“電路故障智能化預警裝置”探討

趙克季

（天津普利工程技術咨詢有限公司，天津 300000）

1 引言

由于電壓大的波動，電流的過高，平時維護不周，檢修不良以及受潮、腐蝕等環境因素與機械力的傷害等，會造成電路絕緣或器件的損壞，從而導致其異常或故障。電力系統中發生的這種故障或異常，如果得不到及時的處理或處理不當，就可能引起事故，造成電能質量下降、用戶停電，甚至會對人員構成傷害和損壞設備。

為了防止上述情況發生，電力系統中裝設了各種繼電保護裝置。有的動作于跳閘，以切除故障電路及設備；有的則發出信號，用以警示，告知相關人員某處有某項異常或故障，提示他們進行排除故障的操作或進行一些必要的處理，以保持電力系統的正常運行。

當今，電氣與計算機、單片機相結合的技術發展很快。因而，產生了很多“智能化”的電氣產品。這些“智能化”的電氣產品，不僅具有上述功能，有的還能對電路故障實施早期預警。因而，他們提升了繼電保護技術裝備的水平，是電力裝置與系統可靠運行的重要保障。

“智能電網”的目標之一就是保證電力系統更加安全可靠的運行，以形成可靠而堅強的“電氣網絡”。要實現這一目標，勢必會需要更多的智能化產品。

為此，本文就一種新型的具有智能識別與早期檢測功能的“電路故障智能化預警裝置”進行探討。

2 電路故障的類型與特點概述

“電路”是由“電源”、“線路”以及“負荷”組成。因而，電路故障可發生于“電源側”、“線路側”以及“負荷側”。發生于“電源側”的故障主要有開路、短路、過壓、欠壓、過流、過負荷、失磁、接地、逆功率、低周波等；“線路側”故障主要有短路、斷路、過流、接地、漏電、接觸不良等；而“負荷側”故障則主要有短路、斷路、漏電、過負荷、電機斷相運行、接地、接觸不良等。

電路故障不僅類型眾多，而且其特點各異。

（1）故障發生前不易察覺

電子在電路中流動是看不見、摸不著的，人們不能直觀地識別，這種由于電子流動而引發的電路故障，在其發生前的初始階段大多不易為人們所察覺。

（2）危害大

雖然電路故障發生的地點不同，形式不同，其危害亦有不同。但一般均可對設備及人員構成隱性或顯性危害甚至容易擴大，如引發火災等。因而，從廣義上說，電路故障的危害是大的。

（3）發生發展的時間過程長短不一

有的電路故障發生發展的時間很短，達到秒級、毫秒級；有的則較長，可達分級、小時級，以及可有數日、數月的發展時間。

（4）故障的關聯性

電路故障之間具有關聯性，如：絕緣損壞可導致漏電，接地、可使人員間接觸電，亦可造成短路，又能引發絕緣及其周邊的可燃物燃燒，發生火災。

3 目前電路故障預警保護裝置

目前，電工技術領域的各種裝置、器件、材料等門類齊全，且大多成熟、可靠，電路故障預警保護裝置亦如此。這方面已有許多在用而行之有效的成熟產品，如：作用于信號的各種繼電保護裝置，微機監控、保護裝置，剩余電流報警、動作保護裝置，電弧故障保護裝置，智能化斷路器以及電氣火災報警、監控系統等等。

這些電路故障預警保護裝置，在保證電力系統安全而可靠地運行方面確實起著很大的作用。而且，其中已不乏“智能化”的產品。盡管如此，它們還有不足之處。如：他們均不能對“相-相”、“相-零”之間的漏電實施預警與保護，不能對一些“接觸不良”的電路故障實施預警與保護，不能對一些電氣繞組元件的“匝間短路”實施預警與保護等。

正是這些不盡之處，不啻為電路故障仍時有發生的緣由。鑒于此，各種電力裝置、系統，尤其是當今大力推進的智能電網，需要先進、可靠而保護范圍更為廣泛的產品。為了滿足這一新形勢的需求，適時探究“電路故障智能化預警裝置”，當屬必然，此亦撰寫本文之初衷。

4“電路故障智能化預警裝置”探討

4.1“電路故障智能化預警裝置”的命名

鑒于目前在用的電路故障預警保護裝置尚存在一些不足之處，本文設想一種新型的具有智能識別與早期檢測功能的“電路故障智能化預警裝置”，試圖彌補其不足。該裝置的預警范圍界定為：“相-相”、“相-零”、“相-地”之間的漏電故障，一些“接觸不良”的電路故障以及一些電氣繞組元件的“匝間短路”故障。也就是說，該裝置可對上述3種類型故障實施預警與保護。

由于“電路故障的關聯性”，“漏電”故障可引發“接地”、“短路”等故障，“接觸不良”故障可引發“電弧故障”、“斷路”、“電機斷相運行”等故障，“匝間短路”故障可引發“碰殼（接地）短路”、“過流”等故障。這就使得“電路故障智能化預警裝置”在對“漏電”、“接觸不良”以及“匝間短路”等故障預警的同時，也就對與其相關聯的故障實施了預警，從而使其預警的范圍得到延伸、擴展，使其預警、保護的電路故障種類又有增多。

