基于測(cè)量參數(shù)的化工機(jī)械漏電故障排查方法研究

鄭 蓉

（湖北寰安康華安全科技發(fā)展有限責(zé)任公司）

化工機(jī)械是用于化工生產(chǎn)的機(jī)器和設(shè)備的總稱。在化工生產(chǎn)中，為了將原料加工成特定規(guī)格的成品，往往需要一系列的化工過程，如原料預(yù)處理、化學(xué)反應(yīng)、反應(yīng)產(chǎn)物分離及精制等，而用于實(shí)現(xiàn)這些過程的機(jī)器或設(shè)備通常被歸類為化工機(jī)械［1］。在化工機(jī)械運(yùn)行中，漏電是常見的故障之一，主要有靜電泄漏、電容泄漏、電阻泄漏及短路泄漏等類型，這種泄漏故障會(huì)嚴(yán)重影響化工機(jī)械的正常工作效率，甚至影響其壽命。

化工機(jī)械在加電測(cè)試前要檢查漏電故障，這是為了保證在使用化工機(jī)械時(shí)，不因泄漏而提前使電池能量耗盡，確保化工機(jī)械在電氣試驗(yàn)中，不會(huì)影響機(jī)械和儀器的測(cè)試參數(shù)；保證在使用時(shí)不會(huì)因光伏提前消耗能量而漏電。一般來說，漏電檢測(cè)主要有兩種方法：一是插頭開路法，就是把插頭的一部分?jǐn)嚅_，其余的則是測(cè)試漏電；二是絕緣電阻法，即斷開插頭的一部分，測(cè)試該部分的漏電電阻是否合格，從而判斷漏電節(jié)點(diǎn)是否在該部位［2］。經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)外已有一系列成熟的漏電故障檢測(cè)方法，如基于單片機(jī)、基于半波有效值和基于圖論模型的漏電故障排查方法。

通過對(duì)傳統(tǒng)故障檢測(cè)原理及其應(yīng)用結(jié)果的研究，發(fā)現(xiàn)由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)檢測(cè)方法存在對(duì)母線影響大、靈敏度低和漏檢率高的問題，如果只增加一個(gè)指標(biāo)，就很難保證其他指標(biāo)不受影響。為此，筆者提出了一種基于測(cè)量參數(shù)的化工機(jī)械漏電故障排查方法——通過分析漏電參數(shù)的特性來確定當(dāng)前化工機(jī)械運(yùn)行中存在的漏電故障。

1 化工機(jī)械漏電故障排查方法設(shè)計(jì)

化工機(jī)械泄漏故障的正確分析是消除泄漏故障的前提，大多數(shù)設(shè)備故障不是突發(fā)性的，總是在發(fā)生前就有預(yù)兆，當(dāng)預(yù)兆發(fā)展到一定程度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)故障。漏電故障產(chǎn)生的原因是多方面的，沒有固定的規(guī)律可循，應(yīng)首先對(duì)各種故障類型進(jìn)行綜合分析，根據(jù)現(xiàn)象逐步深入找出各種可能的直接或間接原因，按照化工機(jī)械的基本原理，綜合分析和邏輯判斷，最終找出故障部位。

電源母線與化工機(jī)械之間應(yīng)有絕緣。當(dāng)母線與設(shè)備之間的絕緣性能降低時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電流通道，故障將通過外殼從正極母線返回負(fù)極母線。根據(jù)漏電部位的不同，故障可分為正母線漏電和負(fù)母線漏電兩種類型。具體的漏電情形如圖1所示。

圖1中虛線表示漏電流通道，電流表記錄的就是漏電流的大小［3］。電流表向右偏表示負(fù)母線漏電，向左偏表示正母線漏電。設(shè)母線間的電壓為m（V），電流表的指示為i（μA），則漏電流通道的電阻為：

