由于電壓大的波動(dòng)，電流的過(guò)高，平時(shí)維護(hù)不周，檢修不良以及受潮、腐蝕等環(huán)境因素與機(jī)械力的傷害等，會(huì)造成電路絕緣或器件的損壞，從而導(dǎo)致其異常或故障。電力系統(tǒng)中發(fā)生的這種故障或異常，如果得不到及時(shí)的處理或處理不當(dāng)，就可能引起事故，造成電能質(zhì)量下降、用戶停電，甚至?xí)?duì)人員構(gòu)成傷害和損壞設(shè)備。

為了防止上述情況發(fā)生，電力系統(tǒng)中裝設(shè)了各種繼電保護(hù)裝置。有的動(dòng)作于跳閘，以切除故障電路及設(shè)備；有的則發(fā)出信號(hào)，用以警示，告知相關(guān)人員某處有某項(xiàng)異?；蚬收?，提示他們進(jìn)行排除故障的操作或進(jìn)行一些必要的處理，以保持電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

當(dāng)今，電氣與計(jì)算機(jī)、單片機(jī)相結(jié)合的技術(shù)發(fā)展很快。因而，產(chǎn)生了很多“智能化”的電氣產(chǎn)品。這些“智能化”的電氣產(chǎn)品，不僅具有上述功能，有的還能對(duì)電路故障實(shí)施早期預(yù)警。因而，他們提升了繼電保護(hù)技術(shù)裝備的水平。顯然，這種先進(jìn)而能夠?qū)﹄娐饭收蠈?shí)施早期預(yù)警的功能，是電力裝置與系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要保障。

“智能電網(wǎng)”的目標(biāo)之一就是保證電力系統(tǒng)更加安全可靠的運(yùn)行，以形成可靠而堅(jiān)強(qiáng)的“電氣網(wǎng)絡(luò)”。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，勢(shì)必會(huì)需要更多的智能化產(chǎn)品。為此，本文就一種新型的具有智能識(shí)別與早期檢測(cè)功能的“電路故障智能化預(yù)警裝置”進(jìn)行探討。

電路故障的類(lèi)型與特點(diǎn)概述

我們知道，“電路”是由“電源”、“線路”以及“負(fù)荷”組成。因而，電路故障可發(fā)生于“電源側(cè)”、“線路側(cè)”以及“負(fù)荷側(cè)”。其類(lèi)型眾多，若按故障發(fā)生在上述不同部位而論，其分類(lèi)概述如下：

發(fā)生于“電源側(cè)”的故障主要有開(kāi)路、短路、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)負(fù)荷、失磁、接地、逆功率、低周波等；“線路側(cè)”故障主要有短路、斷路、過(guò)流、接地、漏電、接觸不良等；而“負(fù)荷側(cè)”故障則主要有短路、斷路、漏電、過(guò)負(fù)荷、電機(jī)斷相運(yùn)行、接地、接觸不良等。

電路故障不僅類(lèi)型眾多，而且其特點(diǎn)各異，這里僅作以下概述：

● 故障發(fā)生前不易察覺(jué)

電子在電路中流動(dòng)是看不見(jiàn)、摸不著的，人們不能直觀地識(shí)別，這種囿于電子流動(dòng)而引發(fā)的電路故障，在其發(fā)生前的初始階段大多不易為人們所察覺(jué)。

● 危害大

雖然電路故障發(fā)生的地點(diǎn)不同，形式不同，其危害亦有不同。但一般均可對(duì)設(shè)備及人員構(gòu)成隱性或顯性危害甚至容易擴(kuò)大，如引發(fā)火災(zāi)等。因而，從廣義上說(shuō)，電路故障的危害是大的。

● 發(fā)生發(fā)展的時(shí)間過(guò)程長(zhǎng)短不一

有的電路故障發(fā)生發(fā)展的時(shí)間很短，達(dá)到秒級(jí)、毫秒級(jí)；有的則較長(zhǎng)，可達(dá)分級(jí)、小時(shí)級(jí)，以及可有數(shù)日、數(shù)月的發(fā)展時(shí)間。

● 故障的關(guān)聯(lián)性

電路故障之間具有關(guān)聯(lián)性，如：絕緣損壞可導(dǎo)致漏電，接地、可使人員間接觸電，亦可造成短路，又能引發(fā)絕緣及其周邊的可燃物燃燒，發(fā)生火災(zāi)。

目前電路故障預(yù)警保護(hù)裝置

目前，電工技術(shù)領(lǐng)域的各種裝置、器件、材料等門(mén)類(lèi)齊全，且大多成熟、可靠，電路故障預(yù)警保護(hù)裝置亦如此。這方面已有許多在用而行之有效的成熟產(chǎn)品，如：作用于信號(hào)的各種繼電保護(hù)裝置，微機(jī)監(jiān)控、保護(hù)裝置，剩余電流報(bào)警、動(dòng)作保護(hù)裝置，電弧故障保護(hù)裝置，智能化斷路器以及電氣火災(zāi)報(bào)警、監(jiān)控系統(tǒng)等。

