电气自动化控制设备的可靠性分析

河南卷烟工业烟草薄片有限公司 彭 骁 河南中烟工业有限责任公司许昌卷烟厂 袁婷婷 师亚珊

1 研究目的

提高电气自动化控制设备的可靠性是工业企业迫切需要解决的问题。目前，在我国电气自动化控制设备的制造、安装和运行中，存在着无法忽视的可靠性问题。本文将针对我国电气自动化控制设备的现状及存在问题，研究可靠性分析的相关技术和方法，探讨可靠控制在电气自动化领域的设计方法和发展趋势，并针对气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）的故障情况提出相应的对策。通过研究分析，旨在为该领域提供一些提高设备可靠性的参考，为工业企业提高生产效率和安全保障作出积极的贡献。

2 研究意义

本文旨在从电气自动化控制设备的可靠性角度出发，分析我国电气自动化控制设备的现状及存在问题，并提出一些检测方法及提高可靠性的策略。同时，本文探讨可靠控制的设计方法和发展现状，对气体绝缘金属封闭开关设备的故障分析及对策进行研究，以提高该设备的运行效率和安全性[1]。

3 电气自动化控制设备的现状及存在问题

3.1 可靠控制与容错控制技术的关系

可靠性控制是电气自动化控制的核心，在电气自动化控制设备中，可靠性是指电气自动化控制设备在规定的条件下，具有规定的性能和规定的工作状态。而容错控制技术则是使电气自动化控制设备具有在发生故障后继续工作的能力，并且能够使其尽快恢复到正常工作状态。所以，电气自动化控制设备的可靠性是由其容错技术来决定的。

3.2 容错控制和可靠控制的异同

容错控制与可靠控制是电气自动化控制系统中两种重要的控制方式，这两种方式是电气自动化控制系统的两种不同的控制方式，两者在应用过程中的区别主要表现如下。

一是可靠性设计是电气自动化控制系统中最重要的一项内容，而容错设计则是保证电气自动化控制系统稳定运行和正常工作的重要手段。可靠性设计主要指在电气自动化控制系统中保证其系统硬件和软件能够满足实际需求。而容错设计主要指当电气自动化控制系统出现故障时，不会影响到电气自动化控制系统正常运行和工作，保证电气自动化控制系统能够正常运行[2]。

二是可靠性与容错设计的不同。首先可靠性与容错设计在实际应用中具有不同的侧重点。可靠性主要是指对设备进行合理、科学、有效的设计和制造；而容错则主要是指对设备存在的问题进行及时解决和处理，保证电气自动化控制设备能够正常运行。

三是容错与可靠设计在实际应用中存在不同之处。首先两者在理论基础上存在着不同之处。可靠是指在进行电气自动化控制系统设计时要确保电气自动化控制设备具有较高的可靠性；而容错则是指在进行电气自动化控制系统设计时要对设备存在问题进行及时解决和处理。

3.3 容错控制和可靠控制相结合的应用

随着科技的进步和社会经济的发展，加强电气自动化控制设备的研究和开发，对我国国民经济的发展具有重要的作用。电器各类控制及应用列举如图1所示。

图1 电器各类控制及应用列举

4 提高电气自动化控制设备的可靠性

电气自动化控制设备也越来越智能化、微型化，相应的检测方法也更加复杂和多样化。在实际检测中，可以采用的方法如下。

一是检测元器件。一般来说，元器件是影响电气自动化控制设备可靠性的关键因素。

二是检测电路设计。电气自动化控制设备的使用环境非常复杂，这对电路设计提出了更高的要求。

三是检测系统稳定性和可靠性。如果不能保证元器件的稳定性和可靠性，就无法保证电气自动化控制设备正常运行和使用寿命。

5 气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）的故障分析及对策

5.1 GIS 存在的故障情况

一是GIS 设备绝缘下降。GIS 设备在运行过程中，由于受到机械振动、磁场等作用，造成绝缘子的闪络放电；由于 GIS 设备制造过程中使用不合格材料，如镀锌板等，其质量得不到保证，会造成 GIS 设备绝缘下降；由于操作过电压及其他原因造成 GIS 设备的操作过电压及放电。气体绝缘金属封闭开关设备如图2所示。

图2 气体绝缘金属封闭开关设备

二是当 GIS 内部进水时，会引起绝缘介质分解，使绝缘强度降低。当 GIS 内部进水后，水沿着绝缘间隙进入了金属外壳，并在金属外壳内积聚；当水通过外壳进入 GIS 的母排时，会使母排中的杂质聚集。当母排中的杂质含量达到一定的程度时，就会使母排出现局部放电，进而导致母排绝缘损坏。

三是开关合闸操作过电压造成绝缘受损。当SF6开关合闸或分闸时，由于内部击穿或者SF6气体压力太大而引起气体绝缘金属封闭开关设备（简称GIS）内部进水。由于进水后，发生局部放电或击穿而导致 GIS 设备绝缘受损；由于SF6气体压力过大或过小而引起SF6气体压力太小或太大而导致SF6气体泄漏到外界导致故障。

