引言：在电气工程领域，故障诊断和维护技术的研究对于确保电力系统的稳定运行和服务寿命至关重要。本研究旨在通过先进的信号处理和传感器监测技术，提高故障检测的准确性和效率。同时，研究预防性维护策略，以减少由于突发故障导致的不计划停机。这些技术的应用不仅可以提高电气系统的可靠性和安全性，还能显著降低维护成本，具有重大的经济和社会意义。

一、电气工程中关键故障诊断技术

（一）信号处理技术

在电气工程故障诊断领域，信号处理技术是核心工具之一。故障信号通常包含有关系统状态的丰富信息，而通过适当的处理方法可以提取这些信息以诊断潜在问题。信号处理技术可以根据分析的时间尺度和特性分为时域分析、频域分析和时频域分析。时域分析关注信号随时间的变化情况。在这种分析中，可以直接在时间轴上观察信号的波形，分析其幅度、周期、脉冲宽度等特性。例如，在电气设备中，瞬态过程的时域分析可以揭示开关操作中的不规则行为，或者电机启动时的电流浪涌。时域分析方法简单直观，但对于复杂信号或噪声背景下的故障检测，可能不够敏感。频域分析则转换了分析的角度，将信号从时间轴转换到频率轴上。通过傅里叶变换等数学方法，可以将时域信号转换为频域信号，从而分析其频率成分。频域分析使得识别和分离信号中的周期性成分成为可能，这在分析电气设备的谐波问题和电磁干扰等方面尤为重要。频域分析提供了一种在复杂信号中识别特定频率成分的有效手段，有助于诊断那些在时域中不易观察到的故障。时频域分析结合了时域分析和频域分析的优点，能够同时提供信号随时间变化的频率信息。短时傅里叶变换（STFT）和小波变换是时频域分析中常用的技术。这种分析尤其适用于非平稳信号，即那些其频率成分随时间变化的信号。在电气工程中，如电机的负载变化引起的电流信号的频率和幅度变化，就可以通过时频域分析来有效地检测和诊断^[1]。

（二）传感器与监测技术

传感器与监测技术在电气工程故障诊断中起着至关重要的作用。通过部署各种传感器，可以实时监测电气系统的关键参数，从而及时发现并防止故障的发生。电流与电压监测是最基本的电气参数监测技术。利用电流传感器和电压传感器，可以持续跟踪电气系统的运行状态。电流异常往往预示着电路中存在过载、短路、接地故障或设备性能下降。电压异常，如电压跌落或冲击，则可能指示供电问题或负载突变。通过分析这些参数的历史和实时数据，可以识别出潜在的故障模式和趋势。温度监测同样关键，因为许多电气故障都会导致设备温度的异常升高。温度传感器，如热电偶或红外摄像机，可以用来监测电气设备和导线的温度。这种监测有助于发现由于过载、磨损、绝缘材料老化或冷却系统失效等原因导致的过热问题。温度的持续监控有助于实现预防性维护，从而避免因设备过热而导致的故障。振动监测则是对旋转设备如电机和发电机的健康状况进行评估的重要技术。振动传感器，如加速度计，可以检测机械运动引起的振动频率和幅度。设备的振动特性变化通常是轴承损坏、不平衡、错位或机械松动的早期指标。通过对振动信号的详细分析，可以预测和预防故障，提高设备的可靠性和寿命。

二、预防性维护技术

（一）定时维护

定时维护，又常被称为预防性维护，是一种基于时间或使用周期的维护策略。在这种策略下，电气设备和系统按照预定的时间表进行检查、维护和更换部件，无论设备在那一时刻是否表现出故障迹象。这种维护方法的核心理念是通过常规检查和更换易损件来预防故障的发生，从而减少不计划的停机时间和维护成本。维护活动可以包括清洁、润滑、调整和更换部分零件等操作，这些活动通常由制造商推荐的维护计划或行业标准决定。在实施定时维护时，会创建详细的维护计划，包括每项任务的执行时间点和所需资源。维护计划通常基于设备的操作手册、历史维护记录和厂家的服务建议^[2]。例如，对于高压开关设备，可能每年至少进行一次检查；对于电动机，可能每三个月检查一次润滑油的状态。定时维护的优点在于其可预测性和简单性，它能够使设备保持在较好的工作状态，并有助于延长设备的使用寿命。

（二）条件监测维护

条件监测维护，也称为条件基础维护或预测性维护，是一种依赖于设备实际运行状况和性能数据的维护策略。这种方法涉及对关键设备参数的持续或定期监测，如振动、温度、电流和电压等，以便实时了解设备的健康状况。通过安装传感器和使用先进的数据分析技术，可以对设备进行实时监控，收集关键性能指标数据。这些数据随后被分析，以识别可能导致设备性能下降或故障的趋势和模式。维护决策是基于设备的实际状况和性能数据，而不是预设的时间表。条件监测维护的主要目的是确保维护工作仅在必要时进行，这有助于避免不必要的维护活动，减少停机时间和维护成本。这种方法可以提高设备的可靠性和有效性，因为维护工作是基于设备的实际需求而不是预设的时间间隔来安排的。这种维护策略的实施通常需要专业的监测设备和数据分析工具。例如，通过振动分析可以检测到轴承损坏的迹象，而通过热像技术可以发现电气组件过热的问题。根据监测结果，可以计划性地进行维护，如更换磨损的零件、调整设备设置或实施其他必要的修复措施^[3]。

三、案例分析

2021年6月6日，中国南方电网遭遇了一起严重的电力供应中断事故。这起事故由于山火加上设备故障，触发了一系列故障链反应，影响了广大地区的电力供应。发生在一条220千伏输电线路上的这次事故，导致4个220千伏的变电站和14个110千伏的变电站失去电力供应，其中包括两个供电给贵广铁路贵阳段的牵引变电站。这场故障导致了约11.3万千瓦的电力损失，对铁路运输和地区供电稳定性造成了严重影响。具体故障发生的过程是这样的：一个山火导致220千伏线路的C相线路对地发生短路，尽管有重合闸（重新闭合断路器以尝试恢复供电）的尝试，但短路持续存在，致使线路未能及时切除。这进一步触发了500千伏黎平站的后备保护和母线失效保护机制，结果是两台主变压器的三侧跳闸，进一步导致220千伏的母线完全失压。在对这次事故进行诊断和维护时，专家们依赖于多种技术。他们首先通过对故障录波数据的时域分析来确定故障发生的确切时间和位置，然后是对现场设备的各种参数（如电流、电压、温度、振动）进行监测，以判断设备的运行状态和故障情况。此外，通过对故障录波数据、设备监测数据和历史数据进行机器学习和数据挖掘，专家们能够提取出故障的特征信息，以辅助故障分析和判断。

结论：电气工程故障诊断与维护技术的研究指出，通过结合信号处理和传感器监测技术，可以有效地提前发现并预防电气系统故障。预防性维护策略进一步提高了故障处理的效率，降低了不必要的维护成本。案例分析证实了这些技术在实际中的有效性，展示了数据分析和机器学习在故障诊断中的应用潜力。未来的研究应当集中于算法优化和监测设备的进一步集成，以实现更高效、更智能的故障预防和维护系统。

参考文献：

[1]王璐.电气工程中继电保护的故障诊断与处理对策分析[J].中文科技期刊数据库（全文版）工程技术,2022(1):16.

[2]邵滨滨.电气自动化在电气工程中的融合运用分析[J].科学与信息化,2021(3):26.

[3]马晓伟.电气设备的状态监测与故障诊断[J].工程技术(全文版),2022(2):25.