考慮電力元器件失效期的繼電保護(hù)狀態(tài)檢修策略研究

陳驊鑫

（山西大同大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，大同 037009）

所謂繼電保護(hù)裝置是指當(dāng)電力系統(tǒng)（電網(wǎng)）中的電氣設(shè)備（如變壓器、開關(guān)等）或線路發(fā)故障，此故障對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生了影響以至于影響了系統(tǒng)的安全運(yùn)行，而且故障發(fā)生后不能短時(shí)間內(nèi)解決，此時(shí)通過(guò)向運(yùn)行值班人員發(fā)出警告信號(hào)，或者直接通過(guò)電氣回路對(duì)所控制的斷路器發(fā)出跳閘命令來(lái)將故障設(shè)備從電力系統(tǒng)中切除防止事故擴(kuò)大的一種自動(dòng)化裝置。在電力系統(tǒng)中，繼電保護(hù)裝置的主要作用是在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)起監(jiān)視作用，一旦設(shè)備或者線路出現(xiàn)異常或者故障時(shí)，它能在很短的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)操作開關(guān)等裝置準(zhǔn)確的將故障線路或設(shè)備從系統(tǒng)中切除出去，從而保證電力系統(tǒng)能夠繼續(xù)正常穩(wěn)定的運(yùn)行。它使得電力系統(tǒng)更加的穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)中某處的故障而影響其他用戶，因?yàn)榧皶r(shí)切除了故障，故障也就不會(huì)擴(kuò)大，相應(yīng)的對(duì)設(shè)備的傷害程度也大大降低了。

1 繼電保護(hù)狀態(tài)檢修綜述

狀態(tài)檢修（CBM，condition based mainte-nance）或預(yù)知性維修（PDM，predictive diagnosticmaintenance）從設(shè)備現(xiàn)行運(yùn)行狀態(tài)入手，將監(jiān)測(cè)到的狀態(tài)數(shù)據(jù)整理上傳，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，在設(shè)備故障發(fā)生前就通過(guò)設(shè)備不良運(yùn)行狀態(tài)做出判斷，對(duì)故障可能產(chǎn)生的部位、故障可能進(jìn)一步發(fā)展程度以及任其發(fā)展可能造成的不良影響作出判斷，從而確定各機(jī)件的最佳維修時(shí)機(jī)。在1970年[1]，狀態(tài)檢修出現(xiàn)在美國(guó)的杜邦公司I.D.Quinn。要想實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修，就需要獲得繼電保護(hù)裝置的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過(guò)分析所獲得的各個(gè)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)對(duì)比才能估計(jì)出繼電保護(hù)裝置狀態(tài)將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，在故障或異常出現(xiàn)之前，提前檢修，達(dá)到效益最大化。

2 繼電保護(hù)裝置元件的失效

2.1 失效期

繼電保護(hù)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(duì)繼電保護(hù)的可靠性起決定性作用，因此要想實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)狀態(tài)評(píng)價(jià)和狀態(tài)檢修就要清楚了解其各個(gè)元器件可能產(chǎn)生的故障以及功能失效原理。從工作時(shí)間分，微電子元件失效期大致可以劃分為3個(gè)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(yùn)行、處于磨合期，也可能存在功能不完善等原因，這個(gè)階段失效頻率較高；偶然失效期則是元器件投入運(yùn)行后，通過(guò)一定時(shí)間達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)行階段，一般來(lái)說(shuō)這個(gè)階段元件失效率很低；耗損失效期，是指元器件長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，磨損、長(zhǎng)時(shí)間過(guò)負(fù)荷運(yùn)行、散熱不足等使得損耗加重，這個(gè)階段故障率也很高[2]。

2.2 失效表現(xiàn)

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

（1）老化失效指的是隨著時(shí)間推移，磨損增加，各項(xiàng)功能逐漸衰退，最終導(dǎo)致回路或者裝置不能正常工作，是一種過(guò)渡性的過(guò)程失效。表現(xiàn)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(wú)法工作；元件有時(shí)能實(shí)現(xiàn)其功能，有時(shí)喪失功能，回路工作斷續(xù)更替；元件精度降低，使得儀表等設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)其功能，出現(xiàn)誤動(dòng)等情況。元件的老化失效，除了自身因?yàn)槠溥\(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、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(huán)境就將會(huì)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(shí)性因素導(dǎo)致元件失去原有功能的失效模式，這種失效模式不存在過(guò)渡期，而導(dǎo)致失效的因素一般是是由于突然的過(guò)載、過(guò)壓，甚至是元件本身質(zhì)量存在問(wèn)題等原因，這種失效一旦發(fā)生，就使得元件永久失效，使得元件完全喪失作用，不能繼續(xù)工作，通常破壞性失效突發(fā)的。

2.3 失效原因

半導(dǎo)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(cè)合格率低和結(jié)構(gòu)存在問(wèn)題。表現(xiàn)形式一般有燒損、管腳虛接或掉落、芯片粘接出現(xiàn)問(wèn)題、鍵合點(diǎn)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(tài)指標(biāo)選取

