“电路故障智能化预警装置”探讨

2010-08-15赵克季

电气技术 2010年8期

赵克季

（天津普利工程技术咨询有限公司，天津 300000）

1 引言

由于电压大的波动，电流的过高，平时维护不周，检修不良以及受潮、腐蚀等环境因素与机械力的伤害等，会造成电路绝缘或器件的损坏，从而导致其异常或故障。电力系统中发生的这种故障或异常，如果得不到及时的处理或处理不当，就可能引起事故，造成电能质量下降、用户停电，甚至会对人员构成伤害和损坏设备。

为了防止上述情况发生，电力系统中装设了各种继电保护装置。有的动作于跳闸，以切除故障电路及设备；有的则发出信号，用以警示，告知相关人员某处有某项异常或故障，提示他们进行排除故障的操作或进行一些必要的处理，以保持电力系统的正常运行。

当今，电气与计算机、单片机相结合的技术发展很快。因而，产生了很多“智能化”的电气产品。这些“智能化”的电气产品，不仅具有上述功能，有的还能对电路故障实施早期预警。因而，他们提升了继电保护技术装备的水平，是电力装置与系统可靠运行的重要保障。

“智能电网”的目标之一就是保证电力系统更加安全可靠的运行，以形成可靠而坚强的“电气网络”。要实现这一目标，势必会需要更多的智能化产品。

为此，本文就一种新型的具有智能识别与早期检测功能的“电路故障智能化预警装置”进行探讨。

2 电路故障的类型与特点概述

“电路”是由“电源”、“线路”以及“负荷”组成。因而，电路故障可发生于“电源侧”、“线路侧”以及“负荷侧”。发生于“电源侧”的故障主要有开路、短路、过压、欠压、过流、过负荷、失磁、接地、逆功率、低周波等；“线路侧”故障主要有短路、断路、过流、接地、漏电、接触不良等；而“负荷侧”故障则主要有短路、断路、漏电、过负荷、电机断相运行、接地、接触不良等。

电路故障不仅类型众多，而且其特点各异。

（1）故障发生前不易察觉

电子在电路中流动是看不见、摸不着的，人们不能直观地识别，这种由于电子流动而引发的电路故障，在其发生前的初始阶段大多不易为人们所察觉。

（2）危害大

虽然电路故障发生的地点不同，形式不同，其危害亦有不同。但一般均可对设备及人员构成隐性或显性危害甚至容易扩大，如引发火灾等。因而，从广义上说，电路故障的危害是大的。

（3）发生发展的时间过程长短不一

有的电路故障发生发展的时间很短，达到秒级、毫秒级；有的则较长，可达分级、小时级，以及可有数日、数月的发展时间。

（4）故障的关联性

电路故障之间具有关联性，如：绝缘损坏可导致漏电，接地、可使人员间接触电，亦可造成短路，又能引发绝缘及其周边的可燃物燃烧，发生火灾。

3 目前电路故障预警保护装置

目前，电工技术领域的各种装置、器件、材料等门类齐全，且大多成熟、可靠，电路故障预警保护装置亦如此。这方面已有许多在用而行之有效的成熟产品，如：作用于信号的各种继电保护装置，微机监控、保护装置，剩余电流报警、动作保护装置，电弧故障保护装置，智能化断路器以及电气火灾报警、监控系统等等。

这些电路故障预警保护装置，在保证电力系统安全而可靠地运行方面确实起着很大的作用。而且，其中已不乏“智能化”的产品。尽管如此，它们还有不足之处。如：他们均不能对“相-相”、“相-零”之间的漏电实施预警与保护，不能对一些“接触不良”的电路故障实施预警与保护，不能对一些电气绕组元件的“匝间短路”实施预警与保护等。

正是这些不尽之处，不啻为电路故障仍时有发生的缘由。鉴于此，各种电力装置、系统，尤其是当今大力推进的智能电网，需要先进、可靠而保护范围更为广泛的产品。为了满足这一新形势的需求，适时探究“电路故障智能化预警装置”，当属必然，此亦撰写本文之初衷。

4“电路故障智能化预警装置”探讨

4.1“电路故障智能化预警装置”的命名

鉴于目前在用的电路故障预警保护装置尚存在一些不足之处，本文设想一种新型的具有智能识别与早期检测功能的“电路故障智能化预警装置”，试图弥补其不足。该装置的预警范围界定为：“相-相”、“相-零”、“相-地”之间的漏电故障，一些“接触不良”的电路故障以及一些电气绕组元件的“匝间短路”故障。也就是说，该装置可对上述3种类型故障实施预警与保护。

