1.
电气设备的在线监测与故障诊断 Condition Monitoring and Fault Diagnosis of Electrical Equipment 王伟教授：电气与电子工程学院 高电压与电磁兼容研究所 电话： 13366536227 E-mail:wwei@ncepu.edu.cn

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变压器 GIS ··· 电力电缆 发电机 电容性设备 电气设备界定

3.
课程涉及的领域 高电压工程 电子测试技术 电磁兼容 人工智能 可靠性工程 传感技术

4.
主要参考书目 1 、《电气设备在线监测与故障诊断》，王昌长 李福祺 高胜友编著，清华大学出版社出版社， 2006 年版。 2 、《电绝缘诊断技术》，朱德恒、谈克雄编著 ， 中国电力出版社， 1999 年版。

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课程的主要内容 ( 此处应相对展开，使学生对课程的主线有所了解 ) 在线监测综述 故障诊断概论 电气故障分析 传感技术 电磁兼容及抗干扰 数据采集与处理 故障报警原理 智能诊断方法 可靠性评估及维修策略 电力电缆 电容型设备 电力变压器 实际应用 在线监测系统 基本结构及关键技术 背景知识

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我国电网基本框架 新疆 西藏 东北电网 华北电网 西北电网 川渝电网 华中电网 华东电网 南方电网 500kV 220kV 330kV 热电厂 水电站 核电站

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我国的发电一次能源主要分布西部地区，而电力消费主要集中在中、东部和南部地区。西电东送、南北互供，发展全国联网是解决我国能源分布与电力消费矛盾的重要措施。并将形成北、中、南三个输电通道。 中国电力工业分为 7 个跨省 ( 区 ) 电力集团 : 东北、华北、华东、华中、西北、南方和川渝， 5 个独立省级电网 : 山东、福建、新疆、海南、西藏 ( 未包括台湾和港澳地区 ) 。

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电力系统的稳定性问题 发电、输电和用电过程构成了不可分割的整体，任何环节发生故障都有可能引起链式反应，导致整个系统的崩溃。 电厂 电力网 用户 系统瞬间改变

9.
在我国，近 20 年来各大电网中规模较大的停电事故约有 140 余起，每次损失数以亿计。近几年事故次数虽有所下降。但其规模和造成的损失却大幅度扩大和上升。随着全国电网的形成，电力系统重大事故也更将危及到我国国家安全。

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停电原因 ( % ) 0.00 17.49 0.00 29.19 49.50 3.78 0.04 西 宁 0.90 0.00 0.00 50.96 28.69 19.45 0.00 广 州 1.25 5.34 0.00 67.18 18.44 4.82 2.97 杭 州 5.84 8.02 0.00 69.26 14.66 1.82 0.40 长 春 3.02 10.31 0.53 64.71 16.76 3.04 1.63 太 原 2.56 10.78 0.00 39.17 45.31 2.12 0.06 上 海 气象影响 外部因素 电源不足 检 修 设备故障 管理不善 电网结构 城 市

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1981 ～ 1990 年间，我国主要电网有近 1/3 的电网事故的直接起因是设备故障损坏所造成的，而在“八五”期间，由设备故障直接引发的电网事故占事故总量的 26.3% ， 可见提高设备的运行可靠性是保证电力系统安全运行的关键。 现代电力设备的可靠性在很大程度上取决于其绝缘的可靠性。

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安全第一 “ 不求有功，但求无过” 是电力运行单位的宗旨。 但要实现这一消极的目的，需要非常积极的态度。

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保证设备安全的基本途径 <ul><li>制造 100% 可靠的设备 </li></ul><ul><li>建立完善的维修计划 </li></ul>虽然设备的质量和可靠性主要取决于设计和制造阶段，但为了保证设备的正常运行，在很大程度上也需要借助于投运后的维护工作，即在运行过程中通过对设备进行必要的巡视检查、监测和试验，建立完善的维修计划，以减少事故的发生，提高运行可靠性。 制造这样的大型电力设备，在技术上是极其复杂的，尤其是对于电压等级较高的设备，多数情况下这样的设计在经济上也是不合理的。