四是GIS 内部放电及电弧故障。在带电作业或操作过程中发生局部放电、电弧故障引起的断路器跳闸是常见的事故原因。如在带电作业时因操作过电压导致断路器跳闸；在操作过程中因电弧放电引起断路器跳闸；在操作过程中因机构故障而造成断路器跳闸；在开关机构失灵时，由于机构间的不协调、不配合而造成断路器的误动作等。在检修中发现 GIS 设备内部绝缘老化、绝缘材料质量差或不合格等问题造成 GIS 设备内部短路、接地等故障。

5.2 故障原因分析

5.2.1 接地故障

由于 GIS 绝缘系统的特殊性，使其容易发生因绝缘子闪络造成的接地故障，其发生的原因主要是因为雷电过电压和操作过电压引起的，以及由其引起的设备内部产生的局部放电。

对于雷电过电压引起的 GIS 设备内部产生的局部放电，其主要原因包括：首先是由于 GIS 在制造时采用了超高强度钢材料，因而对雷电冲击过电压有一定的抵抗力；其次是由于 GIS 设备内部发生绝缘击穿时，其击穿电弧也有一定的抵抗力；此外， GIS 设备中存在一定数量的导电金属部件（如绝缘子、母线触头等）也会增加其抵抗雷电冲击过电压的能力。在设备运行中需要定期进行放电试验以及检测 GIS 设备绝缘电阻或电位时，也不能忽视这些导电部件有无被击穿的情况。

对于操作过电压引起的 GIS 设备内部产生局部放电，其主要原因是由于 GIS 中存在一定数量的导电金属部件（如绝缘子、母线触头等），由于这些导电金属部件之间存在一定程度的接触电阻，而在操作过程中这些导电金属部件之间就会产生局部放电。在对 GIS 设备进行检修时也会产生局部放电。

对于由操作过电压引起的 GIS 设备内部产生局部放电，其主要原因包括：一是由于操作过电压作用在 GIS 内部绝缘部件上会产生一定程度上的击穿放电；二是由于断路器分闸操作时，其电弧也会在母线触头、绝缘子等部位产生局部放电。

5.2.2 接地短路

接地短路是 GIS 常见的故障之一，会引起断路器跳闸，甚至会使断路器烧毁，威胁电网的安全运行。接地短路的种类如下。

一是单相接地。发生单相接地时，故障相的电压是零，而正常相的电压仍是零。单相接地短路时，电流较大，接地电阻很小，只有几百欧或几千欧，因而产生的电势很低，一般在数十伏以下。由于故障相电流较大，将对设备的绝缘造成一定破坏。

二是两相接地。当发生两相接地时，短路电流较大，但由于三相负荷不平衡、相间距离太小、保护动作等原因使三相短路电流不能迅速消除。对于单相接地故障，在一定情况下可以通过调整负荷来消除故障电流，但对于两相接地故障时由于存在相间距离，且三相负荷不平衡、相间距离太小等原因使三相短路电流不能迅速消除。

三是当发生三相短路时，在一定情况下可以通过调整负荷来消除故障电流。

四是三次接地。当发生三次接地时，如果故障点在保护装置的范围之内时就会引起保护动作。如果保护动作不可靠或不正确，可能会导致断路器跳闸。

五是相间短路是由于线路绝缘被击穿或由于开关的误操作引起的。当发生相间短路时，如开关机构运行人员误操作或接地刀闸未合上时都会引起断路器跳闸。

六是地短路。地短路是指由于大地不接地或大地与绝缘子铁芯之间存在间隙而使接地电流流入GIS 设备的故障。地短路时由于存在很大的电场强度和磁场强度以及很大的能量损耗导致大地电压升高。由于地短路电流较大故一般很难发现，只有在运行中进行监测才能发现。

5.2.3 针对故障原因的对策

一是采用新型的灭弧室，以提高灭弧室的绝缘性能，从而减少内部放电的产生。二是对 GIS进行定期维护，并对其进行预防性试验，以保证其运行的可靠性。三是加强对 GIS 的管理工作，并制定相应的管理制度。四是加大宣传力度，提高广大用户的安全意识和保护意识。在 GIS 检修时应严格按照《电力设备预防性试验规程》和《电力设备预防性试验标准》等进行检验、试验。

6 结语

本文从电气自动化控制设备的可靠性角度出发，对我国电气自动化控制设备的现状及存在问题进行了分析，提出了一些检测方法及提高可靠性的策略。同时，对气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）的故障情况提出相应的对策。本文的研究对于提高电气自动化控制设备的可靠性具有重要的现实意义，并对工业企业提高生产效率和安全保障作出积极的贡献。本文深入探讨了可靠控制的设计方法和发展现状，并针对气体绝缘金属封闭开关设备的故障分析及对策进行了研究。通过本文的研究，旨在为电气自动化控制设备的可靠性提升提供参考。