考虑电力元器件失效期的继电保护状态检修策略研究

陈骅鑫

（山西大同大学 物理与电子科学学院，大同 037009）

所谓继电保护装置是指当电力系统（电网）中的电气设备（如变压器、开关等）或线路发故障，此故障对电力系统产生了影响以至于影响了系统的安全运行，而且故障发生后不能短时间内解决，此时通过向运行值班人员发出警告信号，或者直接通过电气回路对所控制的断路器发出跳闸命令来将故障设备从电力系统中切除防止事故扩大的一种自动化装置。在电力系统中，继电保护装置的主要作用是在电网正常运行时起监视作用，一旦设备或者线路出现异常或者故障时，它能在很短的时间内自动操作开关等装置准确的将故障线路或设备从系统中切除出去，从而保证电力系统能够继续正常稳定的运行。它使得电力系统更加的稳定，不会因为系统中某处的故障而影响其他用户，因为及时切除了故障，故障也就不会扩大，相应的对设备的伤害程度也大大降低了。

1 继电保护状态检修综述

状态检修（CBM，condition based mainte-nance）或预知性维修（PDM，predictive diagnosticmaintenance）从设备现行运行状态入手，将监测到的状态数据整理上传，通过对数据进行分析判断，在设备故障发生前就通过设备不良运行状态做出判断，对故障可能产生的部位、故障可能进一步发展程度以及任其发展可能造成的不良影响作出判断，从而确定各机件的最佳维修时机。在1970年[1]，状态检修出现在美国的杜邦公司I.D.Quinn。要想实现状态检修，就需要获得继电保护装置的各项数据，通过分析所获得的各个状态的数据，经过对比才能估计出继电保护装置状态将来的发展趋势，在故障或异常出现之前，提前检修，达到效益最大化。

2 继电保护装置元件的失效

2.1 失效期

继电保护大部分是由精密的微电子元件组成的，所以电子元器件的性能对继电保护的可靠性起决定性作用，因此要想实现继电保护状态评价和状态检修就要清楚了解其各个元器件可能产生的故障以及功能失效原理。从工作时间分，微电子元件失效期大致可以划分为3个总体的阶段即早期失效期、偶然失效期和耗损失效期。早期失效期原因一般是元器件刚开始运行、处于磨合期，也可能存在功能不完善等原因，这个阶段失效频率较高；偶然失效期则是元器件投入运行后，通过一定时间达到平稳运行阶段，一般来说这个阶段元件失效率很低；耗损失效期，是指元器件长时间运行，磨损、长时间过负荷运行、散热不足等使得损耗加重，这个阶段故障率也很高[2]。

2.2 失效表现

微电子元件的失效表现形式有大体可分为两种，一种是是功能降低导致的老化失效，另一种是由于功能缺失导致的破坏性失效。

（1）老化失效指的是随着时间推移，磨损增加，各项功能逐渐衰退，最终导致回路或者装置不能正常工作，是一种过渡性的过程失效。表现多样，包括：元件从开始老化到功能逐渐丧失，最终彻底失效，使得回路无法工作；元件有时能实现其功能，有时丧失功能，回路工作断续更替；元件精度降低，使得仪表等设备无法实现其功能，出现误动等情况。元件的老化失效，除了自身因为其运行时间长、磨损老化程度大，还收到外界的影响如元件处于尘土较多的环境就将会加快元件的老化速度和程度。

（2）破坏性失效是指一种由于瞬时性因素导致元件失去原有功能的失效模式，这种失效模式不存在过渡期，而导致失效的因素一般是是由于突然的过载、过压，甚至是元件本身质量存在问题等原因，这种失效一旦发生，就使得元件永久失效，使得元件完全丧失作用，不能继续工作，通常破坏性失效突发的。

2.3 失效原因

半导体器件失效类型很多，从功能失效方面分类大致可分为6 类，即开路、短路、失去功能、特性失效、重测合格率低和结构存在问题。表现形式一般有烧损、管脚虚接或掉落、芯片粘接出现问题、键合点不牢或芯片遭受腐蚀、表面铝膜受损、氧化层损坏、漏电流大、高损耗等。

3 基于失效期的检修策略

3.1 状态指标选取

状态指标选取，根据地区电网情况，从多年的缺陷表进行选择，继电保护装置本身主体结构出现缺陷的概率比较低，其出现缺陷的部位大多为继电保护装置的插件，这是因为继电保护装置为各个厂家的专利产品，对于生产技术比较成熟，一般为模块化装置，做功和工业化水平较高。因此，出现问题的概率较低，因此，对于检修来说，应该不将其列为重点的检修对象。

在继电保护装置的二次回路方面，就会存在较多的缺陷，因为二次回路为现场二次施工，施工人员技术水平差异大，做功不仔细，难以保证质量，例如在二次回路上的报警，灯显装置等，并且难以被巡视人员发现，存在不易觉察的安全隐患。

通过多年数据对比，继电保护装置的缺陷主要是与该装置的使用年限有关，而与继电保护装置的数量、厂家等关系并不大，使用年限越久的装置，各个方面出现问题的概率会增大，装置的二次安装技术人员水平关系也比较大。因此，指标选择从上述几个方面综合考虑。

3.2 层次分析模型构建

指标权重的确定需要用到层次分析方法，就是把相对复杂的众多目标做成一个系统，依据准则进行分解，用定性指标模糊量化的方法进行相应的计算和排序，并将这一结果作为系统优化的依据。层次分析法首先会把决策问题按照顺序进行分割，该顺序是：首先是总体目标，之后是每一层次的字母表，再次是对于评价的准备，最后是做出具体的备投方案。随后通过数学的求解方法进行优先权的判断。在最后，利用加权求和，权衡总目标的权重，其中谁的权重最大谁就是最合适的方案。其实，所谓的最大的优先权重，其实是相对的，就一个特点而言它是具有优越性的，但是对于另一个特点它的相对量度未必会优越。其步骤为建立层次结构模型、构建判断矩阵、层次单排及其一致性检验3个[3]。

3.3 综合评价法

确定指标权重后，需要对整体进行评判，所谓的模糊综合评价法就是利用数学方法进行相关的评价。它主要是使用模糊数学对相关的对质量产生影响的因素进行评测并转化为相对应的定量评价。Zadeh是美国的一个著名的教授，他在上个世纪的六十年代中期提出了模糊数学，并首次发表于《Fuzzy sets》。比如：如何判定高矮、如何衡量重与轻、什么是质量好与质量不好。模糊思想专门用来解决这种模糊现象。经过很多年的研究发展，模糊数学理论越来越成熟，随着就产生了模糊评价。它是先通过构建多个层次的子集把要评价的对象的影响因素量化，再构建出评价矩阵（多层级），最后进行分析，从而确定出该对象的等级。该方法的优点主要是很容易操作，而且更加便捷。模糊评价法的步骤具体如下[4]：

（1）构建模糊综合评价指标。在模糊综合评价指标的构建时，应该对各种因素进行综合考虑。

（2）构建指标权重向量。在进行权重向量的构建的时候，主要采用AHP层次分析法等方法。

（3）构建评价矩阵。为了构建好评价矩阵，应该建立合适的隶属函数。

（4）评价矩阵和权重的合成。合适的合成因子有利于起进行合成，合成以后再解释结果向量。

4 结束语

继电保护是电网的坚强放线，而状态检修是继电保护装置的保障，因此，制定合适的检修策略尤为重要，本文介绍了一种制定状态检修策略的思路，可以实现较为科学的制定检修策略。为未来状态检修的不断发展发展提供一种思考思路。