再者，這種裝置設計了可對上述故障智能識別與早期檢測的環節，以及針對其各自不同的特點而進行智能處理的單片機內核，使其具有較強的智能化預警功能。

綜合上述緣由，遂將其命名為“電路故障智能化預警裝置”。

4.2“電路故障智能化預警裝置”的研發概述

大凡電路故障都有一個發生發展的過程，不同故障其過程有長有短。對于具有較短或很短過程的故障，如金屬性短路故障、瞬間電壓沖擊、短時間大過流故障等，可通過有針對性的繼電保護裝置或斷路器、熔斷器等予以切除。對于具有緩慢過程的電路故障，如“相-相”、“相-零”漏電，“接觸不良”以及“匝間短路”等故障，目前的保護裝置均難以實現預警。這就需要研發一種新型智能識別、檢測的電子電路或傳感器來完成，這里可稱其為“電路故障智能識別傳感器”。由于這類故障的初始值很小，且極易受到干擾，為了防止產生誤檢、誤判，進而提高其可靠性，還要對傳感器識別的信號給予認定。為此，我們設計了“智能確認芯片”電路，進行進一步的處理并最終確認。基于這一思路，繪制了“電路故障智能化預警裝置”的原理框圖（見圖1）。

圖1“電路故障智能化預警裝置”原理框圖

上述思路與原理框圖是基于大量的觀測與試驗且通過較長時間的研討才得以形成，限于篇幅，不能詳述，下面僅舉幾例，予以佐證（見表1）。

這里需要說明的是，第1、2項事例發生于1993年某援外工程。BV-500 35mm2低壓架空線路系為施工設備所用，其纏繞絕緣膠布的接頭位于電桿絕緣瓷瓶附近；當時，正處施工高峰，負荷較大，線路超負荷運行。為保安全，我們旁站監護，其通過180A（1.5Ie）電流達4h時，該節點處的絕緣膠布有老化跡象，在接頭處的絕緣膠布相-相之間測得有50mA的漏電流；而后，持續通過1.5Ie電流，隨著時間的增加其漏電流呈非線性增長，當達到8h時，其漏電流已達500mA。當時恰逢小雨，我們觀測到該節點處有水汽產生，說明該處相-相漏電故障電流已增大到使節點處的絕緣發熱，致使其表面水分蒸發的程度。第3項實例是第1項實例的另一項試驗，當第1項實例經第2項觀測、檢查后，我們便對線路接頭進行檢修處理。為了獲取不同的數據，當線路再次以第1項試驗值超負荷運行至4h后，接續第3項試驗，得到該項數據。第4項事例發生在1970年的河北省某企業，當時發現該接觸器所帶電機運轉聲音異常，經檢查系由其A相動靜觸頭之間嵌有一墊片所致。于是，排除故障，并做此實驗。第5項實例發生在2008年天津某電機制造企業，某批量產品做出廠試驗時，發現一臺電機不合格，將其取出單獨試驗，得此數據。

表1

通過對大量的觀測與試驗數據進行整理、分析，我們發現“漏電”、“接觸不良”以及“匝間短路”等故障具有以下特點：都屬于“發生發展過程較慢”的故障；故障初始階段易受干擾；受電路參數影響具有不規則性；故障的發展過程具有非線性。

找出上述規律，便著手制定研發方案，設計“電路故障智能化預警裝置”原理框圖以及相應的電路圖、軟件編程等。其中兩個關鍵部件，即“電路故障智能識別傳感器”與“智能確認芯片”，我們則利用現有的漏電保護芯片，在其基礎上增加“相-相、相-零漏電”、“接觸不良”以及“匝間短路”故障的“智能檢測、判斷、識別環節”以及“智能確認環節”電路。由于“電路故障智能化預警裝置”適用范圍較廣，產品規格較多，不同系列產品，硬件、軟件各有不同。作為探討，恕不能詳。這里只是泛泛地給出其“硬件電路框圖示意”，賴以商榷（見圖2）。

圖2 硬件電路框圖示意

由于現有的漏電保護芯片已屬成熟技術，以該類芯片為基礎的“電路故障智能識別傳感器”與“智能確認芯片”，其技術也是成熟而可靠的。通過多次試驗、比選，目前，適于“負荷側”的“電路故障智能化預警裝置”電路圖業已基本定型，適于“電源側”、“線路側”的該類裝置電路圖也在陸續研發、設計之中。

“電路故障智能化預警裝置”的研發需要眾多單位及電氣同仁的參與，本文權作拋磚引玉。

4.3“電路故障智能化預警裝置”的產品及其應用

傳統的電路保護方式是：“感知故障的發生——保護裝置動作——達到減少損失的目的”。而“電路故障智能化預警裝置”的保護方式是：“識別、檢測故障的初始值——早期預警——做到避免損失”。顯然，“電路故障智能化預警裝置”的這種保護方式使其在產品與應用上具有一定的優勢。

產品上的優勢是因為該裝置為創新產品，制造單位會有較為廣闊的生產與開發空間。其可單獨生產不同的產品，如：可分別生產“電源側”、“線路側”、“負荷側”的裝置，且有“高壓”、“低壓”、“交流”、“直流”之分；亦可將這些單獨的、不同規格、不同用途的“裝置”全套生產，從而形成多種系列產品。

在應用上，對故障實施預警保護的需求領域廣闊，它既可單獨分散裝設在各種電路的不同部位，對某一特定保護對象實施預警；又可將其組合，通過網絡聯結成不同的系統，用于各種電網之中，如：變配電網絡，清潔能源電網，分布式電網、微電網，乃至智能電網之中。