由于“电路故障的关联性”，“漏电”故障可引发“接地”、“短路”等故障，“接触不良”故障可引发“电弧故障”、“断路”、“电机断相运行”等故障，“匝间短路”故障可引发“碰壳（接地）短路”、“过流”等故障。这就使得“电路故障智能化预警装置”在对“漏电”、“接触不良”以及“匝间短路”等故障预警的同时，也就对与其相关联的故障实施了预警，从而使其预警的范围得到延伸、扩展，使其预警、保护的电路故障种类又有增多。

再者，这种装置设计了可对上述故障智能识别与早期检测的环节，以及针对其各自不同的特点而进行智能处理的单片机内核，使其具有较强的智能化预警功能。

综合上述缘由，遂将其命名为“电路故障智能化预警装置”。

4.2“电路故障智能化预警装置”的研发概述

大凡电路故障都有一个发生发展的过程，不同故障其过程有长有短。对于具有较短或很短过程的故障，如金属性短路故障、瞬间电压冲击、短时间大过流故障等，可通过有针对性的继电保护装置或断路器、熔断器等予以切除。对于具有缓慢过程的电路故障，如“相-相”、“相-零”漏电，“接触不良”以及“匝间短路”等故障，目前的保护装置均难以实现预警。这就需要研发一种新型智能识别、检测的电子电路或传感器来完成，这里可称其为“电路故障智能识别传感器”。由于这类故障的初始值很小，且极易受到干扰，为了防止产生误检、误判，进而提高其可靠性，还要对传感器识别的信号给予认定。为此，我们设计了“智能确认芯片”电路，进行进一步的处理并最终确认。基于这一思路，绘制了“电路故障智能化预警装置”的原理框图（见图1）。

图1“电路故障智能化预警装置”原理框图

上述思路与原理框图是基于大量的观测与试验且通过较长时间的研讨才得以形成，限于篇幅，不能详述，下面仅举几例，予以佐证（见表1）。

这里需要说明的是，第1、2项事例发生于1993年某援外工程。BV-500 35mm2低压架空线路系为施工设备所用，其缠绕绝缘胶布的接头位于电杆绝缘瓷瓶附近；当时，正处施工高峰，负荷较大，线路超负荷运行。为保安全，我们旁站监护，其通过180A（1.5Ie）电流达4h时，该节点处的绝缘胶布有老化迹象，在接头处的绝缘胶布相-相之间测得有50mA的漏电流；而后，持续通过1.5Ie电流，随着时间的增加其漏电流呈非线性增长，当达到8h时，其漏电流已达500mA。当时恰逢小雨，我们观测到该节点处有水汽产生，说明该处相-相漏电故障电流已增大到使节点处的绝缘发热，致使其表面水分蒸发的程度。第3项实例是第1项实例的另一项试验，当第1项实例经第2项观测、检查后，我们便对线路接头进行检修处理。为了获取不同的数据，当线路再次以第1项试验值超负荷运行至4h后，接续第3项试验，得到该项数据。第4项事例发生在1970年的河北省某企业，当时发现该接触器所带电机运转声音异常，经检查系由其A相动静触头之间嵌有一垫片所致。于是，排除故障，并做此实验。第5项实例发生在2008年天津某电机制造企业，某批量产品做出厂试验时，发现一台电机不合格，将其取出单独试验，得此数据。

表1

通过对大量的观测与试验数据进行整理、分析，我们发现“漏电”、“接触不良”以及“匝间短路”等故障具有以下特点：都属于“发生发展过程较慢”的故障；故障初始阶段易受干扰；受电路参数影响具有不规则性；故障的发展过程具有非线性。

找出上述规律，便着手制定研发方案，设计“电路故障智能化预警装置”原理框图以及相应的电路图、软件编程等。其中两个关键部件，即“电路故障智能识别传感器”与“智能确认芯片”，我们则利用现有的漏电保护芯片，在其基础上增加“相-相、相-零漏电”、“接触不良”以及“匝间短路”故障的“智能检测、判断、识别环节”以及“智能确认环节”电路。由于“电路故障智能化预警装置”适用范围较广，产品规格较多，不同系列产品，硬件、软件各有不同。作为探讨，恕不能详。这里只是泛泛地给出其“硬件电路框图示意”，赖以商榷（见图2）。