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电力系统维修方式的演变过程 1. 事后修理 BM （ Breakdown Maintenance ）或故障维修； 2. 定期检修 TBM （ Time Based Maintenance ）或 预防性维修 PM （ Preventive Maintenance ）； 3. 状态维修 CBM （ Condition Based Maintenance ）或 预知性维修 （ Predictive Maintenance ）。

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事后维修体制 早期技术及管理水平都很低 ，即使再重要的设备也只能坏了再修。以致工作毫无计划性，供电可靠性很低。 简单方便，对消耗性产品是有效的。 随着电力系统的不断扩大，设备故障所造成的停电损失也越来越大，事后维修无法满足系统对运行稳定性的需求。

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现行维修体制—定期维修 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。在我国已有 40 年的使用经验。 预防性试验、大修和小修构成了定期维修制的基本内容。

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1. 维修周期频繁 2. 预防性试验项目过多 电力变压器 32 项 发电机 25 项 互感器 11 项 GIS 达 20 项 定期维修制的种种弊端 设备 发电机 变压器 电力电缆 GIS 小修周期 （年） 1 1 1 1 大修周期 （年） 3 5~10 5 5

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<ul><li>大修一台 30 万 kVA 的发电机需要大约 3 个月的时间，耗费资金近百万元。 </li></ul><ul><li>大修一台 12 万 kVA 的变压器需投入 300 多个工作人日，资金 10 万元。 </li></ul><ul><li>大修一台 220 kV 开关需投入 100 多个工作人日，资金 2 万元。 </li></ul><ul><li>长时间停电检修，将造成大量的电量损失。 300MW 机组停运一天，少发电 720 万度，直接损失 150 万元。 </li></ul>3. 经济性差 4. 增大不安全因素 <ul><li>易发生人身和设备安全事故。 </li></ul><ul><li>发生在检修、试验人员身上的伤亡事故占全部供电伤亡事故的 77.8% 。 </li></ul><ul><li>停送电过程易造成误操作。 </li></ul>

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5. 过度维修 <ul><li>对 110 台高压变压器进行的 162 台次定期吊检大修结果进行统计。共发现缺陷 24 项，其中一般性缺陷 23 项，危及安全运行的仅 1 项。 </li></ul><ul><li>对 110kV 及以上油开关大修统计表明， 95% 以上未发现部件损坏。 </li></ul><ul><li>定期检修虽有成效，但过于保守。 实践证明，频繁检修非但不能改善设备性能，反而常常会引入新的故障因素。 </li></ul>6. 维修不足 由于采用周期性定期检查，很难预防由于随机因素引起的偶发事故。设备仍可能在试验间隔期间内由于微小缺陷的持续发展导致发生故障。

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预防性试验是在停电情况下，进行的非破坏性试验，试验电压一般不超过 10kV 。而大部分变电设备工作电压为 110~ 500kV 。很难正确反映高压电气设备在运行中存在的缺陷。 7. 预防性试验条件与实际运行工况不同 设备的现代化对设备的维修体制提出了变革的要求，设备运行的高可靠性和维修方式的经济性已成为电力系统降低运行成本的关键。

21.
发展中的维修体制—状态维修 状态维修方式的基本思想 “ 治于未病”

22.
状态维修即根据具体设备的实际情况来确定检修周期和检修内容的维修体制。 通过对设备运行情况的实时监测，随时查明设备可能“存在着什么样的隐患，什么时候会发生故障”，预先得知将要发生事故的部位和时间，设备管理人员因此可以从容地安排停电计划和组织维修人力，采购必须的备件，以便在短时间内完成高质量的维修工作。 实现“无病不修、有病才修、修必修好”的目的。 状态维修的必要性