圖1 化工機(jī)械正、負(fù)母線漏電示意圖

結(jié)合化工機(jī)械的漏電原因和原理，歸納的漏 電故障排查原理［4］如圖2所示。

圖2 漏電故障排查原理示意圖

母線檢測(cè)單元實(shí)時(shí)檢測(cè)正、負(fù)母線對(duì)地電壓的大小，并發(fā)送到中央處理單元，由它計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)下的母線對(duì)地電壓偏差。設(shè)備內(nèi)部的直流系統(tǒng)中單極性漏電故障，由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的存在，會(huì)使正、負(fù)母線反向?qū)Φ仉妷浩疲?dāng)檢測(cè)到正、負(fù)母線對(duì)地電壓超過設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，而控制開關(guān)的分閘平衡電阻分別對(duì)設(shè)備輸入和開關(guān)電阻構(gòu)成兩種不同狀態(tài)的電橋，對(duì)正、負(fù)母線對(duì)地電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，利用基爾霍夫電流定律聯(lián)立方程組求解了設(shè)備中絕緣電阻的大小，根據(jù)歐姆定律計(jì)算出系統(tǒng)中的絕緣泄漏電流的大小。通過分析確定漏電故障的類型和故障位置，最后對(duì)化工機(jī)械泄漏故障進(jìn)行最終排查。

1.1 設(shè)置漏電故障排查判據(jù)

根據(jù)化工機(jī)械漏電故障的類型可分為正常漏電、單點(diǎn)漏電、區(qū)域漏電、靜電性漏電、電容性漏電、電阻性漏電和短路性漏電，不同類型的漏電故障表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，因此可以通過分析不同類型漏電故障的特征設(shè)置故障排查判據(jù)［5］。由化工機(jī)械漏電故障的特征整理得出的判據(jù)設(shè)置結(jié)果見表1。

表1 化工機(jī)械漏電故障排查判據(jù)設(shè)置結(jié)果

1.2 確定漏電故障排查點(diǎn)

在化工機(jī)械的漏電排查過程中，為了在保證排查精度的前提下提升排查效率，有必要在設(shè)備與電源的連接線路上設(shè)置故障排查點(diǎn)［6］。假設(shè)化工機(jī)械發(fā)生漏電故障，由可到達(dá)矩陣確定的可疑故障點(diǎn)集為X，那么故障檢測(cè)點(diǎn)集為Y，故障源為x i的不定度可用信息函數(shù)為I（xi），其表達(dá)式為：

其中P（xi）表示的是xi的先驗(yàn)概率。對(duì)于任一可疑故障點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)，都將有助于減少故障源的不確定程度，使各可疑故障點(diǎn)為故障源的先驗(yàn)概率P（xi）變?yōu)楹篁?yàn)概率P（xi｜yj），而故障源為xi的不定度變?yōu)楹篁?yàn)不定度，對(duì)應(yīng)的表達(dá)式為：

因此，從檢測(cè)點(diǎn)中獲取的關(guān)于xi為故障源的信息量可表示為：

當(dāng)xi和yj之間統(tǒng)計(jì)獨(dú)立時(shí)，判斷yj是否能夠獲取關(guān)于xi點(diǎn)為故障源的所有信息。若可則yj為一個(gè)故障排查點(diǎn)，否則進(jìn)行下一個(gè)排查點(diǎn)的選擇［7］。綜合所有的漏電故障排查點(diǎn)確定結(jié)果，得出漏電故障排查點(diǎn)集合并在對(duì)應(yīng)點(diǎn)上安裝漏電故障檢測(cè)裝置，裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 漏電故障檢測(cè)裝置組成框架圖

1.3 測(cè)量化工機(jī)械運(yùn)行參數(shù)

化工機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)包括系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)時(shí)的工作電流、電壓及電容等，設(shè)備運(yùn)行中的任何問題都與這些參數(shù)直接或間接相關(guān)。模擬化工機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，采集設(shè)備的運(yùn)行信號(hào)數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)［8］。任何化工機(jī)械正常工作時(shí)，系統(tǒng)參數(shù)都工作在設(shè)計(jì)和設(shè)定值附近。即：

