基于電氣元件性能的設計探討與實踐

谷克超 李小強 王炳義

（青島北海船舶重工有限責任公司 青島266520）

引 言

電氣設備控制原理設計過程中，電氣元件動作邏輯正確是實現功能的必要條件，這一點已得到電氣工程師的高度重視和有效落實。在電壓、電流、頻率相對穩定，電磁干擾不甚明顯的情況下，做到邏輯正確基本能夠滿足預定要求。

在實際應用中，雖然國際、國家、行業相關技術標準針對電氣元件特定工作條件作了相應規定，但由于組成電路的元件數量眾多、元件特性不一、設計經驗制約等原因，也會不同程度存在電氣元件選用偏差、性能偏差、協調偏差等問題，導致設備工作的正確性、可靠性難以保證。

本文主要結合船用條件對部分電氣元件性能偏差導致的設備故障案例進行探討，以期更多同行在日后設計時結合設計原理和實踐經驗對元件性能的影響予以關注。在電氣控制原理設計時遵循適宜的基本原則，消除電氣元件性能偏差的影響，提升設計的可靠性和安全性。

1 基于電氣元件性能的設備故障案例

1.1 舵機控制原理故障

圖1為某廠商舵機控制箱原理圖，該原理圖相對簡單，邏輯也較清晰。試航期間，出現舵機主用液壓泵運行停止，備用泵不啟動的故障。人工重新啟動泵站方可再次運行，給船舶操縱帶來重大風險。

圖1 舵機控制箱原理圖

經分析，在正常運行過程中，若僅KM2接觸器因為電壓波動使其自鎖觸點KM2釋放，將導致主泵停止運行，而KT8時間繼電器在電壓波動期間因“返回系數”低來不及動作，KT8常開觸點閉合、KM3常閉觸點閉合，導致KM4接觸器在電壓恢復時吸合，K1主泵運行繼電器給出錯誤的“運行指示”，導致送至2號舵機備用回路的K1常閉觸點斷開，2號舵機K4待機繼電器斷開，備用泵無法投入；同時，電壓恢復時，因KT8時間繼電器在電壓波動期間沒有動作，導致主泵也不能進入重啟模式。主備用液壓泵均處于停機狀態，只有按下主泵的停止按鈕，再次啟動主泵方可正常運行。

按照規范要求，船用電氣元件應在額定電壓的±15%范圍內可靠動作，但經證實，本電路中的部分電氣元件不能嚴格符合規范的要求。我們對相關電氣元件進行更換，同時對電路邏輯進行修改（見下頁圖2）。

主泵啟動完成，正常運行時，KT8斷電，恢復至啟動初始狀態，當主回路電壓出現波動時，主泵因任何繼電器動作導致停止運行，在電壓恢復正常時，主泵均能夠進入重新啟動模式。若重新啟動失敗，備用泵將正常投入，以保證船舶操縱安全。

1.2 應急配電板聯絡開關故障

下頁圖3為某廠商的應急配電板聯絡開關控制原理圖，總體上看，該原理圖的邏輯基本正確［1］。但在試驗過程中，發生主配電板失電后再次恢復供電時，應急配電板聯絡開關自動合閘的不可靠現象。

經分析，懷疑由感應電壓引起電氣元件動作偏離預定要求而導致聯絡開關合閘故障。

經試驗證實，聯絡開關失壓脫扣線圈吸合電壓約為AC 105 V，釋放電壓約為AC 90 V，中間繼電器吸合電壓約為66 V，釋放電壓約為60 V。

圖2 舵機電路邏輯圖

圖3 應急配電板聯絡開關控制原理圖

主要原因為主配電板失電時，若有一定量的感性負載在線，主回路電壓會因此相應延遲消失，此時，應急板聯絡開關的UVT先行動作，開關脫扣，聯絡開關合閘指示繼電器B52BT失電，B52Y2失電，B52Y2常閉觸點復位，從而導致B52CX電操單元復位繼電器動作，但因為電壓延遲時間短暫，電操單元復位動作不能完整執行，導致聯絡開關無法合閘。

基于以上分析，我們修改了聯絡開關的控制原理（見下頁圖4），在B52CT線圈回路串入B52BT常閉觸點，確保聯絡開關合閘動作完成后，自動合閘回路復位，避免聯絡開關分閘過程中，因為繼電器動作閾值差異而導致復位正確率不能保證的現象，確保再次合閘時初始狀態正確。而后，經多次試驗證明，動作正確率達100%。