23.
虽然设备内部缺陷的出现和发展具有很强随机性，但大多都具有一个的较为缓慢的 发展过程 ，在这期间，会产生各种前期征兆，表现为其电气、物理、化学等特性发生渐进的量变。根据这些 特征量值 的大小及变化趋势，即可对设备的可靠性随时做出判断，从而发现早期潜伏性故障。 状态维修的技术可行性

25.
设备状态 在线监测 故障诊断 维修决策 状态维修的基础

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实现电气设备状态维修需要的技术支持： <ul><li>1 、复杂大系统可靠性评价 </li></ul><ul><li>复杂大系统可靠性评估是 RCM 技术中关键技术，也是可靠性工程的重要组成部分，可靠性评估是根据产品的可靠性结构、寿命模型及试验信息，利用统计方法和手段，对评价产品可靠性的性能指标给出估计的过程。在可靠性评估领域，对复杂大系统的可靠性评估一直是重大难题之一。 </li></ul><ul><li>2 、先进的检测技术 </li></ul><ul><li>先进的检测技术是实现预测性维修的重要手段，也是一个长盛不衰的研究热点。因为故障诊断技术的发展首先决定于能否获取尽可能多的有用信息，这是数据处理和诊断决策的基础。 </li></ul>

29.
<ul><li>3 、信息采集处理技术 </li></ul><ul><li>由于状态监测所监测的特征信号，既有状态变量，也有二次效率信息（如分解物等），因此可能有很多信号反应设备的状态。不同的设备可能会选择不同的信息及不同的信号处理方式。同时，由于信号在传送过程中往往受其它信号的干扰，因此传感器所测量的数据究竟采用模拟传输还是数字传输或采用有线传输还是无线传输等问题也应深入研究。 </li></ul><ul><li>4 、干扰抑制技术 </li></ul><ul><li>状态检测过程中虽然需要采取很多的抗干扰措施，但在在线检测过程中仍会不可避免的受到现场中的各种干扰，除对硬件滤波器和数字滤波技术进行深入研究外，近年来不断有新的抗干扰技术出现。 </li></ul>

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<ul><li>5 、故障模式识别技术 </li></ul><ul><li>研究故障的特征提取和特征识别的方法是故障诊断技术的一个重要分支。常用的故障分类方法有：模糊识别神经网络、专家系统、小波分析、分形维修分析等。 </li></ul><ul><li>6 、故障严重性分析技术 </li></ul><ul><li>现在既有按产品功能和对环境与人员的损害可分为 4 个等级的故障严重性程度区分，又有用于评价电气设备的 3 级评定法，但这些方法还都是以人为的办法来区分的。由于区分故障严重性是确定设备是否退出运行的关键性指标。因此还需要进一步深入研究电气设备的故障严重性分类及其分析方法。 </li></ul>

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<ul><li>7 、寿命估计和预测技术 </li></ul><ul><li>对设备的寿命估计是对电气设备更新的基本依据，目前所采用的基本方法是在大量的实验基础上利用概率的相关知识。如通常认为电容器的寿命服从威布尔分布，而发电机的寿命服从指数分布。现在又有使用 CIGIEⅡ 方法对绝缘老化进行估计，从而得到设备的剩余寿命。 </li></ul><ul><li>8 、信息管理与决策技术 </li></ul><ul><li>状态维修简化决策流程 </li></ul>

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电气故障的主要原因 制造工艺存在缺陷 恶劣的环境和苛刻的运行条件 材料的劣化 缺乏良好的管理及维护

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绝缘材料 液体绝缘 : 绝缘油 固体绝缘：绝缘纸、电瓷 、云母交联聚乙烯等 气体绝缘 : 空气、 SF 6 真空绝缘