其中Simin（t）、Si（t）和Simax（t）表示t時(shí)刻化工機(jī)械第i項(xiàng)性能指標(biāo)的下限值、實(shí)測(cè)值和上限值，超出范圍后，可以認(rèn)為故障已經(jīng)發(fā)生或即將發(fā)生。此外，還可以根據(jù)所測(cè)性能指標(biāo)的變化率是否符合下式來判斷故障。即：

1.4 分析漏電故障的參數(shù)變化特征

化工機(jī)械發(fā)生泄漏故障時(shí)，被測(cè)參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。通過提取和分析這些參數(shù)的變化特征，可以確定泄漏故障的類型。如設(shè)備正常工作時(shí)，相對(duì)地電壓對(duì)稱，中性點(diǎn)對(duì)地電壓為零，電網(wǎng)無零序電壓，消弧線圈無電流流過，電流性能不同于中性點(diǎn)接地［10］。但漏電故障發(fā)生后，電路對(duì)稱性被破壞，故障點(diǎn)也出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱性。化工機(jī)械運(yùn)行參數(shù)超出范圍后，可以認(rèn)為故障已經(jīng)發(fā)生或即將發(fā)生。此外，還可以根據(jù)所測(cè)性能指標(biāo)的變化率是否符合下述的公式來判斷故障，假設(shè)化工機(jī)械的內(nèi)部運(yùn)行情況如圖4所示。

圖4 化工機(jī)械內(nèi)部漏電故障示意圖

若圖4中線路2發(fā)生漏電故障，對(duì)于非故障電路，其三相電容電流為：

其中IA2、IB2、IC2分別為線路2上A、B和C三相的對(duì)地電容電流，UB和UC分別為設(shè)備發(fā)生漏電故障時(shí)B和C兩相的電壓向量，C2為線路2的單相對(duì)地電容值，而參量ω表示化工機(jī)械內(nèi)部電路的角頻率，此時(shí)線路2為非故障電路。故非故障線路的零序電流運(yùn)行情況可表示為：

其中3I0i為非故障線路的零序電流，3U0為中性點(diǎn)的零序電壓，方向是從母線流向化工機(jī)械［11］。而對(duì)于故障線路，由于受到漏電故障的影響其A相電流值為：

其中L為漏電故障的等效電感值，IL表示漏電線路的補(bǔ)償電流向量，進(jìn)而能夠得出對(duì)應(yīng)的零序電流值。通過對(duì)化工機(jī)械中電壓、電流等參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算，得到了穩(wěn)態(tài)參數(shù)變化的特征分析結(jié)果和電壓、電流等參數(shù)的分析結(jié)果。同時(shí)，對(duì)提取的瞬時(shí)參數(shù)變化特征進(jìn)行融合，得到綜合的泄漏故障參數(shù)變化特征，從而得到泄漏故障特征提取結(jié)果。

1.5 實(shí)現(xiàn)化工機(jī)械漏電故障排查

為了保證化工機(jī)械漏電故障排查結(jié)果的準(zhǔn)確性和完整性，輸出的排查結(jié)果需要包含漏電故障類型、漏電量以及漏電故障發(fā)生位置等信息。通過將式（8）和漏電故障情況下的零序電流值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相減處理，便可以得出化工機(jī)械的漏電量計(jì)算結(jié)果［12］。將提取出的漏電故障的參數(shù)變化特征向量與設(shè)置的漏電故障排查判據(jù)作比對(duì)，可以確定當(dāng)前化工機(jī)械的漏電故障類型。而化工機(jī)械漏電位置的確定，可以通過調(diào)取漏電故障排查點(diǎn)的編號(hào)位置，從而得出漏電故障的大概位置。最后，綜合所有的化工機(jī)械漏電故障排查數(shù)據(jù)信息得出最終的故障排查結(jié)果。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析

