賈　雪　王曉旭

(吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，長(zhǎng)春　130118)

電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)研究綜述*

賈雪王曉旭

(吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，長(zhǎng)春130118)

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，電氣設(shè)備已深入到生活的各個(gè)領(lǐng)域中，電氣設(shè)備故障診斷成了目前研究的熱點(diǎn)之一.本文針對(duì)電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)的現(xiàn)狀以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、故障的分類(lèi)和常見(jiàn)的電氣故障以及故障診斷方法等進(jìn)行了分析.其中對(duì)常見(jiàn)電氣故障以及故障診斷方法方面做了重點(diǎn)闡述，為以后的課題研究奠定了理論基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞：電氣設(shè)備；常見(jiàn)故障；故障診斷

0引言

當(dāng)今社會(huì)正處于科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，隨著人們?nèi)粘Ｉ詈蜕鐣?huì)活動(dòng)需求不斷提高，高層樓宇不斷增加以及工業(yè)廠房不斷擴(kuò)大等，越來(lái)越多的電氣設(shè)備應(yīng)用到生活和工作中.與此同時(shí)，規(guī)模不斷擴(kuò)大的電氣系統(tǒng)，其功能也在日益完善，復(fù)雜程度也越來(lái)越高，伴隨而來(lái)了各種問(wèn)題.電氣結(jié)構(gòu)的日益大規(guī)模化以及其各子系統(tǒng)之前的錯(cuò)綜復(fù)雜，使得電氣設(shè)備出現(xiàn)故障的幾率成倍增長(zhǎng).而電力系統(tǒng)的基本元件就是電氣設(shè)備，一旦發(fā)生故障，輕則停電檢修，造成經(jīng)濟(jì)損失并且影響人們的正常工作和生活；重則引起電氣設(shè)備短路或者局部損壞，若發(fā)現(xiàn)不及時(shí)甚至可能發(fā)生火災(zāi)事故，危及人身安全.因此，電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)的研究，對(duì)保證電氣設(shè)備安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，減少經(jīng)濟(jì)損失以及避免人員傷亡等方面具有重要意義.

1電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)的現(xiàn)狀分析

現(xiàn)階段，人工檢測(cè)、人工查找故障原因和人工搶修這一流程，仍是許多電氣系統(tǒng)故障排除的主要方法.這對(duì)故障維修人員的素質(zhì)和能力要求極高，設(shè)備故障的維修方法以及恢復(fù)時(shí)間很大程度上取決于維修人員的個(gè)人水平和經(jīng)驗(yàn).在城市化建設(shè)迅速發(fā)展的今天，大量電氣設(shè)備廣泛應(yīng)用于各個(gè)不同領(lǐng)域中，并且逐漸向大規(guī)模集成化和自動(dòng)化發(fā)展.這就出現(xiàn)了大量的復(fù)雜系統(tǒng)和混雜系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)，錯(cuò)綜復(fù)雜，一旦發(fā)生故障，影響面很大.所以，這種傳統(tǒng)的故障診斷方法已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)今結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，功能日益完善的電氣系統(tǒng)，因此，電氣故障診斷技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生.

據(jù)國(guó)內(nèi)外調(diào)查顯示，在英國(guó)實(shí)行故障診斷技術(shù)的兩千家工廠中，共投資0.5億英鎊用于該技術(shù)的實(shí)施，其后一年中，設(shè)備的維修費(fèi)用同比下降了3億英鎊，節(jié)約費(fèi)用2.5億英鎊，是投資費(fèi)用的5倍之多.在日本，采用故障診斷技術(shù)的企業(yè)，設(shè)備停機(jī)檢修的時(shí)間平均下降50%，與此同時(shí)，事故率也下降了75%，維修費(fèi)用下降了25%~50%.在丹麥，某煉油廠采用故障診斷技術(shù)后，電機(jī)的維修工作量大大減少，維修費(fèi)用下降了75%.而在我國(guó)，僅冶金企業(yè)每年就要花掉250億元用于設(shè)備維修上，若該企業(yè)采用故障診斷技術(shù)，那么每年的設(shè)備維修費(fèi)將至少節(jié)約10%~30%，同時(shí)，也可減少約50%~70%的事故發(fā)生率[1].因此，如果采用故障診斷技術(shù)，及時(shí)的對(duì)故障作出診斷，不僅能提高設(shè)備的安全性和可靠性，大大減少事故的發(fā)生率，也將創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益.