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绝缘劣化及其影响因素 电气因素 机械因素 温度和热稳定性 受潮 化学稳定性和抗生物特性 为了使设备的外形尺寸保持在可以接受的水平，现代变压器相对于以往的设计采用了更为紧凑的绝缘方式，因此在运行中其内部各组件间的绝缘所需承受的热和电应力水平显著提高。

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图 1 有机绝缘的伏秒特性及运行中各种电压下的场强 1  油纸电气强度； 2  胶纸电气强度； 3  运行中各种电压下的场强； E 0  长期工作场强 1. 电气影响 <ul><li>长期工作电压 </li></ul><ul><li>短时的过电压 </li></ul>

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2 . 机械影响 <ul><li>机械负荷 </li></ul><ul><li>长时间振动 </li></ul><ul><li>短路应力 </li></ul>

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图 2 不同耐热等级的绝缘材料在 各种运行温度下长期运行的寿命 3. 温度影响 <ul><li>季节变化 </li></ul><ul><li>长期过负荷 </li></ul><ul><li>热老化 </li></ul>

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表 1 电介质的耐热等级 耐热等级 工作温度 (℃) 电介质 O 90 木材、纸、纸板、棉纤维、天然丝；聚乙烯；聚氯乙烯；天然橡胶 A 105 油性树脂漆及其漆包线；矿物油及浸入其中的纤维材料 E 120 酚醛树脂塑料；胶纸板、胶布板；聚酯薄膜；聚乙烯醇缩甲醛漆 B 130 沥青油漆制成的云母带、玻璃漆布、玻璃胶布板；聚酯漆；环氧树脂 F 155 聚酰亚胺漆及其漆包线；改性硅有机漆及其云母制品及玻璃漆布 H 180 聚酰胺聚酰亚胺漆及其漆包线；硅有机漆及制品；硅橡胶及玻璃漆布 C >180 聚酰亚胺漆及薄膜；云母；陶瓷；玻璃及其纤维；聚四氟乙烯

39.
热老化规律 —— 6 度规则 (A 级 ) —— 10 度规则 (B 级 ) —— 12 度规则 (H 级 ) 试验表明，对于常用的 A 级绝缘，如油纸绝缘，则温度每超过 6℃ ，则寿命约缩短一半。而对于 B 、 H 级绝缘则分别约为 10℃ 及 12℃ 。

40.
水分被吸收到电介质内部或吸附到电介质的表面以后，它能溶解离子类杂质或使强极性的物质解离，严重影响介质内部或沿面的电气性能：在外施电压下，或者在电极间构成通路，或者在高温下汽化形成“汽桥”而使击穿电压显著降低。 4. 受潮 局部电弧 水带 绝缘介质

42.
5. 化学稳定性及抗生物特性 在户外工作的绝缘应能长期耐受日照、风沙、雨雾冰雪等大气因素的侵蚀。在含有化学腐蚀气体等环境中工作时，选用的材料应具有更强的化学稳定性，如耐油性等。工作在湿热带和亚湿热带地区的绝缘还要注意材料的抗生物（霉菌、昆虫）特性，如有的在电缆护层材料中加入合适的防霉剂和除虫涂料等。

43.
绝缘介质的电气特性 可以将不同电场强度下，电介质中所呈现的电气现象分为两类： 1. 在强电场下（当外施场强大于该介质的 击穿强度 时），将出现放电、闪络、 击穿 等现象，这在气体中表现最为明显。 2. 在弱电场下（当外施场强比该介质的击穿场强小得多时），主要是介质中的 极化、电导、介质损耗 等。 以下将分析气体放电及液、固体介质的电气性能。

44.
液体及固体介质的电气特性 电介质的电气特性，主要表现为它们在电场下的导电性能、介电性能和电气强度。常以以下四个特征参数来表示： <ul><li>电导率 γ （或绝缘电阻率 ρ ） </li></ul><ul><li>介电常数 ε （或电容 C ） </li></ul><ul><li>介质损耗角正切（介质损耗因子） tgδ </li></ul><ul><li>击穿电场强度 E b 。 </li></ul>