這些電路故障預(yù)警保護(hù)裝置，在保證電力系統(tǒng)安全而可靠地運(yùn)行方面確實(shí)起著很大的作用。而且，其中已不乏“智能化”的產(chǎn)品。盡管如此，它們還有不足之處。如：它們均不能對(duì)“相-相”、“相-零”之間的漏電實(shí)施預(yù)警與保護(hù)，不能對(duì)一些“接觸不良”的電路故障實(shí)施預(yù)警與保護(hù)，不能對(duì)一些電氣繞組元件的“匝間短路”實(shí)施預(yù)警與保護(hù)等。

正是這些不盡之處，不啻為電路故障仍時(shí)有發(fā)生的緣由。鑒于此，各種電力裝置、系統(tǒng)，尤其是當(dāng)今大力推進(jìn)的智能電網(wǎng)，需要先進(jìn)、可靠而保護(hù)范圍更為廣泛的產(chǎn)品。為了滿足這一新形勢(shì)的需求，適時(shí)探究“電路故障智能化預(yù)警裝置”，當(dāng)屬必然，此亦撰寫(xiě)本文之初衷。

“電路故障智能化預(yù)警裝置”探討

1“電路故障智能化預(yù)警裝置”的命名

鑒于目前在用的電路故障預(yù)警保護(hù)裝置尚存在一些不足之處，本文設(shè)想一種新型的具有智能識(shí)別與早期檢測(cè)功能的“電路故障智能化預(yù)警裝置”，試圖彌補(bǔ)其不足。該裝置的預(yù)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(shuō)，該裝置可對(duì)上述三種類(lèi)型故障實(shí)施預(yù)警與保護(hù)。

由于“電路故障的關(guān)聯(lián)性”，“漏電”故障可引發(fā)“接地”、“短路”等故障，“接觸不良”故障可引發(fā)“電弧故障”、“斷路”、“電機(jī)斷相運(yùn)行”等故障，“匝間短路”故障可引發(fā)“碰殼（接地）短路”、“過(guò)流”等故障。這就使得“電路故障智能化預(yù)警裝置”在對(duì)“漏電”、“接觸不良”以及“匝間短路”等故障預(yù)警的同時(shí)，也就對(duì)與其相關(guān)聯(lián)的故障實(shí)施了預(yù)警，從而使其預(yù)警的范圍得到延伸、擴(kuò)展，使其預(yù)警、保護(hù)的電路故障種類(lèi)又有增多。

再者，這種裝置設(shè)計(jì)了可對(duì)上述故障智能識(shí)別與早期檢測(cè)的環(huán)節(jié)，以及針對(duì)其各自不同的特點(diǎn)而進(jìn)行智能處理的單片機(jī)內(nèi)核，使其具有較強(qiáng)的智能化預(yù)警功能。

綜合上述緣由，遂將其命名為“電路故障智能化預(yù)警裝置”。

2“電路故障智能化預(yù)警裝置”的研發(fā)概述

大凡電路故障都有一個(gè)發(fā)生發(fā)展的過(guò)程，不同故障其過(guò)程有長(zhǎng)有短。對(duì)于具有較短或很短過(guò)程的故障，如金屬性短路故障、瞬間電壓沖擊、短時(shí)間大過(guò)流故障等，可通過(guò)有針對(duì)性的繼電保護(hù)裝置或斷路器、熔斷器等予以切除。

對(duì)于具有緩慢過(guò)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(hù)裝置均難以實(shí)現(xiàn)預(yù)警。這就需要研發(fā)一種新型智能識(shí)別、檢測(cè)的電子電路或傳感器來(lái)完成，這里可稱其為“電路故障智能識(shí)別傳感器”。

由于這類(lèi)故障的初始值很小，且極易受到干擾，為了防止產(chǎn)生誤檢、誤判，進(jìn)而提高其可靠性，還要對(duì)傳感器識(shí)別的信號(hào)給予認(rèn)定。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了“智能確認(rèn)芯片”電路，進(jìn)行進(jìn)一步的處理并最終確認(rèn)。

下面僅舉幾例，予以佐證（見(jiàn)表1）。

表1

這里需要說(shuō)明的是，第1、2項(xiàng)事例發(fā)生于某援外工程。BV-500 35mm2低壓架空線路系為施工設(shè)備所用，其纏繞絕緣膠布的接頭位于電桿絕緣瓷瓶附近；當(dāng)時(shí)，正處施工高峰，負(fù)荷較大，線路超負(fù)荷運(yùn)行。

為保安全，我們旁站監(jiān)護(hù)，其通過(guò)180A（1.5Ie）電流達(dá)4h時(shí)，該節(jié)點(diǎn)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(cè)得有50mA的漏電流；而后，持續(xù)通過(guò)1.5Ie電流，隨著時(shí)間的增加其漏電流呈非線性增長(zhǎng)，當(dāng)達(dá)到8h時(shí)，其漏電流已達(dá)500mA。當(dāng)時(shí)恰逢小雨，我們觀測(cè)到該節(jié)點(diǎn)處有水汽產(chǎn)生，說(shuō)明該處相-相漏電故障電流已增大到使節(jié)點(diǎn)處的絕緣發(fā)熱，致使其表面水分蒸發(fā)的程度。