2電氣設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

針對(duì)于電氣設(shè)備的設(shè)備故障診斷系統(tǒng)，主要是進(jìn)行故障部位的查找以及故障原因的分析，在盡短的時(shí)間內(nèi)找出解決故障的有效方法[2].通常將其分為信息監(jiān)測(cè)與采集、特征提取、狀態(tài)分析、狀態(tài)診斷以及診斷決策幾方面，見(jiàn)圖1.

圖1 故障診斷流程

(1) 信息監(jiān)測(cè)與采集.對(duì)運(yùn)行中的電氣設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，多由傳感器來(lái)反映待測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)確信息，并將該信息傳送到后續(xù)單元；

(2) 特征提取.對(duì)傳感器所反映出來(lái)的信息采取分類(lèi)、加工、處理等方法，將能夠反映故障特征的信號(hào)與無(wú)關(guān)信號(hào)進(jìn)行分離，去偽存真，提取出能代表設(shè)備當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)狀況的表征信號(hào)；

(3) 狀態(tài)分析.可采用不同方法對(duì)提取出的表征信號(hào)進(jìn)行分析，如：信號(hào)處理法、基于推理的方法等.將表征信號(hào)轉(zhuǎn)化為能表達(dá)狀態(tài)的特征量；

(4) 狀態(tài)診斷，根據(jù)分析出的特征量與歷史數(shù)據(jù)、知識(shí)庫(kù)、規(guī)章以及標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行比較，以此來(lái)判斷設(shè)備是否存在故障或者是故障隱患；

(5) 診斷決策.根據(jù)上一單元的診斷結(jié)果，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況存在的隱患或故障情況做出預(yù)測(cè)和判斷，來(lái)決定針對(duì)故障原因所采取的對(duì)策和措施.

3常見(jiàn)的電氣故障以及故障診斷方法

3.1　故障的分類(lèi)

故障是系統(tǒng)脫離了正常的運(yùn)行狀態(tài)從而引起了系統(tǒng)狀態(tài)功能上部分喪失或者完全喪失其原本具有的能力[3].可根據(jù)故障發(fā)生的時(shí)間以及故障發(fā)生時(shí)的相互作用關(guān)系分別對(duì)其進(jìn)行分類(lèi).

3.1.1按照故障發(fā)生的時(shí)間不同進(jìn)行分類(lèi)

按照故障的發(fā)生時(shí)間，可以將故障分為三大類(lèi)，分別為：系統(tǒng)原發(fā)性故障、損耗性故障以及偶發(fā)故障[3].

(1) 系統(tǒng)原發(fā)性故障.多數(shù)是因?yàn)樵O(shè)計(jì)欠缺或生產(chǎn)工藝沒(méi)有達(dá)到要求等留下的缺陷，并由該缺陷在后期運(yùn)行使用的過(guò)程中引發(fā)的故障.其特點(diǎn)是部分系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行使用后，各設(shè)備元件之間有了一定的磨合，故障的發(fā)生概率會(huì)逐步減少，但是也有一些比較嚴(yán)重的生產(chǎn)缺陷所引起的故障是不會(huì)因磨合的時(shí)間長(zhǎng)短而消失的；

(2) 損耗性故障.引起的原因是設(shè)備元件在日復(fù)一日的工作中，由于機(jī)械間的相互磨損或是外在原因，如工作環(huán)境的溫度、濕度或長(zhǎng)期使用不當(dāng)?shù)龋斐闪讼到y(tǒng)老化或損壞，使其無(wú)法正常運(yùn)行.特點(diǎn)是在系統(tǒng)運(yùn)行的后期發(fā)生損耗性故障的頻率越來(lái)越高，直到系統(tǒng)癱瘓；

(3) 偶發(fā)性故障.因一些偶然或不可預(yù)見(jiàn)的因素引起的，這類(lèi)故障的發(fā)生概率較低，相對(duì)于之前兩種比較少見(jiàn).