圖4 聯絡開關的控制原理圖

在實際工作過程中，應急消防泵等其他設備起動器也存在因為電氣元件動作參數偏離導致設備故障的情況。

2 電氣元件性能對原理設計的影響及對策

2.1 電氣元件性能的主要表現形式

（1）動作觸發閾值，如有效動作對應的電壓、電流、頻率等；

（2）動作響應時間，即從觸發到動作完成所需要的時間；

（3）有效動作能力，即接通能力、斷開能力等。

上述元件性能將對設計原理包含的動作時序、邏輯產生重大影響，通過提高電氣元件性能精確度可以提升其可靠性和實現預定功能的概率。但受制于材料、方法、工藝等因素，依靠電氣元件性能精確在一定時期內完全滿足控制要求尚有難度。

關鍵系統的可靠性對船舶安全非常重要。在當前條件下，提高控制原理的合理性是有效降低故障概率的途徑之一。

2.2 電氣原理設計的基本原則

2.2.1 最少在線原則

在原理設計時，應關注并實現設備穩定運行狀態時在線運行的電氣元件最少化。原則上應僅保留通斷裝置和具有保護功能的元件（電壓、電流、溫度、壓力等與電氣安全或系統安全是密切相關的）。

眾所周知，非冗余設計特定功能的原理回路，只要元件故障率不為零，元件數量越多系統故障率越高，減少在線元件數量，有利于提高系統可靠性［2］。

考慮成本因素，一般不建議冗余設計。

2.2.2 過程復位原則

回路投入及運行過程中，特定環節短時工作的電氣元件，在動作完成后應可靠切除，以便復位至初始狀態，為下一次動作做好充分準備。

過程復位既要符合最少在線原則，又要能夠有效避免船用條件下經常存在的短時故障或波動引起的元件復位偏差，否則容易導致下一次動作難以成功；另外，過程動作元件及時切除，將大幅度降低元件工作時間，也有利于提高元件的使用壽命和可靠性，如延時繼電器、中間繼電器等。如圖2增加KM3觸點切除過程元件KT8；圖4增加B52BT觸點，切除過程元件。

2.2.3 邏輯時效原則

盡可能依靠電氣元件依次投入，以實現正確的電氣動作邏輯，避免依據電氣元件自身性能（如依靠時間設定值確定的先后邏輯、依靠閾值差異建立的動作邏輯等）建立邏輯關系。

據此既可避免元件自身性能差異或動作不準確導致“競爭”或“冒險”［3］，確保動作可靠性；也可實現組成邏輯關系的元件出現故障時，系統可中止運行，以避免產生風險。

建議不采用以下設計原理：多個時間繼電器同時供電；設定不同的延時時間決定動作先后；利用不同的電流或壓力值觸發不同的動作等。

2.2.4 安全優先原則

設備、在線元件出現故障，必須可靠傳遞報警信息、實施相應的預定動作，并且觸發因素完整守序，確保安全。

2.2.5 能力適宜原則

選擇電氣元件時，元件特性曲線需要滿足運行全過程的電氣性能要求并根據元件能力適當冗余，對于部分品牌元件，尤應注意。

3 結 論

電氣元件性能存在偏差或存在一定程度的性能偏離導致電氣設備控制故障的案例，往往具有一定的隱蔽性［4］，且經常在電氣設備控制原理設計中遇到。設計人員參考本文提出的電氣原理設計原則，著眼于邏輯合理、時序可靠、避免競爭、杜絕冒險，對提升設計原理的可靠性和安全性會產生積極影響。結合電氣元件性能與原理設計取舍深度融合也會在一定程度上提升設計人員的設計樂趣。

［1］ 許智靈.船舶應急電系統受控的邏輯關系［J］.中國造船，2008（Z1）：167-168.

［2］ 王勝利.電氣控制線路設計優化探討［J］.建材發展導向，2013（7）：214-215.

［3］ 戴欣平 .電氣控制電路的“競爭”與“冒險”現象剖析［J］.電工技術，2003（11）：51-52.

［4］ 張少利.不可忽視的臨界競爭現象［J］.機床電器，2006（6）：32.