狀態(tài)指標(biāo)選取，根據(jù)地區(qū)電網(wǎng)情況，從多年的缺陷表進(jìn)行選擇，繼電保護(hù)裝置本身主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷的概率比較低，其出現(xiàn)缺陷的部位大多為繼電保護(hù)裝置的插件，這是因?yàn)槔^電保護(hù)裝置為各個(gè)廠家的專利產(chǎn)品，對(duì)于生產(chǎn)技術(shù)比較成熟，一般為模塊化裝置，做功和工業(yè)化水平較高。因此，出現(xiàn)問(wèn)題的概率較低，因此，對(duì)于檢修來(lái)說(shuō)，應(yīng)該不將其列為重點(diǎn)的檢修對(duì)象。

在繼電保護(hù)裝置的二次回路方面，就會(huì)存在較多的缺陷，因?yàn)槎位芈窞楝F(xiàn)場(chǎng)二次施工，施工人員技術(shù)水平差異大，做功不仔細(xì)，難以保證質(zhì)量，例如在二次回路上的報(bào)警，燈顯裝置等，并且難以被巡視人員發(fā)現(xiàn)，存在不易覺察的安全隱患。

通過(guò)多年數(shù)據(jù)對(duì)比，繼電保護(hù)裝置的缺陷主要是與該裝置的使用年限有關(guān)，而與繼電保護(hù)裝置的數(shù)量、廠家等關(guān)系并不大，使用年限越久的裝置，各個(gè)方面出現(xiàn)問(wèn)題的概率會(huì)增大，裝置的二次安裝技術(shù)人員水平關(guān)系也比較大。因此，指標(biāo)選擇從上述幾個(gè)方面綜合考慮。

3.2 層次分析模型構(gòu)建

指標(biāo)權(quán)重的確定需要用到層次分析方法，就是把相對(duì)復(fù)雜的眾多目標(biāo)做成一個(gè)系統(tǒng)，依據(jù)準(zhǔn)則進(jìn)行分解，用定性指標(biāo)模糊量化的方法進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和排序，并將這一結(jié)果作為系統(tǒng)優(yōu)化的依據(jù)。層次分析法首先會(huì)把決策問(wèn)題按照順序進(jìn)行分割，該順序是：首先是總體目標(biāo)，之后是每一層次的字母表，再次是對(duì)于評(píng)價(jià)的準(zhǔn)備，最后是做出具體的備投方案。隨后通過(guò)數(shù)學(xué)的求解方法進(jìn)行優(yōu)先權(quán)的判斷。在最后，利用加權(quán)求和，權(quán)衡總目標(biāo)的權(quán)重，其中誰(shuí)的權(quán)重最大誰(shuí)就是最合適的方案。其實(shí)，所謂的最大的優(yōu)先權(quán)重，其實(shí)是相對(duì)的，就一個(gè)特點(diǎn)而言它是具有優(yōu)越性的，但是對(duì)于另一個(gè)特點(diǎn)它的相對(duì)量度未必會(huì)優(yōu)越。其步驟為建立層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)建判斷矩陣、層次單排及其一致性檢驗(yàn)3個(gè)[3]。

3.3 綜合評(píng)價(jià)法

確定指標(biāo)權(quán)重后，需要對(duì)整體進(jìn)行評(píng)判，所謂的模糊綜合評(píng)價(jià)法就是利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行相關(guān)的評(píng)價(jià)。它主要是使用模糊數(shù)學(xué)對(duì)相關(guān)的對(duì)質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素進(jìn)行評(píng)測(cè)并轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的定量評(píng)價(jià)。Zadeh是美國(guó)的一個(gè)著名的教授，他在上個(gè)世紀(jì)的六十年代中期提出了模糊數(shù)學(xué)，并首次發(fā)表于《Fuzzy sets》。比如：如何判定高矮、如何衡量重與輕、什么是質(zhì)量好與質(zhì)量不好。模糊思想專門用來(lái)解決這種模糊現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)很多年的研究發(fā)展，模糊數(shù)學(xué)理論越來(lái)越成熟，隨著就產(chǎn)生了模糊評(píng)價(jià)。它是先通過(guò)構(gòu)建多個(gè)層次的子集把要評(píng)價(jià)的對(duì)象的影響因素量化，再構(gòu)建出評(píng)價(jià)矩陣（多層級(jí)），最后進(jìn)行分析，從而確定出該對(duì)象的等級(jí)。該方法的優(yōu)點(diǎn)主要是很容易操作，而且更加便捷。模糊評(píng)價(jià)法的步驟具體如下[4]：

（1）構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。在模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建時(shí)，應(yīng)該對(duì)各種因素進(jìn)行綜合考慮。

（2）構(gòu)建指標(biāo)權(quán)重向量。在進(jìn)行權(quán)重向量的構(gòu)建的時(shí)候，主要采用AHP層次分析法等方法。

（3）構(gòu)建評(píng)價(jià)矩陣。為了構(gòu)建好評(píng)價(jià)矩陣，應(yīng)該建立合適的隸屬函數(shù)。

（4）評(píng)價(jià)矩陣和權(quán)重的合成。合適的合成因子有利于起進(jìn)行合成，合成以后再解釋結(jié)果向量。

4 結(jié)束語(yǔ)

繼電保護(hù)是電網(wǎng)的堅(jiān)強(qiáng)放線，而狀態(tài)檢修是繼電保護(hù)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(tài)檢修策略的思路，可以實(shí)現(xiàn)較為科學(xué)的制定檢修策略。為未來(lái)狀態(tài)檢修的不斷發(fā)展發(fā)展提供一種思考思路。