3.1.2按照故障發(fā)生時(shí)的相互作用關(guān)系進(jìn)行分類(lèi)

按照故障的發(fā)生時(shí)的相互作用關(guān)系，可以將故障分為四大類(lèi)，分別為：?jiǎn)卧垂收稀⒍嘣垂收?、?dú)立故障和從屬故障[4].

(1) 單源故障.發(fā)生的原因是由于某一處單獨(dú)的元件或參數(shù)發(fā)生損壞而引起的系統(tǒng)性故障.故障發(fā)生的部位雖只有一處，但引發(fā)的原因卻是多種多樣的；

(2) 多源故障.這種故障產(chǎn)生的原因可能是因多個(gè)元器件或是參數(shù)的損壞以及各個(gè)元件之前的相互干擾造成的，其復(fù)雜程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單源故障；

(3) 獨(dú)立故障.是由一類(lèi)故障原因造成的，可能發(fā)生于多個(gè)元件或者多個(gè)不同位置，不要混淆于單源故障；

(4) 從屬故障.是因?yàn)槠渌蛘邊?shù)的故障所造成的干擾或影響引起的連帶故障，元件本身沒(méi)有故障.

3.2　常見(jiàn)電氣故障

(1) 斷路故障.電路中最常見(jiàn)的故障.在電路中，因某些原因使原本正常的回路斷開(kāi)，形成開(kāi)路，該回路的連通性被損壞，原本流經(jīng)的電流無(wú)法順暢的通過(guò)，導(dǎo)致連接的裝置無(wú)法動(dòng)作.該故障多半是因?yàn)闄C(jī)械損傷造成的斷線(xiàn)，或是接觸點(diǎn)接觸不良，如：開(kāi)關(guān)觸電以及導(dǎo)線(xiàn)的聯(lián)結(jié)點(diǎn)等；

(2) 短路故障.由于導(dǎo)電部位的絕緣被擊穿，或是不同的電位之間被導(dǎo)體短接，形成短路[5].在電路中，電壓主要是施加在負(fù)載上，所以最嚴(yán)重的短路故障就是負(fù)載兩端短接.發(fā)生短路故障時(shí)，短路點(diǎn)的電阻值趨近為零，隨即用于保護(hù)電路的元器件發(fā)生動(dòng)作.在系統(tǒng)中，多個(gè)不同的電氣回路可能是被一個(gè)元器件所保護(hù)的.因此，一旦動(dòng)作可能造成多個(gè)回路無(wú)法正常工作，所以要盡快找到短路回路和短路點(diǎn)；

(3) 接地故障.由于導(dǎo)體對(duì)地的絕緣電阻變小，當(dāng)小于規(guī)定值時(shí)引起故障；

(4) 電氣設(shè)備與電氣元件的故障.電氣設(shè)備或元件因生產(chǎn)缺陷、安裝不當(dāng)、自身老化、維護(hù)不及時(shí)等原因造成的故障.常見(jiàn)的故障有電壓互感器高低壓側(cè)熔斷器熔斷、回路短線(xiàn)、開(kāi)關(guān)閉合時(shí)發(fā)熱冒煙；電流互感器聲音異常、開(kāi)路、發(fā)熱、冒煙、漏油；電動(dòng)機(jī)不能起動(dòng)、熔絲熔斷、外殼帶電；低壓斷路器無(wú)法閉合、輔助開(kāi)關(guān)故障、跳閘、溫升過(guò)高等；高壓斷路器操作機(jī)構(gòu)無(wú)法分?jǐn)?、漏油、短路接地等?/p>

(5) 諧波故障.造成諧波故障的原因，其一是由于各種各樣的特殊大功率負(fù)載，如交直流變換器、工業(yè)數(shù)控機(jī)床、個(gè)人計(jì)算機(jī)等可以將電流形成陡峭的脈沖電流，在中性線(xiàn)、相線(xiàn)以及變壓器上被這種脈沖電流引起同樣波形的電壓降，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓畸變，并將這個(gè)電壓供給其它負(fù)載；原因之二是容性負(fù)載和感性負(fù)載配置得不合理造成的電網(wǎng)震蕩而引起的諧波[6].