為了測(cè)試設(shè)計(jì)的基于測(cè)量參數(shù)的化工機(jī)械漏電故障排查方法的排查精度，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。設(shè)置實(shí)驗(yàn)的對(duì)比測(cè)試指標(biāo)為排查精準(zhǔn)度，該指標(biāo)可以通過對(duì)比實(shí)際排查輸出結(jié)果與設(shè)置數(shù)據(jù)結(jié)果之間的誤差，綜合漏查率和錯(cuò)查率在整個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本中所占的比重，從而確定排查精準(zhǔn)度的量化對(duì)比結(jié)果。

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與樣本

以化工機(jī)械的生產(chǎn)運(yùn)行環(huán)境為主要環(huán)境。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，選擇幾種不同型號(hào)和功能的化工機(jī)械。不同的設(shè)備根據(jù)各自的工作原理，在內(nèi)部電路連接和與電源的連接方式上有一定的差異。化工機(jī)械安裝完成后，需要編寫故障診斷軟件程序，設(shè)計(jì)漏電檢測(cè)的上層程序，實(shí)現(xiàn)化工機(jī)械的遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。通過程序的運(yùn)行可以在主測(cè)試計(jì)算機(jī)中直接輸出可視化的排查界面（圖5）。

圖5 化工機(jī)械漏電故障排查運(yùn)行界面

2.2 設(shè)置化工機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)

設(shè)置化工機(jī)械的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，并將參數(shù)的設(shè)置結(jié)果作為排查精準(zhǔn)度的對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)。具體的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置情況見表2。

表2 化工機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)設(shè)置

2.3 選擇實(shí)驗(yàn)對(duì)比項(xiàng)

為了驗(yàn)證筆者所提方法的排查效果，除了設(shè)計(jì)的故障排查方法外，還設(shè)置了傳統(tǒng)的故障排查方法以及文獻(xiàn)［5］中提出的基于漏電檢測(cè)的中性線帶電故障排查方法作為實(shí)驗(yàn)的兩種對(duì)比方法，這3種排查方法以并行的方式分別得出對(duì)應(yīng)的化工機(jī)械漏電故障排查結(jié)果。

2.4 實(shí)驗(yàn)過程

此次實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的精準(zhǔn)度作為測(cè)試對(duì)比指標(biāo)，分別從漏電量、漏電電壓和漏電排查位置3個(gè)方面進(jìn)行具體分析。啟動(dòng)化工機(jī)械樣本，在設(shè)備啟動(dòng)10min后啟動(dòng)主測(cè)計(jì)算機(jī)中的漏電故障排查程序，記錄輸出的排查結(jié)果。其中設(shè)計(jì)故障排查方法的輸出結(jié)果如圖6所示。

圖6 漏電故障排查結(jié)果

2.5 對(duì)比結(jié)果分析

通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與對(duì)比，得出3種漏電故障排查法的精準(zhǔn)度測(cè)試對(duì)比結(jié)果，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 3種漏電故障排查法的精準(zhǔn)度測(cè)試對(duì)比結(jié)果

由表3可知，傳統(tǒng)排查法的電壓值和漏電量排查誤差分別為0.72V和0.21mA，而文獻(xiàn)［5］排查法的排查誤差為0.38V和0.11mA，設(shè)計(jì)排查法的排查誤差為0.1V和0.01mA。從單次實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，設(shè)計(jì)排查法的排查誤差最低，即排查精準(zhǔn)度最高。綜合多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，傳統(tǒng)排查法和文獻(xiàn)［5］排查法的平均錯(cuò)查率為11.4%和6.7%，而設(shè)計(jì)排查法的平均錯(cuò)查率僅為2.1%，比傳統(tǒng)排查法降低了9.3%。

3 結(jié)束語

漏電故障的排查可以有效檢測(cè)化工機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)和故障情況，為設(shè)備的維護(hù)與修理提供更有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。通過測(cè)量參數(shù)方法的應(yīng)用，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備運(yùn)行故障的排查，還可定量預(yù)報(bào)潛在的故障，大幅提高了診斷化工機(jī)械漏電故障的速度與準(zhǔn)度，具有很好的應(yīng)用前景。