電氣自動化控制設備的可靠性分析

河南卷煙工業煙草薄片有限公司 彭 驍 河南中煙工業有限責任公司許昌卷煙廠 袁婷婷 師亞珊

1 研究目的

提高電氣自動化控制設備的可靠性是工業企業迫切需要解決的問題。目前，在我國電氣自動化控制設備的制造、安裝和運行中，存在著無法忽視的可靠性問題。本文將針對我國電氣自動化控制設備的現狀及存在問題，研究可靠性分析的相關技術和方法，探討可靠控制在電氣自動化領域的設計方法和發展趨勢，并針對氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）的故障情況提出相應的對策。通過研究分析，旨在為該領域提供一些提高設備可靠性的參考，為工業企業提高生產效率和安全保障作出積極的貢獻。

2 研究意義

本文旨在從電氣自動化控制設備的可靠性角度出發，分析我國電氣自動化控制設備的現狀及存在問題，并提出一些檢測方法及提高可靠性的策略。同時，本文探討可靠控制的設計方法和發展現狀，對氣體絕緣金屬封閉開關設備的故障分析及對策進行研究，以提高該設備的運行效率和安全性[1]。

3 電氣自動化控制設備的現狀及存在問題

3.1 可靠控制與容錯控制技術的關系

可靠性控制是電氣自動化控制的核心，在電氣自動化控制設備中，可靠性是指電氣自動化控制設備在規定的條件下，具有規定的性能和規定的工作狀態。而容錯控制技術則是使電氣自動化控制設備具有在發生故障后繼續工作的能力，并且能夠使其盡快恢復到正常工作狀態。所以，電氣自動化控制設備的可靠性是由其容錯技術來決定的。

3.2 容錯控制和可靠控制的異同

容錯控制與可靠控制是電氣自動化控制系統中兩種重要的控制方式，這兩種方式是電氣自動化控制系統的兩種不同的控制方式，兩者在應用過程中的區別主要表現如下。

一是可靠性設計是電氣自動化控制系統中最重要的一項內容，而容錯設計則是保證電氣自動化控制系統穩定運行和正常工作的重要手段。可靠性設計主要指在電氣自動化控制系統中保證其系統硬件和軟件能夠滿足實際需求。而容錯設計主要指當電氣自動化控制系統出現故障時，不會影響到電氣自動化控制系統正常運行和工作，保證電氣自動化控制系統能夠正常運行[2]。

二是可靠性與容錯設計的不同。首先可靠性與容錯設計在實際應用中具有不同的側重點。可靠性主要是指對設備進行合理、科學、有效的設計和制造；而容錯則主要是指對設備存在的問題進行及時解決和處理，保證電氣自動化控制設備能夠正常運行。

三是容錯與可靠設計在實際應用中存在不同之處。首先兩者在理論基礎上存在著不同之處。可靠是指在進行電氣自動化控制系統設計時要確保電氣自動化控制設備具有較高的可靠性；而容錯則是指在進行電氣自動化控制系統設計時要對設備存在問題進行及時解決和處理。

3.3 容錯控制和可靠控制相結合的應用

隨著科技的進步和社會經濟的發展，加強電氣自動化控制設備的研究和開發，對我國國民經濟的發展具有重要的作用。電器各類控制及應用列舉如圖1所示。

圖1 電器各類控制及應用列舉

4 提高電氣自動化控制設備的可靠性

電氣自動化控制設備也越來越智能化、微型化，相應的檢測方法也更加復雜和多樣化。在實際檢測中，可以采用的方法如下。

一是檢測元器件。一般來說，元器件是影響電氣自動化控制設備可靠性的關鍵因素。

二是檢測電路設計。電氣自動化控制設備的使用環境非常復雜，這對電路設計提出了更高的要求。

三是檢測系統穩定性和可靠性。如果不能保證元器件的穩定性和可靠性，就無法保證電氣自動化控制設備正常運行和使用壽命。

5 氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）的故障分析及對策

5.1 GIS 存在的故障情況

一是GIS 設備絕緣下降。GIS 設備在運行過程中，由于受到機械振動、磁場等作用，造成絕緣子的閃絡放電；由于 GIS 設備制造過程中使用不合格材料，如鍍鋅板等，其質量得不到保證，會造成 GIS 設備絕緣下降；由于操作過電壓及其他原因造成 GIS 設備的操作過電壓及放電。氣體絕緣金屬封閉開關設備如圖2所示。

圖2 氣體絕緣金屬封閉開關設備

二是當 GIS 內部進水時，會引起絕緣介質分解，使絕緣強度降低。當 GIS 內部進水后，水沿著絕緣間隙進入了金屬外殼，并在金屬外殼內積聚；當水通過外殼進入 GIS 的母排時，會使母排中的雜質聚集。當母排中的雜質含量達到一定的程度時，就會使母排出現局部放電，進而導致母排絕緣損壞。

三是開關合閘操作過電壓造成絕緣受損。當SF6開關合閘或分閘時，由于內部擊穿或者SF6氣體壓力太大而引起氣體絕緣金屬封閉開關設備（簡稱GIS）內部進水。由于進水后，發生局部放電或擊穿而導致 GIS 設備絕緣受損；由于SF6氣體壓力過大或過小而引起SF6氣體壓力太小或太大而導致SF6氣體泄漏到外界導致故障。

