1)导电材料：以铜、铝等材料为主，形成电气和电路的连接，实现能量传递。
　　(2)导磁材料：以硅钢片为主，形成磁路连接，实现电磁能量转换。
　　(3)结构材料：按照要求不同，有金属材料、绝缘材料等，基本要求是必须具有一定的机械强度。
　　(4)绝缘材料：用以分割不同电位部件的材料，并且可能兼顾机械上的固定和连接等，有气态、固态和液态等不同形态。
　　根据电力设备组成材料，可以将其故障特征分为两类：一类是导电金属材料、导磁材料等受热作用发生熔断等；另一类是绝缘材料，当其受热、机械、电、化学以及环境应力等作用将发生老化、降解甚至击穿。
　　电力系统包括众多的电气设备，有些电力设备的故障甚至会威胁到整个系统的安全供电。电力生产的实践证明，对电气设备按规定开展检测试验工作，是防患于未然，保证电力系统安全、经济运行的重要措施之一， “预防性试验”由此得名。
　　一般来说，预防性试验按其作用和要求不同，可分为绝缘试验和特性试验两大类。其中，绝缘试验又可以按照对电力设备是否存在损伤或者潜在性损伤分为非破坏性试验和耐压试验。非破坏性试验是指在较低的电压下或用其他不会损伤绝缘的办法来测量绝缘的各种特性，从而判断绝缘内部有无缺陷的方法。耐压试验则指在高于工作电压下所进行的试验，试验时在电力设备绝缘上施加规定的试验电压考验绝缘对此电压的耐受能力。
　　2. 耐压试验
　　正如《电力设备预防性试验规程》(DL/T 596—2021)(简称《规程》)中指出的，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。预防性试验规程是电力系统绝缘评定工作的主要依据，在我国已有超过60年的运行经验。需要指出的是，预防性试验在其60多年的应用中，其检测技术也是在不断发展的。以耐压试验为例，经历了工频耐压、直流耐压、超低频耐压、工频谐振耐压的发展历程。
　　1)工频耐压
　　能够*真实地反映运行在工频下的电力设备的绝缘工况。但是针对电力电缆这类被检测设备，当线路较长时，其电容量随线路长度呈线性增加。假设被测电缆单位长度的电容量为C0，单位长度的导纳为G0，对长度为K的电缆进行耐压试验，施加的电压为U，则试验电源提供的电流I可由式(0-1)表示：
　　(0-1)
　　从式(0-1)可知，当电缆长度越长时，对试验电源的容量要求越高，也即意味着试验电源的体积和重量都会大大增加，从而增加了现场试验的难度。
　　2)直流耐压
　　直流高压发生器可以采用倍压电路，通过电容、电阻和硅堆等元件，在现场就可以搭建，运输相对方便，同时由于一般电力设备的绝缘电阻都较大，所以设备体积小。但是运行在交流电压下的电力设备，其绝缘中的电场分布是按照电容率的反比分配的，如果施加直流电压，绝缘中的电场将按照电阻率来分配，因此试验的等效性存在较大的疑问。更重要的是，针对交联聚乙烯(cross-linked polyethylene， XLPE)绝缘电力电缆等一些电力设备，在施加直流电压时，因为施加的电场较高，在绝缘中有可能形成空间电荷。一方面，空间电荷的存在将导致电缆中的缺陷加速发展；另一方面，在电力设备完成直流耐压后，需要通过短路释放加压过程中在绝缘中驻留的电荷，在电荷释放过程中，局部能量的快速释放也可能在绝缘中形成电树枝等损伤。正是由于直流耐压存在上述问题，所以在DL/T 596—2021的第13节中针对橡塑电缆，规定只在“新做终端或接头”时实施直流耐压。
　　3)超低频耐压
　　由式(0-1)可以发现，当降低试验电压的频率时，可以大大减少容性电流，因此在耐压试验中，采用超低频试验电源，施加远低于工频频率的电压。采用超低频耐压有两方面的优点：一方面，它可以降低对试验电源容量的要求；另一方面，因为施加的是交流电压，在施加电压的过程中，正负半周的电荷注入有泄放的过程，因此不易在绝缘中积累空间电荷。然而超低频电压施加在绝缘上时，因为频率较低，绝缘的界面极化能够充分完成，所以与工频时的耐压过程中的绝缘极化过程不完全一样，存在与工频耐压的等效性问题。此外，超低频耐压还存在耐压时间长的缺点，且目前受电力电子器件耐压等的限制，试验电源能够提供的电压*高只能到80kV，只能为中压及以下的电力设备提供耐压试验。