第3項(xiàng)實(shí)例是第1項(xiàng)實(shí)例的另一項(xiàng)試驗(yàn)，當(dāng)?shù)?項(xiàng)實(shí)例經(jīng)第2項(xiàng)觀測(cè)、檢查后，我們便對(duì)線路接頭進(jìn)行檢修處理。為了獲取不同的數(shù)據(jù)，當(dāng)線路再次以第1項(xiàng)試驗(yàn)值超負(fù)荷運(yùn)行至4h后，接續(xù)第3項(xiàng)試驗(yàn)，得到該項(xiàng)數(shù)據(jù)。

第4項(xiàng)事例發(fā)生在1970年的河北省某企業(yè)，當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)該接觸器所帶電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)聲音異常，經(jīng)檢查系由其A相動(dòng)靜觸頭之間嵌有一墊片所致。于是，排除故障，并做此實(shí)驗(yàn)。

第5項(xiàng)實(shí)例發(fā)生在天津某電機(jī)制造企業(yè)，某批量產(chǎn)品做出廠試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)一臺(tái)電機(jī)不合格，將其取出單獨(dú)試驗(yàn)，得此數(shù)據(jù)。

通過(guò)對(duì)大量的觀測(cè)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，我們發(fā)現(xiàn)“漏電”、“接觸不良”以及“匝間短路”等故障具有以下特點(diǎn)：

● 都屬于“發(fā)生發(fā)展過(guò)程較慢”的故障；

● 故障初始階段易受干擾；

● 受電路參數(shù)影響具有不規(guī)則性；

● 故障的發(fā)展過(guò)程具有非線性。

找出上述規(guī)律，便著手制定研發(fā)方案，設(shè)計(jì)“電路故障智能化預(yù)警裝置”原理框圖以及相應(yīng)的電路圖、軟件編程等。其中兩個(gè)關(guān)鍵部件，即“電路故障智能識(shí)別傳感器”與“智能確認(rèn)芯片”，我們則利用現(xiàn)有的漏電保護(hù)芯片，在其基礎(chǔ)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(cè)、判斷、識(shí)別環(huán)節(jié)”以及“智能確認(rèn)環(huán)節(jié)”電路。

由于“電路故障智能化預(yù)警裝置”適用范圍較廣，產(chǎn)品規(guī)格較多，不同系列產(chǎn)品，硬件、軟件各有不同。作為探討，恕不能詳。

由于現(xiàn)有的漏電保護(hù)芯片已屬成熟技術(shù)，以該類(lèi)芯片為基礎(chǔ)的“電路故障智能識(shí)別傳感器”與“智能確認(rèn)芯片”，其技術(shù)也是成熟而可靠的。通過(guò)多次試驗(yàn)、比選，目前，適于“負(fù)荷側(cè)”的“電路故障智能化預(yù)警裝置”電路圖業(yè)已基本定型，適于“電源側(cè)”、“線路側(cè)”的該類(lèi)裝置電路圖也在陸續(xù)研發(fā)、設(shè)計(jì)之中。

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

3“電路故障智能化預(yù)警裝置”的產(chǎn)品及其應(yīng)用

傳統(tǒng)的電路保護(hù)方式是：“感知故障的發(fā)生——保護(hù)裝置動(dòng)作——達(dá)到減少損失的目的”。而“電路故障智能化預(yù)警裝置”的保護(hù)方式是：“識(shí)別、檢測(cè)故障的初始值——早期預(yù)警——做到避免損失”。顯然，“電路故障智能化預(yù)警裝置”的這種保護(hù)方式使其在產(chǎn)品與應(yīng)用上具有一定的優(yōu)勢(shì)。

產(chǎn)品上的優(yōu)勢(shì)是因?yàn)樵撗b置為創(chuàng)新產(chǎn)品，制造單位會(huì)有較為廣闊的生產(chǎn)與開(kāi)發(fā)空間。其可單獨(dú)生產(chǎn)不同的產(chǎn)品，如：可分別生產(chǎn)“電源側(cè)”、“線路側(cè)”、“負(fù)荷側(cè)”的裝置，且有“高壓”、“低壓”、“交流”、“直流”之分；亦可將這些單獨(dú)的、不同規(guī)格、不同用途的“裝置”全套生產(chǎn)，從而形成多種系列產(chǎn)品。

在應(yīng)用上，對(duì)故障實(shí)施預(yù)警保護(hù)的需求領(lǐng)域廣闊，它既可單獨(dú)分散裝設(shè)在各種電路的不同部位，對(duì)某一特定保護(hù)對(duì)象實(shí)施預(yù)警；又可將其組合，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)成不同的系統(tǒng)，用于各種電網(wǎng)之中，如：變配電網(wǎng)絡(luò)，清潔能源電網(wǎng)，分布式電網(wǎng)、微電網(wǎng)，乃至智能電網(wǎng)之中。限于本人水平，上述探討，謬誤難免，望廣大電氣同仁不吝賜正。

（編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為““電路故障智能化預(yù)警裝置”探討”，作者為趙克季。）