45.
绝缘试验及检测的特点 <ul><li>破坏性试验及非破坏性试验 </li></ul><ul><li>直流耐压及交流耐压 </li></ul><ul><li>离线试验及在线监测 </li></ul><ul><li>电气方法与非电方法 </li></ul>

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1. 破坏性试验及非破坏性试验 绝缘试验的分类 如需进行耐压试验，必须在非破坏试验即绝缘特性试验合格后才进行。 绝缘试验 绝缘特性试验 （预防性试验） 绝缘电阻测试 介质损失角正切值 (tgδ) 测验 局部放电测试 绝缘耐压试验 交流电压试验 直流电压试验 雷电冲击电压试验 操作冲击电压试验

47.
2. 交流耐压、直流耐压及冲击试验 <ul><li>冲击试验： 考核设备在雷电及操作过电压下的特性。比 较真实、可靠的，特别对变压器等绕组结构的而言。难于在现场进行。 </li></ul><ul><li>交流耐压试验： 一般仅在交接试验及大修后进行，因为它虽然考验很严格，有利于发现某些缺陷，但可能产生严重的“副作用”。 </li></ul>

48.
<ul><li>直流耐压试验： </li></ul><ul><li>1. 对电容很大的试品 </li></ul><ul><li>2. 交 流耐压试验所带来的残余破坏远大于直流耐压。 </li></ul>图 15 油纸电缆的寿命曲线 1- 粘性浸渍； 2- 充油电缆

49.
但交流设备用直流试验不够真实，例如油纸串联时，交流下电场分布取决于介电常数 ε ，而直流却取决于电阻率 ρ 。因此两者并不等效。

50.
3 . 离线试验及在线监测 <ul><li>在线监测的优点 </li></ul><ul><li>高压设备上所加的是运行电压，比停电试验电压高得多，因此测得的参数更真实、灵敏； </li></ul><ul><li>可以随时进行检测，能够及时发现缺陷。 </li></ul><ul><li>在线监测的缺点 </li></ul><ul><li>造价高； </li></ul><ul><li>可测试项目较少； </li></ul><ul><li>易受环境因素影响。 </li></ul>

51.
运行现场的两种检测方法 <ul><li>带电测量 (On-site detection): 对在运行电压下的设备，采用专用仪器，由人员参与进行的测量。 </li></ul><ul><li>在线监测 (On-line monitoring): 在不影响设备运行的条件下，对设备状况连续或定时进行的监测，通常是自动进行的。 </li></ul>

52.
4. 电气方法与非电方法 绝缘介质的劣化过程，常伴有热、声、化学等参数的变化。而有些参数较易于测到、或外界干扰少，更应充分予以利用。 <ul><li>油中气体分析 DGA(Dissolved Gas Analysis) 对发现油浸电力设备中的电弧放电、局部过热等潜伏性故障相当有效； </li></ul><ul><li>红外热成象（ Thermovision ）可用于发现较小尺寸设备，如避雷器、互感器、套管等的热点故障； </li></ul><ul><li>超声法对测量振动以及放电定位相当有效。 </li></ul>

53.
故障诊断的定义： 包括对异常状态的检测、异常状态的识别以及对异常状态预测在内的各种技术总称。 广义的说法：试验、测量是“诊”，识别和评 估是“断”。

54.
狭义而言： 故障诊断指 特征量收集后的分析判断过程 。 通过对电气设备的试验和各种特性的测量 ，分析和掌握（识别）其特征，评估设备 在运行中的状态 ( 老化程度 ) ，从而能早期发现故障的技术 作用  提高电气设备及电力系统的运行可靠性  明显的经济效益和社会效益