　　4)工频谐振耐压
　　针对上述工频耐压、直流耐压和超低频耐压各自的优缺点，考虑到电力设备绝缘的容性特征，采用可变电抗器可以与被测电力设备构建谐振电路，当发生谐振时，在被测电力设备上将产生谐振频率下的高压。如图0-3(a)所示为谐振耐压的电路结构图，考虑到线路的电阻将消耗谐振过程中的能量，因此一般振荡波是一个阻尼过程，电缆上的波形如图0-3(b)所示。
　　图0-3谐振耐压的原理及电压波形
　　图0-3(a)中主要的原理可以描述如下：①加压充电阶段，通过直流电源为被测电力设备在数秒内充电至工作电压(额定电压)；②开关转换阶段，快速转换开关，将被测电力设备与电感构成串联谐振回路；③LC振荡阶段，在谐振过程中，观察被测试品的耐压，同时还可以测量局部放电起始电压、局部放电量、预计局部放电熄灭电压等参数，甚至可以测量介质损耗以及故障定位。从图0-3可见，谐振耐压试验方法只需配置高压直流电源和空心线圈(电感)，因此总体来说，设备更轻便，便于现场试验，同时兼顾了工频交流试验时的波形特性，还能够同时测量局部放电的参数，是一个具有较好应用前景的耐压试验方法。
　　3. 绝缘电阻与泄漏电流
　　电力设备的预防性试验规程中指出，针对不同的电力设备，试验内容也不同，但是针对电力设备的绝缘，有一些共性的试验方法，如绝缘电阻、介质损耗以及电容量(电容电流)等。鉴于后续的电力设备的预防性试验中常常包含上述项目，因此本节简单介绍这些试验方法的原理及应用，详细的介绍将在第8章中给出。
　　1)绝缘电阻与泄漏电流的物理意义
　　绝缘电阻(泄漏电流)基本的原理：对被测电力设备施加一个直流电压U，如图0-4(a)所示，记录60s时流过电力设备的电流I，通过式(0-2)计算绝缘电阻R。
　　？(0-2)
　　图0-4绝缘电阻(泄漏电流)的测量原理图
　　这里需要指出，在绝缘电阻(泄漏电流)的测量中，电流表可以接在如图0-4(a)所示的①或②的位置，当接在①的位置时，由于电流表处于高电位，需要对电流表的外壳及接线采取有效屏蔽，从而减少电流表和接线引起的杂散电流对测量的影响。电力设备中的绝缘介质中稳态电流的建立往往要经过一段时间，这与绝缘介质的种类有关，如图0-4(b)所示为电力设备的绝缘介质在施加直流电压时的等效电路图，包含极化电容、吸收支路和恒定电阻支路，因此实际流过电力设备的电流如图0-4(c)所示，是一个渐趋恒定的电流。正是因为电力设备的绝缘在直流电压下的电流呈现渐趋恒定的现象，所以在预防性试验中，常常还定义另外两个参数，即吸收比(K1)和弱点比(K2)，分别如式(0-3)和式(0-4)
　　所示：
　　(0-3)
　　(0-4)
　　其中，K1是15s和60s时的电流比值，K2是60s和600s时的电流比值。吸收比和弱点比常常用于反映绝缘受潮程度，绝缘未受潮时，K1和K2一般比1要大，而受潮程度越高，K1或K2的比值越接近于1。对于一般电力设备，往往根据K1值来判定，而对大

目录
绪论 1
0.1 电力设备试验与状态的关系 1
0.2 预防性试验 2
0.3 预防性试验的不足及在线检测技术的意义 14
第一篇 电力设备状态参量的信号感知与调理
第1章 电力设备状态参量的传统感知 16
1.1 传感器概述 16
1.2 温度传感器 18
1.2.1 接触式温度传感器 18
1.2.2 非接触式温度传感器 20
1.3 振动传感器 21
1.3.1 位移传感器 22
1.3.2 压电式加速度传感器 23
1.3.3 磁电式速度传感器 23
1.4 电流传感器 25
1.4.1 分流器 25
1.4.2 霍尔电流传感器 26
1.4.3 磁通门电流传感器 27
1.4.4 罗氏线圈 28
1.5 电压传感器 29
1.5.1 电阻(电容)式电压传感器 29
1.5.2 电磁式电压传感器 30
1.6 气敏传感器 31
1.6.1 电化学式气敏传感器 31
1.6.2 催化燃烧式气敏传感器 32
1.6.3 半导体式气敏传感器 33
1.6.4 光学式气敏传感器 35
1.7 湿敏传感器 35
1.7.1 电阻型湿敏传感器 37
1.7.2 电容型湿敏传感器 38
1.7.3 光学湿敏传感器 38