四是GIS 內部放電及電弧故障。在帶電作業或操作過程中發生局部放電、電弧故障引起的斷路器跳閘是常見的事故原因。如在帶電作業時因操作過電壓導致斷路器跳閘；在操作過程中因電弧放電引起斷路器跳閘；在操作過程中因機構故障而造成斷路器跳閘；在開關機構失靈時，由于機構間的不協調、不配合而造成斷路器的誤動作等。在檢修中發現 GIS 設備內部絕緣老化、絕緣材料質量差或不合格等問題造成 GIS 設備內部短路、接地等故障。

5.2 故障原因分析

5.2.1 接地故障

由于 GIS 絕緣系統的特殊性，使其容易發生因絕緣子閃絡造成的接地故障，其發生的原因主要是因為雷電過電壓和操作過電壓引起的，以及由其引起的設備內部產生的局部放電。

對于雷電過電壓引起的 GIS 設備內部產生的局部放電，其主要原因包括：首先是由于 GIS 在制造時采用了超高強度鋼材料，因而對雷電沖擊過電壓有一定的抵抗力；其次是由于 GIS 設備內部發生絕緣擊穿時，其擊穿電弧也有一定的抵抗力；此外， GIS 設備中存在一定數量的導電金屬部件（如絕緣子、母線觸頭等）也會增加其抵抗雷電沖擊過電壓的能力。在設備運行中需要定期進行放電試驗以及檢測 GIS 設備絕緣電阻或電位時，也不能忽視這些導電部件有無被擊穿的情況。

對于操作過電壓引起的 GIS 設備內部產生局部放電，其主要原因是由于 GIS 中存在一定數量的導電金屬部件（如絕緣子、母線觸頭等），由于這些導電金屬部件之間存在一定程度的接觸電阻，而在操作過程中這些導電金屬部件之間就會產生局部放電。在對 GIS 設備進行檢修時也會產生局部放電。

對于由操作過電壓引起的 GIS 設備內部產生局部放電，其主要原因包括：一是由于操作過電壓作用在 GIS 內部絕緣部件上會產生一定程度上的擊穿放電；二是由于斷路器分閘操作時，其電弧也會在母線觸頭、絕緣子等部位產生局部放電。

5.2.2 接地短路

接地短路是 GIS 常見的故障之一，會引起斷路器跳閘，甚至會使斷路器燒毀，威脅電網的安全運行。接地短路的種類如下。

一是單相接地。發生單相接地時，故障相的電壓是零，而正常相的電壓仍是零。單相接地短路時，電流較大，接地電阻很小，只有幾百歐或幾千歐，因而產生的電勢很低，一般在數十伏以下。由于故障相電流較大，將對設備的絕緣造成一定破壞。

二是兩相接地。當發生兩相接地時，短路電流較大，但由于三相負荷不平衡、相間距離太小、保護動作等原因使三相短路電流不能迅速消除。對于單相接地故障，在一定情況下可以通過調整負荷來消除故障電流，但對于兩相接地故障時由于存在相間距離，且三相負荷不平衡、相間距離太小等原因使三相短路電流不能迅速消除。

三是當發生三相短路時，在一定情況下可以通過調整負荷來消除故障電流。

四是三次接地。當發生三次接地時，如果故障點在保護裝置的范圍之內時就會引起保護動作。如果保護動作不可靠或不正確，可能會導致斷路器跳閘。

五是相間短路是由于線路絕緣被擊穿或由于開關的誤操作引起的。當發生相間短路時，如開關機構運行人員誤操作或接地刀閘未合上時都會引起斷路器跳閘。

六是地短路。地短路是指由于大地不接地或大地與絕緣子鐵芯之間存在間隙而使接地電流流入GIS 設備的故障。地短路時由于存在很大的電場強度和磁場強度以及很大的能量損耗導致大地電壓升高。由于地短路電流較大故一般很難發現，只有在運行中進行監測才能發現。

5.2.3 針對故障原因的對策

一是采用新型的滅弧室，以提高滅弧室的絕緣性能，從而減少內部放電的產生。二是對 GIS進行定期維護，并對其進行預防性試驗，以保證其運行的可靠性。三是加強對 GIS 的管理工作，并制定相應的管理制度。四是加大宣傳力度，提高廣大用戶的安全意識和保護意識。在 GIS 檢修時應嚴格按照《電力設備預防性試驗規程》和《電力設備預防性試驗標準》等進行檢驗、試驗。

6 結語

本文從電氣自動化控制設備的可靠性角度出發，對我國電氣自動化控制設備的現狀及存在問題進行了分析，提出了一些檢測方法及提高可靠性的策略。同時，對氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）的故障情況提出相應的對策。本文的研究對于提高電氣自動化控制設備的可靠性具有重要的現實意義，并對工業企業提高生產效率和安全保障作出積極的貢獻。本文深入探討了可靠控制的設計方法和發展現狀，并針對氣體絕緣金屬封閉開關設備的故障分析及對策進行了研究。通過本文的研究，旨在為電氣自動化控制設備的可靠性提升提供參考。