55.
<ul><li>运行电气设备 由于电、热、机械、环境等因素作用造成电 气设备 性能逐渐劣化 ，最终发生 故障 ，导致 事故 的发生，产生巨大的损失  电气设备 故障 将出现 各种前期征兆 ： 电气、物 理、化学特性的渐变  根据故障前期 特性变化的大小和趋势 可以 早期 发现故障 </li></ul>电气设备诊断依据

56.
1 ）、检测表征设备工作状态的信号 进行信号处理 提取信号特征 2 ）、根据信号特征  分析故障类型、 性质 及严重程度 3 ）、对故障点进行定位 电气设备诊断的功能

57.
电气设备诊断特点 任何诊断问题都是以征兆为线索的，变压器故障诊断的困难在于：一般说来，故障和征兆之间并不存在简单的一一对应关系，一种故障可能对应多种征兆，而一种征兆也可能对应着多种故障。因此仅仅依靠单一的检测项目，对故障的分析是不全面的，需要对各种试验结果进行综合推理。

58.
绝缘诊断技术 在线 离线 连续 周期性 不定期 不定期 周期性 结果 良好？ 结果 良好？ 走势 存档 专门的试验 决定 是 是 否 否 电气设备诊断过程流程图

59.
根据设备特征  推断设备的状态  特征变量 K j ， j = 1, 2, …, n 特征函数 G ( K 1 , K 2 , …, K j , …, K n )  状态变量 D i ， i = 1, 2, …, m 状态函数 F ( D 1 , D 2 , …, D i , …, D m )

60.
<ul><li>诊断规则 E ：由于特征与状态不一一对应， 需要诊断规则 E ( K 1 , K 2 , …, K n ； D 1 , D 2 ,…, D m ) 来表征 特征和状态间的相互关系  工程诊断 ： 找到三者间关系 由 特征函数 、 诊断规则  推断 设备状态 </li></ul>

61.
<ul><li>特征变量分布的随机性  完好绝缘 D 1 和 故障绝缘 D 2 特性参数 x 的 概率密度曲线 f D 1 ( x ) 及 f D 2 ( x ) </li></ul>

62.
 f D 1 ( x ) 和 f D 2 ( x ) 分离 在 a ， b 区间中 选择 阈值 x 0

63.
 f D 1 ( x ) 和 f D 2 ( x ) 相交 确定 x 0  可能错判 ( 虚报或漏报 ) 增大 x 0  减小虚报 增大漏报 减小 x 0  减小漏报 增大虚报  考虑上述各种因素 选择 合适的诊断规 则 ，可以把 损失 减 小到 最小 。

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因 果

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<ul><li>故障诊断是相应于故障发展因果关系的逆问题 </li></ul><ul><li>状态监测技术 ─ 实时采集反映设备运行情况的各种信号和参数，并对设备的状态加以记录，为设备的故障分析、性能评估及合理使用提供基础信息。 </li></ul><ul><li>故障识别技术 ─ 根据状态监测获得的信息，对异常状态做出报警，并对故障类型进行初步分析，以便运行人员及时了解设备的工作情况。 </li></ul><ul><li>诊断推理技术 ─ 根据各种检测方法得出的初步结论，结合具体设备的结构特点，综合考虑设备的运行历史（包括运行纪录、故障经历及维修纪录）和各种环境因素的影响，对设备发生的故障进行分析。确定故障的性质、程度以及部位，推测诱发故障的直接原因。 </li></ul><ul><li>寿命预测技术 ─ 对已识别的故障进行预测，指出故障的发展趋势及其后果，估算设备的剩余寿命，确定检修周期，提出控制故障发展和消除故障的维修策略。 </li></ul>

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随着运行经验的积累，制造工艺逐步得到改进，旧问题将不断被解决，而随着电压等级和容量的不断提高，新技术的广泛应用，新的问题也会不断产生；同时由于监测手段的进步，也将使过去无法发现的故障隐患被挖掘出来，所以一劳永逸的方法是不存在的，故障诊断技术的研究将是一个永无止境的探索过程。

67.
Thank you