1.7.4 质量负载式湿敏传感器 39
参考文献 39
第2章 新型传感器 41
2.1 光纤传感器 41
2.1.1 光纤传感器的概念及基本工作原理 41
2.1.2 光纤传感器的分类 41
2.2 MEMS 传感器 49
2.2.1 MEMS 传感器及其特性 49
2.2.2 微传感器的敏感原理 50
2.2.3 微传感器的应用 54
2.3 压电式传感器 59
2.3.1 压电式传感器的概念 59
2.3.2 压电材料 59
2.3.3 压电式传感器的工作原理 60
2.4 声表面波传感器 63
2.4.1 表面波的基本理论 63
2.4.2 声表面波叉指换能器 64
2.4.3 声表面波谐振器 66
2.4.4 声表面波气体传感器 67
2.4.5 声表面波温度传感器 68
参考文献 69
第3章 信号调理与传输 71
3.1 信号调理 71
3.1.1 信号放大 71
3.1.2 信号滤波 72
3.1.3 信号隔离 77
3.2 信号采集 78
3.2.1 电流-电压转换 78
3.2.2 模拟-数字转换 80
3.2.3 数字-模拟转换 81
3.3 信号有线传输 83
3.3.1 串行传输 83
3.3.2 并行传输 87
3.3.3 异步传输 87
3.3.4 同步传输 87
3.3.5 单工、半双工和全双工传输
3.4 信号无线传输 88
3.4.1 近距离无线通信技术 88
3.4.2 远距离无线通信技术 92
3.5 5G 传输基本原理及应用 94
3.5.1 5G 传输基本原理 94
3.5.2 5G 应用 95
参考文献 96
第二篇 电力设备状态的诊断方法
第4章 电力设备状态量数据处理方法 98
4.1 时域分析 98
4.2 频域分析 99
4.3 时频联合分析 100
4.3.1 短时傅里叶变换 101
4.3.2 小波变换 101
4.4 相关性分析 102
4.5 统计分析 103
4.5.1 PRPD 图谱 103
4.5.2 PRPS 图谱 104
参考文献 106
第5章 智能诊断方法 107
5.1 逻辑诊断 107
5.2 模糊诊断 107
5.2.1 模糊集合 107
5.2.2 模糊不精确推理 108
5.2.3 综合模糊诊断 108
5.3 智能算法 109
5.3.1 遗传算法 109
5.3.2 粒子群优化算法 111
5.3.3 模拟退火算法 113
5.3.4 禁忌搜索算法 114
5.4 机器学习 115
5.4.1 监督学习 115
5.4.2 无监督学习 116
5.4.3 半监督学习 118
5.4.4 集成学习 118
5.4.5 迁移学习 120
5.4.6 强化学习 121
5.5 神经网络与深度学习 123
5.5.1 人工神经网络 123
5.5.2 深度信念网络 124
5.5.3 卷积神经网络 125
5.5.4 循环神经网络 127
5.5.5 生成对抗网络 128
5.6 图神经网络 131
5.6.1 图的概念 131
5.6.2 图神经网络及应用 133
参考文献 135
第6章 基于状态的智能决策 138
6.1 决策分析与决策支持系统 138
6.1.1 决策的概念 138
6.1.2 决策的意义 138
6.1.3 决策的过程 138
6.1.4 决策的分类 138
6.1.5 决策支持系统的概念 139
6.1.6 决策支持系统的意义 139
6.1.7 决策支持系统的结构 140
6.2 决策树决策方法 140
6.2.1 决策树概念 140
6.2.2 决策树原理 141
6.2.3 决策树特点 141
6.2.4 决策树决策步骤 141
6.2.5 决策树决策算例 144
6.3 粗糙集决策方法 146
6.3.1 粗糙集概念 146
6.3.2 粗糙集诊断原理 146
6.3.3 粗糙集诊断特点 147
6.3.4 粗糙集诊断步骤 148
6.3.5 粗糙集诊断算例 149
6.4 贝叶斯决策方法 152
6.4.1 贝叶斯决策概念 152
6.4.2 贝叶斯决策原理 152
6.4.3 贝叶斯决策特点 153
6.4.4 常见的贝叶斯模型 153