3.3　常見(jiàn)電氣故障的診斷方法

目前，故障診斷技術(shù)已逐漸發(fā)展成為一門(mén)綜合性學(xué)科，常用的電氣故障診斷方法可分為信號(hào)處理法、解析模型法、基于分類(lèi)法和基于推理法四大類(lèi)[7]，見(jiàn)表1.

表1 常見(jiàn)電氣設(shè)備故障診斷方法

(1) 信號(hào)處理法.該方法適用于可以測(cè)出系統(tǒng)的狀態(tài)，但是建立數(shù)學(xué)模型困難的系統(tǒng).利用測(cè)得的信號(hào)，來(lái)獲得存在于系統(tǒng)的多種特征向量和參數(shù)，如：高階統(tǒng)計(jì)量、頻譜、函數(shù)等.根據(jù)相關(guān)參數(shù)分析出故障原因；

(2) 解析模型法.該方法診斷的對(duì)象是在一定的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)上，可以建立相對(duì)比較精細(xì)的數(shù)學(xué)模型，從而對(duì)故障進(jìn)行診斷和處理.它可以敏感地察覺(jué)未知故障，這也是其優(yōu)勢(shì)所在.但在實(shí)際操作中，要建立較為精確的數(shù)學(xué)模型還是一個(gè)難點(diǎn)，這也是阻礙其推廣的一個(gè)重要原因；

(3) 基于分類(lèi)法.該方法適用于被測(cè)系統(tǒng)可以很好地測(cè)得輸入輸出信號(hào)，并對(duì)所得信號(hào)進(jìn)行處理.根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)進(jìn)行故障判別和推理，以此來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行診斷.該方法具有較好的實(shí)時(shí)性和模式識(shí)別能力；

(4) 基于推理法.該方法適用于根據(jù)以往故障發(fā)生時(shí)獲得的大量經(jīng)驗(yàn)，將抽象的信息轉(zhuǎn)化成能代表設(shè)備的機(jī)械語(yǔ)言表達(dá)方式，并進(jìn)行總結(jié)分析.根據(jù)以往獲得的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行判斷推理，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)故障診斷.該方法的優(yōu)點(diǎn)是不依賴(lài)于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，也不需要被診斷系統(tǒng)的故障模式樣本數(shù)據(jù).

4結(jié)語(yǔ)

隨著人們對(duì)電氣設(shè)備的使用要求逐年增高，電氣設(shè)備的可靠性與安全性愈發(fā)被重視.要想實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的自動(dòng)化和智能化，提高電氣設(shè)備的安全性和可靠性，電氣設(shè)備故障診斷將成為電氣系統(tǒng)中不可忽視的重要環(huán)節(jié).

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[7] 申莉.建筑電氣故障自診斷技術(shù)應(yīng)用[D].北京：北京建筑大學(xué),2014.

*基金項(xiàng)目：吉林省科技廳項(xiàng)目(20130206090SF).

Research on Summary of Electrical Equipment Fault Diagnosis Technology

JIA Xue，WANG Xiao-xu

(SchoolofElectricandElectronInformationEngineering,JilinJianzhuUniversity,Changchun,China130118)

Abstract：With the rapid development of science and technology, electrical equipment has penetrated into various fields, electrical equipment fault diagnosis has become one of the hot research. In this paper, the status quo of electrical equipment fault diagnosis technology and system architecture, fault classification and common electrical faults and fault diagnosis methods are analyzed. Which the common electrical fault and fault diagnosis methods are emphasized, laid the theoretical foundation for future research.

Keywords:electrical equipment；common faults；fault diagnosis

中圖分類(lèi)號(hào)：TP 207

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-8919(2015)06-0049-04

作者簡(jiǎn)介：賈雪(1972~)，女，吉林省長(zhǎng)春市人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士.

收稿日期：2015-02-19.