考慮電力元器件失效期的繼電保護狀態檢修策略研究

陳驊鑫

（山西大同大學 物理與電子科學學院，大同 037009）

所謂繼電保護裝置是指當電力系統（電網）中的電氣設備（如變壓器、開關等）或線路發故障，此故障對電力系統產生了影響以至于影響了系統的安全運行，而且故障發生后不能短時間內解決，此時通過向運行值班人員發出警告信號，或者直接通過電氣回路對所控制的斷路器發出跳閘命令來將故障設備從電力系統中切除防止事故擴大的一種自動化裝置。在電力系統中，繼電保護裝置的主要作用是在電網正常運行時起監視作用，一旦設備或者線路出現異常或者故障時，它能在很短的時間內自動操作開關等裝置準確的將故障線路或設備從系統中切除出去，從而保證電力系統能夠繼續正常穩定的運行。它使得電力系統更加的穩定，不會因為系統中某處的故障而影響其他用戶，因為及時切除了故障，故障也就不會擴大，相應的對設備的傷害程度也大大降低了。

1 繼電保護狀態檢修綜述

狀態檢修（CBM，condition based mainte-nance）或預知性維修（PDM，predictive diagnosticmaintenance）從設備現行運行狀態入手，將監測到的狀態數據整理上傳，通過對數據進行分析判斷，在設備故障發生前就通過設備不良運行狀態做出判斷，對故障可能產生的部位、故障可能進一步發展程度以及任其發展可能造成的不良影響作出判斷，從而確定各機件的最佳維修時機。在1970年[1]，狀態檢修出現在美國的杜邦公司I.D.Quinn。要想實現狀態檢修，就需要獲得繼電保護裝置的各項數據，通過分析所獲得的各個狀態的數據，經過對比才能估計出繼電保護裝置狀態將來的發展趨勢，在故障或異常出現之前，提前檢修，達到效益最大化。

2 繼電保護裝置元件的失效

2.1 失效期

繼電保護大部分是由精密的微電子元件組成的，所以電子元器件的性能對繼電保護的可靠性起決定性作用，因此要想實現繼電保護狀態評價和狀態檢修就要清楚了解其各個元器件可能產生的故障以及功能失效原理。從工作時間分，微電子元件失效期大致可以劃分為3個總體的階段即早期失效期、偶然失效期和耗損失效期。早期失效期原因一般是元器件剛開始運行、處于磨合期，也可能存在功能不完善等原因，這個階段失效頻率較高；偶然失效期則是元器件投入運行后，通過一定時間達到平穩運行階段，一般來說這個階段元件失效率很低；耗損失效期，是指元器件長時間運行，磨損、長時間過負荷運行、散熱不足等使得損耗加重，這個階段故障率也很高[2]。

2.2 失效表現

微電子元件的失效表現形式有大體可分為兩種，一種是是功能降低導致的老化失效，另一種是由于功能缺失導致的破壞性失效。

（1）老化失效指的是隨著時間推移，磨損增加，各項功能逐漸衰退，最終導致回路或者裝置不能正常工作，是一種過渡性的過程失效。表現多樣，包括：元件從開始老化到功能逐漸喪失，最終徹底失效，使得回路無法工作；元件有時能實現其功能，有時喪失功能，回路工作斷續更替；元件精度降低，使得儀表等設備無法實現其功能，出現誤動等情況。元件的老化失效，除了自身因為其運行時間長、磨損老化程度大，還收到外界的影響如元件處于塵土較多的環境就將會加快元件的老化速度和程度。

（2）破壞性失效是指一種由于瞬時性因素導致元件失去原有功能的失效模式，這種失效模式不存在過渡期，而導致失效的因素一般是是由于突然的過載、過壓，甚至是元件本身質量存在問題等原因，這種失效一旦發生，就使得元件永久失效，使得元件完全喪失作用，不能繼續工作，通常破壞性失效突發的。