6.4.5 贝叶斯决策算例 156
6.5 马尔可夫决策方法 158
6.5.1 马尔可夫决策概念 158
6.5.2 马尔可夫决策原理 159
6.5.3 马尔可夫决策特点 159
6.5.4 马尔可夫决策步骤 160
6.5.5 马尔可夫决策算例 161
6.6 灰色关联决策方法 164
6.6.1 灰色关联概念 164
6.6.2 灰色关联决策原理 164
6.6.3 灰色关联决策特点 164
6.6.4 灰色关联决策步骤 164
6.6.5 灰色关联决策算例 165
参考文献 167
第7章 多传感器组网与信息融合 169
7.1 多传感器组网 169
7.1.1 组网技术的拓扑结构设计 170
7.1.2 网络通信协议 171
7.1.3 组网技术的实现方式 175
7.2 信息融合 176
7.2.1 信息融合层次 176
7.2.2 信息融合模型 178
7.2.3 信息融合方法 180
参考文献 183
第三篇 电力设备的状态检测与监测
第8章 容性设备 185
8.1 容性设备概述 185
8.1.1 电力电容器 185
8.1.2 高压套管 187
8.1.3 电容式电压或电流互感器 188
8.2 容性设备的预防性试验 190
8.2.1 绝缘电阻测量 190
8.2.2 介质损耗tanδ 测量(电桥法) 192
8.2.3 电容值测量 194
8.2.4 交流耐压试验 195
8.3 容性设备状态的在线监测 196
8.3.1 三相不平衡电流的测量 196
8.3.2 介质损耗角正切的测量 199
参考文献 201
第9章 避雷器 202
9.1 避雷器概述 202
9.1.1 金属氧化物避雷器的结构
和功能 202
9.1.2 避雷器性能参数 203
9.1.3 避雷器的常见故障类型 204
9.2 避雷器的预防性试验 204
9.2.1 绝缘电阻 204
9.2.2 工频放电电压 204
9.2.3 电导电流 205
9.2.4 直流试验 206
9.3 避雷器状态的在线监测 206
9.3.1 全电流在线监测技术 206
9.3.2 基于阻性电流的在线监测 207
参考文献 209
第10章 绝缘子与架空线 210
10.1 绝缘子与架空线概述 210
10.1.1 绝缘子 210
10.1.2 架空线 212
10.2 绝缘子与架空线的预防性试验 212
10.2.1 零值绝缘子检测 213
10.2.2 绝缘电阻检测 213
10.2.3 交流耐压试验 213
10.2.4 等值盐密测量 213
10.3 绝缘子状态的在线监测 214
10.3.1 泄漏电流 214
10.3.2 电晕放电 216
10.3.3 等值附盐密度 218
10.4 架空线状态的在线监测 218
10.4.1 导线温度 218
10.4.2 导线覆冰 220
10.4.3 导线舞动 220
10.5 新型传感技术在架空线监测中的应用 221
10.5.1 加速度传感技术 221
10.5.2 光纤传感技术 221
参考文献 221
第11章 电力变压器 223
11.1 变压器概述 223
11.2 变压器的预防性试验 225
11.2.1 绝缘电阻和吸收比试验 225
11.2.2 直流耐压及泄漏电流试验 226
11.2.3 介质损耗角正切值试验 226
11.2.4 感应耐压试验 227
11.3 变压器状态的在线监测 228
11.3.1 油中溶解气体 228
11.3.2 局部放电 233
11.3.3 温度 238
11.3.4 含水量 241
11.3.5 绕组变形 243
11.3.6 有载分接开关 246
参考文献 248
第12章 电力电缆 250
12.1 电力电缆概述 250
12.1.1 按电流制划分 250
12.1.2 按绝缘材料划分 250
12.1.3 按电压等级划分 252
12.2 电力电缆的预防性试验 253
12.3 电力电缆状态的在线监测 258
12.3.1 水树枝的测量 258
12.3.2 局部放电的测量 263
12.3.3 故障定位 265
参考文献 269
第13章 旋转电机 271
13