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(huán)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(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，如果得不到及時的處理或處理不當，就可能引起事故，造成電能質(zhì)量下降、用戶停電，甚至?xí)θ藛T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)了各種繼電保護裝置。有的動作于跳閘，以切除故障電路及設(shè)備；有的則發(fā)出信號，用以警示，告知相關(guān)人員某處有某項異?；蚬收?，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(tǒng)的正常運行。

當今，電氣與計算機、單片機相結(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，有的還能對電路故障實施早期預(yù)警。因而，他們提升了繼電保護技術(shù)裝備的水平。顯然，這種先進而能夠?qū)﹄娐饭收蠈嵤┰缙陬A(yù)警的功能，是電力裝置與系統(tǒng)可靠運行的重要保障。

“智能電網(wǎng)”的目標之一就是保證電力系統(tǒng)更加安全可靠的運行，以形成可靠而堅強的“電氣網(wǎng)絡(luò)”。要實現(xiàn)這一目標，勢必會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別與早期檢測功能的“電路故障智能化預(yù)警裝置”進行探討。

電路故障的類型與特點概述

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

發(fā)生于“電源側(cè)”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(cè)”故障主要有短路、斷路、過流、接地、漏電、接觸不良等；而“負荷側(cè)”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，這里僅作以下概述：

● 故障發(fā)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，這種囿于電子流動而引發(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。

● 危害大

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

● 發(fā)生發(fā)展的時間過程長短不一

有的電路故障發(fā)生發(fā)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(shù)日、數(shù)月的發(fā)展時間。

● 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)警保護裝置

目前，電工技術(shù)領(lǐng)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(yù)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(chǎn)品，如：作用于信號的各種繼電保護裝置，微機監(jiān)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(zāi)報警、監(jiān)控系統(tǒng)等。

這些電路故障預(yù)警保護裝置，在保證電力系統(tǒng)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(chǎn)品。盡管如此，它們還有不足之處。如：它們均不能對“相-相”、“相-零”之間的漏電實施預(yù)警與保護，不能對一些“接觸不良”的電路故障實施預(yù)警與保護，不能對一些電氣繞組元件的“匝間短路”實施預(yù)警與保護等。

正是這些不盡之處，不啻為電路故障仍時有發(fā)生的緣由。鑒于此，各種電力裝置、系統(tǒng)，尤其是當今大力推進的智能電網(wǎng)，需要先進、可靠而保護范圍更為廣泛的產(chǎn)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(yù)警裝置”，當屬必然，此亦撰寫本文之初衷。

“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別與早期檢測功能的“電路故障智能化預(yù)警裝置”，試圖彌補其不足。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，該裝置可對上述三種類型故障實施預(yù)警與保護。

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

再者，這種裝置設(shè)計了可對上述故障智能識別與早期檢測的環(huán)節(jié)，以及針對其各自不同的特點而進行智能處理的單片機內(nèi)核，使其具有較強的智能化預(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發(fā)生發(fā)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(xiàn)預(yù)警。這就需要研發(fā)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(chǎn)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(shè)計了“智能確認芯片”電路，進行進一步的處理并最終確認。

下面僅舉幾例，予以佐證（見表1）。

表1

這里需要說明的是，第1、2項事例發(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(jiān)護，其通過180A（1.5Ie）電流達4h時，該節(jié)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(xù)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(jié)點處有水汽產(chǎn)生，說明該處相-相漏電故障電流已增大到使節(jié)點處的絕緣發(fā)熱，致使其表面水分蒸發(fā)的程度。

第3項實例是第1項實例的另一項試驗，當?shù)?項實例經(jīng)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(shù)據(jù)，當線路再次以第1項試驗值超負荷運行至4h后，接續(xù)第3項試驗，得到該項數(shù)據(jù)。

第4項事例發(fā)生在1970年的河北省某企業(yè)，當時發(fā)現(xiàn)該接觸器所帶電機運轉(zhuǎn)聲音異常，經(jīng)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(fā)生在天津某電機制造企業(yè)，某批量產(chǎn)品做出廠試驗時，發(fā)現(xiàn)一臺電機不合格，將其取出單獨試驗，得此數(shù)據(jù)。

通過對大量的觀測與試驗數(shù)據(jù)進行整理、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：

● 都屬于“發(fā)生發(fā)展過程較慢”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“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。其中兩個關(guān)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(xiàn)有的漏電保護芯片，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、判斷、識別環(huán)節(jié)”以及“智能確認環(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)有的漏電保護芯片已屬成熟技術(shù)，以該類芯片為基礎(chǔ)的“電路故障智能識別傳感器”與“智能確認芯片”，其技術(shù)也是成熟而可靠的。通過多次試驗、比選，目前，適于“負荷側(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)”的該類裝置電路圖也在陸續(xù)研發(fā)、設(shè)計之中。

“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)的電路保護方式是：“感知故障的發(fā)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(yù)警裝置”的保護方式是：“識別、檢測故障的初始值——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”的這種保護方式使其在產(chǎn)品與應(yīng)用上具有一定的優(yōu)勢。

產(chǎn)品上的優(yōu)勢是因為該裝置為創(chuàng)新產(chǎn)品，制造單位會有較為廣闊的生產(chǎn)與開發(fā)空間。其可單獨生產(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，對故障實施預(yù)警保護的需求領(lǐng)域廣闊，它既可單獨分散裝設(shè)在各種電路的不同部位，對某一特定保護對象實施預(yù)警；又可將其組合，通過網(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)》，原文標題為““電路故障智能化預(yù)警裝置”探討”，作者為趙克季。）