2.3 失效原因

半導體器件失效類型很多，從功能失效方面分類大致可分為6 類，即開路、短路、失去功能、特性失效、重測合格率低和結構存在問題。表現形式一般有燒損、管腳虛接或掉落、芯片粘接出現問題、鍵合點不牢或芯片遭受腐蝕、表面鋁膜受損、氧化層損壞、漏電流大、高損耗等。

3 基于失效期的檢修策略

3.1 狀態指標選取

狀態指標選取，根據地區電網情況，從多年的缺陷表進行選擇，繼電保護裝置本身主體結構出現缺陷的概率比較低，其出現缺陷的部位大多為繼電保護裝置的插件，這是因為繼電保護裝置為各個廠家的專利產品，對于生產技術比較成熟，一般為模塊化裝置，做功和工業化水平較高。因此，出現問題的概率較低，因此，對于檢修來說，應該不將其列為重點的檢修對象。

在繼電保護裝置的二次回路方面，就會存在較多的缺陷，因為二次回路為現場二次施工，施工人員技術水平差異大，做功不仔細，難以保證質量，例如在二次回路上的報警，燈顯裝置等，并且難以被巡視人員發現，存在不易覺察的安全隱患。

通過多年數據對比，繼電保護裝置的缺陷主要是與該裝置的使用年限有關，而與繼電保護裝置的數量、廠家等關系并不大，使用年限越久的裝置，各個方面出現問題的概率會增大，裝置的二次安裝技術人員水平關系也比較大。因此，指標選擇從上述幾個方面綜合考慮。

3.2 層次分析模型構建

指標權重的確定需要用到層次分析方法，就是把相對復雜的眾多目標做成一個系統，依據準則進行分解，用定性指標模糊量化的方法進行相應的計算和排序，并將這一結果作為系統優化的依據。層次分析法首先會把決策問題按照順序進行分割，該順序是：首先是總體目標，之后是每一層次的字母表，再次是對于評價的準備，最后是做出具體的備投方案。隨后通過數學的求解方法進行優先權的判斷。在最后，利用加權求和，權衡總目標的權重，其中誰的權重最大誰就是最合適的方案。其實，所謂的最大的優先權重，其實是相對的，就一個特點而言它是具有優越性的，但是對于另一個特點它的相對量度未必會優越。其步驟為建立層次結構模型、構建判斷矩陣、層次單排及其一致性檢驗3個[3]。

3.3 綜合評價法

確定指標權重后，需要對整體進行評判，所謂的模糊綜合評價法就是利用數學方法進行相關的評價。它主要是使用模糊數學對相關的對質量產生影響的因素進行評測并轉化為相對應的定量評價。Zadeh是美國的一個著名的教授，他在上個世紀的六十年代中期提出了模糊數學，并首次發表于《Fuzzy sets》。比如：如何判定高矮、如何衡量重與輕、什么是質量好與質量不好。模糊思想專門用來解決這種模糊現象。經過很多年的研究發展，模糊數學理論越來越成熟，隨著就產生了模糊評價。它是先通過構建多個層次的子集把要評價的對象的影響因素量化，再構建出評價矩陣（多層級），最后進行分析，從而確定出該對象的等級。該方法的優點主要是很容易操作，而且更加便捷。模糊評價法的步驟具體如下[4]：

（1）構建模糊綜合評價指標。在模糊綜合評價指標的構建時，應該對各種因素進行綜合考慮。

（2）構建指標權重向量。在進行權重向量的構建的時候，主要采用AHP層次分析法等方法。

（3）構建評價矩陣。為了構建好評價矩陣，應該建立合適的隸屬函數。

（4）評價矩陣和權重的合成。合適的合成因子有利于起進行合成，合成以后再解釋結果向量。

4 結束語

繼電保護是電網的堅強放線，而狀態檢修是繼電保護裝置的保障，因此，制定合適的檢修策略尤為重要，本文介紹了一種制定狀態檢修策略的思路，可以實現較為科學的制定檢修策略。為未來狀態檢修的不斷發展發展提供一種思考思路。